（模式识别与智能系统专业论文）三相电压型pwm整流器电流控制算法的研究.pdf

摘要 三相电压型p w m 整流器电流控制算法的研究 学，科：模式识别与智能系统 研究生：蔡明 导师：张维娜 答辩日期：2 0 0 7 3 签名： 签名： 蕴 摘要 p w m 整流器因为具有高功率因数，交流侧电流谐波低，能鼍可回馈等优点且应用广泛，成为近年 来电力电子技术研究的热点。目前国内三相p 删整流器虽有少数产品但主要仍处于实验室研究阶段 三相电压型p w m 整流器的控制主要采用双闭环的控制策略，其中电流环的控制是系统实现的关键本 论文主要通过对三相电压型p 删整流器的电流控制算法进行仿真分析和比较，给出满足开题指标的电 流控制算法及其控制策略，并进行相应的实验验证得出便于实用化的结论 本论文主要采用m a t l a b 6 5 1 的s i m p o w e r s y s t e m 工具箱进行三相电压型p w m 整流器的三种常见的 电流控制算法进行仿真分析和比较，给出了满足开题指标的电流控制算法，进行了初步的实验设计； 并在此基础上引入模糊逻辑对不定频滞环s v p w m 进行了改进；进行了双滞环s v p 矾i 及抑制交流侧电流 谐波的控制策略的仿真；同时对三相不平衡的情况进行了初步的仿真研究，得出了比较结果。 对三种基本的电流控制算法分别进行了运行模式切换，抗负载扰动，电网电压波动等情况下的性 能比较；仿真结果表明，三种电流控制算法在三相电网电压平衡时均达到了较好的控制效果，均能较 好满足开题指标。 引入模糊逻辑对滞环s v p 硼电流控制算法进行了改进，仿真及对比结果表明，基于模糊逻辑的电 流控制算法保持了滞环s v p w m 的优点同时改善了开关频率不周定的问题。 进行了三相不平衡情况下备算法的仿真比较，仿真及比较结果表明，基于滞环的电流控制算法均 保持了较好的静、动态性能，基于有功、无功分量的电流控制算法及预测电流控制算法均受到了较大 的影响 在仿真研究的基础上对基于电网电压波动及电流解耦的电流控制算法的进行了初步的实验设计 采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制器，用c 语言实现了双闭环控制系统；实验波形表明合成s v p w m 的代码是正确的。 关键词：p w m 整流器，电流控制算法，空问电压矢鼙，滞环，预测 a b s t r a c t s t u d yo nt h ec u r r e n tc o n t r o lm e t h o d so ft h r e e - p h a s ev s r w i t hp w m c a n d i d a t e ：c a im i n g s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：z h a n gw e i n as i g n a t u r e ： a b s t r a c t p w mm c t i f i 目a d l l n v e ss e v e r a la d v a n t a g e s 。 s u c ha sh i g hp o w e rf a c l o g ，l o wt h d c r o t a h a r m o n i c d i s t o r t i o n ) ，b i d i r e c t i o n u l p o w e r f l o w ，e t c s o i t b c c a n e s o n e o f t h e m o s t p o p u l a rr e s e a r c h i s s u e s t h e r e m f e w e rp r o d u c t s ，a n dm o s to ft h e ma g es t i l li nt h el a b s t h r e e - p h a s ev o l t a g es o r e c er e c t i f i e r ( v s r ) a r eu s u a l l y c o n 卸o g e db vd u a lc l o s e d - l o o pc o n t r o ls c h e m e 几cc l l f f e n tc o n t r o li st h ek e yt oa c h i e v et h eh i g h p e r f o r m a n c e t h i sp a p e rs t u d y so i ls e v e r a lc u r r e n tc o n t r o lm e t h o d st h o u g hs i m u l a t i o nt oa c h i e v et h em e t h o d w h i c hm a t c h e st h er e q u i r e m e n t ，a n dp r o v e si tb yt h ee x p e r i m e n l t h cm o s tw o r ka 舱d o n eb yu s i n gt h es i m p o w e r s y s t a mo ft h em a t l a b 6 5 1 胁m e t h o dw h i c hm a t c h s t h er e q u i r e m e n ta r eg i y e ni nt h i sp a p e r s o m ew o r ko ft h ee x p e r i m e n th a sb e e nd o n e d u r i n gt h es i m u l a t i o n ， t h i sp a p e rg i v e san e wc u r r e n tc o n t r o lm e t h o du s i n gf u z z yl o g i c d u a l - h y s t c r e s i ss v p w mc u r r e n tc o n 仃o m e t h o da n dt h em e t h o dt or e d u c et h ea t - s i d er i p p l e sa r ea l s or e s e a r c h e di nt h i sp a p e r i nt h ee n d ，t h e ya r ea l l s i m u l a t e du n d e r u n b a l a n c ei n p u tv o l t a g e s t h r e ek i n d so fb a s i cc u r r e n tc o n t r o lm e t h o c i sa r cs i m u l a t e du n d e ro p e r a t i o n - m o d ec h a n g e s ，1 0 a d c h a n g e sa n di n p u tv o l t a g e sc h a n g e s t h cz e s u l ls h o w st h a tt h r e ek i n d so fc n r r e n lc o n t j r o jm e t h o d sl t r ea l l a d v a n c e d ，a n de q u a lt ot h er e q i r e m c u l a ni m p r o v e dc u r r e n tc o n t r o lb a s e do f ff u z z yl o g i ci sp r o p o s e di nt h i sp a p e rt o o 乃cs i m u l a t i o na n d c o m p a r er e s u l ts h o w st h a tt h ei m p m v o dm e t h o db a s e do nf u z z yl o g i cm a i n t a i n st h ea d v a n t a g e so ft h e h y s t e r e s i ss v p w mw h e ns t a b i l i z e st h es w i t c hf r e q u e n c e a i lt h ec u 邛e n tc o n t m lm e t h o d sa r es i m u l a t e du n d e ru n b a l a n c oi n p u tv o l t a g e s t h es i m l l l a t i o nr e s u l t s h o w st h a t ，t h em e t h o d sw h i c ha r eb a s e do nt h eh y s t a r e s i sm a i n t a i nt h et h ea d v a n t a g e sb o t hu n d e rs t e a d y s t a t ea n dv a r i a b l es t a t e ；t h em e t h o d sw h i c hs e p a r a t et h ea c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e ra n dt h ep r e d i c t i v e c o n t r o lo fc u r r e n ta r ea l lw o f f , l e b a s e do nt h es i m u l a t i o n s t h ed e s i g no fe x p e r i m e n ti sd o n ep a r t l y t h ct m s 3 2 0 f 2 8 1 2i su s e da st h e c o n t r o f i e ra n dt h ec o d ei sf i n i s h e di ncl a n g u a g e t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ec o d eo fs v p w mi sc o r r e c t k e yw o r d s ：r e c t i f i e r ：c u r r e n tc o n t r o l ；s v p w m ( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm e d u l a t i o n ) ； h y s t e r e s i sc o n t r o l = p r e d i c t i v ec o n t r o l ； 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 月珊 学位论文使用授权声明 夕 本人越l在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士颁j 学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者躲摹盐导师繇撕。净专月柏 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 从电力电子技术发展来看，整流器是最早得到广泛应用的一种电力电子变换器乜1 。 整流器的发展大致经历了一个由不控整流器( 二极管整流) 、相控整流器( 晶闸管整流) 到 p w m 整流器( 可关断功率开关) 的过程“1 传统的整流器采用二极管或晶闸管进行整流，具有许多缺点“： ( 1 ) 交流侧电流波形畸变严重，谐波大；污染公共电网，影响通信，及其它危害m “1 。 为此，国际上制定了相关标准i e c - 5 5 5 2 和e n6 0 5 5 5 2 等“；国家技术监督局也于1 9 9 3 年7 月正式颁布了( g b t 1 4 5 9 - - - 1 9 9 3 ) 电能质量一公用电网谐波 6 1 1 6 1 ( 2 ) 整流器处于深控状态时，交流侧功率因数低：消耗大量的无功功率，降低了发电 和输电设备的利用率，及其它危害。国家也有相关的行业标准，s d 3 2 5 - - 1 9 8 9 电力系 统电压和无功电力技术导则( 试行) “1 。 ( 3 ) 采用二极管或半控桥整流时无法实现有源逆变，无法实现能量的再生利用；等。 为此，有必要进行新的电力电子变换装置的研制。 p w m 整流器用全控型功率开关取代了半控型功率开关或二极管，以p w m 斩控整流 取代了相控整流或不控整流，全面改进了传统的整流器，具有诸多优良性能“ “1 ： ( 1 ) 交流侧电流谐波小； ( 2 ) 交流侧功率因数高( 可实现单位功率因数) ： ( 3 ) 电能可双向流动甚至四象限运行“1 ： ( 4 ) 鲁棒性好，抗干扰能力强； ( 5 ) 交流侧电流跟踪速度快，直流侧输出电压可调且波动小d 等；逐渐成为人们的研 究热点。( 由于p w m 整流器实际上是一个交、直流侧均可控的四象限运行的变流装置； 已不是一般传统意义上的a c ，d c 变换器1 ；国内一些专家主张将其称为p w m 变流器。1 2 0 世纪8 0 年代，自关断器件的日趋成熟及应用“1 ( 如双极型晶体管( b j t ) 、门极 关断晶闸管( g t o ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、集成门极换向晶闸管( m c r ) 、功率场 效应晶体管( m o s f e a 3 ，场控晶闸管( m c t ) 等全控型器件) 推动了p w m 技术的应用与研 究( 如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等) ；为p w m 整流器的发 展创造了条件。而2 0 世纪9 0 年代发展起来的智能型功率模块( 口m ) 贝u 为p w m 整流器的 进一步发展创造了条件。“ 1 9 8 2 年，b n s s ea l f r e d ，h o l t zj o a c h i m 首先提出了基于可关断器件的三相全桥p w m 整流器拓扑及其交流侧电流幅相控制策略，并实现了电流型p w m 整流器交流侧单位功率 因数正弦波电流控制。1 9 8 4 年，m a g ih k o f u m i 等提出了基于p w m 整流器拓扑的无功补 偿器控制策略，即电压型p w m 整流器早期设计思想。到2 0 世纪8 0 年代末，随着a w g r e e n 等人提出了基于坐标变换的p w m 整流器连续离散动态数学模型及控制策略，p w m 西安理工走学硕士擘位论炙 整流器的研究发展到一个新的高度。柚 1 2p w m 整流器及其电流控制算法的发展现状 经过几十年的研究与发展，p w m 整流器技术己日趋成熟。主电路已从半控型器件桥 路发展到全控型器件桥路；拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电 路1 1 0 ip w m 开关控制已由单纯的硬开关调制发展到软开关调制i l l | i t 2 | 功率等级已从千 瓦级发展到兆瓦级；主电路类型既有电压型( v o l t a g e s o u r c e r e c t i f i e r - v s r ) 也有电流源 型( c u r r e n ts o u r c er e c f i f i e r - c s r ) 1 4 儿“1 。3 1 如今，p w m 整流器已经取得了广泛而重要的应用，如静止无功补偿( t s v g ) 、有源电 力滤波( a p f ) l i e | 1 7 统一潮流控制( u p f c ) ，超导储能( s m e s ) ，高压直流输电饵 v d c ) 、 电气传动( e d ) “”、新型u p s 以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电“1 等| 2 1 | o 这 些应用技术的研究，又促进了p w m 整流器及其控制技术的进步和完善。“1 其中，p w m 整流器在四象限变频器中的应用最为广泛和成熟。国外从2 0 世纪9 0 年 代就开始了基于p w m 整流器的交流传动应用系统研究，己有许多双p w m 变频调速系统 产品问世；如a b b ，g e ( 矾n o v a t i o n 系列中压变频器) ，罗克韦尔、富士电机( r h r 系列、f r e n i c 系列电源再生单元) 、西门子( 电压型交直交变频器) 等公司都有相关产 品。国内的研究起步相对较晚，目前仍主要处于实验室阶段，只有少数产品( 仅山东新风 光、深圳微能、成都佳灵等有相关产品的报道) 。同时，国外的装置价格昂贵且有的对电 网的要求较高，不便于应用。因此有必要对三相电压型p w m 整流器的研究。匏1 目前，三相p w m 整流器的研究方向主要是新的拓扑结构和新的控制策略瞄。而 控制策略虽然不断推陈出新，但是基本上仍是双闭环控制；双闭环控制策略中电流控制算 法是系统控制的关键。为此，本课题拟通过对p w m 整流器电流控制算法仿真学习和研究， 得到便于实用化的控制方法和结论。 三相电压型p w m 整流器的电流控制算法主要分为直接电流控制和间接电流控制两 大类。间接电流控制的控制较简单且一般无需电流反馈控制；其主要问题在于电流的动态 响应不够快，对系统参数较敏感，甚至交流侧电流中含有直流分量等；因而常用于对动态 响应要求不高且控制结构要求简单的场合；目前这方面的研究相对较少。直接电流控制以 快速电流反馈控制为特征，可以获得较高品质的电流响应，其主要缺点是控制结构和算法 较间接电流控制复杂，是近年来的研究热点。“” 目前，直接电流控制主要有滞环电流控制、预测电流控制、滑模变结构控制、直接电 流解耦控制、电流无差拍控制、模糊控制等“儿”儿砌。1 ；以及无电流电压传感器 的电流控制算法汹“列哺1 、三相不平衡情况下的电流控制算法“儿剐等新算法。为了便 于得到实用化的控制方法和结论，本课题选择其中的滞环s v p w m 电流控制算法1 3 1 1 3 4 | 基于电网电压前馈及电流解耦的电流控制算法啪儿鳓“及预测电流控制算法m “等三种 较易实现且便于实现s v p w m 的电流控制算法进行相应的学习和研究。 2 绪论 1 3 论文的主要工作 在搜集、整理大量的相关文献资料并进行理论学习的基础上，本论文对三相电压型 p w m 整流器的多种电流控制算法进行了仿真研究与比较，并对滞环s v p w m 进行了相应 的改进及简化s v p w m 算法的合成进行了实验；研究生期间所做课题的主要工作如下： 1 对滞环s v p w m 电流控制算法进行仿真研究； 2 对基于电网电压前馈及电流解耦的电流控制算法进行了仿真研究； 3 对预测电流控制算法进行了仿真研究； 4 从实用化的角度对以上三种电流控制算法进行了不同情况下的性能比较f 主要包括 负载扰动，鲁棒性，电网电压波动等情况1 ，并尝试给出比较结论： 5 对双滞环s v p w m 电流控制算法进行了仿真研究； 6 引入模糊逻辑对滞环s v p w m 电流控制算法进行改进，并进行了仿真验证； 7 对抑制三相v s r 交流负序电流的不平衡控制策略进行了仿真研究； 8 对以上六种电流控制算法进行三相电网电压不平衡情况下的仿真研究与对比，并 对仿真结果进行了相应的总结； 9 对基于电网电压前馈及电流解耦的电流控制算法进行初步的实验设计，进行了简 化s v p w m 算法合成的实验验证等 3 西安埋工大学硕士拳位论文 2p w m 整流器及三种电流控制算法的基本介绍 2 1p w m 整流器的基本介绍3 1 2 1 1 三相电压型p w m 整流器的拓扑结构乜5 1 电压型p w m 蝴c v o l t a g e s o u r c er e e t i f i e r - v s r l l 拓扑的主要特征是直流侧采用电容 进行直流储能，从而使整流器直流侧呈低阻抗的电压源特性。图2 1 给出了本论文所研 究的三相电压型p w m 整流器的拓扑结构即三相半桥主电路拓扑结构。 l 围2 1 三相电压型p w m 箍流器的主拓扑 f i g 2 1m a i nt o p o l o g yo f t h r - p h a s ev s r 如图所示，三相电压型p w m 整流器交流侧采用三相对称的无中线连接方式，并采用 6 只功率开关，这是一种最常见的三相p w m 整流桥。通常所说的三相桥式电路即指三相 半桥电路。本论文所研究的三相电压型p w m 整流器均为三相半桥v s r 。 三相半桥v s r 主要适用于三相电网平衡系统；当三相电网不平衡时，其控制性能将 恶化，严重的可能会损坏装置；为克服这一不足可采用三相全桥v s r 。 2 1 0p w m 整流器的控制 在三相v s r 控制系统设计中，一般采用双闭环控制，主要是电压外环和电流内环。 电压外环的作用主要是控制三相v s r 直流侧电压，而电流内环的作用主要是按电压外环 输出的电流指令进行电流控制，如实现单位功率因数。电压外环通常采用传统的p i 调节 器或改进的p i 调节器( 复合p i 4 2 19 模糊p i “”等) ，滑模 4 4 1 单周“钉等；其输入为直流 侧电压的误差，输出为电流指令；电流内环通常采用滞环、查表、三角波、p i 调节器“、 神经网络附等“实现，其输入通常为电流指令。如果在电压环的输出乘以电压指令则构 成直接功率控制m 儿”。 2 1 3p w m 整流器的波形 4 p w m 整流器及三种电流控制算法的基本介绍 如图2 2 所示，为三相v s r 的相关波形。 ( a ) 三相电网电动势 ( c ) 交流侧a 相电压 ( e ) a 相开关函数 直流侧输出电压 交流侧a 相电流 ( d ) 交流侧a 相电感端电压 ( f ) 交流侧三相电流 直流侧输出电流 由此可见，p w m 整流器具有交流侧电流谐波小、交流侧功率因数高、直流侧输出电 压可调且纹波小等优良性能。注：鲁棒性，抗干扰能力、运行模式切换、交流侧电流跟踪 速度快等性能见后边的章节。 5 西安理工大学硕士学位论文 ( i ) 直流侧输出电压( 1 = o 3 s 时，指令由1 0 0 0 v 改至1 2 0 0 v ) 图2 2 三相v s r p w m 相关波形 f i g 2 2p w m w a v e , 8o ft h r e e - p h a s ev s r 2 2s v p w m 的基本原理及其优点 a ) s v p w m 的基本原理“ 如图2 - 1 所示，设三相v s r 三相平衡且主电路中a ，b ，c 三点的基波电压瞬时值分 别为v 柚，v 蛐，v ，可定义电压空间矢量为 k - 詈+ v b o e 驯3 + v c o e 驯3 ) ( 2 1 ) 同时定义三相单极性二值逻辑开关函数表达式为 。， 1 七錾冀要翌：霎璧誊要 ( j ：。，b ，。) ( 2 2 ) 。1 0 上桥臂关断，下桥臂导通 。 则整流器各相的输入端电压可表示为 一5 儿( j = a ，b ，c ) ( 2 3 ) 将式( 2 3 ) 代入式( 2 1 ) 可得开关函数形式的电压空间矢量为 k - 2 v , x s + e j 2 1 1 3 - i - & e - j 2 x 3 )( 2 4 ) 开关函数s i ，s b ，s c 共有八种组合( o o o 一1 1 1 ) ，代入式( 2 4 ) 可得八个基本电压空间矢量， 如图2 - - 3 所示。其中v 1 v 6 为非零矢量，v “o o o ) 和v 7 ( 1 1 1 ) 为零矢量。 对于任一给定的空间电压矢量v 均可由这六个非零电压矢量和两个零电压矢量合 成。若v 在i 区，则可由v l 、v 2 和v 0 、v 7 依平行四边形法则合成 互k + t 2 v , ：。v ( 2 5 ) 【t 为了填补t s 和t l + t 2 之间的时间差，在v l 、v 2 逼近v 的过程中需要插入零矢量。 零矢量的作用时间为1 讧t s - t 1 t t 。 6 p w m 整流嚣及三种电流控制算法的基本介绍 k ( 0 1 1 ) 屹( 0 1 0 ) i m 。v 2 ( 1 1 0 ) 历i碍 1 1 1 膨噬j ( 0 0 0 ) 图2 3 空间电压矢量的分区及合成 f i g 2 3s u b a r e aa n dc o m p o s i n go f s v p w m b ) s v p w m 的优点“州咖1 基于s v p w m 的三相v s r 控制与普通的s p w m 控制相比具有以下优点： ( 1 ) 直流电压利用率提高了1 5 4 7 。由于直流电压利用率的提高，相同的三相交流侧 电压条件下，直流电压可以更低，从而可以减小直流侧滤波电容的容量。 ( 2 ) 有效地降低了功率管的开关损耗。相同的波形品质条件下，s v p w m 控制具有较 低的开关频率，且平均约三分之一。 ( 3 ) 更好的动态性能。当采用s v p w m 进行v s r 电流控制时，可以根据被跟踪的电流 矢量，优化选择三相v s r 空间电压矢量进行p w m 电流跟踪控制，从而在相对低的开关 频率条件下较好地跟踪电流指令。 2 3 滞环s v p w m 电流控制的基本原理”聊 滞环s v p w m 电流控制( 方法一) 的基本原理如图2 4 所示。 图2 - 4 方法一的基本原理 f i g 。2 - - 4 。p r i n c 。i p l eo f m e t h 叫j 这种控制策略是将电流指令、0 、与反馈电流、通过定环宽的滞环比较 7 西安理工大学硕士学位论丈 单元，输出相应的比较状态值b a 、b b 、b c 并通过对指令电压矢量v 。的区域判别，最终 由空间电压矢量选择逻辑输出一个合适的v 肚- - - o ，7 ) ，从而使三相v s r 电流跟踪指 令电流。因为采用的是固定环宽的滞环比较器，所以这种控制策略属于不定频滞环 s v p w m 控制策略。 基于s v p w m 的滞环电流控制采用固定宽度的滞环比较器进行控制，具有设计简单， 电流响应快，鲁棒性较好等优点。以下详细介绍滞环s v i w m 的基本控制原理及v k 的选 择规律。 2 3 1 、i 的分区 如图2 5 a 所示，将v + 所在空间区域划分为六个三角形区域( i v i 区) ，其对应的三 相对称坐标轴为( a ，b ，c ) 。如图2 - - 5 b 所示，将v 。空间坐标轴系( a ，b ，c ) 顺时针旋转石，6 得到a ，空间的区域划分( 国区) ，其对应的三相对称坐标轴为，y ，刁，滞环宽度 为1 w k ( 0 1 ( a ) v 区域划分( b ) ，区域划分 图2 5 矿、6 j 矢量区域划分 f i g 2 - - 5s u b a r e a o fv 、， 2 3 2 ai ，、f 的区域检测 ( 1 ) a 的区域检测 由图2 - - 5 及通过矢量在a ，b ，c 三个坐标轴上分量a i a ， i b ，a i c 的正负极 性判别，可知a ，所在的区域。厶，区域的检测判据如表2 - - 1 所示。 由表可知，矢量区域实际上可从v s r 三相电流( j a ，j b ，i c ) 滞环比较器输出逻辑直 接判定。设a i a ，a i b ，a i c 滞环比较器的输出逻辑变量分别为b a ，b b ，b c ，且滞环宽 度为1 w ( 1 w o ) ，记为 纫( 妒忙孝兰 8 p w m 整流器及三种电流控制算法的基本介绍 表2 1 ，区域检测判据 1 h b i e2 1d e t e c t i o no fa ， a , + 瓴 + a o + + 厶，区域 注：“+ ”一钙 0 ；。一”一a f ，s 0 ( j = a ，b ，c ) 渗考文献【3 】 由表2 - - 1 和式( 2 6 ) 可得a ，区域判定的逻辑关系如下 r u 一b 国b 日蝈c r u ( 2 ) 一b 口眇6 致 ( 3 ) 2 当陬6 致 ( 2 7 ) 8 u ( 4 ) ；肋豳6 酌o 8 ，( 5 ) 一肋目砧阳c 尺a ，( 6 ) 一肋豳6 目阮 式中r a l ( 1 ) - r a 6 ) 一一，区域对应的逻辑变量。 当a ，位于区域j 时，r a i ( i ) = l ，否则r a i ( j ) = o ，j ( 1 ，6 ) 。 ( 2 ) v 的区域检测 x a b 跏 x c a 矿区域 0 圈2 - - 6v 区域检测及判定 f i g 2 6d e t e c t i o no f v 注：参考文献【3 】p 2 5 7 中的标注有误 由图2 1 根据基尔霍夫电压定律可得，参考电压矢量v 可由电网电动势矢量e 和指 令电流变化率相关矢量l d i * d r 合成。而e 和l d i d t 均为已知量，通过检测计算可得v 9 西安理工大学硕士学位论文 矢量在坐标轴a ，b ，c 上投影的时域值，其波形如图2 - 6 所示。因此，可以通过v i v b ，v c 相关极性的判别来确定v + 矢量所在区域，记为 f - s i g n ( v , 一咋+ ) 瓦s i g n ( v 6 。一0 ) ( 2 8 ) i l - s i g ( v , 。一屹) 式中， 咖叫三篓：嚣 ， 由图2 6 与式( 2 9 ) 可得v 区域判别的逻辑运算关系如下 墨( ，) 一邑国x 0 既一 影( ) 一x “固x 0 目r 一 彤l x n 坠吼 ( 2 1 0 ) 影( ) 一z 西欧k 暖 昂( 矿) 掌r 曲目r k 欧翻 彤凹) 一瓦盱k 欧“ 式中r ，( 1 ) 一r v ( v 驴。v 区域i 一的逻辑交量。 若v 位于i 区域时，r v ( i ) = l ，否则r v ( i ) = o ，其中i 【1 w q 。 2 3 3 控制规则与的选择 规则1 ：当l ，| 1 w 时，选择三相v s r 空间电压矢量v k ( k - - o ，7 ) ，使其对应的 l d a l d t b i 0 = o ，7 ) 具有与误差电流矢量，方向相反的最小分量，实现跟踪指令电流 0 图2 - - 7 三型，v ，a ，的分布 出 f i g 2 7d i s t r i b u t i 彻o fl 生竽，y + ，a ， d t p w m 整流器及三种电流控制算法的基本介绍 矢量l 的同时限制电流变化率。 规则2 ：当l a ，i 1 w 时，保持原有v k ( k - - 0 ，0 1 w7 ) 不切换，以限制开关切换次数， 增加稳定性。 设v 矢量处于区，而f 矢量处于区，如图2 7 所示。 图中虚线所示矢量为相应v k ( k = 0 ，7 ) 对应的u i d t 矢量。若设iml 1 w ，则按规则1 选择v 如- - - o ，7 ) 时，首先考虑l d a i d t | k = j ( i = 0 ，7 ) 模值较小矢量对应的v 贴- - o ， 刀。由图可知，v 矢量区域对应的三角形边界矢量( v 0 ，v 4 ，v 5 ，v 7 ) 满足条件。其 次，选定的v k ( k = 0 ，o * o j7 1 所对应的l d i d t 矢量必须始终与，矢量方向相反。由图可 知，当a j 矢量处于区时，则只能选择v 4 矢量，因为此时只有v 4 矢量对应的l d a i d t ii “ 其方向无论v 在区任何位置，均可始终与a ，矢量方向相反，从而确保了电流的跟踪 控制，( v o ，v 5 ，v 7 ) 则不满足这一条件同理可得规则2 的控制模式，如表2 2 所示。 表2 - - 2 厶，v 区域与k 的选择 t a b l e2 - - 2s e l e c t i o no f l 、v 、v k ，区域 y 。区域 l kkkk h kk巧巧 7 1 1 1 ， 嵋 圪kk， i v ， ， 圪k 屹k v 圪，7kkk v i kk， ， k 参考文献1 3 1 2 3 4v k 选择的逻辑运算 为描述v k ( k - - - 0 ，刀选择的逻辑变量关系，可用三相v s r 开关函数s a 、s b 、s c 的 组合来描述，如表2 3 所示。 要选定v k ( k - - 0 ，刀，只需确定开关函数s a ， f m 1 ( 当k k 、k ) 1 ( 当k 一、巧、k ) i & = 1 ( 当k - 1 1 , 、k 、) s b ，s c 的状态值即可。由表2 3 ( 2 1 1 ) 西安理工失学硕士学位论文 表2 3k 的开关函数描述 t a b l e 2 - - 3s w i t c hf i l n o t i o no f k 1oo k 11o 010 巧 o11k o01 吒 1o1 圪 0oo ll1 巧 一参考文献【3 】 由表2 - - 3 、式( 2 1 1 ) 及以上有关选择的分析，可得不定频滞环s v p w m 电流控制 的开关函数逻辑变量算式如下 毛- 彤。( ，) 哑( 1 ) + 凡( 2 ) + ( 3 ) + 凡( 6 ) + 髟。( ) z 【( 1 ) + 凡( 2 ) 】+ 巧。o 僻( 6 ) + ( 1 ) 】+ 彤凹) 圄 凡( 1 ) + 凡( 2 ) + ( 5 ) + 凡( 6 ) 】 s b - e v u ) 巨( 2 ) + 凡( 3 ) + 彤。凹) 民( 1 ) + 凡( 2 ) + ( 3 ) + ( 4 ) 卜 彤) 民( 2 ) + 虬( 3 ) + ( 4 ) + ( 5 ) + 彤) 哑( 3 ) + ( 4 ) & - 耳。) 匝( 4 ) + ( 5 ) + 彤( 州凡( 3 ) + 虬( 4 ) + 圆+ ( 6 ) + 彤。彤) 旺( 1 ) + 凡( 4 ) + 虬( 5 ) + ( 6 ) 】+ 彤凹) 哑( 5 ) + ( 6 ) ( 2 1 2 ) 以上算式不含v 7 的选择；从控制角度，v 7 与v 0 矢量是等效的，但v o ，v 7 的选择应 遵循开关切换次数最小原则。 2 4 基于电网电压前馈及电流解耦的电流控制算法的原理“”汹1 由上述可知，滞环s v p w m 采用的是固定宽度的滞环比较器，具有开关频率不固定 1 p w m 整流器及三种电流控制算法的基本介绍 的特点；与之相比，基于电网电压i i 馈及电流解耦的电流控制算法则不存在这样的问题。 基于电网电压前馈及电流解耦的电流控制算法( 方法二) 的基本原理如图2 8 所示： r 卜 l q p l 啊 。卜- 刚 r b 吐卫颤卜 l 图2 8 方法二的基本原理 f i g 2 8p r i n c i p l eo fm e t h o d2 该控制算法先把三相对称静止坐标系( a ，b ，c ) 下的数学模型变换到以电网基波频率 同步旋转的( d q ) 坐标系中；经过变换后，三相对称静止坐标系中的基波正弦变量转化成同 步旋转坐标系中的直流变量，从而简化了系统设计但是，d 、q 轴电流不独立，存在交 叉耦合关系；这是因为整流电路本身虽是静止电路，但变换至旋转坐标系中，经电感作用 使d 、q 轴之间产生了耦合，控制系统只有经过解耦才能使其静、动态性能达到最优。同 时，d 、q 轴电流除受控制量的影响外，还受交叉耦合电压扰动和电网电压的扰动，因此 不能单纯地对d 、q 轴电流进行简单的负反馈控制，需要寻找一种解除d 、q 轴之间电流耦 台的控制方法；因此有必要引入电网电压前馈从而形成了基于电流状态解耦合电网电压前 馈的综合控制策略。该算法的主要优点是开关频率固定，系统对电网电压波动和负载扰动 具有较强的抗干扰能力，且功率因数可控。该算法是目前的资料中介绍的最多也是最成熟 的算法之一；西安交通大学的王兆安教授在电力电子精品课程大讲堂上推荐在有源滤波器 中采用这种控制算法。 下面简单介绍一下该算法的基本原理m 1 。由图2 - 1 ，假设功率开关器件为理想开关， 三相交流侧电阻均为r ，则根据基尔霍夫电压定律可以建立三相v s r 各相的回路方程， e - l e 出l i 一砚一s 。t 鲁母忖 e 。- l d _ - i m 。一s c v 茹 c d v d d t c t t k k ；s 4 i o + s 乒b + s t t c i l 西安理工大学硕士学位论文 根獭基尔霍夫电流定律可以建立直流侧电容i f 极节点的方程，可得三相v s r 的在静止坐 标系下的基本方程如下 为了获得良好的控制性能，把三相v s r 的静l i 二坐标系模型转换到同步静止坐标系中， 即a b c ，d q 变换，则式( 2 1 3 ) 变为 丸 d t d i o d t d v d e d t 一墨 w一曼 - - w 一墨一生。 一o u 堡堡 。 卧 三oo j l o 三o l oo 一三 c ( 2 1 4 ) 由式( 2 1 4 ) 可知，三相v s r 经坐标变换至旋转坐标系后，经电感作用使得d 、q 轴之 间产生了耦合，即d 、q 轴电流不独立。为了实现更好的静、动态性能需要进行解耦控制。 又由于电网电压基本恒定，所以由式( 2 1 4 ) 表示的输入电流满足式( 2 1 5 ) 。 k 鱼d 啦+ 毗t l 。 4 1 l 鱼d t 。吨一毗屯 l g 4 由式( 2 1 5 ) 可知，d 、q 轴电流除受控制量、一的影响外，还受到交叉耦合电压w l i q 、 - w l i d 和电网电压白和白的扰动。因此，需要对d 、q 轴电流进行负反馈控制并引入电网 电压前馈进行更好的控制。同时，电网电压前馈的引入有利于系统的动态性能得到进一步 提高。基于电网电压前馈及电流解耦的电流控制算法的系统结构如图2 - - 8 所示。 2 5 预测电流控制算法的原理柏1 因为s v p w m 通常需要进行坐标变换( a b c d q ) 来实现，而且为了实现d ，q 轴电流的解 耦控制常常需要锁相环等实现d ，q 轴的定位，需要进行a d 转换等，这些都影响了系统 的动态响应为了减小时延的影响，可以利用己知状态预测下一个采样时刻达到电流所需 的控制电压，从而提高系统的动态响应特性；这就是预测电流控制的基本思想。预测电流 控制( 方法三) 主要通过将微分方程转化差分方程来实现。 该算法的主要优点：改善了数字控制中存在的延时问题，对电流具有较快的动态响应， 便于数字实现。以下简单介绍一下预测电流控制的基本原理。 预测电流控制主要是把微分方程( 2 1 6 ) 用差分方程( 2 1 7 ) 代替，并采用预测电流 指令( 2 1 8 ) 进行控制得到所需电压( 2 2 0 ) 。其主要数学表达式如下 若忽略交流侧电阻，则由三相v s r 电路可得： 岛一峙一工鲁c 溉， 将其改写为差分方程如下 1 4 ( 2 1 6 ) ) 坫 依 一 一 勺 + + p w m 垫流器及三种电流控制算法的基本介绍 屹( t ) 。q ( ) 一皇竺掣( i ：。，b ，。) ( 2 1 7 ) 式中， i s 为采样周期。 三相预测电流值可由式( 2 1 8 ) 得到 椰+ 1 ) 。曼岛，( i = a ，b ，c ) ( 2 1 8 ) 其中，l + 直流输出电流的指令值，稳态时为一恒定直流量。 因为稳态时c 1 2 + c b 2 + c ? 及u o 也为恒定直流量，所以与巳成正比。又因为电网电动 势岛可以看作正弦，则预测电流值( 即电流指令) 也为正弦且相位与巳相同，实现了单位 功率因数。由式( 2 1 8 ) 可得 ：e 。+ e b + t ：e c = u 0 。 q 1 9 ) 可见，式( 2 1 9 ) 保证了输入输出功率的平衡。 从而，可以利用已知状态，预测下一个采样时刻达到电流值所需的控制电压叶， 减小了时延的影响。由式( 2 1 8 ) 可得 h 。( 七) 。岛 ) 一巡掣，i f f i a ，b ，c ( 2 卿 它表明，根据当前已知的状态变量弓( 七) 、 ) 、 i s 、l 以及下一步指令电流值忙) 可以得到所需的预测电压吩( 扪，使得电流在第k + l 步达到他+ 1 ) 。 西安理工大学硕士学位论文 3 三种电流控制算法的仿真及比较璐 3 1 滞环s v p w u 电流控制算法的仿真研究 采用滞环s v p w m 电流控制算法的系统控制的整体框图如图3 1 所示。 图3 1 方法一的整体框图 f i g 3