王鶴霖 程啟明 郭 凱 李 明 陳 根
(上海電力學院自動化工程學院, 上海 200090 )
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電流型PWM整流器的SVPWM控制及仿真研究
王鶴霖 程啟明 郭 凱 李 明 陳 根
(上海電力學院自動化工程學院, 上海 200090 )
為解決三相電流型PWM整流器的拓撲結構帶來的系統階次增加、并聯諧振等問題,詳細介紹了三相CSR的空間電流矢量的控制方法,包括系統的數學建模、控制策略、信號發(fā)生和實現調制等。在Matlab/Simulink 軟件平臺進行了三相CSR雙閉環(huán)解耦SVPWM 控制方法的仿真,并通過與傳統的SPWM控制方法進行對比,驗證了該控制方法具有更好的動、靜態(tài)特性,且動態(tài)響應快,能有效抑制網側諧波,實現單位功率因數運行。該方法為三相CSR的控制方法提供了新思路,具有一定的理論和實際應用價值。
PWM整流器 空間電流矢量 雙閉環(huán)解耦控制 電壓型PWM整流器 空間矢量脈寬調制
Space vector pulse width modulation(SVPWM)
近年來,基于電流型PWM整流器(current source PWM rectifier,CSR)同電壓型PWM整流器(voltage source PWM rectifier,VSR)相比,具有輸入功率因數可調、諧波電流抑制、短路保護和降壓等優(yōu)點,目前已在超導儲能、電池組充電、電能質量調節(jié)器等場合有著廣泛的應用[1]。
在拓撲組成上,電壓型和電流型PWM整流器具有對偶的結構特征,因此基于VSR的一些先進控制策略可以同理直接移植至CSR控制中去,如電壓定向控制、預測模型控制、直接功率控制等[2]。但是,由于CSR在交流輸入側增加了LC濾波環(huán)節(jié),不僅增加了系統階次,而且會引起并聯諧振的問題,這就給系統中各控制參數的確定和優(yōu)化增加了難度,因此有關CSR的控制策略優(yōu)化方面還需進一步深入研究[3]。
電流空間矢量脈寬調制(SVPWM)和正弦脈寬調制(SPWM)是兩種常見的調制方法。與傳統的SPWM相比,SVPWM開關次數可減少1/3,直流電流利用率可提高15%,具有更好的魯棒性和諧波抑制效果[4-5]。本文將結合CSR與VSR的差異,具體介紹三相CSR的空間電流矢量控制方法。此方法主要經過脈沖信號發(fā)生、電流矢量合成、扇區(qū)判斷和矢量作用時間計算等步驟,實時切換三相CSR空間電流矢量,從而獲得高品質控制電流[6-7]。仿真試驗驗證了本文方法的有效性和可行性。
圖1為三相CSR的拓撲結構。圖1中,交流側為LC低通濾波器,它由電感L和電容C組成,可以濾除高頻開關分量;整流器由6個IGBT開關管與二極管串聯的結構,二極管可增加反向續(xù)流的能力[8];直流側采用大電感Ldc與阻抗RL串聯的形式,保證輸出平滑的電流。
圖1 三相CSR的拓撲結構
假定三相電路完全對稱,開關元件為理想元件,其頻率遠大于電網頻率,交流與直流側的濾波電感L和Ldc均為線性,不考慮飽和。根據基爾霍夫的電壓、電流定律,可以得出CSR在三相abc靜止坐標系下數學模型為[9]:
(1)
(2)
(3)
式中:ek為三相電網電動勢瞬時值,下標k=a、b、c,表示三相中某一相;uk和ik分別為網側相電壓和相電流瞬時值;isk為三相CSR交流側相電流值;udc和idc為直流側輸出電壓和電流的瞬時值;L、R和C分別為濾波電感、內阻和電容值;RL為輸出負載阻值。
引入三值邏輯函數σk,且定義:
(4)
(5)
為了便于建立系統的線性模型,進而推導出在兩相dq旋轉坐標系下三相CSR的數學模型為[10]:
(6)
2.1 脈沖調制信號的發(fā)生
同三相VSR相比,三相CSR的三值邏輯信號的產生要復雜得多,它主要包括調制信號預處理、PWM二值邏輯信號產生、二/三值邏輯轉換、零狀態(tài)判別和狀態(tài)信號分配等幾個方面[11]。三相CSR信號發(fā)生的結構框圖如圖2所示。
圖2 三相CSR信號發(fā)生結構框圖
三相CSR共有9種開關狀態(tài),需用三值邏輯函數來表示,即用二值邏輯函數的函數表示。二/三值邏輯轉換狀態(tài)見表1,表中的#7~#9為開關管的零狀態(tài)。
表1 二/三值邏輯轉換狀態(tài)
2.2 空間電流矢量的合成與調制
類比三相VSR空間電壓矢量合成原理,所謂三相CSR空間電流矢量合成就是利用空間電流矢量合成指令電流,并且若指令電流是三相正弦對稱的,其矢量運動軌跡必為圓形[13]。由指令電流表達式,可得三相CSR的空間電流矢量分布示意圖,如圖3所示。
圖3 三相CSR的空間電流矢量分布示意圖
圖3中的指令電流Ir可表示為:
(7)
三相CSR空間電流矢量調制的步驟如下:
(1)判斷指令電流Ir所在的扇區(qū);
(2)選擇開關矢量的作用順序;
(3)計算開關矢量的作用時間。
根據一個工作周期內僅有兩相電流符號相同的特點,可以通過判斷指令電流正負判別指令電流Ir所在的扇區(qū)。
定義開關函數為:
N=sign(Ia)+2sign(Ib)+4sign(Ic)
(8)
(9)
式(8)中的系數N與指令電流Ir所在扇區(qū)的分配關系見表2。
表2 N與指令電流Ir所在扇區(qū)的分配關系
本文采用雙三角的合成模式,且遵循開關管切換次數最少的原則,指令電流Ir所在的扇區(qū)與其空間矢量的合成情況如表3所示。
表3 Ir所在的扇區(qū)與其空間矢量的合成情況
Tab.3 The synthesis situation of the sector
ofIrand its space vector
Ir扇區(qū)InIn+1I0II6I1I7III1I2I8IIII2I3I9IVI3I4I7VI4I5I8VII5I6I9
表3中,In、In+1和I0分別代表合成指令電流Ir的相鄰空間矢量和零矢量。
假設指令電流Ir處于Ⅰ扇區(qū),將指令電流Ir和空間電流矢量I6、I1分別分解到、坐標軸上,可得:
(10)
經計算得:
(11)
式中:Ts為IGBT的一個開關周期;T1、T2、T0分別為主矢量、輔助矢量和零矢量的作用時間。
在此引入通用變量X、Y、Z來計算時間T1、T2,并定義:
(12)
由此得到開關矢量作用時間與扇區(qū)的對應關系,如表4所示。
表4 不同扇區(qū)電流矢量的作用時間
3.1 整體模型的構建
為了驗證三相CSR的空間電流矢量控制,本文在Matlab仿真環(huán)境中搭建了系統模型?;谂c電壓型PWM整流器拓撲結構的差異,需增加二/三值邏輯轉換、零狀態(tài)判別等模塊。系統主要由以下幾個部分組成。
① 主電路:包含了三相對稱電源、LC濾波電路、整流橋、直流輸出大電感Ldc和系統負載RL等模塊。
② 雙閉環(huán)解耦控制:包括三相靜止到兩相旋轉換、派克變換、雙閉環(huán)解耦控制內環(huán)和外環(huán)控等模塊。
③ SVPWM:包括二/三值邏輯轉換、指令電流判別、開關作用時間計算、SVPWM脈沖觸發(fā)信號生成等模塊。
④ 示波器顯示電路。
3.2 仿真結果與分析
本文采用雙閉環(huán)解耦控制,區(qū)別于三相VSR,VCR整個系統需要進行5個PI參數的協調控制。仿真模型具體參數設置如下:電網相電壓峰值311 V,頻率50 Hz;濾波器電感5 mH;濾波器電容48 μF;輸出直流側電感0.5 H;直流側負載30 Ω;采樣頻率10 kHz;仿真時給定直流電流的參考值為2.5 A,仿真時間為0.5 s,采用ode 45算法。
為證明三相CSR應用SVPWM調制方法的優(yōu)越性,本文也采用了SPWM調制方式進行相同系統參數條件下的對比仿真驗證。
圖4為兩種控制方法下直流側輸出電流波形。由圖4可見,當CSR進入穩(wěn)定運行時,兩種控制方法均達到了給定電流值2.5 A,但SVPWM控制方式超調量較小,達到穩(wěn)態(tài)時間約0.02 s,明顯快于SPWM控制方式。
圖4 兩種控制方法下直流側輸出電流波形圖
圖5為a相電壓與網側電流波形。由圖5可見,網側電壓與電流實現了同相位,滿足單位功率因數要求,其中SVPWM調制方式網側電流近似正弦,所用時間更短。另外,從網側電流諧波分析圖還可看到,采用SVPWM 控制方法的總諧波失真值(THD)更小,即系統的諧波含量最少,滿足IEEE 519標準,從而證明了該控制方法在降低諧波污染、降低開關頻率方面的優(yōu)越性。
圖5 兩種控制方法下a相電壓與網側電流波形圖
本文主要闡述了三相電流型PWM整流器空間電流矢量控制方法。從三相CSR的數學建模出發(fā),具體介紹了SVPWM脈沖信號發(fā)生方式、空間電流矢量的合成與調制、空間電流矢量的調制步驟等。三相CSR的控制難點在于基于與三相VSR拓撲結構的差異,需解決降低系統階次、二/三值邏輯轉換、零狀態(tài)判別等方面問題。為了驗證方法的可行性,本文在Matlab/Simulink 軟件平臺進行了三相CSR雙閉環(huán)解耦SVPWM 控制的仿真,詳細列出了系統各功能模塊的Simulink模型。通過與傳統的SPWM控制方式進行對比,說明了SVPWM的調制方式系統動態(tài)響應速度更快、魯棒性好和超調量較小,可以實現單位功率因數運行,并能有效抑制網側電流畸變,體現了在降低諧波污染、減小開關頻率方面的優(yōu)勢。該研究為PWM 整流器的控制方法提供了新思路。
[10]李玉玲,鮑建偉,張仲超.間接電流控制可調功率因數電流型PWM整流器[J].中國電機工程學報,2007,27(1): 49-53.
[11]張晶.三相電流型PWM整流器的控制技術研究[D].保定: 華北電力大學,2008.
[12]朱曉榮.電流型PWM整流器及其非線性控制策略的研究[D].保定: 華北電力大學,2009.
[13]Bierhoff M H,Fuchs F W.Active damping for three phase rectifier based on back stepping design[J].IEEE Transactions on Industrials Electronics,2009,56(2): 371-379.
SVPWM Control of Current Source Type PWM Rectifier and its Simulative Research
In order to solve the problems of the topological structure of three-phase current source type PWM rectifier,e.g.,increasing the system orders,and parallel resonances,etc.,the space current vector control method for three-phase CSR is introduced in detail,including mathematical modeling of the system,control strategy,signal generation and modulation implementation.The simulation of three-phase CSR double closed loop decoupling SVPWM control method is conducted on Matlab/Simulink software platform,and through comparing with traditional SPWM control method,the control method proposed possesses better dynamic and static characteristics,and the dynamic response is faster; it effectively suppresses harmonics to achieve unit power factor operation.The research provides new concept for three-phase CSR control method,if possesses theoretical and practical values.
PWM rectifier Space current vector Double closed-loop decoupling control Voltage source PWM rectifier
國家自然科學基金資助項目(編號:61304134);
上海市重點科技攻關計劃基金資助項目(編號:14110500700);
上海市電站自動化技術重點實驗室基金資助項目(編號:13DZ2273800)。
王鶴霖(1989-),女,現為上海電力學院電機與電器專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事電力系統自動化、新能源發(fā)電控制方面的研究。
TP273;TH71
A
10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601005
修改稿收到日期:2015-03-24。