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间接电流控制可调功率因数电流型PWM变流器

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间接电流控制可调功率因数电流型PWM变流器 第 27卷 第 1期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.27 No.1 Jan. 2007 2007年 1月 Proceedings of the CSEE ©2007 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号:0258-8013 (2007) 01-0049-05 中图分类号:TM464 文献标识码:A 学科分类号:470×40 间接电流控制可调功率因数电流型 PWM变流器 李玉玲,鲍建宇,张仲超 (浙江...

间接电流控制可调功率因数电流型PWM变流器
第 27卷 第 1期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.27 No.1 Jan. 2007 2007年 1月 Proceedings of the CSEE ©2007 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号:0258-8013 (2007) 01-0049-05 中图分类号:TM464 文献标识码:A 学科分类号:470×40 间接电流控制可调功率因数电流型 PWM变流器 李玉玲,鲍建宇,张仲超 (浙江大学电气 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院,浙江省 杭州市 310027) Indirect Current Control Adjustable Power Factor Current Source PWM Converter LI Yu-ling, BAO Jian-yu, ZHANG Zhong-chao (Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China) ABSTRACT: Current source PWM converter(PWM-CSC)are expected to replace diode and thyristor phase-control rectifier that bring in rich harmonics in some occasions,advantages include perfect power factor and dc current source performance. However, due to inherent nonlinear and compact couple characteristics, the converter is usually controlled by complex direct current control strategies, these methods are very difficult in realizing power factor regulation and energy feedback. This paper proposed an indirect current control technique based on dq coordinate. In the proposed technique, dc output of the converter is used as active current reference value of the network current, reactive current of the network is regulated by the produce of the active current reference value and tgj, then the ac-link current disperse equations of PWM-CSC are used to find instant control variable that control network current of the converter indirectly. Consequently, active power and reactive power of the converter are controlled, and adjustable power factor and energy feedback are obtained. This paper discussed the steady operation-range of the converter, and the conclusion that the reactive power is limited by the actual active power is drawn. KEY WORDS: power electronics; current-source PWM converter; indirect current control; adjustable power factor 摘要:电流型PWM变流器(PWM-CSC)因其良好的功率因 数和直流电流源特性,可望在某些场合取代产生大量谐波的 二极管或晶闸管相控整流装置,但是,PWM-CSC本身的强 耦合非线性特性,使得变流器常采用复杂的直接电流控制策 略,实现功率因数可调和能量回馈非常困难。提出一种基于 dq坐标系的间接电流控制方法,该方法将变流器的直流输出 基金项目:国家自然科学基金项目(50477033)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50477033). 作为网侧电流有功分量的给定值,通过此给定值和tgj的乘 积调节无功电流的大小,然后利用PWM-CSC交流侧电流的 离散方程,求出当前变流器的控制量,间接控制变流器的网 侧电流,从而控制了变流器的有功功率和无功功率,实现了 变流器的可调功率因数和能量回馈。 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 最后对变流器的稳 定运行范围进行了讨论,得出变流器提供的无功功率受有功 功率限制的结论。 关键词:电力电子;电流型脉宽调控变流器;间接电流控制; 可调功率因数 0 引言 目前,采用自关断器件的PWM变频器已成为交 流变频传动的主流。但绝大多数变频器的网侧变流 器采用不可控的二极管整流,存在2个问 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 :①由于 二极管的单向导电性能,电机制动时的再生能量无 法回馈给电网,使其动态性能受到限制;②网侧电 流波形畸变严重,造成电网谐波污染,且功率因数 较低。随着这类非线性负载容量的增大和应用的不 断普及,会引起供电系统功率因数降低,大量的高 次谐波注人电网,影响其它用电设备的安全运行。 而采用PWM控制方式的AC-DC变流器作为变频器 中的网侧变流器,它能得到单位功率因数,减少网 侧电流畸变,并且能够使再生能量回馈给电网。 电压型 PWM变流器和 PWM-CSC均可作为网 侧变流器,但长期以来,电压型 PWM变流器一直 是 PWM变流器研究的重点[1-4]。这主要是因为在电 压型变流器中的储能元件电容与 PWM-CSC中的储 能元件电感相比,储能效率和储能器件的体积、价 格等都具有明显的优势,从而制约了 PWM-CSC的 应用和研究。但随着高温超导技术突破性的发展并 进入实用化[5-8],PWM-CSC储能效率问题将得到解 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn 50 中 国 电 机 工 程 学 报 第 27卷 决,同时电力超导系统中储能线圈具有电流源特性, 因而克服PWM-CSC在大功率场合应用的限制[9-11]。 而在中小功率场合[12],PWM-CSC用于电机驱动具 有动态响应快,便于实现再生制动和四象限运行, 限流能力强,短路保护可靠性高,能在宽范围内精 确控制转矩和速度等优点。电流型逆变器用来作为 感应加热电源时工作更稳定,应用更加普遍等。 对于 PWM-CSC的研究,已有的文献多限于单 位功率因数整流的研究[8,13-15],而在接电机等负载的 情况下,常需要变流器能够实现功率因数可调和能 量自动回馈,文献[5]提出 1种解耦的直接电流控制 方法实现变流器的可调功率因数运行,但这种方法 计算复杂而且需要高精度的电流传感器、电压传感 器以及检测电容电压的传感器,实现非常困难,且 成本高。本文提出利用 dq坐标系的间接电流控制实 现 PWM-CSC的可调功率因数和能量自动回馈,这 种方法具有简单的控制结构和良好的开关特性,便 于微机实现,是 1种简单实用的控制策略。本文最 后对变流器的稳态运行范围进行了定量的研究。 1 电流型 PWM变流器间接电流控制原理 根据实际用途,PWM-CSC的负载形式有 2种, 一是由电阻模拟的无源负载,一是由直流电压源和 电阻串联组成的有源负载(如电流源逆变器驱动感 应电机或驱动直流电机的情况[7]),如图 1所示。当 变流器接有源负载时通过控制可以实现能量的回 馈。PWM-CSC接有源负载的等效电路如图 2所示。 ua n isa R L ipa T1 T3 T5 T2 T6 T4 Ldc Rdc uca ucb ucc n idc C uL _ + 图 1 PWM-CSC接有源负载电路 Fig. 1 Circuit of PWM-CSC with active load ua ub uc ~ ~ ~ n isa isb isc uca ucb ucc n ipa ipb ipc ur udc idc Rdc uL _ + + _ 图 2 PWM-CSC接有源负载的等效电路 Fig. 2 Equivalent circuit of PWM-CSC with active load 由图 2 可得变流器的各空间矢量满足如下等 式: jj sj sj cj sj cj pj R Lw= + +ìï í = +ïî U I I U I I I (1) 式中: j 为 a,b,c,Isj为变流器第 j相网侧电流矢量; Ucj为 LC滤波器中第 j相电容电压矢量;Ipj为变流 器交流侧第 j 相电流矢量;Uj为第 j 相网侧电压矢 量;R为电感内阻。 由矢量关系作变流器 a相空间矢量图如图 3所 示。 Isa Vca Ica Ipa IsaR Ua jwLIsa j a 图 3 PWM-CSC空间矢量图(a相) Fig. 3 Space vector graph of PWM-CSC (a phase) 假设网侧电压幅值一定,由图 3可知,要想控 制网侧电流 Isa,总可以找到一组对应的 Ipa间接的 控制网侧电流,使其达到网侧电压与电流的单位功 率因数或可调功率因数运行。 在 abc坐标系建立的间接电流控制系统模型是 非线性时变的高阶模型,用于系统的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和设计比 较复杂。在 dq坐标系下,三相正弦量变成了直流量, 时变系统变成了恒值调节系统,系统的分析和设计 变得相对简单。因此本文利用 dq 坐标系来实现 PWM-CSC的四象限运行控制。 2 PWM-CSC在 dq坐标系下的控制 在 dq坐标系下,PWM-CSC交流侧的方程 可以 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为[5-6] d d d d sd sd sq cd d sq sq sd cq q L i R i L i u e t L i R i L i u e t w w ì + × - × + =ïï í ï + × + × + = ïî (2) d d d d sd cd cq pd sq cq cd pq i C u C u i t i C u C u i t w w ì = - × +ïï í ï = + × + ïî (3) 式中: dcpd di m i= ; dcpq qi m i= ;md、mq分别为开关 函数的基波 dq分量。 直流侧的方程可以表示为 ( )dc dc dc dc d 1 3 1 d 2 d cd q cq i m u m u u t L L = + - (4) PWM-CSC 的控制对象是 isd、isq,在低频模型下, isd、isq受控于调制波。由式(2)、(3)可得控制量与控 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn 第 1期 李玉玲等: 间接电流控制可调功率因数电流型 PWM变流器 51 制对象的离散关系为 * ( ) ( 1)( ) ( ( ) ( 1)( 1) ( 2) ) 2 ( ) ( 1) ( ) pd sd sd s s sq sqsd sd s s sd sd sq s i k i kLCi k T T i k i ki k i k LC T T i k i kRC RC i k T w w - - = - - -- - - - × + - - × - × + 2(1 ) ( ) ( )sd qLC i k Ce kw w- × + (5) * ( ) ( 1)( ) ( ( 1) ( 2) ( ) ( 1) ) 2 ( ) ( 1) ( ) sq sq pq s s sq sq sq sd s s sq sq sd s i k i kLCi k T T i k i k i k i k LC T T i k i k RC RC i k T w w - - = - - - - - - + × + - - × + × + 2(1 ) ( ) ( )sq dLC i k Ce kw w- × - (6) 因此构造出 dq坐标下的间接电流控制如图 4所示。 图 4中,j为功率因数角,通过调节 tgj的大小, 可以实现 PWM变流器任意功率因数运行。 *sdi 通过 负载 idc的变化自动调节。 idc i*dc PI ´ 1/ed udc i*sd 式(5) 式(6) tgj i*sq i*pd i*pq ed 图 4 dq坐标系下间接电流控制原理框图 Fig. 4 Scheme of indirect current control in dq coordinate (1)当 udc>0时, * 0sdi > ,变流器工作于整流 状态,通过调节 tgj的大小,可以实现 PWM-CSC 整流状态的可调功率因数运行。当 tgj=0时,PWM 变流器工作于单位功率因数整流状态。 (2)当 udc<0时, * 0sdi < ,变流器工作于逆变 状态,通过调节 tgj的大小,可以实现 PWM-CSC 逆变状态可调功率因数运行。当 tgj=0 时,PWM 变流器工作于单位功率因数逆变状态。 3 dq坐标系下间接电流控制的实验结果 为了验证上述方法的正确性,本文进行了实验 验证。实验电路参数为:Em=100V,L=0.8mH, R=0.5W,C=48mF,Ldc=200mH,Rdc=50W。控制系 统由 DSP芯片 TMS320LF2407A完成。采用 C语言 编程,实验中开关频率取为 4.2kHz。实验中设定直 流电流给定值 *dci =4A,通过实时采样负载电流 idc, 按照图 4原理对变流器进行控制。变流器运行于整 流还是逆变状态则可以根据负载自动调节。同时通 过调节 tgj值,实现变流器网侧电压和电流在整流 和逆变状态的可调功率因数运行。图 5为整流和逆 变状态的稳态实验波形,图 6为从整流到逆变和从 逆变到整流的动态实验波形。 10ms/格 t/ms 10ms/格 t/ms 10ms/格 t/ms 10ms/格 t/ms 20 0V /格 5 A /格 20 0V /格 5 A /格 20 0V /格 5 A /格 20 0V /格 5 A /格 (a)变流器运行于单位功率因数整流 (b)变流器运行于单位功率因数逆变 (a) 变流器网侧电流超前电压整流 (b) 网侧电流滞后电压整流 isa ua ua isa ua isa isa ua 图 5 dq坐标系下间接电流控制稳态实验波形 Fig. 5 Steady-state experimental waveform of indirect current control in dq coordinate 20ms/格 t/ms 20ms/格 t/ms (a) 从整流状态到逆变状态 (b) 从逆变到整流状态 20 0V /格 5 A /格 20 0V /格 5 A /格 isa ua ua isa 图 6 dq坐标下间接电流控制的动态实验波形 Fig. 6 Dynamic-state experimental waveform of indirect current control in dq coordinate 从上述实验结果可以看出:基于变流器输入电 流的间接电流控制策略在 dq 坐标系下实现 PWM-CSC 的单位功率因数运行和能量回馈是完全 可行的,系统不但具有优良的稳态性能,而且具有 较好的动态性能。 4 dq坐标系下间接电流控制的稳定运行范围 对于 PWM-CSC,变流器的主电路拓扑结构和 控制策略使变流器网侧电流 dq 轴分量的稳定运行 范围受到限制,从而限制了变流器能够提供的有功 功率和无功功率以及变流器稳定运行的工作点。为 了避免将变流器设置在无效的功率范围和工作点, 有必要讨论 Isd和 Isq的运行范围。 为了得到 Isd和 Isq的运行范围,式(2)~(4)中,假 设 dX/dt=0(X代表各状态变量)[4],整理求解,得 dc dc2 / 3sd dI I U U= (7) 2 dc( ) /(1 )sq d qI CU m I LCw w= + - (8) 2 dc2 (1 ) / 3d dm U LC Uw= - (9) 式中 用大写字母表示变流器变量的稳态工作量。 本文采用 SPWM调制,使得控制变量必须满足 一定的范围。而作为控制系统的调制波,根据调制 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn 52 中 国 电 机 工 程 学 报 第 27卷 信号的不同,又可分为线性调制和过调制。在线性 调制范围内,输出信号的基波与调制信号的幅值成 线性关系,dq坐标系下这一范围可表示为 2 2 1d qm m+ £ (10) 而在过调制范围内,输出变量与调制信号的幅值成 非线性关系,当调制信号变为方波时,输出信号的 基波成分最大,其幅值为 4/p。因此,在过调制状 态下,控制信号的范围为 2 21 4/d qm m£ + £ p (11) 由式(9)知,md的最大值对应 Udc的最大值,根 据 md的范围,可知在线性调制范围内,直流负载电 压应满足: dc 2 3 1 2 1d U U LCw £ × - (12) 在过调制范围内,直流负载电压满足 dc2 2 3 1 4 3 1 2 1 2 1d d U U U LC LCw w × £ £ × × - p - (13) 根据式(7)、(8)就可以确定在线性调制和过调 制两种情况下,变流器 Isd和 Isq的稳定运行范围如 图 7所示。图中横坐标均为 Idc,实线为线性调制线, 虚线为过调制线,虚线到实线之间的部分为过调制 范围,实线以内部分为线性调制范围。图中各量均 已换算成相对网侧电压 d轴分量 Ed的标么值。 0 0.4 0.8 1.2 Idc/A 0 0.4 0.8 1.2 Idc/A 0 0 -1 -1 1 1 Isd/pu Isq/pu (a) Isd的稳定运行范围 (b) Isq的稳定运行范围 图 7 PWM-CSC接有源负载时变量的运行范围 Fig. 7 Region of state variables of PWM-CSC with active load 可见,在变流器接有源负载情况下,若变流器 工作在能量反馈的工作模式,变流器可以提供一定 数量的无功功率。从图 7(b)可以看出,变流器的网 侧电流 Isq随直流电流的变化而变化,因此可知无功 功率的获得依赖于有功功率的大小。 5 结论 本文经过理论分析和实验证明,在dq坐标系下 利用PWM-CSC的间接电流控制方法实现变流器的 可调功率因数和能量回馈运行是完全可行的。这种 方法不需要检测交流电压和电流的传感器,直流电 流利用采样电阻来检测,实现起来简单经济。 PWM-CSC的稳定运行受拓扑结构和控制策略 的制约。因此它所能提供的有功功率和无功功率是 有限的,无功功率的范围依赖于负载的有功功率。 本文提出的PWM-CSC的分析方法对于电压型变流 器和多电平变流器也有一定的借鉴作用。将该方法 稍加改动可对有功功率和无功功率分别控制。 参考文献 [1] 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].中国电机工程学报,2005,25(7):97-103. 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