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三电平变流器直流电压平衡控制方法.pdf

三电平变流器直流电压平衡控制方法

heziqi0608
2011-04-25 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《三电平变流器直流电压平衡控制方法pdf》,可适用于工程科技领域

ISSN清华大学学报(自然科学版)年第卷第期CN/NJTsinghuaUniv(SciTech)Vo.No.三电平变流器直流电压平衡控制方法韦立祥刘丛伟孙旭东李发海(清华大学电机工程与应用电子技术系北京)摘要:为研究三电平变流器直流电压平衡的问题建立了三电平变流器的数学模型详细分析了空间矢量脉宽调制(PWM)的特性和直流环电容电压平衡调节的基本原理提出了一种新型的基于交流电流方向检测的直流电容电压平衡控制方法。该方法通过实时检测三相交流输出电流方向得到方向函数利用该函数选择一个PWM周期内不同电压矢量作用时间来控制中点电流的方向实现电压平衡。该方法可以使得直流电容电压的平衡不受变流器功率因数过低和功率流向的影响。关键词:三电平变流器空间矢量PWM直流电容电压平衡中图分类号:TM.文献标识码:A文章编号:()DCvoltagebalancecontrolmethodforthreelevelconverterWEILixiangLIUCongweiSUNXudongLIFahai(DepartmentofElectricalEngineeringTsinghuaUniversityBeijingChina)Abstract:AmathematicalmodelwaspresentedtoinvestigatetheDCvoltagebalanceofthreelevelconvertersystems.Thetheoryforthespacevectorpulsewidthmodulation(PWM)methodandtheDCvoltagebalancewereanalyzedforthreelevelconverters.AnewDCvoltagebalancingcontrolmethodwasproposedthatdetectedtheACcurrentdirectiontobalancetheDCvoltage.BygettingthedirectionfunctionfromtheoutputACcurrenttheappliedtimeofvoltagevectorsinonePWMperiodwaschosenthedirectionofcentralcurrentwascontrolledforDCvoltagebalance.Thismethodwasnotinfluencedbyalowpowerfactoroftheconverterorthedirectionoftheactivepower.Experimentalresultsverifythefeasibilityofthismethod.Keywords:threelevelconverterspacevectorpulsewidthmodulation(PWM)DCvoltagebalance三电平变流器由于无须经过功率开关管的直接串并联而直接实现高压、大容量且交流侧的电流和电压谐波也可以大大减小因此它在中压、大功率变频调速系统(如冶金、电气化列车、风机、水泵等/O调速系统)及电力系统中有非常广泛的应用口。但是如果三电平变流器的两个直流电容电压不相等则会在变流器的交流侧产生低次谐波同时使每个功率开关器件承受的电压增高系统的可靠性降低。因此保持直流电容电压的平衡是保证三电平变流器具有以上优良运行性能的重要问题之一J。本文在详细介绍了三电平变流器的数学模型和电压空间矢量PWM实现的基础上提出了一种新型的基于检测交流侧电流方向的直流电压平衡方法。采用该方法可以使得直流电容电压的平衡调节不受变流器功率因数过低和功率流向的影响始终以较快的速度保持直流电压的平衡。实验结果表明了其有效性。三电平变流器的数学模型为了便于分析三电平三相变流器作如下假设:)所有功率器件为理想开关)变流器交流侧三相对称)PWM开关频率远远大于基波频率。引入开关函数的概念。设为第i相(abc)的开关函数相应地可以将主电路中所有的功率开关管用三个单刀三掷开关代替。以整流桥为例其主电路简化模型如图所示。其中将开关函数分解为三个单刀开关当开关接通时为断开时为。R。L。为直流侧负载等效电阻和等效电感Ca为直流侧电容dcdc为直流电容电压icic为直流电容电流ii。i分别为交流侧abC相电流i。为直流侧中点电流。为直流侧负载电流。由图可得:i一一(cic)收稿日期:作者简介:韦立祥(一)男(汉)河南工学博士。通讯联系人:刘丛伟讲师Email:cwliumail.tsinghua.edu.cn维普资讯http:wwwcqvipcom韦立祥等:三电平变流器直流电压平衡控制方法图三电平三相变流器主电路简化模型.rdVd.rdVdC一Ld’C一Ld’于是有一一c.()z一一Ld一.Ll从式()可以看出中点电流i。直接影响直流环两个电容电压的差值因此可以通过它来调整直流电容电压的平衡。电压空间矢量对直流电压平衡的影响三电平三相系统中有个电压矢量。按照电压矢量幅值从小到大的原则可以把这些电压矢量分成组即零电压矢量、小电压矢量、中电压矢量和大电压矢量。其中小电压矢量和中电压矢量会造成直流电容电压不平衡。各个电压矢量的时间分配方法见文。从式()可知当中点电流i。不为时直流电容电压的平衡状态将会受到影响。可见判断不同的电压矢量对中点电流的影响是解决直流电容电压平衡的关键。以电压矢量PO为例即n相接正电平P点bc两相接直流侧中点。此时直流侧中点电流为bf相电流之和即。一曲i一一i。采用相同的方法可以得出在其他电压矢量作用下的中点电流值。表中列出了三电平变流器电压给定矢量在O~。时中、小电压矢量所产生的中点电流的大小。同理也可以求出电压给定矢量在O。~。时中、小电压矢量所产生的中点电流的大小。表在~。内各电压矢量产生的中点电流通过分析发现零电压矢量和大电压矢量产生的中点电流为零因此这些矢量不影响直流电压的平衡。基于电流方向检测的直流电压平衡算法通过表、式()及文中的式()可得到经过一个PWM控制周期丁。各小区中直流电压差的变化量如下(参见文图):)当电压给定矢量处于小区下半部时△(IV州l一一"一)当电压给定矢量处于与小区下半部时△(IVdclIV)一一△f一sb)当电压给定矢量处于小区上半部时△(dcldc)一一△f.)当电压给定矢量处于小区上半部与小区时△(IVdclldc)一一Cd△f一isb如.以上个式子中为可变分量因此可通过构造一个交流电流方向函数c来实现直流电容电压的平衡。S一一sgn(i一詈<<詈詈<<号号<<<<<<莩<<.式中是为了进行直流电压的补偿而专门引入的时间变量。可以用如下两种方法来确定:在开环方式下取Atsgn(dcllVdc})Gkto<忌</.在闭环方式下取一等)(lIVI)sll<frO.维普资讯http:wwwcqvipcom清华大学学报(自然科学版)式中K。K。分别为PI调节器的比例常数和时间常数。实验验证用三电平异步电动机变频调速系统的实验样机L对直流电容电压平衡问题进行了验证。图(a)为不加入直流电压平衡措施时直流电压的波形图此时两个直流电压均上下浮动。采用本文提出的直流电压平衡控制方法后的实验波形图如图(b)与(c)所示其中(b)为电动机稳态运行时的直流电压波形图(c)为电动机加载时的直流电压波形图。显然对直流电压加入平衡控制措施后在稳态和动态运行情况下都能有效地保持直流电容电压的平衡。r一\/\vdcl一\dc、~、~/‘\/一~~~/【(a)小加入平衡措施时直流电压的波形图“:.s/div,:V/div)r【:IIVdcl。(b)加入平衡措施后直流电压静态波形图“:.s/div,:V/div)r一【。r(c)加入平衡措施后直流电压动态波形图ff:.s/div.V:V/div)图直流电压平衡问题的实验验证总结本文详细论述了三电平PWM变流器空间矢量PWM算法和直流电压平衡的基本原理并在空间矢量PWM控制方法基础上实现了一种新型的基于检测交流侧电流方向的直流电容电压平衡算法。理论分析和实验表明:若不对直流电压的平衡问题进行校正变流器的直流电压将会上下浮动大大增加系统交流侧的谐波含量加大功率器件的耐压降低装置的可靠性。本文提出的电压平衡控制方法实现简单并可保证直流电压在静态和动态的运行条件下均能朝着降低直流电压不平衡状态的方向调整。同时该方法不受变流器交流侧功率因数过低以及功率反向的影响在双PWM四象限场合也同样适用参考文献(References)NabaeATakahashiIAkagiH.AnewneutralpointclampedPWMinverterJ.IEEETransonIAl():.AkagiH.ThestateofartofthepowerelectronicsinJapanJ.IEEETransonPE():.ChenYiqiangOoiBoonTecj.STATCOMbasedonmuttimodulesofmultilevelconvertersundermultipleregulationfeedbackcontrolJ.IEEETransPowerElectronics():.ZhangJ.HighperformancecontrolthreelevelIGBTinverterfedacdriveA.IEEEIAS’c.OrlandoFloridaIEEEPub..LiuHLChoiNSChoGH.DSPbasedspacevectorPWMforthreelevelinverterwithDClinkvoltagebalancingA.IEEEIECON’c.KobeJapanIEEEPub.O.韦立祥孙旭东刘丛伟等.高性能三电平异步电机调速控制系统的研究和实现J.清华大学学报(自然科学版)OO():.WEILixiangSUNXudongLIUCongweieta.ResearchandrealizationofhighperformancethreelevelinductionmotordrivesystemJ.JTsinghuaUniversity(SciTech)():.(inChinese)维普资讯http:wwwcqvipcom墨墨:清华大学学报(自然科学版)年第卷第期CN/NJTsinghuaUniv(Sci&Tech)Vo.No./基于Simplexannealing混合方法的模型参数估计李令莱王凌郑大钟周东华(清华大学自动化系北京)摘要:针对现有算法的导数依赖性及其局部优化性能为控制工程中的模型参数估计课题提供一种新思路。把具有概率突跳特性模拟退火(SA)和基于高维Euclid空间中凸多面体结构的单纯形搜索法(SM)有机地结合通过对搜索操作和参数的有效设计提出了一种基于Simplexannealing混合算法(SMSA)的模型参数估计方法。对以传递函数、状态空间和自回归滑动平均(ARMA)模型形式表达的不同典型对象进行仿真结果表明:SMSA方法在模型结构已知的情况下可准确地估计参数其性能明显优于单一遗传算法(GA)。关键词:模型参数估计模拟退火(SA)单纯形法(SM)中图分类号:TPTPl文献标识码:A文章编号:()SimplexannealinghybridapproachformodelparameterestimationLILinglaiWANGLingZHENGOazhongZHOUDonghua(DepartmentofAutomationTsinghuaUniversityBeijingChina)Abstract:Ahybridmethodispresentedformodelparameterestimationoneoftheimportantissuesincontrolengineeringwhichavoidsthederivativedependenceandlocaloptimalperformanceofcurrentmethods.Theprobabilisticjumpingpropertyofsimulatedannealing(SA)wascombinedwiththesimplexmethod(SM)basedonconvexpolyhedronsinNdimensionalEuclideanspacetoformasimplexannealinghybridapproach(SMSA)formodel.parameterestimationwithwelldesignedsearchoperatorsandparameters.SimulationresultsusingdifferentplantswithtransferfunctionstatespaceandARMArepresentationrespectivelyshowthatSMSAcanaccuratelyestimatetheparameterswhenthemodelstructureisknownandthattheperformanceiSbetterthanthatofthesimplegeneticalgorithm(GA).Keywords:modelparameterestimationsimulatedannealing(SA)simplexmethod(SM)模型参数估计是控制工程中的重要研究课题。传统的最小二乘法及其推广算法通常是在已知系统模型结构的基础上进行的难以确定系统的时滞、阶次等信息应用具有局限性尤其对于非线性时滞系统。而且其搜索策略本质上是基于误差指标的梯度下降显然对多峰型目标函数很易陷入局部极小。本文基于SMSA混合算法提出一种模型参数估计的新方法。SMSA是确定性算法和随机性算法的结合。其中SM具有很快的收敛速度SA因其概率突跳性而具有全局搜索能力同时SM的并行结构有利于改善SA的性能。通过对不同典型对象的仿真验证了上述SMSA混合算法的可行性和有效性并且性能明显优于单一GA。问题描述及算法原理要做到对模型参数的合理估计通常要求部分模型的先验知识输出量的可测性信噪比足够大并确定要估计的参数。通常系统模型可描述为:Y()一f(r)()其中:Y()为系统输出r为系统输入一(。⋯)为待估计参数厂的形式可以是传递函数、状态空间或ARMA模型等。所谓模型参数估计即在一定的系统输入下根据系统输出的实际采样数据Y(是)k一⋯Ⅳ通过对目标函数的优化决策来获得参数的估计值从而确定过程的数学模型。可以说参数估计本质上是基于一定目标函数的多维参数寻优问题。面临问题的非线性、多维、多极小等特性最小二乘类算法由于其策略本质是基于误差指标的梯度下降因此极易陷入局部极小。近年来一些全局概率性搜索方法如遗传算法(GA)在控制工程中逐渐受到重视但它存在难以确定算法参数和易早收收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()国家“九七三”基础研究项目(G)作者简介:李令莱(一)男(汉)四川博士研究生。通讯联系人:王凌副教授Email:wanglingmail.tsinghua.edu.cn维普资讯http:wwwcqvipcom清华大学学报(自然科学版)一‘∑j(忌)一j(忌)(忌)一j()仿真实验与分析一xl(t)x。ll()一()一【£一⋯.fA()(七)一zaB()“(七)IA(一)一口一a一B()一bbl一Irr一r一一{!二一≥/户一.口:.。由于时滞d为离散参数所以在搜索过程中对其进行四舍五入取整。对上述个模型各次随机仿真的统计结果分别如表、表和表所示。由此可见基于SMSA混合策略的模型参数估计的结果是非常令人满意的。表模型的仿真结果参量d口口真实值..最优估计值..平均估计值..估计值方差..文的结果..b。bl..OOO........O需要指出的是对Hammerstein模型时滞和参数的估计结果仍存在一定的误差其原因是某些参数对模型输出效果的影响远小于其他参数例如b而估计过程仅利用模型的输出数据此时这些参数的估计值就很可能偏离真实值较大。图显示了真实Hammerstein模型与估计模型在相同输入下输出的相对误差曲线其中:)一{{五一⋯Ⅳ.l可见虽然估计有一定误差但输出误差很小因此参数估计结果是可接受的。图混合算法对模型的校验结果(下转第页)维普资讯http:wwwcqvipcom

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