2011.5Vol.35No.
5
研究与设计
收稿日期:2010-12-16
作者简介:夏小军(1973—),男,河南省人,工程师,主要研究方向为电力系统计算机仿真。
595
四象限PWM整流器的设计与仿真
夏小军
(中原油田天然气处理厂,河南濮阳457162)
摘要:给出了四象限电压型PWM整流器(VSR)在dq坐标系中的简化数学模型。采用固定开关频率的双闭环直接电流控制策略,分析了电压和电流PI调节器参数的确定方法,指出交流侧电感和直流侧电容的选取对整个系统的影响,给出了设计方法,在Matlab/simulink下建立仿真模型。仿真表明:给出的调节器设计方法和电路参数设计方法正确,且可使能量双向流动,实现了能量回馈,对四象限PWM整流器的研制有重要的理论指导意义。关键词:PWM整流器;PI调节器;主电路参数;能量回馈中图分类号:TM921
文献标识码:A
文章编号:1002-087X(2011)05-0595-03
Four-quadrant PWM rectifier design and simulation
XIA Xiao-jun
(Zhongyuan Oil-field Gas Treatment Plant,Puyang Henan 457162,China)
Abstract:Asimplifiedmathematicalmodeloffour-quadrantPWMrectifierindqcoordinatesystemwasgiven.Thefixedswitchingfrequencyofpairsofclosed-loopdirectcurrentcontrolstrategywasusedinthispaper.ThemethodtodeterminethevoltageandcurrentPIregulatorparameterswasanalyzed,theselectionoftheAC-sideinductanceandDCsidecapacitorontheentiremaincircuitwasproposed,thedesignmethodwasgiven,andthesimulationmodelwasbuiltwithMatlab/simulink.Thesimulationresultsshowthatthegivenregulatordesignmethodandcircuitparameterdesignmethodiscorrect,andallowstwo-wayflowofenergytoachievetheenergyfeedback;thesimulinkhasanimportanttheoreticalguidetofour-quadrantPWMrectifier-styledevelopment.Keywords:PWMrectifier;PIregulator;maincircuitparameters;energyfeedback现代交流传动系统中,广泛采用交-直-交电压型变频器主电路拓扑结构。由于传统电路结构采用二极管不可控整流,能量不能双向流动,所产生的泵升电压大都消耗在制动电阻上,造成了很大的能源浪费。四象限PWM 整流器(VSR)具有直流侧电压稳定、
网侧电流接近正弦波、功率因数可调且能量可以双向流动的优点,现在的研究和工程应用中都较为广泛。
PWM 整流的控制策略主要分为“间接电流控制”和“直接电流控制”。“直接电流控制”以其快速的电流响应和较强的鲁棒性而得到快速的发展,较为常用的有滞环PWM 电流控制和固定开关频率PWM 电流控制等。其中的固定开关频率PWM 电流控制以其算法简单、物理意义清晰且实现方便而得到广泛的应用。采用电压电流双闭环串级控制,用前馈解耦方式对dq 坐标系中的电流进行解耦,在Matlab/Simulink 中进行了仿真验证。
1三相VSR的控制策略
采用电压外环电流内环的双闭环串级结构,得到图1所示的控制框图。
根据参考文献[1],以电网基波角频率ω为同步旋转的
(d ,q )坐标系下的开关函数模型为:
(1)式中:e d 、e q 为电网电动势矢量E dq 的d 、q 分量;v d 、v q 为三相VSR 交流侧电压矢量V dq 的d 、q 分量;i d 、i q 为三相VSR 交流侧电流矢量I dq 的d 、q 分量;p 是微分算子。
由图可知三相电流i a 、i b 、c c 经3s /2r 变换后,得到dq 坐
标系下的电流分量i d 、
i q (此处取d 轴为有功分量,q 轴表示无图1
PWM整流器控制结构
??3
2
ááá???áá??á?á?e i v Lp R L e i v L Lp R v i v i v i ???????????
????????????????????????
?????
研究与设计
2011.5Vol.35No.5
596
功分量。改变i q *就可以改变功率因数,当i q *=0时功率因数为1);从三相VSR d -q 模型方程式可看出,由于VSR d 、q 轴变量相互耦合,因而给控制器设计造成一定的困难。为此,可采用前馈解耦控制策略,当电流调节器采用PI 调节器时,
则v d 、v q 的方程为:
(2)进而实现了对v d 、v q 独立控制。最后通过2r /3s 变换,经SVPWM 控制模块得到开关管的脉冲信号,使得电网输入电流为正弦波,且功率因数可调
[2-3]
。
2PI调节器的设计
2.1电流PI调节器的设计
双闭环控制系统中的内环为电流环,输入电流跟踪输入电压波形,提高系统的动态响应性和功率因数[4-5]
。解耦后的i q
电流内环结构如图2所示。
T s 为电流内环采样周期(即PWM 开关周期),K PW M 为PWM 等效增益。因电流内环需较快的电流跟随性能,选择典型Ⅰ型系统设计电流调节器,由图2得出电流内环传递函数为:
(3)按典型Ⅰ型系统设计只需以PI 调节器零点抵消电流控制对
象传递函数的极点,有,代入式(3)得电流内环开环传递函数为,当阻尼比ξ=0.707时,有,解得:(4)2.2直流电压外环PI调节器设计电压外环控制的目的是为了稳定整流器直流侧电压U dc ,本文的设计是基于低频模型的电压环(如图3所示)。由于电压外环的主要控制作用是稳定三相VSR 直流电
压,所以应着重考虑电压环的抗扰性能,因此需要按典型Ⅱ型系统设计电压调节器。由图3可得系统的开环传递函数为:
(5)电压环中频宽h v 为:h v =T v /T ev ;T ev =τv +3T s ,τv 为电压环采样小
惯性时间常数,T s 为电流内环采样周期。由典型Ⅱ型系统参数整定关系可得:,综合考虑电压外环的抗扰性及跟随性,工程上一般取中频宽
h v =T v /T ev =5,将h v =5代入式中,可得电压环PI 参数为:(6)3主电路参数的选取
3.1交流侧电感的选取
由于交流侧电感的取值不仅影响到电流环的动、静态响应,而且还制约着VSR 的输出功率、功率因数和直流侧的电
压,因此交流侧的选取是至关重要的。选取时要符合如下原则[6]:在最大限度地抑制网侧电流谐波前提下,还要满足最大电流的跟踪要求。
忽略VSR 中交流侧的电阻,可得到a 相的电压方程:
(7)用增量方程的形式表示为:
(8)式(8)中:T s 表示PWM 载波周期;μdc 表示直流母线电压。考虑抑制谐波时的电感设计,必须满足电流波动的幅值
要小于电流波动的最大峰值,而在电流峰值附近,谐波电流的
脉动最严重,此时电感应该足够大。
(9)式中:e a 是VSR 网侧A 相电压有效值;Δi a max 是VSR 系统中A
相谐波电流允许最大脉动;I a max 为A 相电流的峰值。
另一方面,考虑电流快速跟踪性,电感L 的值也不能取得太大,过大时,系统对给定电流的跟踪性能就会变差。在VSR 网侧电流过零时,电流的变化率最大,要求电感L 足够小,才能满足快速跟踪电流的要求,即电流变化率应小于实际电流的跟踪速度。
(10)式中:ω为VSR 交流电角频率。
因此电感的取值范围为:
(11)????á?
?
á?????á
??á??
???K v K i i Li e s K v K i i Li e s ??áá???????????????????????????????图2
iq电流环结构
????á??1.51á?á?
á??á?K K K s K W s R sL T s s L ?????????
??????
?L R K K áá?
á?
???1????
á??1.51á??á
?K K W s sL T s ??á??1.512
á??T K K L ?á??
á??33á??á?
?L K T K R K T K ?
??????
??
á?
á
??v
??
v ??
1áá
á
K T s T s ??
???
W s 0.75cos m ?
1Cs 图3三相电压型PWM整流器电压外环控制结构
á
0.75(1)
()(1)áá?áá??
K T s W s CT s T s ???áá
0.751
2áááá?áK h CT h T ??545á?á
á
?á
T T C K T ???
?
?????á?d 1d 3áááá??i L
e u s s s s t ?
??????????
??13á????????T i e u s s s s L ??
????????????????á?á???????222323á?á????T e u T i e u i L L i ??
????????????????? á?á???????
22
sin()33sin()á??ááá?áu u T i I T L T L T I T ?????
á?á???????
2
(2)
233á???T e u u L i I ???
á?
ái áá
i ????K K s ?á??1.51?K T s ??1R Ls ?
2011.5Vol.35No.
5
研究与设计
597
3.2直流侧电容的选取
直流侧的电容起着缓冲VSR 交流侧与直流侧负载间的能量交换、稳定直流侧电压和抑制直流侧谐波电压的作用[7]。从满足电压环控制的跟随性指标看,VSR 直流侧电容应尽量小,以确保直流侧电压的快速跟踪控制,由此可以推导出满足电压跟随性指标时的电容为:
。式中:
t γ*
为直流侧从初始值跃变到额定直流电压的上升时间;R Le 为负载电阻。
从满足电压环控制的抗扰动性指标分析,VSR 直流侧电
容应尽量大,以限制负载扰动时直流电压波动,由此推导出
满足电压抗扰动性指标时的电容值为:。式中:r i 为直流电流纹波系数;r v 为直流电压纹波系数;I sm 为相电流幅值。
4仿真结果分析
在Matlab/Simulink 对所设计整流系统进行仿真。系统的主要仿真参数为:交流侧的E m =100V ,直流侧给定电压160V ,等效电阻0.5Ω,电流环采样时间和电压环采样时间都取值为0.0002s ,三角波频率和幅值为10kHz 和0.0001,经计算和综合取值得网侧电感为2mH ,支撑电容为4700μF ,电
流调节器参数K iP =0.01;K id =1,电压调节器的参数T v =0.004;K v =4.7。
仿真波形如图4~7所示,从图4中输出电压波形中可以看出,系统的动态响应比较快,从0~160V 的直流电压需要的时间不到30ms ;图5为整流时电流跟踪电压的波形,功率因数接近1,交流侧的电流波形接近正弦波;图6给出了从0.1s 开始系统由整流状态到逆变状态的仿真模型,在逆变时系统的功率因数为-1;图7为无功和有功电流分量,从图可看出无功分量始终为0。
5结论
在分析了VSR 的d -q 坐标轴下的数学模型的基础上,采用双闭环的电流前馈解耦控制策略,运用文中提到的调节器设计方法及电路参数选择方法,经计算得出的参数用到仿真电路中。在Matlab/Simulink 中进行了建模仿真,仿真结果表明:系统的动态响应快,电流跟踪电压波形接近正弦波,且THD 较小,在整流和逆变转化时无功始终为0,功率因数为1,有用功从正的变成负的,能量双向流动,整流器可以实现四象限运行。
参考文献:
[1]
张崇巍,张兴.PWM 整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2003.[2]
刁利军,刘志刚,郝荣泰,等.能量回馈式PWM 整流器并网的工程设计方法[J].电工技术学报,2005(11):75-79.
[3]尹忠刚,钟彦儒,刘静,等.基于空间电压矢量的变频器能量回馈系统的研究[J].电力电子技术,2007(7):6-8.
[4]张爱玲,牛维.三相电压型PWM 整流器设计方法的研究[J].太原
理工大学报,2008(5):311-314.
[5]赵振波,李和明.单位功率因数PWM 整流器双闭环PI 调节器设
计[J].电力电子技术,2009(8):68-71.[6]QU L L,YANG Z H,QIN Y,et al.Analysis and design of a decou-pling control strategy for three-phase voltage-source PWM converter
[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2007(7):52-57.[7]
史伟伟,蒋全,胡敏强.三相电压型PWM 整流器的数学模型和主电路的设计[J].东南大学学报,2002(1):50-55.
á?
0.74át C R á
á??á
??
3á?L r I C r U ??? ?U /V
t /s
图4
整流时直流侧电压波形图
0.00
0.20
0.160.120.08
0.04t /s
?U /V , I /A
????图5整流状态时网侧A相电压和电流波形图
t /s 80100
?20020
4060U /V , I /A
?80?100?40?60图6由整流到逆变时A相电压和电流波形图
????t /s
P /k W P /k W
图7解耦后的dq轴电流分量