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采用电流滞环调节器的电压矢量控制PWM整流器系统.pdf

采用电流滞环调节器的电压矢量控制PWM整流器系统

piper
2011-06-12 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《采用电流滞环调节器的电压矢量控制PWM整流器系统pdf》,可适用于工程科技领域

年月电工技术学报VolNo第卷第期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYJan采用电流滞环调节器的电压矢量控制PWM整流器系统赵振波李和明董淑惠(华北电力大学电力工程系保定)摘要提出了一种性能良好的电压矢量控制PWM整流器方法。根据dq坐标系下整流器数学模型用控制整流器系统中有功和无功功率的方法间接控制相互有耦合的输入有功和无功电流分量。控制系统电压外环用PI调节器输出有功指令电流分量反馈输入电流与指令电流的误差作为两个电流滞环调节器的输入。滞环输出经过开关逻辑表选择出合适的电压矢量不需计算开关作用时间控制整流器输入电压和电流同相位输入电流正弦化。仿真和实验结果证明了该控制方法简单动态性能好易实现。关键词:电流滞环电压矢量开关逻辑中图分类号:TMVoltageVectorControlledPWMRectifierSystemwithCurrentHysteresisRegulatorsZhaoZhenboLiHemingDongShuhui(NorthChinaElectricalPowerUniversityBaodingChina)AbstractThemethodofvoltagevectorcontrolledPWMrectifiersystemwithhysteresiscurrentregulatorsispresentedAccordingtomathematicalmodelofrectifierunderdqcoordinatesThismethodcanindirectlycontroltheactivecurrentandreactivecurrentcomponentsbyusingactivepowerandreactivepewerTheoutputofvoltageexternalloopwithPIregulatorisconsideredascurrentcomponentofactivepower,andtheerroroffeedbackinputcurrentandinstructioncurrentisconsideredasinputoftwoinnerloopscurrenthysteresisregulatorsTheoutputofhysteresisregulatorselectsthecorrectvectorbyvoltagevectorswitchlogictable,nottocalculateswitchoperationtimetomakeinputvoltageandinputcurrentofrectifierinphase,inputcurrentbesineThesimulationandexperimentalresultsprovethatitissimpleandhasgooddynamiccharacteristicsKeywords:Currenthysteresis,voltagevector,switchlogic引言在电能变换中PWM整流器克服了传统二极管或相控整流所引起的大量谐波、功率因数低等缺点成为目前国内外研究的热点。电流滞环控制是PWM整流器控制系统中最易实现最简单的方式但其也存在开关频率不固定对电力电子器件性能要求较高开关损耗比较大不容易设计输出滤波器等缺点,。空间电压矢量控制易于数字化实现直流电压利用率高输入电流畸变率低但需要快速微处理器计算过程相对复杂,。针对以上控制方式的不足本文提出了一种基于电流滞环的电压矢量控制PWM整流器方法。它结合二者的优点采用CMC作为控制核心组成一个以电流滞环控制为内环输出直流电压控制为外环的控制系统开关状态输出采用自适应开关逻辑表不需计算开关作用时间过程实现简单。收稿日期改稿日期电工技术学报年月系统dq数学模型控制所依据的是三相电压型PWM整流器在dq坐标系下的数学模型。考虑电网三相电压对称且正弦化。假定)cos(atuuw=、)cos(bp=tuuw、)cos(cp=tuuw则在dq坐标系下整流器的数学模型为úúúúûùêêêêëéúúúúûùêêêêëéúúúúûùêêêêëéúúúúúûùêêêêêëé=úúúúúûùêêêêêëéúúúúûùêêêêëéddddddqddcqdqdqddcLdcqduuuiiRsssRLsLRtutitiCLLww()式()表明整流器输入电流的id和iq分量之间存在耦合直接控制输入电流需要解耦处理需要引入电网电压前馈补偿来提高系统动态性能控制过程相对复杂。而在整流器系统中有功功率和无功功率之间是解耦的能独立进行控制。因此本文提出用控制系统有功功率和无功功率方法间接控制dq轴电流分量不需要进行输入电流解耦。控制系统原理根据dq坐标系下数学模型结合电流滞环和矢量控制优点设计出采用电流滞环调节器的电压矢量控制PWM整流器系统。其结构方框图如图所示。图电压型PWM整流器电流滞环矢量控制原理FigPrincipleofvoltagevectorcontrolledPWMrectifierwithcurrenthysteresis在dq坐标系下电网电压矢量u、电流矢量i、电感L上电压矢量以及三相电压型PWM整流器交流输入侧电压矢量us之间的关系如图所示其中d是us落后于u的相位角。图整流器各矢量间的关系FigRelationofrectifiervectors根据各个矢量在dq坐标系中的位置关系有电压矢量qdjuu=u输入电流矢量qdjii=i根据视在功率iu·==qpSj推出qqddiuiup=,qddqiuiuq=()由于电网电压是标准的正弦波且三相对称因此q=u。电网电压q轴分量为零只有d轴分量du其模长等于电网相电压的幅值。因此式()简化为ddiup=,qdiuq=()从式()得到PWM整流器系统有功功率p和无功功率q表示的输入电流分量id和iq之间是解耦的功率和电流之间成比例关系。因此根据系统有功功率p和无功功率q的控制方法来间接控制输入电流两个分量id和iq。根据图输入电流i的两个分量id和iq表示如下XuXuidsinssqd==XuuXuidcossdsdq==()因此整流器输入有功功率p和无功功率q的表达式为Xuupdsinsd=Xuuuq)cos(sddd=()根据式()通过控制电压矢量us的大小和其相对于u的相位角d来控制有功功率p和无功功率q的大小和方向间接控制输入电流的大小和方向以达到控制目的。电流滞环控制用霍尔元件检测PWM整流器的三相输入电流ia、ib、ic通过矢量变换矩阵得到两个直流分量id、iq表示为úúúúûùêêêêëéúúúûùêêêëépppp=úúûùêêëécbaqd)sin()sin(sin)cos()cos(cosiiittttttiiwwwwww()反馈输出直流电压dcu和给定输出直流电压第卷第期赵振波等采用电流滞环调节器的电压矢量控制PWM整流器系统*dcu之间的误差作为外环电压调节器的输入经过PI调节输出量作为d轴电流指令*di。在单位功率因数运行时PWM整流器系统只消耗有功功率不吸收无功功率。因此理想状态下*q=i。把输入电流分量id、iq与指令电流分量相比较其误差作为滞环比较器HCQ和HCD的输入滞环输出用于选择开关逻辑表中的电压矢量。定义滞环比较器输入偏差为d*ddiii=Dq*qqiii=DHd和Hq分别为两个比较器的滞环带宽直接会影响输入电流的畸变率以及开关频率平均值。考虑控制过程的复杂性电流滞环调节器采用两电平输出图为dq轴电流调节器HCR的输入输出特性。根据式()d轴电流滞环输入误差diD信号相当于给定有功功率和系统实际有功功率之间误差pD信号q轴电流滞环输入误差qiD信号相当于给定无功功率和系统实际无功功率之间误差qD信号。图滞环电流调节器(HCR)的输入输出特性FigOutputandinputcharacteristicsofcurrenthysteresisregulator考虑q轴的定义与d轴相同只分析d轴电流滞环比较器特性其输入与输出关系如下:当diΔ≥dH时d=s当dH<diΔ<dH时若tidddΔ>则d=s若tidddΔ<时则d=s当diΔ<dH时d=s。电压矢量与开关逻辑控制表对于三相电压型PWM整流器若用、表征整流桥开关状态其中表示整流器上桥臂导通下桥臂关断表示整流器上桥臂关断下桥臂导通则共有种开关状态对应个电压矢量。矢量平面可分成个和个扇区。为了精确选择合适的电压矢量改善输入电流谐波分布采用个扇区。设PWM整流器桥臂输入端相对于电网电压中性点O的电压为usa、usb和usc则桥臂合成电压矢量us表示为scsbsasuuuaa=u当整流器开关状态确定后则us被唯一确定图所示为空间电压矢量及其扇区分布。图电压矢量和扇区分布FigVoltagevectorandsectordistribution根据文献,,,开关逻辑表电压矢量控制目标的思路是用一组反映控制量变化的开关状态组成逻辑表通过外部输入选择电压矢量使控制目标在给定误差范围内变化。在相邻的两个矢量之间包括两个扇区A和B假定扇区A的位置靠近uA扇区B的位置靠近uB。以<q<°为例d轴位于扇区内。此时靠近扇区的矢量为u靠近扇区的矢量为u。分析不同电流滞环比较器输出时正确选取电压矢量。如图为电压矢量与功率之间的关系其中点M表示给定有功功率p*和无功功率q*。图电压矢量和功率关系FigRelationofvoltagevectorandpower()若sd=sq=表明qdiiDD、均为正值且均在滞环带正半轴之外表明系统有功功率p和电工技术学报年月无功功率q较小。因此,选择的电压矢量应该使其同时沿增大方向变化等同于使得us幅值增大,夹角δ减小进而控制输入电流id和iq分量沿增大方向变化。根据图选择电压矢量u。()若sd=sq=表明Did为正值d轴电流分量在滞环带正半轴之外。Diq为负值表明系统有功功率p较小无功功率q过大。因此选择的电压矢量应该使有功功率沿增大方向变化无功功率沿减小方向变化等同于使得us幅值增大夹角d增加进而控制输入电流id分量沿增大方向变化iq分量朝减小方向变化。根据图选择电压矢量u。()若sd=sq=表明Did、Diq均为负值输入电流id、iq分量超过指令电流值,表明系统有功功率p和无功功率q过大超过负载所需要的给定有功功率。因此整流器不与负载进行有功功率p和无功功率q交换三相之间进行功率交换。根据图选择电压矢量u。()若sd=sq=表明Did为负值Diq为正值输入电流iq超过指令电流值,表明有功功率p过大无功功率q过小。因此整流器不能与负载之间进行有功功率交换无功功率处于给定范围内。根据图选择电压矢量u。在其他区间内用相同方法分析得出表的控制开关逻辑。把表存于EPROM中形成电压矢量开关表。根据ds、qs和q查询EPROM开关逻辑获得电压矢量直接输出PWM信号来控制整流器。表开关逻辑表TabSwitchiglogictablesdsqqqqqqqqqqqqq仿真研究和实验结果()用MATLABSIMULINK进行仿真,仿真参数为:电网电压为VHz输入电感L为mH电阻R为�输出滤波电容Cdc为�F负荷电阻RL为��采样频率为kHz滞环带宽为A。仿真结果如图、图所示。图三相输入电流FigThreephaseinputcurrents图输出直流电压FigOutputDCvoltage图表明三相输入电流基本正弦化电流畸变率比较低。图表明输出直流电压动态响应速度快。通过仿真证明了电流滞环控制的开关逻辑表选择电压矢量的正确性和优点可以达到预期的控制目标。()用CMC作为控制核心将开关逻辑表存储于EPROM中。实验参数与仿真参数基本相同,图为直流负荷Ω时整流器a相输入电压和输入电流实验波形。通过对其谐波分析输入电流总畸变率约为基本接近标准正弦波且电压和电流基本同相位接近单位功率因数。图a相电压和电流以及有功电流和无功电流实验曲线FigExperimentalwaveformforcurrent,voltageofaphase,activecurrentandreactivecurrent结论本文通过分析整流器系统中功率和电流之间(下转第页)第卷第期袁清芳等具有可控串联补偿的新型故障限流器的研究线路在s发生短路故障s投切FCL进行限流GTO触发角a=。仿真结果如图所示由此可以看出:()短路电流峰值被限制到A限流系数达限流效果好。()母线电压没有出现明显的降落因而与该母线相联的其他线路和负荷(即线路)不会受到严重影响。()短路电压由系统短路阻抗、串联限流电抗和并联等效电抗三者承担所以电容器组两端无过电压。()由于GTO能迅速开通和关断使故障时间大大缩短。结论本文提出的新型FCL能够在线路发生故障时迅速响应快速地改变拓扑结构限制短路电流减小电压降落稳态时采用独有的按步长调节线路电抗值方式实现可控的线路串联补偿功能。通过数字仿真和理论分析证明本装置可有效地抑制故障电流在较大范围内灵活可靠地调整线路的串联补偿同时能够消除谐振的产生达到提高线路输电能力及电能质量的目的。另外这种新型的FCL采用的元器件均是经济可行的它必将在电力系统中有广阔的应用前景。参考文献VedaTMoritaMetalSolidstatecurrentlimiterforpowerdistributionsystemIEEETransonPWRD():~SugimotoSetalPrincipeandcharacteristiesofafaultcurrentlimiterwithseriescompensationIEEETransactionSMPWRD():~ChuKH,PollockCPWMcontrolledseriescompensationwithlowharmonicdistortionIEEProcGenerTransmDistib,()~KaradyGGConceptofacombinedshortcircuitlimiterandseriescompensatorIEEETransonPD():~作者简介袁清芳女年生硕士研究生研究方向为电力系统稳定与控制。李兴源男年生教授博士生导师中国电机工程学会理事IEEE高级会员主要从事电力系统稳定与控制方面的研究工作。(上接第页)的关系提出了用控制有功功率和无功功率的方法实现间接控制有功电流分量和无功电流分量的控制方式。该方式不需计算开关作用时间控制方法简单容易实现。实验和仿真证明了该控制方法的性能和优点达到输入电流正弦化、保持单位功率因数运行的目的。参考文献王勉华三相PWM整流器研究电工技术学报,,():~沈安文,万淑云,王离九等单相倍压式PWMACDC中的电流控制方法电力电子技术,,():~GreenAW,BousJTHysteresiscurrentforcedthreephasevoltagesourcedreversiblerectifierIEEPartB,,():~ThomasHGAspacevectorbasedrectifierregulatorforACDCACconverterIEEETransactiononPowerElectronics,():~LascuC,BoldeaL,BlaabjergFAmodifieddirecttorquecontrolforinductionmotorsensorlessdriveIEEETransactiononIndustryApplication,,():~赵振波,李和明,许伯强基于虚拟磁链的PWM整流器模型及其仿真华北电力大学学报,,():~MalinowskiM,BlaabjergFVirtualfluxbaseddirectpowercontrolofthreephasePWMrectifiersIEEETransonIndustryApplications,,():~OhnishiTThreephasePWMconverterinverterbymeansofinstantaneousactiveandreactivepowercontrolProcIEEEIECON’,:~作者简介赵振波男年生硕士主要从事UPS、开关电源等方面的研发工作。李和明男年生教授博士生导师主要研究方向为电力电子变换技术、电机状态监测与故障诊断。

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