三相电压型PWM整流器抗扰动设计.doc

三相电压型PWM整流器抗扰动设计本文档由【中文word文档库】提供，转载分发敬请保留本信息；中文word文档库免费提供海量范文、教育、学习、政策、报告和经济类word文档。word文档郑征1，周文斌1,2（1河南理工大学 电气工程与自动化学院 河南焦作 454000）摘要：本文分析了三相电压型PWM整流器的基本原理并进行了建模。针对传统的双闭环控制下,直流母线电压受负载扰动和电网波动影响较大的问题，根据整流器功率平衡的原则，提出了电压外环采用前馈补偿（负载电流和电网电压）和输出电压反馈控制的方法，该方法有效地改善PWM整流器的抗扰动能力，仿真结果验证控制策略的有效性和正确性。关键词：PWM整流器；功率平衡；前馈控制。中图分类号：T461 文献标识码：A Design on anti-disturbance for Three-phase PWM RectifiersZHENG Zheng1，Zhou Wen-bin1,2(1.Henan Polytechnic University, jiao zuo 454003,China)Abstract: This paper analyzes the basic principle of the three-phase PWM rectifier and establishes model. With the tradition double-loop control, load disturbance and power fluctuations have a great influence on the DC bus voltage. According to the principle of power balance for rectifier, the paper proposes the outer control loop which is based on feed-forward compensation (load current and power voltage) and output voltage feedback control. This method effectively improves the anti-disturbance ability of PWM rectifier. Simulation results show the effectiveness of control strategies.Key words: PWM rectifier; power balance; feed-forward control.1 引言 传统的二极管不可控整流和晶闸管相控整流存在功率因数低、谐波含量大等缺点，给公用电网造成很大的污染，而三相电压型PWM整流器具有网侧电流正弦化、单位功率因数、能量双向流动、输出直流电压可调等优点，因而广泛应用于有源电力滤波器、功率因数校正、静止无功补偿等电力电子技术领域。在PWM整流器的应用中，负载变化和电网电压的波动直接影响直流母线电压的稳定性，而直流母线电压静态稳定性和动态响应速度对PWM整流器的品质尤为重要。提高系统对电网电压跌落和负载变化的抗干扰性具有重要的意义。文中利用PWM整流器的工作原理，根据PWM整流器功率平衡的原则。提出了电压外环采用前馈补偿（负载电流和电网电压）和输出电压反馈控制的控制方案，仿真结果表明：与无前馈的控制策略相比，前馈控制在不影响系统的动态性能的基础上，提高了整个系统的抗干扰性能。2三相PWM整流器数学模型三相电压型PWM整流器的主电路如下图1所示，、为三相交流侧电源，电阻等于功率开关管损耗等效电阻和交流滤波电感等效电阻之和，交流侧电感起滤波和使PWM实现四象限运行的作用。直流侧电容抑制直流侧谐波电压和稳定直流电压。为等效直流电动势。图1三相PWM整流器电路拓扑结构Figure.1 three-phase PWM rectifier topological structure在三相静止坐标系中，PWM整流器数学模型物理意义清晰、直观，但模型中各相变量之间相互耦合，且为时变变量。所以不利于控制系统的设计，将三相电压型PWM整流器三相静止坐标系下的变量转换成以电网基波频率同步旋转下的坐标系的变量。这样，三相对称坐标系中的基波正弦变量转化为同步旋转坐标系中的直流分量。其模型表示为23: （1） 式中、-电网电动势矢量、分量；、-三相VSR交流侧电压矢量的、分量；、-三相VSR交流侧电流矢量的、分量；-微分算子。3 基于电网电压定向的矢量控制策略PWM整流器电网电压定向矢量控制是将同步旋转坐标系的轴，按电网电压矢量定向。此时，电网电压的轴分量；PWM整流器交流侧电流矢量的轴分量为有功电流，轴分量为无功电流。PWM整流器在单位功率因数下，通常无功电流分量的参考值为零。应用电网电压矢量控制，式（1）简化为:PWM电网电压矢量控制，一般采用双闭环控制：电压外环和电流内环。电压外环的作用是输出稳定的直流电压，电流内环是按电压外输出的直流电压指令进行电流控制。由（1）式可知，d、q轴变量相互耦合，无法对电压进行单独控制。为此，将前馈解耦控制引入到其中，电流环采用PI控制器，得到两相旋转坐标系下的电压指令、的表达式如下： (2)显然，由（2）中的电压指令已实现解耦控制，传统PWM整流器双闭环控制框图如图2所示。图2传统PWM整流器双闭环框图Figure.2 Block diagram of the traditional double loop PWM rectifier4 改进的前馈控制策略传统的双闭环控制策略，能达到比较好的控制，但它的不足之处在于没有考虑负载扰动和电网电压波动对系统带来的影响，降低了系统稳态情况下抗扰动性能。为了改善系统的抗干扰能力，减少母线电压因此产生的波动。控制策略最根本的原则就是保持PWM整流器交直流侧（输入与输出）之间的功率平衡关系。即整流器的输入功率等于直流侧的输出功率。因此理想的输入功率表达式为： (3)式中：为直流母线电容吸收的功率；为负载吸收的功率。忽略线路损耗和器件的开关损耗，输入功率又可以表示成： (4)考虑到，为电源电压的最大值，=0；以及电流环具有快速的动态性能，通常忽略电流环的调节过程，所以，。由于功率因数为1，；式（4）简化为 （5）根据（3）式和（5）式，有功电流的指令值可表示为：假设通过电压PI调节器输出，通过前馈控制输出，则有功电流的参考值可表示为： （6）由（6）可知，电流环的指令信号由电压PI控制器的输出和前馈信号两部分组成，电压PI控制器主要负责电容充电工作，而前馈信号主要是在实际电网电压的条件下，根据负载的变化调整进线电流的大小，保持功率平衡的关系，从而使得系统启动过程（空载、轻载和重载）的超调基本一致。实现了母线电容充电电流和负载电流的单独控制。电压PI控制器是必不可少的一部分，整流器空载启动时，负载电流为零，则前馈控制输出为零，电压PI控制器主要负责电容的充电工作，控制器输出的限幅由最大充电电流决定。带负载起动时，母线电压偏差较大，电压PI调节器输出值迅速达到饱和，其输出占电流参考信号的绝大部分，但随着直流母线电压的升高，电流环参考信号因前馈信号的增大而继续增大，直到达到电流环参考信号的限幅值。当系统进入稳态时，直流母线吸收的功率为零。所以，PI控制器的输出几乎为零。则稳态时的指令电流表示为： （7） （8）式中为负载电流，联立式（7）和（8）得到 （9） （10）式（10）表明母线电压稳态时与负载和电网电压波动无关。当负载或电网电压波动时，前馈信号(9)根据负载电流的变化和电网电压的波动进行快速跟踪，进而快速调整进线电流，维持输入与输出功率之间的平衡，进而维持母线电压的稳定。系统稳态时的抗干扰能力得到增强。改进的前馈控制方案如图3所示。图3改进的前馈控制方案Figure.3 The scheme of improved feed forward control5 仿真验证为了验证改进的前馈控制在负载扰动和电网电压波动的具有较强的抗干扰能力，在传统与改进前馈两种控制下，对负载突变和电网电压波动时的母线电压波形进行了仿真比较，仿真时的参数为：交流侧输入电压有效值为220V，网侧电感L=5mH,交流侧等效电阻0.5，直流侧滤波电容为2000，给定直流母线电压为600V，额定负载电阻为50。开关频率为5KHZ。图4是负载电阻在0.2s由50突变到25,0.6s由50突变到25的下直流母线电压抗扰动性比较，从图中可以看出，两种控制方式下，直流母线电压都具有较小的超调量（3.3%）和静态稳定性强等优点，但在外界扰动情况下，与无前馈控制相比，前馈控制输出的直流电压跌落或上升的值很小，恢复到稳态值的时间短，动态过程无振荡，且母线电压在扰动情况下动态响应速度明显得到提高，图5为有前馈控制时a相电压与电流之间的波形，负载突变时，输入电流的畸变率很小，而且能迅速跟踪负载电流的变化，保持单位功率因数运行。采用前馈控制，能抑制直流母线电压受负载突变时的波动，提高了系统的动态响应性能和负载突变时的抗扰动能力。图4两种情况下直流母线波动情况的比较Figure.4The comparison of the fluctuations in the DC bus图5 有前馈的网侧相电压和相电流波形Figure.5Waveforms of grid side phase voltage and current in feed forward考虑到PWM整流器实际运行中，网侧电源电压的波动性问题，本文模拟了系统带额定负载启动，电网电压突然上升或下降15%时，母线电压变化的情形。图6和图7是电源电压波动时母线电压波形，从图中看出，有前馈控制与无前馈控制相比，电源电压波动时，直流母线电压基本上保持不变，具有较强的稳定精度，且动态调节时间短的优点。图6电网电压减少时直流母线电压波形Figure.6 Waveforms for sudden decrease in ac input voltage图7电网电压增加时直流母线电压波形Figure.7Waveforms for sudden increase in ac input voltage6 结论 为了提高系统的抗干扰能力，本文从输入输出功率平衡关系出发，推导了基于负载电流和电网电压的前馈控制方法。最后，通过仿真结果进行验证，与无反馈控制相比，前馈控制明显得提高系统的动态性能和抗干扰能力，使系统获得良好的动态和稳态性能。参考文献1 郑征，陶海军.模糊自适应PI调节在三相PWM整流器中的应用.电气应用（ZhENG Zheng，Tao Hai-jun. 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