三相电压型PWM整流器（VSR）的建模及其控制策略.
TECHNOLOGY& APPLICATION·技术与应用 3三相VsR的控制策略 并出调制波和载波的关系有 3.1动态间接电流控制11 (26) 由图1,写成矢量回路形式:(忽略电感电阻) 最后可得指令电压为 UI k e k- Kir ix 上桥臂导通 指令电压和三甪载波相比较,就叮以得出开关控制信 定义二极性开关函数f= 1下桥臂寻通 (l7) 号,H以上可见固定开关频率PWM电流控制算法简单,物 狸概念清晰,由于开关频率确定,因而设计和实现都很方 令a=e3则y=(V.+a+a2v (]8)便,但在开关频率不高的情况下·电流动态响应慢,且 电流动态偏差随电流变化率而改变 F-2(P。+d-a2) (19)3.2.2定频滯环电流PM控制16 研究发现,当开关频率按·定规律变化时,比流偏差 G +aie+ai) (20)将被控在某-限定频率内基本不变,电流的跟踪特性将会 得到极大提高。但如果开关频率变动对于设计参数就比较 式(17)改写为:Lx=E-PVd (2l)闲难,而且开关应力和损耗将加大,不利大功率的应用, 所以提出定频滞环电流PWM控制。由图1可得 其中,E=Ene为电网矢量。 (22) 人 出于要实现单位功率因数,电流相位跟随电压相位 令交流侧电流矢量指令为 令电流误差矢量δ=了-1 (20) 把I=+8代入式(29)并令: 为动态电流满烂电流指令控制要求,即ii,两边V 30) 求导后带入式(22),最后求出P在复平面上的分量P,P 再经过坐标变换得出开关函数P。通过控制P就可以得到 期望的电流。从P可以看出对系统参数较为敢感 3.2VSR直接电流控制 得 (32) 间接电流控制相对于直流电流控制少了网侧电流的闭环 令δ-δ-δ代入上式就可以实现二相间电流的解 控制。因此直接电流悴制网侧电流动静态性能得到提高,耦,其控制电路结构如图2 且对系统参数不敏慼,增强了鲁棒性 到其 3.21固定开关频率PM电流控制2 从其 3L3+R 他相 回定开关频率是指载滅频率不变,如三角波。由1跟 kJ朝 丘时弹 踪,并设其为一阶惯性环芇郎 位检 虾 开关 到 T (24) 较器 驱动卜下关 dt 代入(8)至(12)式,叮得 雄键打环宽 估什 dk voeT/2 图2三相vSR定频滯环电流控制 國縻電子饔壓/119 技术与应用· TECHNOLOGY& APPUCATION 32.3三相VSR的定频空间矢量控制( SVPWM) Va,b可以通过坐标变换求得,上式很容易通过DsP 这种控制策略通过电流调节环运算获得电压指令矢量来实现。总体而言,其控制框图为 V,并通过开关矢量V(k=0~7)来合成,从而达到3.24空间矢量的最优控制 功率因数校正的目的。 在冋步旋转坐标系中,电网电动势以a轴定向,则由 式(15得 d 37) oLla t va dk V 考虑到单位功率因数,in=0,得到 图3V的合成 要使i的动态响应快,就要使 的控制范围足够 采用前馈解耦,P调节进行控制,可得dq轴卜指令 电压为:(考虑到实现单位功率因数) 大,当En,L确定后,其动态响应就取决于V,因为 Kit 越大ⅴ范围就越小其动态响应就越 Kip+a)(ig-ig' V(Kn K 十士) 十讠+=a (:3 慢,必须改进。从(37)看出 MalI 这表 为了讨论方便,可设Ⅴ在第一区间,按照如图所示明可以牺性单位功率因数i≠0来换取i的动态特性。 的合成方法的几何关系有 所谓高功率因数的时间最优控制,就是确定交流侧电 d vit d,v,oos 60-0.5v"oose 压Ⅴ,V的算法,并在最短时间内使状态变量 2v, sin 60-0.5y sin b 4) i。-i。=il-i。=0,其具体算法可见文献l V 2 3.2.5定频滞环空间矢量控制 这种控制方式不仅具有滞环控制的快速电流动态响应特 得出1,2作用的时间: 性和系统鲁棒性较好,并且提高了电压利用率,降低了开 关频率,提高了系统的运行效率。是今后三相SR控制的 发展方向。其原理如下 r2 (36) 只有a,b相的开关影响相间电流i=i,其与c相 的开关解耦。如果固定a,b相的开关中的一个,仅用 相就可以控制相间电流。 负拿 定义电流误差矢量为:ii (37 代入(17)可得: 网四这 dlc/dq PIFSvPWM 1--(B-1-)=-萨 (38) 图4空间矢量控制框图 对于相同电压v>0V<0,b相下桥臂始终导通, 20幽際子饔壓嚣·200605 TECHNOLOGY& APPLICATION·技术与应用 a相动作控制Δia,b相动作控制△is,例如 对复杂,总体而言控制系统包含两个部分,一是解耦, 目前主要研究前馈解耙和非线性解耦等;一是开关函数的 若令相间电流误差为△i1=1m-1 控制,目前主要有SPWM和 SVPWM,由于 SVPWM具 有很多优点如谐波含量低,效率高,损耗小等优点,而 代入(39)得:L1 dt (40)成为开关控制的首选,由其引申的定频滞环SⅤPWM是目 Sa=1时i上升,S=0时,i下降。因此我们可以把前研究的趋势,由于其控制算法比较复杂,往往需要大 六角形划成三个平形四边形,如图所示: 量的计算,所以以后对于大功率的三相PWM整流器渐渐 的采用DSP来控制 I-Ⅱ(对应V>0.V<0 m-Ⅳ(对应Vm>0V的<0 參考文献: [1 MarianP. Kazmierkowski. Current. Control Techn: quees V-Ⅵ(对应V>0,V<0 for Trcc-pnasc Voltage pWM conver:ers: A survey 个四边形 IEEE 1998 [2]Wu R, Dewan S B, Slemon G R Anaysis of an ac t o dc Itage source converter using PWM with phase and ampitude contol. IEEE, Trans Ind App1, 1991, 2 3 u(2) L3JW1l R, Dewan S B, Slemon G R. A PWM AC-to-DC converter y577E wj.h fixed switching frequency. IEEE Trans Ind (1a v(0) ppl,1990,26880-885 2273 [4 Hengchun Mao. Novel reduce-order small signal model of a three phase pWM rectifier and its application in control design and system analysis. IEEE Trans (5 Eletronics, 1998 15JOoi B T, Salmon JC. A three phase controlled current PwM converter with leading power factor. LEEE 图5相间电流控制V的区域分布 Trans Ind Appl,1987,IA23: 7884 其控緲流程是首先通过外滞环相间电流误比较单元判[6】 I HabetlerTG. A space vector-pased rectifier regulator 断V分布在哪个平行四边形(图5),然后再经过内滞坏 for AC/ DC/AC converters. IEEE Trans Power elet.ron 1993.8:30~36 北较单元最终确定采用该平行四边形中的哪个控制矢量控 7]张兴等。PWM可逆变流器空间电压矢量控制技术的研究。中 制,最终可得开关函数的逻辑关系式为: 国电机工程学报,2001(10) Sa Sbei Saisca2t sabl Sbclsa []B -D Min, J L Youm. Svm Based Hysteresis current Sh Scal Sb t sbcl sea s be2 controller for three-hase pwm rectifier. Ieee LS=sabl Sui She?tical saht S 999 L9]Dong-choon Lcc. AC voltage and current sensorless S1,S1分别表示外环,内环比较的结果。 control of three-pase rectifiers Power Elec, 2002 [10]Hasan Komu rcu gil. Lyapunov based control for 4结束语 three-phase pwm ac/dc voltage source converter 相PwWM整流器是非线性系统,其控制和建模都相 ieee trans. Power Electronics, 1998 20005·圖際電子喪壓/121 技术与应用· TECHNOLOGY& APPLICATION 1 1].Jong-WooCh New current control concept minimum method for three-phase PWM converters, ESC LIe cur:ert cortrol in the three- phase pwm 001 IEEE 321. h Annual converter. IEEETrans Power Elec.1997 1. 15j Hasan komiicuiigil. A novel current control met. 12]繒江竽。电犁PWM向频鞭流器统数学模及其系统仿 fort.hree-phase PWM AC/DC voltage-source converte 其。电技术学报,1994 IEEE Trans Ind, 1999 L23何新。电点型PWM可逆整流器结模秤系纸仿真。布汕人161 Luigi Malesan:. A novel hysteresis control method 学学报(然科学版),1999/03 for eurrent-ccntrolled voll.agesourcc pwm nverters Ll4JYe Y, Kuzerani M. A nove I model ing and conto withconst anlmodulat ion Freguency. IEEE 1993 一二二二二= 上接112 能够承受的反向(-般低于1200V)电压高,所以,在参考文献 构造电丿电子变压器时应釆用原边多级串联结构(简单起[R.W. rickson:“ undamental of Power Electronics” 见,图7仪给出了原边两级串联示意图,实际应用时应在 2 Ronan, E.R. Sudhoff, S.D. Glover. S F. Galloway,D L 10级以上串联)。正因为输入线电压级別较高,翰入也流 power clectronic-based distribution 相应较小(如10kV20V,1kVA的变压器输入电流峰值 tra former"Power livery, TEEE Transactions 还不足2A).所以图孑采用输入端半桥调制,这样既能节 on,Volume: Il, Issue: 2, April 2002: pp:37-5433 1 3 Kang, M: Enjeti, P N:Pitel,T. .: "Analysis and 约成本,简化设计,又能利用半桥屯路所固有的抗不平衡 ddesign of electronic transformers for electric 特性,使系统更为叮靠。输出端采用全桥结构以输出较高 power distribution system: POwer Elect ronics IEEE 的电流,必要时也可采用多个全桥并联以提高输出能力 Transactions on, Voll4, ISsue: 5, Nov 1999: pp: 1133 8结束语 [1 Manjreka., M.D., KieferndorI,R, Venkafararana.G 本文以AC/ AC Buck变换器为主要併究对象,详细 Power elcctronic transformers [or utility 分析了其工作原理,通过仿真和实验验证了理论分析的 E: Pp:cat.ions" Incusry Applications Conference 正确性。这种变换器不再有电流不连续模式,将有利于0 erence Rccord of the200EE, Volume: 闭环控制系统在宽负载范围内的稳定;指出四象限开关4,820et.200p24962502o.4 的四步软换流策略可以保证系统效率和可靠性,分析了「51 Prakash,s.R.N,Bui,s.,R. vijaykumar,B. a direct AC! AC Busk变换器能量双向流动的机理和特点,介绍了 AC/Ac bi direct ional power convertor with high 隔离式ACAC变换器的构成.以此为基础提出构造靳型 fr' eq 1ency Link and simple pwm control;PωW台 轻便、多功能、智能型的也力电子交流诪压器和电力电 Electronics ard Drive Systems, 1997. Proceedings 子配电变压器的方案 1997 nierrational Conference on. Volume: 2.26-29 May [997 8659975 22\際定子豪壓昌·20005