CN101001053A - 三相电压型pwm整流器能量控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明提出基于端口受控耗散哈密顿(PCHD)能量模型的三相电压型PWM整流器能量控制策略，按该策略构成的控制系统如附图所示。该策略根据PCHD模型，找出了使系统在系统期望点(实现整流器网侧电流正弦化、单位功率因数、直流电压等于给定电压)能量最小的控制律，使系统具有理想的静态性能。为加速系统的响应，将直流电压给定值与实际输出电压的差值送给比例积分(PI)调节器，利用PI调节器的输出值修正交流相电流幅值，大大提高了整流器控制系统的启动和抗扰能力。由于实现该策略不需交流电流传感器，从而简化了整流器控制系统。计算机仿真表明，该系统具有好的的动、静性能，真正意义上的实现“电能绿色变换”。

Description

三相电压型PWM整流器能量控制策略

技术领域    本发明提出基于端口受控哈密顿能量模型的三相电压型PWM整流器能量控制策略，可实现PWM整流器网侧电流正弦化、单位功率因数、能量双向流动及恒定直流电压控制，可应用到变频调速系统、工业直流电源、通信电源等领域。属电力电子技术领域。

背景技术    电压型PWM整流器在工业中有广泛的应用前景。电压型PWM整流器的性能取决于开关器件、电路拓扑及控制策略。在开关器件、电路拓扑一定的情况下，整流器的性能主要取决于控制策略。目前，控制策略主要有电流控制策略(间接电流^[1]-[3]、直接电流^[4]-[7])、直接功率控制策略^[8]-[14]、非线性控制策略^[15]-[23]、模糊控制和人工神经^[24]-[27]等。上述各种控制策略从不同角度改善了整流器的性能，但不能同时满足①获得网侧电流正弦化、单位功率因数、能量双向流动及恒定直流电压控制，②系统具有高的动、静性能，③系统结构简单可靠。对此，一些学者开始对整流器能量控制进行了初步研究^[28]-[30]，研究的对象只是简单的单相整流器。对于复杂的工业中(尤其是大容量)用到的三相PWM整流器，采用能量控制策略，同时实现上述三个要求，至今未见报道。

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发明内容  三相电压型PWM主电路如图1所示。为实现①获得网侧电流正弦化、单位功率因数、能量双向流动及恒定直流电压控制，②系统具有高的动、静性能，⑧系统结构简单可靠。首先建立了整流器的具有耗散的端口受控的哈密顿(PCHD)数学模型

$\left[\begin{array}{c}\·\\ x_1\\ \·\\ x_2\\ \·\\ x_3\end{array}\right]=(\left[\begin{array}{ccc}0& S_d& S_q\\ {-S}_d& 0& \mathrm{\ωL}\\ {-S}_q& -\mathrm{\ωL}& 0\end{array}\right]-\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{R_L}& 0& 0\\ 0& R& 0\\ 0& 0& R\end{array}\right])\left[\begin{array}{c}\frac{\∂H}{{\∂x}_1}\\ \frac{\∂H}{{\∂x}_2}\\ \frac{\∂H}{{\∂x}_3}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 1& 0& 0\\ 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\\ 0\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中

$H\left(x\right)=\frac{x_1^2}{2C}+\frac{x_2^2}{2L}+\frac{X_3^2}{2L}$ 为系统的总能量，x₁＝Q＝CU_dc，x₂＝ψ₁＝Li_d，x₃＝ψ₂＝Li_q，

S_d和S_q，u_d和u_q分别为开关函数、电源电压在同步旋转dq坐标系中d、q上的分量。

系统的期望点依据上述三点要求确定的，依据PCHD，确定使系统能量在期望点最小的控制控制律。对此，需按下列要求确定控制律：

对于给定系统J(x，u)，

(x)，H(x)，g(x，u)和期望稳定的平衡点x^*∈Rⁿ。假设我们能找到控制律u＝β(x)，J_a(x)，

(x)和一个矢量函数K(x)满足

(3)

且满足下列条件：

①结构守恒

J_d(x)：＝J(x，β(x))+J_a(x)＝-[J(x，β(x))+J_a(x)]^T

②可积性

$\frac{\∂K\left(x\right)}{\∂x}={\left[\frac{\∂K\left(x\right)}{\∂x}\right]}^T---\left(4\right)$

③在平衡点处有极值

$K\left(x^{*}\right)=-\frac{\∂H\left(x^{*}\right)}{\∂x}---\left(5\right)$

④Lyapunov稳定性

$\frac{\∂K\left(x^{*}\right)}{\∂x}>-\frac{{\∂}^{2}H\left(x^{*}\right)}{\∂x^2}---\left(6\right)$

在这些条件下，闭环系统u＝β(x)将是具有耗散形式如下形式的PCHD系统

式中：H_d(x)：＝H(x)+H_a(x)； $\frac{\∂H_a\left(x\right)}{\∂x}=K\left(x\right).$

满足上述条件的整流器控制律为

$\left.\begin{array}{c}{S}_d=\frac{{\mathrm{RI}}_m-U_m}{-\sqrt{U_{\mathrm{dc}}(I_m{U}_m-R{I}_m^2)/i_L}}\\ S_q=\frac{\mathrm{\ωL}{I}_m}{-\sqrt{U_{\mathrm{dc}}(I_m{U}_m-R{I}_m^2)/i_L}}\end{array}\right\}---\left(8\right)$

$I_m=\frac{1}{2}[\frac{U_m}{R}-\sqrt{{\left(\frac{U_m}{R}\right)}^2-\frac{8U_{\mathrm{dcr}}{i}_L}{3R}}]---\left(9\right)$

式中：U_dcr为直流给定电压，I_m为交流相电流幅值，U_m为交流相电压幅值。

由于系统要根据S_d、S_q利用PWM调制模块产生S_a，S_b，S_c信号，会产生延时；同时，为加速系统的响应，进一步改善动态性能，在不影响系统期望点稳定性的前提下，将直流电压给定值与实际输出电压的差值送给PI调节器。PI调节器的输出值与I_m相加后得到I_m ^*送给S_d、S_q产生器。只要I_m ^*在整流器所允许的范围内，系统在期望点仍是稳定的且仍保持系统能量最小。电压型PWM整流器能量控制系统如图2所示，由图可知系统不需要交流电流传感器。

按图2构建了smiulink环境下的仿真模型，仿真参数：主电路参数：U_a＝U_b＝U_c＝220V，电源频率f＝50Hz，L＝16mH，R＝0.3Ω，C＝2200μF，R_L＝50Ω，U_dcr＝500V，额定功率为5kW，I_LN＝10A。不同负载下的仿真结果如图3、图4、图5、图6所示。由图可知在不同负载时，启动时直流电压超调量＜10％，负载扰动时动态直流电压降(升)＜5％，直流电压稳态误差ΔU_dc＝U_dcr-U_dc＝0；稳态时网侧交流电压与交流电流同相位，即实现单位功率因数；在不同负载时实现了网侧电流总谐波畸变因数THD非常小，各次谐波均低于国家电能质量标准(电网运行卷-电能质量、运行及远动设备分册).北京：中国标准出版社，2001)中规定的值。综上，系统具有良好的动、静性能，同时满足对整流器的三点要求，真正意义上的实现“电能绿色变换”。

附图说明    附图1为三相电压型PWM整流器主电路。附图2为三相电压型PWM整流器能量控制系统结构框图，图中T_abcidq，为三相坐标系到同步旋转dq坐标系正交变换矩阵。附图3～附图6横坐标为时间(s)，纵坐标为电压(V)或电流(A)。附图3(a)为正常负载(R_L＝50Ω)启动时直流电压曲线，附图3(b)为正常负载(R_L＝50Ω)稳态时交流电压与交流电流曲线。附图4(a)为过负载(R_L＝20Ω)启动时直流电压曲线，附图4(b)为过负载(R_L＝20Ω)稳态时交流电压与交流电流曲线。附图5(a)为轻负载(R_L＝100Ω)启动时直流电压曲线，附图5(b)为轻负载(R_L＝100Ω)稳态时交流电压与交流电流曲线。附图6为系统抗扰性能曲线，附图6(a)为直流电压抗扰能力，A处由正常负载(R_L＝50Ω)突变为过负载(R_L＝20Ω)，B处由过负载(R_L＝20Ω)突变为轻负载(R_L＝100Ω)；附图6(b)为突加负载时的交流电流曲线，A处为由正常负载(R_L＝50Ω)突变为过负载(R_L＝20Ω)点；附图6(c)为突减负载时的交流电流曲线，A处为由正常负载(R_L＝50Ω)突减为轻负载(R_L＝100Ω)点。

具体实施方式 选用智能功率模块IPM(或IGBT模块)、滤波器、电容器、数字信号处理器DSP、电压电流传感器及相应的辅助电路，按照该策略可制成三相电压型PWM整流器能量控制系统。具体实施方案如下：

1主电路参数选择

主要依据电源电压，额定负载功率主要选择直流电压额定值U_dcr、网侧滤波器电感值L及直流侧电容C.参数选择常规选择方法进行，经仿真验证后确定。

2功率模块选择

对于小容量整流器，可选择智能功率模块IPM；对于大容量整流器，可选择IGBT模块。模块参数按常规选择方法进行。

3传感器选择

建议交流电压传感器、交流电流传感器、直流电流传感器选择LEM系列产品，参数根据具体整流器交、直流侧定额来确定。

4直流电源

需要+15V、+5V等级电源，供驱动电路和数字信号处理器用。电源可选择电源模块也可采用多二次绕组变压器、整流模块、三端稳压器等器件制作。

5驱动电路

可选择驱动模块或自制驱动电路，要选择高速光电耦合器。在制作时，数字信号处理器到驱动电路的PWM信号线、驱动电路到功率模块驱动端的信号线要短，避免产生干扰。

7数字信号处理器

选择数字信号处理器(如ICETEK-LF2407型)。数字信号处理器根据传感器送来的信号及直流电压给定信号完成PI调节器、式(8)、式(9)、PWM调制模块，输出PWM脉冲信号。整流器系统控制程序是在CCS集成开发环境下完成的。CCS2.2能够完成系统的软件开发和调试，它提供一整套的程序编制、维护、编译、调试环境，能将汇编语言和C语言程序编译连接生成COFF格式的可执行文件，并能将程序下载到目标DSP上运行调试。

Claims (1)

1. 电压型PWM整流器能量控制策略采用了能量控制方法实现电压型PWM整流器的控制；其特征在于建立了整流器的具有耗散的端口受控的哈密顿(PCHD)数学模型，找出了使系统期望点能量最小的控制律，利用直流电压给定值与实际输出电压的差值经比例积分调节器输出的信号与交流电流幅值I_m相加得到后得到开关函数S_d、S_q产生器所需的I_m ^*，从而获得整流器网侧电流正弦化、单位功率因数、能量双向流动及恒定直流电压控制、高的动态和静态性能、系统结构简单可靠。

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