1 引言
隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，各種ac/dc，dc/ac變流器廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。背靠背四象限變頻器以其功率控制靈活、輸出諧波含量小等諸多優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于電氣傳動(dòng)領(lǐng)域[1]。背靠背四象限變頻器輸入端采用pwm可控整流[2-6]。與傳統(tǒng)的不可控整流相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)不僅可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化，而且可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)；
(2)便于控制直流母線電壓的泵升；
(3)能量可雙向流動(dòng)，將電機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的能量回饋電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)四象限運(yùn)行[7]。
通常三相vsr(voltage source rectifier)控制策略的研究基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系[1][8-10] 。兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中三相vsr模型含有交叉耦合項(xiàng)，需要前饋解耦控制，另外還需要park變換，使得計(jì)算量變大，整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。本文研究了基于兩相靜止坐標(biāo)系中的三相vsr控制策略，避免了上述的缺點(diǎn)。電流控制采用了具有簡單離散迭代算法的廣義積分器，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相交流電流在兩相靜止坐標(biāo)系下的跟蹤控制，取代了傳統(tǒng)的pi調(diào)節(jié)器，也簡化了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。基于matlab的仿真結(jié)果證明了理論分析的正確性。
2 三相vsr數(shù)學(xué)模型
三相電壓型pwm整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，l為交流側(cè)濾波電感，電阻r為濾波電感l(wèi)的等效電阻和功率開關(guān)管等效電阻的合并，c為直流側(cè)濾波電容。ea，eb，ec為電源相電壓。
根據(jù)圖1中的三相vsr拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在三相靜止坐標(biāo)系(a, b, c)中，利用基爾霍夫電壓定律，建立回路方程為
圖1 三相電壓型pwm整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
(1)
利用clark坐標(biāo)系變換，可以將三相靜止坐標(biāo)系(a，b，c)中的三相系統(tǒng)變換到兩相靜止坐標(biāo)系(α，β)中的兩相系統(tǒng)。在兩相靜止坐標(biāo)系中三相vsr的數(shù)學(xué)模型為
(2)
3 廣義積分器的研究
基于兩相靜止坐標(biāo)系，被控對(duì)象為交流量。傳統(tǒng)的pi控制器，只能無差跟蹤直流給定信號(hào)。要使得被控對(duì)象在控制器的作用下，其輸出的能夠無差的跟蹤給定信號(hào)，必須采用新的控制器，即廣義積分器。廣義積分器能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)幅值放大，而不改變輸入信號(hào)的相位和頻率[11][12]。與傳統(tǒng)的pi控制器相同，比例系數(shù)kp決定控制其的帶寬和穩(wěn)定裕度。積分系數(shù)kr決定諧振頻率附近的帶寬，為了有效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)頻率可能存在1%范圍內(nèi)的波動(dòng)，實(shí)際應(yīng)用中將積分參數(shù)選擇得稍微大一些[13]。
由于采樣、計(jì)算和pwm產(chǎn)生過程的延時(shí)性，控制量iα* 、iβ*與反饋信號(hào)iα、iβ均存在延時(shí)，如果系統(tǒng)要獲得良好的動(dòng)態(tài)性能，要將延遲控制在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)。由于α軸和β軸完全對(duì)稱，只對(duì)分析α軸分析，可得
iα(t)=iα*(t-ts) (3)
利用位移原理，進(jìn)行l(wèi)aplace變換
(4)
用泰勒公式展開，根據(jù)近似處理?xiàng)l件 [14]得
(5)
由式(6)可得
(6)
當(dāng)忽略電阻r時(shí)，采用一個(gè)比例調(diào)節(jié)器k即可完成對(duì)輸出電流的控制[15]。但是在兩相靜止坐標(biāo)系中的電流是交流量，需要使用廣義積分器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的比例調(diào)節(jié)器，才能實(shí)現(xiàn)交流電流跟蹤。
使用廣義積分器對(duì)電流控制，得到vα、vβ控制方程
(7)
4 vsr在兩相靜止坐標(biāo)系上控制算法的實(shí)現(xiàn)
對(duì)直流電壓的控制采用傳統(tǒng)的pi調(diào)節(jié)器，根據(jù)式(7)可以得到兩相靜止坐標(biāo)系下系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。電流的給定id、iq經(jīng)過反park變換得到在兩相靜止坐標(biāo)系下電流的給定iα* 、iβ*。
圖2 兩相靜止坐標(biāo)系下電壓型pwm整流器控制框圖
基于兩相靜止坐標(biāo)系下三相svr的控制策略與基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的三相svr的控制策略相比，電流控制環(huán)節(jié)使用了廣義積分器代替了以往的pi調(diào)節(jié)器，在兩相在相靜止坐標(biāo)系下，不存在交叉耦合項(xiàng)，整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。
5 仿真實(shí)驗(yàn)及分析
基于matlab環(huán)境對(duì)基于兩相靜止坐標(biāo)系下的三相pwm整流器進(jìn)行建模仿真。系統(tǒng)仿真的參數(shù)如附表所示，仿真的波形如圖3所示。
附表 仿真系統(tǒng)參數(shù)
(a) a相電壓、電流波形 (b) 從空載到10kw直流母線電壓波形
(c) 負(fù)載從5kw到10kw線電流波形 (d) 直流電壓階躍響應(yīng)波形
(e) 能量回饋時(shí)a相電壓、電流波形 (f) 兩相靜止坐標(biāo)系中電流誤差波形
圖3 系統(tǒng)仿真波形
由圖3 (a)、(e)可知，在整流和能量回饋時(shí)，都可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，為了便于觀察電流幅值放大5倍。圖3(c)是負(fù)載從5kw突增到10kw時(shí)網(wǎng)側(cè)三相電流的波形。對(duì)圖3(b)、 (d)分析可知，在突加負(fù)載和給定直流電壓階躍變化時(shí)，經(jīng)過0.4s，系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)系統(tǒng)輸出電壓響應(yīng)速度快。圖3(f)在兩相靜止坐標(biāo)系下穩(wěn)態(tài)時(shí)網(wǎng)側(cè)電流的誤差波形，誤差控制在0.2a之內(nèi)。通過圖3可以看出整個(gè)系統(tǒng)的有良好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能。
6 結(jié)束語
本文研究了基于兩相靜止坐標(biāo)系下三相電壓型pwm整流器的控制算法。該算法避免了兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電流交叉耦合項(xiàng)，不需要前饋解耦。簡化計(jì)算過程，整個(gè)控制系統(tǒng)更加簡單。采用了廣義積分器對(duì)三相電壓型pwm整流器的電流控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該算法的正確性和可行性。
作者簡介
朱榮伍 男 碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。
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：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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