基于负载功率前馈的PWM整流器控制策略.pdf

弟4 巷弟儿别 2 0 1 4年 1 1月 电 力 电 子 技 术 P o w e r E le c t r o n ic s Vo 1 48，No 1 1 No v e mb e r 2 0 1 4 基于负载功率前馈的 P WM 整流器控制策略 黄 静 ，杨柏 旺，吴志清，余 阳阳 ( 合肥工业大学，安徽合肥2 3 0 0 0 9 ) 摘要 ： 此处在整流器数学模型和瞬时功率理论的基础上 ， 提出了基于负载功率前馈 的新型 电压 电流双闭环控 制策略。通过对系统瞬时功率的分析 ， 找出功率与电压之间的关系 ， 使得外环以电压的平方为控制变量； 电流 内环采用电流前馈解耦控制， 实现对有功和无功电流的独立控制。在新型双闭环控制基础上 ， 引入负载功率前 馈。最后实验证明新型双闭环控制 比传统双闭环控制动态性能好 ， 而有负载功率前馈的新型双闭环控制比无 负载功率前馈的新型双闭环具有更好的动态响应性能。 关键词 ： 整流器 ；双 闭环控制 策略 ；负载 功率前 馈 中图分类号： T M4 6 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 一 lO O X( 2 0 1 4 ) 1 1 - 0 0 6 0 0 3 A Co n t r o l S t r a t e g y o f PW M Re c t ifi e r Ba s e d o n t he Lo a d Po we r Fe e d- f o r wa r d HUANG J in g，YANG Bo wa n g ，W U Z h i- q in g，S HE Ya n g y a n g ( H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o lo g y ，H e f e i 2 3 0 0 0 9 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： On t h e b a s is o f a n a ly z in g t h e ma t h e ma t ic a l mo d e l o f t h e r e c t ifi e r a n d the t h e o r y of in s t a n t a n e o u s p o w e r ， a n e w v o lt a g e c u r r e n t d u a l c l o s e d l o o p c o n t r o l s t r a t e g y b a s e d o n t h e lo a d p o we r f e e d f o r wa r d c o n t r o l is p r o p o s e d B y a n a ly z in g i n s t a n t a n e o u s p o we r o f t h e s y s t e m ， t h e r e l a t i o n s h ip o f p o we r a n d DC v o lt a g e c a n b e f o u n d， t h u s the s q u a r e o f v o lt a g e c a n b e t a k e n 鹊 the c o n t r o l le d v a ri a b le o f t h e o u t e r l o o p I n o r d e r t o c o n t r o l a c t i v e c u r r e n t a n d r e a c t i v e c u r r e n t in d e p e n d e n t ly， c u r r e n t f e e d f o rw a r d d e c o u p lin g c o n t rol me t h o d is a d o p t e d b y in n e r c u rr e n t lo o p L o a d p o w e r f e e d f o rwa r d c o n t r o l i s a d d e d i n t o n e w d u a l c lo s e d lo o p c o n t ro1 T h e e x p e ri me n t p r o v e s t h a t n e w d o u b l e c lo s e d lo o p c o n t r o l h a s b e t t e r d y n a mic p e r f o r ma n c e tha n t h a t o f t r a d it i o n a l d o u b l e c lo s e d lo o p c o n t r o l， a n d n e w d o u b l e c lo s e d lo o p c o n t rol w it h lo a d p o w e r f e e d- f o rw a r d h a s b e R e r d y n a mic p e rf o rm a n c e t h a n tha t o f n e w d o u b le c lo s e d - - lo o p c o n t r o l w it h o u t lo a d p o we r f e e d f o rw a r d Ke y wo r d s： r e c t ifi e r ；d u al c lo s e d lo o p c o n t r o l s t r a t e gy ；lo a d p o w e r f e e d for w a r d 1 引 言 电压型脉宽调制 ( P WM) 整流 器具有能量双 向 流动 、 功率 因数高 、 谐波污 染少等优 点 被广泛应 用于工业直流 电源 、 变频调速 系统 、 无功功率补偿 等领域 】 。 在 P WM整流 器应用场合 中 负载变化 会直接影响直流母线 电压 的波动 而直流母线 电 压 的静态 稳定性和 动态响应速度 对 P WM 整流器 的品质 是尤为重要 的。特别是在负载经常快速变 化的应用场 合 如果直流母线 电压长 时间大幅度 波动 ， 不仅使系统控制性能下降 ， 同时对 负载也是 一 种危 害。 针对需要快速 响应 的负载对象 ， 提 高系 统的动态响应 能力具有重要意义。 此处借鉴传统 电压 电流双 闭环控制【 思想 ， 结合瞬时功率理论 提 出了基于 负载 功率前馈 的 新型 电压 电流双 闭环控制策 略。并在 新型双 闭环 定 稿 日期 ： 2 01 4 0 3 0 3 作者 简 介 ： 黄 静 ( 1 9 8 8 一 ) ， 女 ， 河 南信 阳人 ， 硕 士研 究 生 ， 研 究 方 向 为 电 力 电 子 与 电 力传 动 。 60 控制基础上 ，引入 负载功率前馈来提 高系统 的动 态响应性能。 最后实验验证 了理论分析 的正确性 。 2三 电平整 流器数 学模 型 2 1 d， 口坐 标 系 下 的 数 学模 型 图 l 示 出二极管箝位型三 电平整流器主 电路 e ， e b ， e 。 ， i ， i b ， i。 分别为三相电网输入 电压 、 电流 ； 和 分别为交流侧 电抗器 的 电感和 电阻 ： 直流 侧 串联 了两个容值为 C的滤波 电容 ，其 电压分别 为 。和 ； ， L 为整流器输出负载 电流 。 图 1 二 极管箝位 型三 电平 整流器 主 电路 F i g 1 Ma i n c ir c u it o f the d io d e c l a mp e d t h r e e le v e l r e c t i fi e r 基 于 负载 功率前 馈 的 P WM 整 流 器控 制 策略 文献 7 给 出三 电平 P WM 整流器 在 d， q坐标 下的数学模型 ： L d id d t = e d 一 d - Ri d + ( ， L d i d t = e q - v q - Ri q - t o L id( 1 ) 式中： e ， e ， i ， i q ， ， 分别为 d ， q坐标下的网侧输入电压、 网侧输入电流、 整流器交流侧电压。 2 2瞬 时 功 率 分 析 整流器 的瞬时有功功率和无功功 率在 d q坐 标系下 的表达式为 ： 越 (2 ) 取 d q坐标系 的初始 电角度与 a相的初始 电 角度相等 ， d轴与 电网电压矢量重合 ，则有 e q = O ， 式 ( 2 ) 可进一 步化 简为 ： P = 3 e e iJ 2 ， Q= 一 3 e e l 2 。 由于整流器一般运行于单位功率因数下 若忽 略 网侧等效 电阻的功率损耗( 包括交流侧 电抗器阻 性损 耗和功 率器件 损耗 ) ， 根据 功率守恒 。 可近似 认为交流侧输入有功功率等 于直流侧有 功功率 ： 3 e d i d 2 = ( C d 【 ， d c ) 2 + c 2 L ( 3 ) 由式 ( 3 ) 可知 ， 整流器 交流侧输入 的有 功功率 与直流母线 电压 的平方成 线性关系。 这样 ， 电压外 环也可将 电压 的平方作 为控制量 ，从而 实现直流 母线 电压 的间接控制 。 3基于 新型 电压 电流双 闭环 控 制策 略 由式 ( 1 ) 可知 ， 网侧 电流 d ， q轴分量之 间存在 耦合关系 。为使整流器输 出稳定 的直流 电压和运 行在 单位功率 因数 下 。可采用 P I 型 电流 调节器 ， 对 i ， i 。 进行 电流前馈解耦。令 ： f v d = e & 厄 q 一 ( Ki p + K i i s ) ( 1, d - L 。d ) I v q = e q - t o L l d 一 ( K i p + K i i s ) ( g 一 q ) 、 。 式 中 ： K ， K 分 别为 电流 内环 比例 和 积 分 增益 ； ， i 。 分 别 为系 统输入 的有 功 电流和无 功 电流给 定值 。 三 电平整流器传 统的 电压 电流双 闭环 控制框 图如图 2所示 ， 其 中 S P WM 为正弦脉宽调制。 图 2 传 统 电压 电流 双 闭环控 制框 图 F 培 2 B lo c k d i a g r a m o f t r a d it io n a l v o lt a g e - c u r r e n t d u a l c l o s e d - l o o p 系统 以直 流母 线 电压 作为 电压外 环 的控 制变量 ， 直接实现对直流母线 电压 的快速跟 踪 ， 并 且外环 的输 出量直接作 为 。 图 3示 出新型 电压 电流双 闭环控 制策略 的控 制框 图， 电压 外环 以电压平方 为控制对象 ， 问接 实 现对直流母线 电压的快速 跟踪。 图 3 新 型 电压 电流双 闭环控制 框 图 F ig 3 B lo c k d ia g r a m o f n e w v o lt a g e c u r r e n t d u a l c lo s e d lo o p 当电网 电压稳 定时 ，可 认为 e 近 似不变 ， 电 压 P I调节 器输 出的有 功 功 率给 定 值 P 再 除 以 e ， 就可解耦出 电流 内环所 需要 的 。 4 新 型 电压 电流双 闭环控 制策 略 4 1 负载功 率的估算 由式 ( 3 ) 可知 ， 电网向整 流器输入的功率一部 分用来克服负载消耗 ， 另一部分用来对 电容充 电。 这样 ， 式 ( 3 ) 又可表示为 ： P m = P c + P L 。 ， P c ， P L 为 电 网输入功率、 对 电容充电的功率和负载消耗的功率。 对 P m = P c + P L 进行积分 ： f f f f m d t =l P c d r +J P L d ( 5 ) 由式 ( 5 ) 可近似 求得 负载平均功率为 ： | 、| P L = I J P c d t ) ( 6 ) 、 ， 对 式( 6 ) 进行离散化 ， 可得 ： r n 1 I L= l ( 一 z ) 2 l ( 7 ) P L= l c ( 一 ) 2 l ( 7 ) L 1 J 式 中 ： A t 。 AT分 别为 积分 时 间和 采 样周 期 ； 和 为 在 A T时 间段 内直 流母 线 电压 第 1次和第 n次 采样值 。 此处用I L 去近似等效 。 4 2负载 功 率前 馈 在 P WM 整流 器 双 闭环 控 制 系统 结 构 中 ， P L 扰动 出现在 电压环之 内、 电流环之外 。 P L 扰动 出现 后 ，先作用于 C使 偏离给 定值而使 电压环 出 现偏差 。 然后系统才 开始抗扰 调节 过程 ， 但 由于 电 压环 的滞后及 电流环的延迟 。 导致动态过程 中 出现较大偏差。 图 4为有负载功率前馈 的双 闭环 控制框 图。因电流 内环 的响应速度 比电压外 环快 得 多 ， 加 入 P L 前馈 控制 后 ， 当 P L 变化 时 ， 经前馈 作用 ， 迅速 改变 ，通过 电流环 的快速调节 ， i 迅 速变 化 以补偿 P L 的变 化 ，大 大减小 了 变化对 的影 响， 从而提高 了系统的动态 响应性 能。 6】 o 11 J J 2 0 1 4年 1 1月P o we r E le c t r o n ic s V UL 叶 。 一 l U 1 1 No v e mb e r 2 0 1 4 图 4双 闭环 控制框 图 F ig 4 B l o c k d i a g r a m o f d u a l c l o s e d lo o p 5 实 验 搭建 了三 电平 P WM整流器实验平台。 该实验 平台的主控芯片为 MC 5 6 F 8 3 4 5 。采样频率和开关 频 率均设 为 6 k Hz G 6 0 1 0 0 B N T型 I G B T的死 区时 间为 2 s 。通过 MS O X 3 0 1 4 A型示波器直接测量 电流 、 电压。 实验参数 ： C d 1 = = 6 6 0 0 t L F； L = 5 mH； 网侧滤波 电容 1 0 F， 负载 电阻 2 0 0 Q； 直流母 线 电压 5 0 0 V ； 网侧输入相电压有效值 1 2 0 V。 图 5和 图 6分别示 出传统 电压 电流双 闭环控 制策略和新型 电压 电流双 闭环控制策略的实验动 态波形 。 由图可得两种控制策 略在 空载启动 、 突加 负 载时 的直流母线 电压超调量 和动态 调节 时间。 具体 的实验结果数据如表 1所示。 由表可知 ， 新型 电压 电流双闭环控制 比传统 电压 电流双 闭环控制 动态响应性能好。 t ( 5 0 ms 格) ( a ) 空载 肩 动 ( b 突加 负载 图 5 采用传统控制策略的实验波形 F ig 5 E x p e ri me n t al wa v e f o r ms o f t h e t r a d it io n al c o n t r o l s t r a t e g y 堙瓣 1 2 5 r riS ， L n n ， 3 0 O A t d ： “ ( a ) 空载 启动 ( b ) 突加 负 载 图 6 采 用新 型控制 策略 的实验波 形 F ig 6 E x p e r ime n t al w a v e f o r ms o f t h e n e w c o n t r o l s t r a t e g y 表 1 两种控 制策 略的实 验结果 数据 Ta b le 1 E x p e r im e n t a l r e s u lt d a t a o f t wo c o n t r o l s t r a t e g ie s 系统 每 隔 1 0 m s 估 算一 次负 载 的平 均功 率 并将估算 出的功率全部前 馈到 电压环中。通过突 6 2 加负载实验 来 比较无前馈补偿和有前馈补偿 的动 态响应特性 ， 如 图 7所示。 堙 蝰 5 O DV： 上 L 。 I 1 ” F j i ， l a 1 ： ， ! ( a ) 无 前馈 补偿 突加 负载 f s 格) ( b ) 有 前馈补 偿 突加 负 载 图 7 动态响应波形 F ig 7 T h e d y n a mic w a v e f o r ms 可见 ， 采用负载功率前馈控 制后 。 系 统的动态 性能得到改善 ， 突加负载时 ， 直流母线 电压超调量 由 1 4 5 V变为 8 5 V， 调节时间由 1 7 S 变为 0 1 2 S 。 6 结 论 此处分析 了三 电平整流器的数学模型及系统 的瞬时功率 ， 并从 中找出功率与电压之 间的关系 。 使得 电压外环 以电压 的平方 为控制量 ：电流 内环 采用 电流前馈解耦控制 。详细描述 了负载功率 的 估算过程 ，并将负载功率前馈加入到新型 电压 电 流双闭环控制 中。最后通过 实验证 明了有 负载功 率前馈 的新 型电压 电流双 闭环 比无负载功率前馈 具有更好 的动态响应性能。 参考 文献 1 S i n g h B， S in g h B N， C h a n d r a A， e t a 1 A R e v ie w o f T h r e e p h a s e I m p r o v e d P o w e r Q u al it y AC D C C o n v e r t e r s 【 J 】 I E E E T r a n s o n I n d u s t ri a l E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 4