基于DQ變換的三相PWM整流器控制方案研究及仿真

1、基于DQ變換的三相PWM整流器控制方案研究及仿真 摘要：本文采用DQ坐標變換對三相電壓型PWM整流器進行建模，在此基礎(chǔ)上分析了相應的控制策略，并對其進行了仿真，給出了仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：DQ變換，控制策略，仿真 1 前言傳統(tǒng)的晶閘管或二極管整流器存在如下的缺點：輸入電流諧波含量高；輸入功率因數(shù)低；整流器效率低；交流側(cè)電網(wǎng)電壓畸變嚴重。而具有功率因數(shù)矯正的PWM整流器具有輸入電流正弦化，諧波含量低，功率因數(shù)高等優(yōu)點，已成為電力電子學研究的熱點之一。一般的三相PWM整流器通常采用直接的電壓和電流雙閉環(huán)控制方式，這樣的控制用模擬電路實現(xiàn)簡單，但難以建立起精確的模型，對控制環(huán)的參數(shù)設(shè)計也比較復雜。本文采

2、用DQ坐標變換對三相電壓型PWM整流器進行建模，將三相的平衡電量變?yōu)橹绷髁浚诖嘶A(chǔ)上給出了相應的控制策略，并對其進行了仿真，給出了仿真結(jié)果。2 DQ坐標系下三相PWM整流器模型【1】 三相電壓型PWM整流器的拓撲如圖1所示： 圖1 三相電壓型PWM整流器由圖1已知，、為三相輸入電壓源，為三相輸入電流，為輸出直流電流，為輸出直流電壓，L為三相的輸入電感，為三相開關(guān)函數(shù)，C為輸出電容，R為負載。 對于三相電壓型PWM整流器，有下列關(guān)系成立： （1） （2）其中，且。 （3） （4）對照整流器拓撲，可寫出交流側(cè)的狀態(tài)方程： （5）另外，直流側(cè)的方程如下： （6）最后可以得到： （7）其中，由式（1

3、）和（2）可得： （8）其中，。上式代入式（7）得到三相坐標系下的PWM整流器的模型： （9）由模型可知，其中包含三相電量的交流分量，這對控制策略的精確設(shè)計增加了困難。下面將用DQ坐標變換對此模型進行簡化。應用DQ坐標變換關(guān)系及關(guān)系式，由上式（9）得到經(jīng)DQ坐標變換后的三相PWM整流器模型： （10）由上式即可得到DQ坐標系三相電壓型PWM整流器模型的等效電路，如圖2所示。 圖 2 DQ坐標系三相電壓型PWM整流器模型等效電路在此模型下，所有的變量都已變?yōu)橹绷髁?，這樣便于我們對控制環(huán)進行精確設(shè)計。3 基于DQ變換的控制方案 上面我們得出了在DQ坐標系下的三相PWM整流器的等效模型，由此得出基于

4、DQ變換的控制方案的流程框圖，如圖3所示。 圖3 基于DQ變換的控制方案框圖 此控制方案是將三相輸入電流進行DQ坐標變換，得到直流電流反饋信號。為了實現(xiàn)調(diào)壓目的，讓去跟蹤電壓外環(huán)輸出來的直流信號；為了實現(xiàn)高功率因數(shù)的目的，讓盡量趨近于0，消除電流中的無功分量。下面分別對電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)進行分析。31 電流內(nèi)環(huán)分析由上面可以看到，電流內(nèi)環(huán)實際上是對直流量進行調(diào)解。為了更好的實現(xiàn)調(diào)壓目的和高功率因數(shù)目的，讓跟蹤電壓外環(huán)輸出來的直流信號和趨近于0，電流環(huán)的調(diào)節(jié)器可采用PI調(diào)節(jié)器，由文獻【2】得電流內(nèi)環(huán)的PI控制原理框圖，如下圖3所示。 圖3 電流內(nèi)環(huán)控制原理框圖由此可得電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)： （11

5、）可見，這是個二階系統(tǒng)，在實際的設(shè)計中，可借助仿真的工具來進行設(shè)計、調(diào)節(jié)。在設(shè)計中，的電流調(diào)節(jié)器應取的參數(shù)一樣。32 電壓外環(huán)的分析電壓調(diào)節(jié)器做為外環(huán)調(diào)節(jié)，可以穩(wěn)定輸出的直流電壓。根據(jù)文獻【3】獲得整流器系統(tǒng)輸入電流和輸出直流電壓之間的傳遞函數(shù)： （12）其中，為整流器的輸入電阻，為輸入電壓的有效值。采用此模型分析，考慮系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行，無功電流分量近似為0，因而在電流閉環(huán)作用下，動態(tài)過程中變化很小。在直流電壓發(fā)生較大變化前，已完成了其暫態(tài)過程到達到0。因此設(shè)計時不考慮的影響。將電壓外環(huán)加上電流內(nèi)環(huán)合并，得到下圖4所示的電壓控制框圖。 圖4 電壓控制框圖：由圖4可以得到電壓外環(huán)的傳遞函數(shù)： （

6、13）這樣就便于我們在仿真中對控制環(huán)的PI參數(shù)進行設(shè)計、調(diào)節(jié)。33 PWM產(chǎn)生方案采用的還是SPWM的調(diào)制方式。將D軸和Q軸兩電流環(huán)調(diào)節(jié)得到的信號再經(jīng)過DQ的反坐標變換，產(chǎn)生相應的正弦波，使其與一固定頻率的三角波相比較來得到SPWM波。這種SPWM方案具有開關(guān)頻率固定的優(yōu)點。此外，由于上下橋臂的開關(guān)函數(shù)互補，符合前面的系統(tǒng)的建模，使得系統(tǒng)的性能分析包括輸入電流諧波分析，輸出電壓諧波分析，輸入誤差電流分析等很方便。而且這于逆變器的SPWM控制相似，可參考逆變器中的理論對系統(tǒng)進行一些分析。其實現(xiàn)框圖如下圖5所示。 圖5 PWM產(chǎn)成方案4 仿真試驗 采用SABER軟件對上面所制定的三相電壓型PWM整

7、流器進行了仿真。仿真參數(shù)為：輸入電壓：三相400HZ115V(相電壓)正弦輸入輸入電感：0.7mH輸出電容：2200uF額定的直流電壓為：400V輸出功率：4KVA開關(guān)頻率：20KHZ仿真選取的控制參數(shù)：電壓環(huán)P=4,I=2000；電流環(huán)P2，I100。SABER仿真框圖如下圖6所示： 圖6 SABER仿真框圖仿真結(jié)果波形如下圖710所示： 圖7 輸出電壓 圖8 A相輸入電壓/10與A相輸入電流 圖9 三相的輸入電流 圖10 電流中的無功分量由仿真結(jié)果波形圖可知，輸出直流電壓穩(wěn)定的很快，大概在10個ms的時間，且超調(diào)量小，只有31V，電壓紋波很小。輸入電流很好的實現(xiàn)了正弦化，而且與輸入電壓同步的很好。將調(diào)整后的三相電流再經(jīng)過DQ變換，發(fā)現(xiàn)其無功分量幾乎是0，很好的抑制了無功，做到了很高的功率因數(shù)。5 結(jié)論本文用DQ變換對三相PWM整流器進行建模，并在此基礎(chǔ)上提出了基于DQ變換的控制方案，最后用SABER軟件對方案進行了仿真，給出了仿真結(jié)果波形，驗證了方案的正確性，為后續(xù)的硬件試驗研究提供了可靠的依據(jù)。參考文獻【1】 徐德鴻 電力電子系統(tǒng)建模及控制 機械工業(yè)出版社【2】 朱永亮、馬惠、張宗濂 三相高功率因數(shù)PWM整流器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 電力自動化設(shè)備 第26卷11