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三相变流器电感电压矢量控制方法.pdf

三相变流器电感电压矢量控制方法

izyzs
2013-05-08 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《三相变流器电感电压矢量控制方法pdf》,可适用于人文社科领域

年月电工技术学报VolNo第卷第期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYNov三相变流器电感电压矢量控制方法杜吉飞魏克新(天津理工大学天津市复杂工业系统控制理论及应用重点实验室天津)摘要为了达到三相变流器快速性和稳定性的要求提出了一种电感电压矢量控制方法。根据误差电流的大小分两种情况计算电感电压矢量再通过空间矢量模型得到交流侧给定输出电压矢量并运用空间矢量调制来产生六路开关信号使交流侧电流时刻朝着正确的方向变化进而消除电流误差。最后通过仿真和实验验证了其动态性能和稳态性能并充分说明了其可行性和有效性。关键词:三相变流器电感电压矢量控制交流侧给定电压矢量空间矢量调制中图分类号:TMInductanceVoltageVectorControlMethodforThreePhaseConvertersDuJifeiWeiKexin(TianjinUniversityofTechnologyTianjinChina)AbstractInordertoachieverapidityandstabilityrequirementsforthreephaseconverter,thispaperpresentsaninductancevoltagevectorcontrolmethodTwocasesareusedrespectivelybythesizeoftheerrorcurrenttocalculatethereferenceinductancevoltagevectorThenwithspacevectormodeltheACsidegivenoutputvoltagevectorisobtained,andwithspacevectormodulationsixdrivingsignalsaregeneratedTargetistomakecurrentchangetotherightdirection,thusthecurrenterrorcanbeeliminatedFinally,simulationandexperimentalarecarriedouttoverifythedynamicandsteadystateperformancerespectivelyThefeasibilityandeffectivenessarealsobefullydemonstratedKeywords:Threephaseconverter,inductancevoltagevectorcontrol,ACsidegivenoutputvoltagevector,spacevectorPWM引言随着新能源智能电网等新兴产业的发展三相变流器被广泛应用于并网发电、电气传动、直流输电、有源滤波等各种场合。其主要采用三相Boost可逆电压型整流拓扑结构和双闭环控制方法,。外环电压控制用来稳定直流电压并使其达到给定值内环电流控制,用来跟踪网侧指令电流同时达到单位功率因数的要求。优越的控制方法可以减小电流谐波畸变实现能量的双相传输快速的电压电流响应使设备高效可靠的运行。其中矢量控制策略能够实现三相电流的协调控制减少不必要的开关损耗而且可以通过空间矢量调制的方法得以实现进而可以精准的控制三相输出信号的占空比故大量应用于内环电流控制中来。矢量控制的关键是求得交流侧给定输出电压再通过空间矢量合成技术得到三相控制信号。现有的求取交流侧给定输出电压的方法包括(Park变换PI调节解耦),、(Park变换状态反馈解耦),、(Clarke变换无差拍解耦),等但前两者需要PI参数整定及反馈系数的设定增加了调试难度同时Park变换需要大量的存储器资源存放正余弦表值对于后者的无差拍控制往往需要通过给定电流来求得下一阶拍电流值或者通过线性关系求得下一阶拍给定电流但实际上给定电流只与直流侧电压有关其无规律性和波动性会影响控制效果。国家自然科学基金资助项目()和天津市科技支撑计划重点项目(ZCKFGX)。收稿日期改稿日期电工技术学报年月针对以上现有方法的不足本文提出了一种交流侧电感电压矢量控制方法。类似文献所述因为交流侧三相电流的变化方向和变化率是由电感电压决定的故可以通过选择电感电压矢量来减小电流误差但这种方法没有充分应用空间矢量调制的优势。本文通过各矢量位置关系准确求得指令电感电压矢量进而求得给定交流侧输出电压使指令电感电压可以通过占空比控制等效实现。由于本方法不需要变换矢量合成过程比较简便。电感电压矢量控制原理三相电压型可逆整流器其简易拓扑如图所示。图三相变流器拓扑结构图FigThetopologyofthreephaseconverter图中R为交流侧等效阻抗L为交流侧电感值eaebec为三相电网电压iaibic为三相交流侧电流sasbsc为三相开关管开关状态(表示下桥臂导通上桥臂关断表示下桥臂关断上桥臂导通)。三相交流侧输出电压即a、b、c点电压vao、vbo、vco可以表示为aoaabcdcbobabcdccocabcdc()()()vssssvvssssvvssssv()用Vk表示vao、vbo、vco投影到三相坐标的电压矢量通过式()可得表种电压矢量Vk分别代表种开关状态(k=~)。假设参考电流方向为直流侧流向交流侧则不同的开关状态对应的电感表矢量Vk与开关状态的关系TabTherelationshipbetweenthevectorVkandswitchingstatesVVVVVVVVsasbsc电压为VLk=L(dIdt)=VkERI()式中VLk种开关状态对应的电感电压矢量E三相电网电压矢量I交流侧电流矢量。E和I可以通过交流电压电流传感器得出都为已知量R也是可测的故可以用U来表示ERI则式()可转化为VLk=VkU()由此看出电感电压可以通过选择Vk得以控制。同理对于期望的电感电压矢量VL*也可以通过交流侧给定输出电压矢量V*来实现即VL*=V*U()各矢量分布如图所示图中虚线矢量代表Vk。这样只需按照传统空间矢量调制方法用Vk合成V*即可使电感电压达到期望的要求进而控制电流变化方向。其合成方法如下TiViTjVjTV,=TV*()式中Vi、Vj为与V*相邻的电压矢量(左和右)V,为零开关状态电压矢量Ti、Tj分别为Vi、Vj矢量执行时间T为零开关状态电压矢量执行时间T为控制周期。图不同的开关状态对应的电感电压矢量分布FigThedistributionofinductancevoltagevectorsfordifferentswitchingstates这里执行时间应满足sijTTTTTT()式中Ts为相邻开关矢量执行时间之和。也就是说当执行Vi时电感电压为VLi当执行Vj时电感电压为VLj当执行V或V时电感电压为U。根据式()合成V*相当于按照下式合成VL*TiVLiTTjVLjTT(U)T=VL*()第卷第期杜吉飞等三相变流器电感电压矢量控制方法式中VLi和VLj表示与VL*相邻的电感电压矢量。电感电压矢量的求取方法设I*为指令电流矢量则电流误差矢量为I=I*I()为了消除电流误差应该使电感电压矢量与电流误差矢量的方向一致。将图放大延长I与六边形相交其矢量设为VLc如图所示。也就是说VLc是只由相邻矢量VLi和VLj在时间T内合成的电感电压矢量。设参数为=cLIV()图电感电压矢量VLc及参考轴YII分布情况FigThedistributionofVLcandYII不考虑控制周期I如果只由VLi和VLj合成消除的时间设为Tdes则Tdes=L()如果Tdes≤T说明I比较小可以在一个控制周期内消除而且只用相邻矢量合成是不够的还需要零矢量来进行补偿此时VL*=L(I)T如果Tdes>T在控制周期内用相邻矢量不能消除误差电流如果增加零矢量会使电流的跟踪性能缓慢此时VL*=VLc。故给定电感电压的求取方法如下(如果L≤T)Ts=L且VL*=LIT(如果L>T)Ts=T且VL*=I()为了求出参数需要借助参考轴YS(其中S表示扇区S=Ⅰ~Ⅵ)即坐落于六个扇区的参考轴其分别垂直于a轴、b轴、c轴如图所示。对于图I、VLc、U在参考轴YⅡ上的投影分别用YⅡ(I)、YⅡ(VLc)、YⅡ(U)来表示。由于I与VLc方向相同通过式()可以得出cdc()()()()()()()LivYIYIYIYVYVYUYUⅡⅡⅡⅡⅡⅡⅡ()图对应于各扇区的参考轴YS分布图FigThedistributionofYSindifferentsectors定义如下变量jjabcjπjabcjjabceeeeeeiiiuuuvvvIUV()根据几何关系可知bc)()(iiYIⅡbc())(uuYUⅡ。这样只要确定其对应的参考轴此扇区的参数即可求出。对于图所示的情况I所在区域S可以分为Ⅰ~Ⅵ如图所示。每一个区域对应着一对相邻电感矢量VLi和VLj。假如I坐落在Ⅰ区域应运用参考轴YⅠ来计算假如I坐落在Ⅱ区域应运用参考轴YⅡ来计算其他情况类似。I位于不同区域所对应的可以通过表得出。图I的分区及VLc、VLc、VLc分布情况FigTheregionsofIlocatedinandthedistributionofVLc,VLcandVLc电工技术学报年月表各区域对应的TabThecalculationofindifferentregions区域ⅠⅡⅢacdccaiivuubcdccbiivuubadcabiivuu区域ⅣⅤⅥcadcaciivuucbdcbciivuuabdcbaiivuu表扇区判定方法TabThesectorjudgment扇区caabbcⅠ<>>Ⅱ<<>Ⅲ><>Ⅳ><<Ⅴ>><Ⅵ<><但是由于矢量U和vdc在不断变化I所在区域不容易求出。但可以看出无论U和vdc怎样变化如果I坐落在区域S它必定坐落在扇区SⅠ或S或SⅠ。换句话说只要按照表求出I所在扇区I一定会坐落于(SⅠ)或S或(SⅠ)区域中的一个。I真正所在的区域与其他两个区域相比其对应的矢量VLc一定与I方向相同且是模值最小的一个。以图为例由于I在扇区Ⅲ所以它一定会坐落于区域Ⅱ或Ⅲ或Ⅳ。三个区域对应的VLc设为VLc、VLc、VLc其中VLc与I方向相反VLc的模值大于VLc所以VLc其对应的区域Ⅱ为I所在区域。根据式()可知VLc最小说明最大即I所在扇区和相邻扇区所对应的中的最大值即为所求。综上所述求取参数的方法如图所示。图求取参数的步骤FigTheprocesstosolve整体控制流程根据以上方法求得的VL*代入式()进而得到V*通过差值空间矢量调制方法,即可获得三相调制信号再经过载波比较输出三相PWM信号。如果系统运行于开环模式即去掉直流电压环此时指令电流I*的幅值是给定的如果系统运行于闭环模式I*的幅值通过PI调节器得到用来调节vdc。图为闭环模式下系统控制框图。图电感电压矢量闭环控制框图FigDiagramofinductancevoltagevectorcloseloopcontrol仿真及实验结果仿真验证为了验证本文所述方法利用Matlab搭建了系统模型仿真参数为:交流输入电压频率和有效值为Hz和V电感L=mH交流侧等效阻抗R=直流侧电容C=F开关频率kHz。图为开环仿真实验交流侧电压电流波形图图a为负载RL=时在s时刻I*有效值由A变化为A的情况。可以看出系统很快的从整流转变为了逆变状态功率因数由变为。图b为I*有效值为A时在s时刻负载由RL=变为“EL=V串联RL=”的情况。可以看出在s时刻电流无明显变动。(a)指令电流变动时第卷第期杜吉飞等三相变流器电感电压矢量控制方法(b)负载变动时图开环仿真实验FigTheopenloopsimulation图为闭环仿真实验交流侧及直流侧波形。图a、图b为有源负载EL=V串联RL=在s时刻dcv由V突变为V的情况经过大约s的调整交流侧和直流侧都能达到稳定。图c、图d为dcv为V不变在s时刻负载由RL=变为“EL=V串联RL=”的情况同样经过s的调整直流侧电压恢复到V并进入逆变运行状态。(a)直流给定电压变动时直流侧电压波形(b)直流给定电压变动时交流侧电压电流波形(c)负载变动时直流侧电压波形(d)负载变动时交流侧电压电流波形图闭环仿真实验FigThecloseloopsimulation实验验证为了进一步验证所述方法可行性搭建了一台变流器样机并进行kW实验。选取参数如下:网侧接V市电经过变压器变为有效值为V的电压交流侧电感L=mH直流侧电容C=F负载电阻RL=控制芯片DSP选择TI公司的TMSF控制周期与开关周期相同均为ms由定时器中断响应实现通过事件管理器的比较单元实现空间矢量调制过程。图和图分别为开环和闭环实验结果二者都能达到电压电流同相位的要求从Fluke测得(a)交流侧电压电流波形(b)谐波含量及频谱图开环实验结果FigTheopenloopexperimentalresults电工技术学报年月(a)交流侧电压电流波形(b)谐波含量及频谱图闭环实验结果FigThecloseloopexperimentalresults的谐波含量可以看出开环效果优于闭环THD分别达到和这是由于闭环控制中PI调节器的影响使得指令电流存在微小波动。结论针对传统变流器矢量控制方法本文提出了一种电感电压矢量控制同样是通过空间矢量调制得以实现但其交流侧给定输出电压的求取有所不同。本文运用几何模型而非数学模型的方法通过求取期望的电感电压进而得出交流侧指令电压达到实时跟踪指令电流的目的。从控制流程可以看出本方法运用了大量的查表和少量的乘除法来提高处理器运算速度而且内环控制无需设定参数故适合广泛应用。参考文献SinghBhim,SinghBrijN,ChandraAmbrish,etalAreviewofthreephaseimprovedpowerqualityACDCconvertersJIEEETransactionsonIndustrialElectronics,,():王宝诚,梅强,邬伟扬,等三相变流器的模糊PI神经网络控制研究J电工技术学报,,():WangBaocheng,MeiQiang,WuWeiyang,etalResearchonhybridfuzzyPIneuralnetworkscontrolforthreephasevoltageconvertersJTransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,,():汪万伟,尹华杰,管霖双闭环矢量控制的电压型PWM整流器参数整定J电工技术学报,,():WangWanwei,YinHuajie,GuanLinParametersettingfordoubleclosedloopvectorcontrolofvoltagesourcePWMrectifierJTransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,,():KazmierkowskiMarianP,MalesaniLuigiCurrentcontroltechniquesforthreephasevoltagesourcePWMconverters:asurveyJIEEETransactionsonIndustrialElectronics,,():杨德刚,刘润生,赵良炳三相高功率因数整流器的电流控制J电工技术学报,,():YangDegang,LiuRunsheng,ZhaoLiangbingCurrentcontrollerdesignofathreephasehighpowerfactorrectifierJTransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,,():PedroVerdelho,MarquesGDDCvoltagecontrolandstabilityanalysisofPWMvoltagetypereversiblerectifiersJIEEETransactionsonIndustrialElectronics,,():郭文杰,林飞,郑琼林三相电压型PWM整流器的级联式非线性PI控制J中国电机工程学报,,():GuoWenjie,LinFei,ZhengQionglinThecascadednonlinearPIcontrolforthreephasevotaglesourcePWMrectifierJProceedingsoftheCSEE,,():帅定新,谢运祥,王晓刚三相PWM整流器混合非线性控制研究J中国电机工程学报,,():ShuaiDingxin,XieYunxiang,WangXiaogangNovelhybridnonlinearcontrolmethodforthreephasePWMrectifierJProceedingsoftheCSEE,,():邓卫华,张波,丘东元,等三相电压型PWM整流器状态反馈精确线性化解耦控制研究J中国电机第卷第期杜吉飞等三相变流器电感电压矢量控制方法工程学报,,():DengWeihua,ZhangBo,QiuDongyuan,etalTheresearchofdecoupledstatevariablefeedbacklinearizationcontrolmethodofthreephasevoltagesourcePWMrectifierJProceedingsoftheCSEE,,():YasserAbdelRadyIbrahimMohamed,ElSaadanyEhabFRobusthighbandwidthdiscretetimepredictivecurrentcontrolwithpredictiveinternalmodelanunifiedapproachforvoltagesourcePWMconvertersJIEEETransactionsonPowerElectronics,,():杨勇,阮毅,吴国祥,等基于DPWM的无差拍解耦控制的三相并网逆变器J电工技术学报,,():YangYong,RuanYi,WuGuoxiang,etalDeadbeatdecouplingcontrolofthreephasegridconnectedinvertersbasedonDPWMJTransactionofChinaElectrotechnicalSociety,,():方宇,裘迅,邢岩,等基于预测电流控制的三相高功率因数PWM整流器研究J中国电机工程学报,,():FangYu,QiuXun,XingYan,etalResearchonthreephasehighpowerfactorcorrectionbasedonpredictivedigitalcurrentcontrollerJProceedingsoftheCSEE,,():张兴,张崇巍基于电流预测的高功率因数变流器电压矢量优化控制策略的研究J电工技术学报,,():ZhangXing,ZhangChongweiStudyonvoltagevectoroptimumcontroltacticsabouthighpowerfactorconverterbasedoncurrentpredictedtrackingcontrolJTransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,,():张崇巍,张兴PWM整流器及其控制M北京:机械工业出版社,ZhangYinhai,WangSongsong,XiaHaixia,etalAnovelSVPWMmodulationschemeCProceedingsoftheIEEEAppliedPowerElectronicsConference,:张寅孩,汪松松,葛金法,等一种新的差值SVPWM调制方法J电工技术学报,,():ZhangYinhai,WangSongsong,GeJinfa,etalAnovelSVPWMmodulationmethodJTransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,,():作者简介杜吉飞男年生硕士研究生研究方向为电力电子变流技术。魏克新男年生教授博士生导师研究方向为智能控制理论及技术、电能变换装置及控制。

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