基于电流解耦无差拍控制的三相PWM可逆整流器的研究_图文

1、123/2010基于电流解耦无差拍控制的三相PWM可逆整流器的研究李浩光,张加胜(中国石油大学信息与控制工程学院,山东东营257061摘要:针对普通抽油机变频器在整流环节采用不控整流方式而无法回馈“倒发电”电能这一问题,提出了一种对网侧电流进行解耦后实施无差拍控制的方法,并通过SVPWM方法进行调制,在此基础上构建了闭环控制的三相PWM可逆整流器。实验及应用结果证实了该方法的正确性和实用性。关键词:倒发电;无差拍控制;电流解耦;SVPWM中图分类号:TM461文献标识码:A文章编号:1671-8410(201003-0012-04Study of Three-phase PWM Reversi

2、ble Rectifier Based onCurrent Decoupling Deadbeat ControlLI Hao-guang, ZHANG Jia-sheng(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Dongying, Shandong 257061, ChinaAbstract: Applying the uncontrolled rectifier method in the rectifying process, conventional pumping u

3、nit converter cant feed back power by motor generating electricity. In order to solve this issue, a deadbeat control method is carried out after decoupling the grid-side current, and then modulation is made with SVPWM method. A three-phase PWM reversible rectifier with closed-loop control is built b

4、ased on the control method. Experimental and practical results show its validity and practicability.Key words: motor generating electricity; deadbeat control; current decoupling; SVPWM0引言我国目前陆地石油开采主要采用游梁式抽油机1。游梁式抽油机工作时存在驱动电机“大马拉小车”、上下冲程的负荷变化较大、每个冲次的下冲程驱动电机“倒发电”的现象,导致抽油机驱动电机效率及系统功率因数低。国内各大油田通常采用二极管整流

5、变频控制装置节能降耗,存在谐波污染,而通过耗能电阻释放抽油机“倒发电”的能量,浪费了大量的电能。针对普通变频装置存在的诸多问题,本文采用三相PWM可逆整流器代替普通变频装置中的不可控整流环节,并采用网侧电流解耦无差拍控制及SVPWM(空间矢量脉宽调制方法2。无差拍控制具有控制响应速度快、跟踪无过冲、鲁棒性好、易于数字化实现等优点,能使被控量在一个开关周期内与参考量相等;而在脉宽调制环节采用SVPWM方法能显著提高直流侧电压利用率2。实验及实际应用结果表明,该装置可降低谐波污染,提高电能质量,节约大量电能。1电流解耦无差拍控制算法的原理国内各大油田通常采用的二极管变频控制装置如图1所示,本文采用

6、三相PWM可逆整流器(图2代替普通变频装置中的不控整流环节。图2中,ea、eb、ec为电网收稿日期:2010-04-12作者简介:李浩光(1981-,男,硕士,讲师,从事教学与科研工作,主要研究方向为电力电子与电气传动。电动势,i a 、i b 、i c 为交流输入电流,u A 、u B 、u C 为整流器桥臂中点对O 点的电压,U dc 为直流母线电压,I dc 为直流侧负载电流,L s 为交流侧电感,R s 为回路等效电阻,C d 为直流侧滤波电容,Z dc 为直流侧负载等效阻抗。各电压、电流量均为瞬时值,方向如图2所示。由图2可知,三相PWM 可逆整流器在三相静止坐标系中的电压、电流方程

7、3如下 :(1经过3s/2r 变换3整理后,则式(1变为 :(2式中:i d 三相网侧电流d 轴分量;i q 三相网侧电流q 轴分量;e d 三相电网电动势d 轴分量;e q 三相电网电动势q 轴分量;u d 三相桥臂中点电压d 轴分量;u q 三相桥臂中点电压q 轴分量。将式(2写成状态空间形式,则有 :(3其中 : ; ; ;。式(2离散化 处理后得到:(4进一步推导得到解耦无差拍控制方程式 :(5由式(5可知,通过自适应、神经元等方法可预测本周期网侧电流,但难以保证系统的实时性。为简化控制方法,可采用抛物线预测算法4。若要在第k +1采样时刻跟踪上参考状态,则使i (k =i *(k 。

8、如果在第k 时刻预测出第k +1时刻的参考状态i *(k +1,采取上述算法后,使i (k +1=i *(k +1,则可实现电流的无差拍控制。由于无差拍控制算法考虑了系统电压的波动,所以该算法可以抑制系统电压波动对补偿性能的影响。抛物线预测法参考电流的计算公式为 :(6将式(6代入式(5,则可得到桥臂中点电压的参考 值,同时为了方便空间矢量调制,对其进行2r/2s 变换2,得到桥臂中点电压空间矢量在两相静止坐标 系下的、传感器检测直流侧电压U dc ,将U dc 及其给定量U *dc 进行A/D 转换,经PI 运算得到交流电流指令i *a 和i *b 的幅值i *m ,而i *a 和i *b的

9、相位通过检测电网电压的相位得到,经2s/2r 变换后得到i d*和i q * ;利用霍尔电流传感器检测得到实际交流电流i a 和i b ,经2s/2r 变换后得到i d 和i q ;检测电网电压e a 和e b ,经2s/2r 变换后得到e d 和e q 。将上述各物理量代入式(5,计算后得到三相PWM 可逆整流器桥臂中点电压的指令信号u d*和u q *,再利用通过电压SVPWM 法得到的6路PWM 信号来驱动开关器件,使实际交流电流在一个开关周期内跟踪上指令电流6,实现网侧电流的无差拍控制。3实验及应用根据上述方案,组装了一台三相PWM 可逆整流器实验装置(图4,系统主要包括主电路、IGB

10、T 驱动板、DSP 控制板、检测板及电源板。3.1实验装置简介主电路以BSM200GB120DN2型IGBT 为主开关器件。功率开关器件及吸收电路和引线端子排被整体安装在45cm ×25cm ×8cm 的风冷式齿状散热片上。为了减少分布电感效应,主电路采用铜板条架空连接方式。IGBT 驱动板主要由6只M57962L 厚膜驱动模块组成,兼有快速过流检测与保护功能。DSP 控制板负责采集各路电压信号和电流相位信号,产生SVPWM 波。检测板主要包括交、直流侧电压的检测调理单元、交流电流检测调理单元和同步信号检测单元等。电源板则为上述各板提供多路+5V 、+12V 、-12V 直

11、流电源。3.2实验条件(1 电网参数峰值相电压E sm311V角速度 314rad/s 频率f 50Hz (2交流侧参数交流侧电感L s 4mH 线路等效电阻R s 0.5(3 DC 侧参数直流侧电容C d 2200F 直流侧电阻R d 20直流侧电压给定值U *dc700V (4 开关频率f s 10kHz3.3实验结果及分析所研制的三相可逆整流器输入/输出电流与电压间的关系如图5图8所示。可以看出,采用基于SVPWM 和无差拍电流控制方法的三相PWM 可逆整流器后,能量可以在电网和驱动电机间双向流动,基本实现了功率因数为±1。此外,可以实现整流和逆变之间的快速切换,在负载及给定突

12、变时,系统可以较快地调节到稳定状态。在实验过程中,直流侧电压可以达到700V ,系统功率达到15kW ,达到了10kW 左右负载的抽油机驱动电机的功率要求。图3三相PWM 可逆整流器的系统总体结构Fig.3System structure of the three-phase reversible PWM rectifier图4三相PWM 可逆整流器样机Fig.4 Prototype of the three-phase PWM reversible rectifier图5 从整流到逆变时i a 和e a 之间的相位关系Fig. 5Phase relationship between i a

13、and e a from rectifying stateto inverting state3.4实际应用图9所示装置在胜利油田河口采油厂采油一矿3队的C15-16井安装并运行了一年多时间,取得了满意的运行效果。经中国石化胜利油田技术检测中心(能源检测站现场实测,结果表明:与不控整流运行相比,功率因数大为提高;节能效果显著,吨液生产有功节电率为17.96%,无功节电率达90.36%,综合节电率19.85%。 图8从逆变到整流时i a 和e a 之间的相位关系Fig. 8Phase relationships between i a and e a from inverting state t

14、o rectifying state图7从整流到逆变时i a 和e a 之间的相位关系Fig. 7Phase relationships between i a and e a from rectifying state to inverting state图9采用三相PWM 可逆整流器的抽油机实物Fig.9Real pumping unit with three-phase PWM reversible rectifier4结语如何对抽油机采油过程中“倒发电”的能量进行回收利用,一直是石油行业研究的重要课题之一。本文利用可四象限运行的PWM 整流器代替常规变频器中的二极管不可控整流环节,将“倒发电”的能量回馈电网。在三相可逆PWM 整流器的设计中,采用动态响应快、易于数字化实现的网侧电流无差拍控制及电压利用率较高的SVPWM 方法,利用DSP 处理器完成控制算法。实验及现场应用结果表明,较常规变频器,该装置可改善电网侧电流波形,提高功率因数,实现“倒发电”能量的回馈。参考文献:1徐甫荣.变频器在抽油机上应用的若干问题探讨J .电气传动自动化,2004(2.2张加胜.电压型P W M 四象限变流器系统的研究D .北京:北方交通大学,1997.3陈伯时.电力拖动自动控制系统M .北京:高等教育出版社,2000.4 陈继侠,孙