经典--三相电压型PWM整流器的设计及方法

1、第39卷第3期20085月太原理工大学学报JOURNALOFTAIYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.39No.3May2008文章编号:100729432(2008)0320311205三相电压型PWM整流器设计方法的研究张爱玲,牛维(太原理工大学电气与动力工程学院,山西太原030024)摘要:选择固定开关频率电流控制策略,给出了三相电压型PWM整流器的双闭环结构,按此方法确定了电压、电流PI调解器的设计方法,同时给出了交流侧电感和直流侧电容的计算方法。在MATLAB/SIMULINK环境下建立其仿真模型,仿真结果表明,该方法使主电路参数的取值范围大大缩小,且保证了系

2、统的动态和静态性能,为实际工程中确定主电路参数和系统设计提供了可靠依据,对三相PWM整流器系统设计有实际意义。关键词:三相电压型PWM整流器;PI调解器;主电路;参数设计中图分类号:TM344文献标识码:A由全控型器件构成的三相PWM整流器,因具有输入电流为正弦波,功率因数接近于1,且能量可双向传输的优点而成为研究的热点PWM整流器(简称VSR)点。三相VSR电流控制两种,其中直接电流控制由于采用网侧电流闭环控制,使VSR网侧电流波动小、静态性能得到了提高,同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感,从而增强了电流控制系统的鲁棒性2,成为目前实用化的方案。采用直接电流控制的三相VSR主电路及控制器参

3、数的设计方法是目前的研究内容之一,各种文献2,5,6,7给出了不同的计算方法,但结果相差甚大,不便于工程应用。笔者在查阅大量文献的基础上,给出了比较准确和实用的计算方法。仿真结果表明,按照该方法计算的参数在整流和逆变两种运行状态均适用,且具有良好的静态、动态性能。,定,但开关频率,这样网侧滤波电感设计,2。本文研究中采用了前者。在三相VSR控制系统设计中一般采用以电压反馈作外环加上以电流反馈作内环的双闭环控制结构3。其控制结构框图如图1所示。其中电压外环用于控制整流器的输出电压,而电流内环则实现整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制。1三相VSR的控制策略直接电流控制的三相VSR的控制方法有多种

4、,如固定开关频率PWM电流控制8、滞环PWM电流控制等。固定开关频率PWM电流控制算法简单,物理意义清晰,实现方便且由于开关频率固定,所以网侧变压器及滤波电感设计较容易,而且有利于限制功率开关损耗。滞环PWM电流控制具有较3收稿日期:20072122069图1三相VSR双闭环控制结构由于PI调节器中的比例部分能迅速响应控制作用,积分部分则最终消除稳态偏差,所以电压和电流调节器可选用PI调节器。图中eabc,iabc分别为网312太原理工大学学第39卷报侧三相电压、电流;L为网侧滤波电感;C为直流侧滤波电容;Vdc为直流侧电压;ed,eq为电网电动势矢量的d、q分量;id,iq为三相VSR交流侧

5、电流的d,q分量;Vd,Vq为三相VSR交流侧电压矢量的d,q分量。采用以电网基波频率同步旋转的dq坐标系研究三相VSR系统比较方便。dq旋转坐标系下整流器的数学模型2如式(1)所示。idVdedLp+R-L=+.(1)LLp+iVe式中:R为三相VSR功率开关管损耗等效电阻和网侧滤波电感电阻之和;p为微分算子。网侧电流ia,ib,ic经过3s/2r坐标变换后成为直流电流id,iq,由式(1)可见id,iq除受控制量Vd,Vq的控制外,还受到交叉耦合电压Lid,Liq和电网电压ed,eq的扰动,所以引入电流状态反馈解耦以及电网电压作为前馈补偿,两电流即可实现Vd,Vq分别独立控制。解耦控制见图

6、1分所示。然后Vd,Vq其传递函数为WoV(s)=.2CTVs(TeVs+1)(4)图2三相VSR电压外环简化结构工程上一般取中频宽hV=TV/TeV=5,由典型型系统控制器参数整定关系得1CTV=(5)将hV代入式(5)计算得电压外环PI调节器参数的计算公式如式(6)所示。TV=5TeV=5(V+3Ts),KV).(6)3.1主电路电感的选择即可生成相应6和关断,从而合成矢量,间接地控制网侧电流。在三相VSR的设计中,交流侧电感的设计至关重要,这是因为三相VSR网侧电感对三相VSR系统的影响是综合性的,其取值不仅影响系统的动静态性能,而且还会对三相VSR的额定输出功率等其它因素产生影响。增大

7、电感值,可以抑制系统输入电流的谐波,减小整流器对电网的污染,但是系统所能够提供给负载的最大功率就会下降7。文献2,5,6,7给出的主电路参数的计算方法不同,计算结2PI调节器设计2.1电流PI调节器设计对于电流内环,它的主要作用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正弦电流控制,因此电流调节器一般采用PI调节器。文献2给出了PI调节器参数的设计方法如公式(2),(3)所示。KiP=KiI果也相异,且参数的上、下限取值相差数十倍,给电感的选择带来了困难,笔者在大量计算和仿真的基础上给出了电感参数上、下限值的计算方法。3.1.1电感下限值的确定15TsKPWM,(2)(3)=.

8、11215T2sKPWM由文献2可知为抑制谐波电流,电感应足够大。因为谐波电流脉动最严重情况发生在正弦波电流峰值处,所以考虑电流峰值处(t=/2)附近一个PWM开关周期Ts中的电流跟踪瞬态过程,可得电式中:KiP,KiI是电流内环比例、积分增益;Ts为电流内环电流采样周期(即亦为PWM开关周期);KPWM为桥路PWM等效增益。2.2电压PI调节器设计感参数下限值的计算方法如公式(7)所示。L.2Vdcimax(7)根据文献2,4计算得到的电压外环PI调节器参数误差太大,笔者在文献2的基础上推导出计算PI调节器参数的公式。由文献2可得三相VSR电压外环简化结构如图2所示。图中KV、TV为电压外环

9、PI调节器参数;TeV为电压采样小惯性时间常数V与电流内环等效小时间常数3Ts的合并。式中:Em是网侧电动势峰值;imax是最大允许谐波电流脉动量,一般取imax=20%Im,Im为网侧电流的峰值。3.1.2电感上限值的确定从电流跟踪瞬态过程可看出,三相VSR交流电流过零时的电流变化率最大,此时电感应足够小,以第3期张爱玲等:三相电压型PWM整流器设计方法的研究313确保电流响应的快速性。文献7从VSR网侧输入正弦电流在过零处最大变化率与其所能承受最大功率的关系出发,分析在电流过零处一个PWM采样周期内输入电流变化率与各开关导通时间的关系,提出了一种PWM整流器网侧电感上限值的设计方法,如下式

10、所示。+3Em2(8).L2PL其中,PL是系统给定功率。设计和仿真结果表明上述电感参数上、下限的确定方法大大缩小了参数的取值范围。3.2电容的设计直流侧电容C的计算是三相VSR功率电路设计中的一个重要环节,其取值直接影响系统的特性及安全性。文献2给出的设计方法提出电容的设计要满足直流电压跟随性指标和满足直流电压抗扰性能指标,但两者经常矛盾,了困难。文献6不平衡,最大功率逆变突变时(或反之),输入输出功率偏差最大,且瞬态过程最长,而瞬态过程中功率偏差引起电容上较大的电压波动,规定了电容电压波动的上限后得到电容的计算公式。文献5在文献6的基础上,给出了瞬态时间的估算方法,进而得出电容的设计公式如

11、式(9)所示。其中Vdc是电容电压的波动量,cos是网侧功率因数。C23VdcVdcVdc-EmEmcos.(9)4实例计算与仿真结果4.1实例计算利用笔者所述方法,设计了一台功率为3.6kW的PWM整流器,交流侧输入电压有效值为220V,电压直流电压给定取600V,电源角频率为100环采样周期为700s,电流环采样周期为100s。由式(7)得L4mH,由式(8)得L1911mH,综合考虑取电感10mH。电容由式(9)得C4338F,取4F/450VSVPWM取,()(3)得电流环PI:P,iI=53333,由式(4)得电:KV=3176,TV=01005。5.2仿真结果在Matlab下所搭建

12、的系统仿真结构图如图3所示。各参数取值如上。利用该系统进行了整流、逆变及调压等不同运行状态的计算。其中图4是系统在0.2s突加负载,0.3s从整流切换到逆变运行状态的计算结果。图3系统仿真结构图从图中可见,整流状态时电流和电压同相位,0.2s突加负载时,网侧电流的幅值增加,直流侧输出电压减少,由于直流电压PI调节器的作用,电压幅值很快回到给定电压值附近。0.3s从整流运行状态切换到逆变运行状态时,系统响应快,直流侧电压由于能量回馈,在0.3s时有所上升,同样由于电压PI调314太原理工大学学报第39卷图4突加负载及整流到逆变切换波形图5直流侧调压波形节器的作用,电压幅值逐渐回到给定电压值附近。

13、0.3s后系统运行在逆变状态,电压和电流反相位,表明控制系统能实现能量的双向流动,功率因数为1。图由600V变为800V4s从图5流器网侧电流基本为正弦波,使PWM整流器在能,且大大缩小了电感、电容等参数的取值范围。5结论由仿真结果可见,按笔者方法设计的PWM整参考文献:1陈伯时.电力拖动自动控制系统运控制系统M.北京:机械工业出版社,2003.2张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制M.北京:机械工业出版社,2003.3熊健,张凯,陈坚.PWM整流器的控制工程化设计方法J.电工电能新技术,2002,21(2):44248.4邱涛,陈林康.变频器中PWM整流器的设计及仿真J.微特电机,2006,5:17219.5史伟伟,蒋全,胡敏强,等.三相电压型PWM整流器的数学模型和主电路设计J.东南大学学报(自然科学版),2002,32(1):50255.6沈安文,万淑芸,王离九,等.双PWM交流传动系统中主电路储能元件设计J.华中理工大学报,1999,27(7):23225.7徐金榜,何顶新,赵金,等.一种新的PWM整流器电感上限值设计方法J.华中科技大学学报(自然科学版),2006,34(4):33235.8WuR,DewanSB,SlemonGB.APWMAC2to2DcconverterwithfixedswitchingfrequencyJ.IEEETra