基于虚拟磁链的PWM整流器直接功率控制研究

1、第38卷第12期2004年12月浙 江 大 学 学 报(工学版 )journal of zhejiang university ( engineering science)vol. 38 no. 12dec. 2004基于虚拟磁链的pwm整流器直接功率控制研究收稿日期: 20040530. 浙江大学学报(工学版)网址: www. journals. zju. edu. cn/ eng基金项目:国家留学基金资助项目(21833042).作者简介:何致远(1961) ,男,浙江杭州人,硕士,副教授,从事电气传动自动控制技术的研究. e2mail : hzy zust. edu. cn通讯联系人:韦

2、巍,男,教授,博士生导师. e2mail : wwei cee.zju. edu. cn何致远1,韦 巍2(1.浙江科技学院信息与电气工程学系,浙江 杭州310012 ;2.浙江大学电气工程学院,浙江 杭州310027 )摘 要:以虚拟磁链为核心,建立三相boost型脉冲宽度调制( pwm )整流器直接功率控制系统的模型结构.应用矢量空间变换方法及数字信号处理(dsp)技术,给出控制系统中交流电压、 虚拟磁链和瞬时功率估计的数字化算法,探讨pwm调制开关表与功率滞环控制器的构成机制,并在实验平台上对所设计的基于虚拟磁链的三相boost型pwm整流器直接功率控制系统进行实时控制试验。 为检验控制

3、系统性能,试验时在电源电压中注入5 %基波幅值的5次谐波.试验结果表明,与传统的直接功率控制方法相比较,基于虚拟磁链的三相boost型pwm整流器直接功率控制系统结构简单,能有效减少传感器的数量,且抗干扰能力强,电网输入电流的畸变较小,具有更优的瞬时功率静动态控制特性.关键词:电力电子学;pwm整流器;直接功率控制;虚拟磁链中图分类号: tm461 文献标识码: a 文章编号: 1008973x (2004) 12161904study on direct power controlof pwm rectif ierbased on virtu al fluxhe zhi2yuan1, wei

4、 wei2(1.depart ment of inf ormation and electricalengineering , zhejiang universityof scienceand technology ,hangz hou 310012 , china ;2.college of electricalengineering , zhejianguniversity ,hangzhou 310027 , china)abstract : a model structure of the direct power control systemof three2phaseboost t

5、ype pulse width modulation( pwm) rectifierwhich focused on virtual fluxwas established .the digital arithmetic for estimating acvoltage , virtual flux and instantaneouspower wasproposed with the help of the space 2vector2transformations andthe digital signal processing (dsp) technology.the constitut

6、ions of the pwm modulation switch2table and thepower hysteresis controllers were also studied. a real2time experiment on the designed direct power controlsystemof three2phase boost type pwm rectifier basedon virtual flux was conducted.in order to verify thecharacteristics of the control system, the

7、5 % the 5th harmonic voltage was added to the power supply.theexperimental results show thatcompared withthe traditionalmethod ofdirect powercontrolsystem ofthree2phase boost type pwmrectifier , the direct power control system based on virtualfluxhas simplerstructure , fewer sensors,stronger anti2ja

8、mming ability , less input current distort and better static and dynamiccontrol performances of instantaneous power.key words : power electronics ; pwm rectifier ; direct power control ; virtual flux三相整流器在交流变频调速系统及其他工业领域中已得到广泛应用. 采用脉冲宽度调制(pulsewidth modulation ,pwm ) 技术可改善三相整流器的输入电流波形和功率因数. pwm整流器具有

9、提供稳定可调的直流电压输出,降低输入电流畸变,提高功率因数和实现双向功率传输,减小输出电容值等优点1 ,2 . 由于 pwm 整流器 、 负载及传感器的非线性影响 ,整流器向电网注入谐波电流,导致功率损耗和电磁辐射的增加,并有可能发生谐振现象3 . 以空间矢量方法为基础,建立基于虚拟磁链的直接功率控制系统,对于优化三相pwm 整流器控制系统结构 ,减少传感器数量,实现主电路与控制电路的隔离,抑制整流器对电网的谐波干扰.改善功率因数、提高可靠性和减少控制系统成本等均具有重要意义 .本文以虚拟磁链为核心,研究一种基于数字信号处理 (digital signal processing, dsp) 控

10、 制 的 三 相boost 型 pwm 整流器直接功率控制系统的结构与控制方法,并进行了系统的实时运行控制试验.1系统结构设计1. 1 控制系统基本描述一种 以tms320f2407 型 dsp 中 央 处 理 器(central processing unit , cpu) 为核心 ,基于虚拟磁链的三相 boost 型 pwm 整流器直接功率控制系统结构如图 1 所示 . 三相 boost 型 pwm 整流器主电路为6个绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolartransistor , igbt) 器件与反向二极管构成的整流电路4 . 通过实时采集三相交流输入电流ia、

11、ib、ic及整流器的直流输出电压udc,经 dsp 系统控制算法、pwm 调制器及驱动放大电路控制整流器主电路工作 .在两相静止 2 坐标系中,图 1 中的三相boost型 pwm 整流器主电路交流电压关系可描述为u( k)u( k)=lti( k)-i( k- 1)i( k)-i( k- 1)+us ( k)us ( k). (1)在两相同步旋转d2q 坐标系中,有ud( k)uq( k)=ltid( k)-id( k- 1)iq( k)-iq( k- 1)-liq( k)id(k)+usd( k)usq(k).(2)上述两式中:k 为采样次数;t 为采样周期;l 为输入回路电感;u(k)

12、、u(k) 、i(k) 、i( k) 及 ud(k) 、uq(k) 、id(k) 、iq(k) 分别为 2 及d2q坐标系下,第k个采样周期的电源交流输入电压、 电流;us(k) 、us(k) 、usd(k) 、usq( k) 分别为2及 d2q 坐标系中三相pw m整流器第k 个采样周期的输入电压.ds p控制系统为双闭环结构,见图 2.控制系统由电压外环比例积分( proportionaland i ntegral , pi)控制和功率内环滞环控制两部分构成.内环中有功功图1三相boost型pwm整流器直接功率控制系统结构fig. 1system structure of direct p

13、ower control ofthree2phase boost type pwm rectifier率给定参考值pref取决于外环的pi控制器输出,为使功率因数期望值达到最大,无功功率给定参考值设置为: qref=0.内环中还包含线电压估计器、 虚拟磁链估计器 、 瞬时功率估计器、 锁相环 、 空间矢量扇区选择器 、pwm调制开关表等.图2dsp系统控制算法结构fig. 2arithmeticstructure of dsp system1. 2各参数估计器的结构设计1.2.1 交流电压估计器为减少传感器数量,采用交流电压估计器.要求在电源电压发生不平衡和高次谐波畸变条件下,能正确估算线电压

14、值5,6.输入电感l上的无功功率ql:ql(k)=3li( k)-i( k- 1)t?ic( k)-ic( k)-ic( k- 1)t?ia(k).(3)式中:ia、 ic为a相与c相的交流输入电流.由于功率参数的直流特性,可使用简单的数字低通滤波器,消除电流变化率对瞬时功率的噪声影响. 2 坐标系0261浙 江大学学报 (工学版 )第38卷中,各相输入电感l 的电压降为ul( k)ul( k)= 1/i2( k)+i2( k)?i( k)-i( k)i( k)i( k)?0ql( k).(4)由此,电压估计满足:u( k)u( k)est=ul( k)ul( k)+us ( k)us ( k

15、).(5)式中:us(k) 、 us(k) 可按式(8)确定.1.2.2 虚拟磁链与瞬时功率估计器三相pwm整流器的输入回路可视为交流电动机,回路中的电阻和电感代表定子电阻和定子漏感.与线电压方程相类似,在 2 坐标系中,虚拟磁链估计值(k) 、(k) 满足:(k)=t? k - 1j = 0us ( j)+li( j)-i( j- 1)t,(6)( k)=t? us ( j)+li( j)-i( j- 1)t.(7)而us ( k)us ( k)=udc23-16-16012-12sasbsc.(8)式中:sa、sb、sc为三相boost型pwm整流器的各相开关状态.整流器从电网吸收的有功及

16、无功瞬时功率,可按其定义及结合式(1)(7)估求:p ( k)=( k)-( k- 1) )?i( k) / t+( k)-( k- 1) )?i( k) / t+ ( k)?i( k)- ( k)?i( k),(9)q( k)=( k)- ( k- 1) )?i( k) / t+( k)- ( k- 1) )?i( k) / t+( k)?i( k)+( k)?i( k) .(10)1. 3 pwm 调制开关表与滞环控制pwm调制开关表的开关频率取决于功率比较器的滞环宽度.开关表具有交流电流峰值瞬时跟踪及负载波动快速响应的能力,在线电压畸变和不平衡条件下,可降低电流波纹,提高稳定性和抗干扰性

17、.开关表控制矢量划成12 个空间扇区,扇区位置由虚拟磁链矢量估计器经锁相环确定:= arctan( k)( k).(11)功率滞环控制器采用比较器结构,其数字化输出满足:dp=1,ppref-hp;(12)dq=1,qqref-hq.(13)式中:dp、dq分别为有功及无功功率滞环控制器的数字化输出,hp、hq分别为有功和无功功率滞环控制器的带宽.由 dp、dq及 查开关表,获取相应驱动控制电压矢量输出.2实时控制研究在ds p控制平台上,对上述基于虚拟磁链的三相boost型pwm整流器直接功率控制系统进行实时控制试验.主要控制参数见表1.为检验控制系统性能,在电源线电压中注入5%基波幅值的5

18、 次谐波畸变.图 3 为传统的直接功率控制系统a相电压ua、 电流 ia及整流器的三相瞬时功率p、q 的实时曲线.图 4 为基于虚拟磁链直接功率控制系统的a相电流 ia及估计器获取的a相电压 ua、 虚拟磁链 a的波形,图 5 给出基于虚拟磁链直接功率控制系统当负载从 100 增加到 50时,ua、 ia波形及瞬时有功功率 p 和无功功率q 的动态及稳态控制性能.表1主要控制参数tab. 1main control parameters参 数 名 称 参数值电源相电压ua、ub、uc/ v220电源频率f / hz50输入电感l/ h0. 01输入电阻r/0. 1直流输出电容c/f470整流器

19、负载电阻rload/100直流输出参考电压udc-ref/ v500采样频率fs/ khz60调制器开关频率/ khz10pi调节器比例参数kp0. 893pi调节器积分时间常数ti/ s1. 710- 31261第12期何致远 ,等 : 基于虚拟磁链的pwm 整流器直接功率控制研究图3传统直接功率系统ua、ia、p和q实时波形fig. 3real2time curve of ua, ia, p and q forconventionaldirect power control system图4虚拟磁链直接功率控制系统ua、ia和 a实时波形fig. 4real2time curve ofua

20、, iaandafor directpower control systembasedon virtual flux图5基于虚拟磁链的直接功率控制系统负载突增时ua、ia、p和q的实时波形fig. 5real2time curve of ua, ia,p and q for directpower control system basedon virtual fluxwhen load instantaneous increasing从图3 5 可以看出,基于虚拟磁链的三相boost型pw m整流器直接功率控制系统对电网的输入电流畸变较小,输入功率因数接近1,具有更优的瞬时功率控制静动态性能.

21、3结 语从上述稳态和动态条件下的实时控制结果可以看出,基于虚拟磁链的三相boost型pwm整流器直接功率控制系统的结构设计是可行的.与三相boost型pwm整流器的传统控制方式相比较,其控制系统结构简单且抗干扰能力强,具有更优的静动态控制特性.同时其采样频率较低,在电源电压含高次谐波条件下,电网输入电流畸变较小.需要指出,上述系统中pw m调制开关表是系统的关键组成部分之一,深入研究pw m开关表输出电压矢量的调制方法,将使系统控制性能得到进一步提高.参考文献( references) : 1 zhouke2liang , wan g dan2wei.digitalrepetitivecontrolledthree2phase pwmrectifierj.ieeetransactionon power electron ,2003 ,18 : 309316. 2mal inowskim ,kazmierk owskimp ,trzy nadlowskiam.acom parative study ofcontrol techniquesforpwm rectifiers in ac adjustablespeeddrivesj .ieee transaction on power ele