PWM整流器的控制器工程化设计方法

1、第21卷第3期 2002年7月电工电能新技术Vol. 21, No. 3Jul. 2002PWM 整流器的控制器工程化设计方法熊健, 张凯, 陈坚(华中科技大学, 湖北武汉430074摘要:在两相同步坐标系中, 引入状态反馈解耦实现了d 、q 轴电流的独立控制。在此基础上, 将广泛应用的双闭环控制器工程化设计方法应用于整流器。实验表明, 这种控制器的设计方法对整流系统是适合的。关键词:整流器; 双闭环; 开关模式整流器中图分类号:T M461文献标识码:A 文章编号:100323076(2002 03200442051引言以PW M 整流器取代传统的相控型整流器是减少电网谐波源的积极有效办法。

2、整流器的控制方法比较多, 侧电流控制方式的不同, 性, 其控制思想来源于整流器的稳态相量图或矢量图。它最显著的优点是结构简单, 无需电流传感器。但这种控制方式的稳定性很差, 动态响应慢。也有4,5文献提出过采用动态补偿的方法加以改进, 但在实际系统和装置中应用不多。从系统的鲁棒性、抗干扰能力和系统保护的角度看, 引入电流反馈是不可缺少的, 对于大功率变流器尤其如此。采用电流闭环的整流器控制方式有:双闭环控68910制, 状态反馈控制, 无差拍控制, 极点配111213置, 二次型最优控制,Lyapunov 方法, 非线性14,15状态反馈控制等。在各种不同的控制方式中, 以电压反馈作外环加上以

3、电流反馈作内环的双闭环串级控制结构最为普遍。事实上, 实用化的PW M 整流装置绝大多数采用这种控制方法。双闭环控制的主要特点是物理意义清晰, 控制结构简单, 控制性能优良。双闭环控制的另一个优点也是它特有的优点是:由于电流内环的存在, 只要使电流指令限幅, 可以使整流器工作于恒流状态, 自然实现了对装置的过载保护。由于整流系统是非线性的, , 实际应用中, 将该方法应用到。只需要经过为数不多的几步简单计算, 就可以确定控制器的参数, 特别适合控制器参数的现场整定。该方法的另一特点是在频域设计控制器, 可以比较方便地将系统中诸如变换器延时, 滤波延时等小滞后环节考虑进去。2PWM 整流器数学模

4、型图1所示是三相PW M 整流器的主电路及其各变量的定义。根据整流器的电路拓扑结构, 其数学模型为:图1三相PW M 整流器主电器Fig. 1Main circuit of three phase PW M rectifier收稿日期:2001211205作者简介:熊健(19712 , 男, 湖北籍, 讲师, 博士, 主攻电力电子技术与电力传动。 第3期di a =-i a +dt L L di b =-i b +dt L L di =-i c +dt L L C熊健, 等:PW M 整流器的控制器工程化设计方法di q=-Li d -Ri q +u sq -u rq dt45u sa -u

5、sb -u sc -p =a , b , cu sp -u sp -u sp -S a -S b -S c -p =a , b , cS sp S spu u u L(4p =a , b , cp =a , b , c式中:u rd =S d u dc , u rq =S q u dc由(4 式可见, d 、q 轴电流除受控制量u rd 、u rq 的影响外, 还受耦合电压-Li q 、Li d 扰动和电网电压u sd 、u sq 的影响。所以单纯地对d 、q 轴电流作负反馈并没有解除d 、q 轴之间的电流耦合, 效果不是很理想。利用状态反馈, 可以实现对d 、q 轴电流的解耦。现假设变换器输

6、出的电压矢量u rd +ju rq 中包含三个分量:u rd =u rd1+u rd2+u rd3u rq =u rq1+u rq2+u rq3p =a , b , cp =a , b , cS spdu = S a i a +S b i c +S c i c -i L dt(1上式中, S a 、S b 、S c 分别表示三相桥臂的开关函数。其中:S = 1, 代表对应的桥臂上管导通, 下管关断; S = 0, 代表对应的桥臂下管导通, 上管关断。L 代表输入电感,R 代表包括线路电阻在内的等效(5 (6电感电阻。如果三相电网平衡(u sa 、u sb 和u sc 之和为零 , 那么 (1

7、式还可以有所简化。为便于系统分析与综合, 采用P ARK 变换, , d :T abc dq =如果令:u rd1=u , q =, =d(, :Ldi +Ri d =-u rd3dt3t cos -sin tcos t -sin t -33cos t +33(2di q L +Ri q =-u rq3dt(7-sin t +将(2 式作用于(1 式, 得到整流器在两相同步旋转坐标系下的模型为:di dt di q dt du dc dtLS L S q L在(7 式表示的d 、q 电流子系统中, d 、q 轴电流是独立控制的, 而且控制对象也很简单, 相当于对一个一阶对象的控制。之所以能形成

8、(7 式这种简洁形式, 其主要原因是引入了电流状态反馈(u rd2和u rq2 对电流子系统解耦。而引入了电网扰动电压(u rd1和u rq1 作前馈补偿, 也使系统的动态性能有进一步提-=-L-i d i q u -3S d 2C L+3S q 2C 00-0高。图2是解耦的整流器双闭环控制结构的原理图。电压控制器和电压反馈构成外环。电压控制器G u (s 的输出作为d 轴电流(有功分量 指令。电流控制器和电流反馈构成内环, 但电流内环只是整个电流控制的一部分。对电流的控制还包括了电流状态反馈解耦和电网扰动的补偿。将电流调节器G i(3(s 的输出分别和另外两项(状态反馈分量和电网电0Lu

9、sd u sq i L00压前馈分量 合成作为整流器的交流侧d 、q 轴电压输出u rd 、u rq 。在同步坐标系里看, 三相平衡电网相当于常值扰动, 即使不检测也能消除它的影响。但加入电网电压前馈补偿, 有利于提高系统的抗扰能力。况且电网电压的检测并不麻烦, 成本也不高。应该指出的是, 图2中用到的整流器模型隐含了两个假设。一是认为直流电压的变化对交流输入电流无影响。或者说, 相对于电流变化而言, 直流电3整流器的双闭环控制原理根据式(3 表示的整流器模型, 可知输入电流满足下式:Ldi =-Ri d +Li q +u sd -u rd dt46电工电能新技术第21卷压的变化比较慢。可以认

10、为, 直流电压在一个开关周期内基本不变。二是认为, 开关状态的改变对直流电流的影响仅通过d 、q 轴电流实现, 而没有直接影响到直流输出电流。所以这里用到的模型还是作了一定的简化处理, 这是为了分析问题的方便, 但这种简化是符合实际情况的 。图2Fig. 2Block 2 loop法。:P (s =( s (T L s +1 (T s s +1 (T if s +1(84双闭环整流系统控制器设计电流控制器设计经过上述的解耦, 对d 、q 轴电流环控制器的设计等同于对图3所示的控制对象设计控制器。图3中还考虑了变换器的延时和反馈通道的滤波, 故更接近于实际情况。图3中, T L 是电感时间常数(

11、等于L R , 此处L 、R 的定义与前述数学模型中的相同 , K R =1R 。K pwm 表示变换器的放大倍数。而T s 等于开关周期为方便设计, 对(8 式作如下处理。令:c =T L使控制器的零点和电感对应的大时间常数极点对消。由于T s 和T if 都是小时间常数, 可用一个时间常数为T s f 的一阶环节代替这两个惯性环节, T s f 等于T s 和T if 之和, 于是电流环的开环传递函数(式(8 可简化一个典型型系统:P (s =s (T s f s +1(9式中:K =K ci K pwm K R K if , T s f =T s +T if这时, 对应的电流闭环传递函数

12、C (s 为一典型二阶系统:C (s =1+P (s T s +2的一半, 代表变换器的延时。T if 是反馈通道的滤波时间常数。T s fs +T s f2n=2n s +2s +2n图3电流环原理框图Fig. 3Block diagram of current loop(10T s f其中:=2KT s fn =, 按二阶最优的指标, 令=01707, 则由(10 式可算出相应的环路增益K , 再根据各环节的放大倍数, 由(9 式即可确定电流控制器增益K ci 。又因为考虑到参数准确性和漂移等因素, 且一般又希望电流控制无静差, 所以选用PI 调节器。图3所示第3期熊健, 等:PW M 整

13、流器的控制器工程化设计方法47等于T L , 所以电流控制器的参数就确定了。电压控制器设计在设计电压控制器之前, 必须确定从交流输入电流i d 、i q 到直流输出电流i dc 的转换系数。由整流器模型得:i dc =2c =, =, M r =c 1h +12h - 1(S d i d +S q i q 2(11由于这里S d 和S q 是变量, 所以这里交、直流电流之间的关系是时变的。为了能用线性方法设计, 不得不作一些简化处理。稳态时的i q 等于零, 由于电流闭环的作用, 动态过程中i q 的变化也很小。或者这样认为, 在直流电压发生较大变化之前, i q 已经完成其暂态过程达到零值。

14、从图2可看到, 可将q 轴电流作为电压环内的扰动处理。所以暂不考虑q 轴电流的影响。此外, 由于电感电阻R 很小, 对整流器矢量图上分析可知, S d 在全功率范围内的变化很小。不妨取空载时的S d 值, 因为这时的S d 大。于是可得图4 图5电压环开环波德图Fig. 5Open loop bode diagram of v oltage loop电压环设计的关键是确定中频宽h 。关于中频区的宽度, 实际经验表明h 一般在310之间。当中频宽确定后, 就可以算出:2u h K =1c 1=222h T u(13 就可确定电压控制器的参数了。5实验结果按照上述方法, 在以T MS320F240

15、为控制器的PW M 整流器实验样机上进行了实验验证。为获得图4电压环控制框图Fig. 4Block diagram of v oltage loop图4中C (s 表示电流的闭环传递函数(见电流环部分 。由于C (s 是二阶的, 为系统综合方便对电流闭环传递函数作降阶处理, 认为C (s 近似等于式(12 所示的小惯性环节:C (s 离散形式的控制器, 可以先按前述方法在连续域设计出控制器的表达式, 然后用双线性变换求出其离17 散形式。图6(a 是整流器a 、b 两相输入电流波形, 图6(b 是A 相电流波形(幅值较小 和电压波形, 图6(c 是在空载状态突加负载时的交流输入电流波形和直流输

16、出电压波形。实验表明, 双闭环控制器的工程化设计方法完全可以用于整流系统中。2T s f +1(12再将(12 所示的惯性环节和电压反馈通道的滤波环节合并, 降阶后的电压环开环传递函数为:(13 P (s =2s (T u s +1 式中:K =115K ui S d K if K u f C , T u =2T s f +T u f式(13 是一个典型型系统。可按下述步骤设计控制器参数。图5是(13 式的开环波德图。对图5所示的系统, 当其闭环谐振峰值M r 最小时, 各变量存在下列关系:图6(a A 相和B 相输入电流Fig. 6(a Input current waveform of p

17、hase A and B 48电工电能新技术第21卷6Vladimir Blasko , Vikram K aura. A new mathematical m odeland control of a three 2phase AC 2DC v oltage s ource converter J.IEEE T rans. P ower E lectron. ,1997,12(1 :1162122.7A W G reen , J T Boys , G F G ates. Hystersis current forcedthree phase v oltage s ource reversib

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28、 T rans. on P ower E lectronics , 2000,15(5 :8612870.(下转第69页, cont. on p. 69第3期 周 ,等 : 复式脉冲冲击波技术的实验研究 越 学出版社 , 2001. 69 4 结论与讨论 ( 1 复式脉冲技术之所以可提高模拟结石碎石 2 周越 . 液中放电的研究与应用 J . 电工电能新技术 , 3 陈首 ,李丁九 . 重复频率脉冲功率技术 J . 电工电 4 A Sinkevich , A L Shevchenko. Numerical investigation of O electrical discharge in w

29、ater J . Fluid Dyn ( USA , 1983 , 18 (3 : 4422446. 13215. 2 效率 ,是由于复式脉冲二次放电充分利用了前次放 电形成的等离子通道残余能量 , 使二次放电电能转 化为冲击波能量的转化效率更高的结果 。二次重复 1 脉冲冲击对第二焦点处空化效应发展有贡献 。 ( 2 从实验结果不难推论 ,采用重复脉冲功率技 术进行体外冲击波碎石 ,可以得到最佳的碎石效果 , 必将对体外冲击波碎石的临床研究产生深远的影 响 ,是体外冲击波碎石技术的重大发展 。 ( 3 实验为新型碎石机冲击波源的设计提供了 新的思路和参数 。 参考文献 : 1 孙西钊 . 体

30、外冲击波碎石技术 M . 上海 : 上海交通大 Experimental research and investigation of binary repetitive pulsed power technology ZHOU Yue , SUN Xi2zhao 1 ( 1. Beijing Sody Medical Equipment Co. Ltd. , Beijing 100035 , China ; 2. Nanjing Univ. Medical School , Nanjing 210008 , China Abstract : According to the experimen

31、tal research and investigation , using binary repetitive pulsed power technology in ture of new lithotriptors. ESWL , the breaking efficiency could be enhanced. It would give far2reaching influence on clinical research and manufac2 Key words : binary repetitive pulse ; ESWL ( 上接第 48 页 , cont. from p. 48 A