CN101291119A - 基于无源性的三相电压型pwm整流器解耦控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明根据电压型PWM整流器主电路结构，建立了整流器Euler－lagrange模型，基于此模型和系统的无源性，在滤波电感器时间常数和直流侧电容时间常数相等的条件下，提出了将系统解耦且变为线性系统的控制策略。按该策略构成的基于无源性的三相电压型PWM整流器解耦控制系统如附图所示。根据该控制策略构成新的整流器控制系统，具有结构简单、交流电流谐波小，单位功率因数，对负载鲁棒性强，直流电容量大大减少的优点；真正意义上实现电能“绿色变换”。通过正常负载、过载及轻载情况下的计算机仿真，证明了基于无源性的三相电压型PWM整流器解耦控制的可行性。

Description

基于无源性的三相电压型PWM整流器解耦控制策略

技术领域

本发明提出基于Euler-lagrange模型和无源性的三相电压型PWM整流器的解耦控制策略，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]-[24]、模糊控制和人工神经^[25]-[28]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，一些学者开始利用哈密尔顿理论对整流器能量控制策略进行了初步研究^[29]-[31]，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)常用到的三相PWM整流器，采用无源控制策略并同时实现上述三个要求，至今未见报道。

[1].Dixon Juan W，Ool Boon Teck.Indirect current control of a unity power factor sinusoidal current boost typethree-phase rectifier[J].IEEE Trans on Industrial Electronics，1998，35(4)：508-515

[2].熊健，张凯，裴雪军，陈坚.一种改进的PWM整流器间接电流控制方案仿真[J].电工技术学报，2003，19(1)：57-63

[3].王英，张纯江，陈辉明，三相PWM整流器新型相位幅值控制数学模型及其控制策略[J].中国电机工程学报，2003，23(11)：85-89.

[4].张兴，张崇巍.PWM可逆变流器空间电压矢量控制技术的研究[J].中国电机工程学报，2001，16(10)：102-109

[5].Keliang Zhou，Danwei Wang.Digital Repetitive Controlled Three-Phase PWM Rectifier[J].IEEE Trans onPower Eletronics，2003，18(4)：309-316

[6].Hong-seok Song，Kwanghee Nam.Dual Current Control Scheme for PWM Converter Under UnbalancedInput Voltage Conditions[J].IEEE Trans on Industrial Electronics，1999，46(5)：953-959

[7].熊宇，李君，张仲超，于项旭.基于改进矢量控制的三相电压型整流器的系统分析和设计[J].电气传动，2002，16(5)：13-17

[8].Toshihiko Noguchi，Hiroaki Tomiki，Seiji Kondo，and Isao Takahashi.Direct Power Control of PWMConverter Without Power-Source Voltage Sensors[J].IEEE Trans on Industry Applications.1998，34(3)：473-479

[9].Mariusz Malinowski，Marian P.Kazmierkowski，Steffan Hansen，Frede Blaabjerg，and G.D.Marques.Virtual-Flux Based Direct Power Control of Three-Phase PWM Rectifiers[J].IEEE Trans IndustryApplications.2001，37(4)：1019-1027

[10].何致远，韦巍.基于虚拟磁链的PWM整流器直接功率控制研究[J].浙江大学学报(工学版)，2004，38(12)：1619-1622

[11].Gerardo Escobar，AleksandarM.Stankovic，Juan.M.Carraso，Eduardo Galvan，and RomeoOrtega.Analysis andDesign of Direct Power control(DPC)for a three Phase Synchronous Rectifier via Output RegulationSubspaces[J].IEEE Trans on Power Electronics.2003，18(1)：823-830

[12].王久和，李华德，李正熙.电压型PWM整流器直接功率控制技术[J].电工电能新技术.2004，23(3)：64-67

[13].王久和，李华德，杨立永.设置扇形边界死区的电压型PWM整流器直接功率控制[J].北京科技大学学报，2005，27(3)：380-384

[14].王久和，李华德.一种新的电压型PWM整流器直接功率控制策略[J].中国电机工程学报，2005，25(16)：47-52

[15].Jinhwan Jung，Sunkyoung Lim，Kwanghee Nam.A feedback linearizing control scheme for a PWMconverter-inverter having a very small DC-link capacitor[J].IEEETrans.Ind.Applicat.，1999，35(5)：1124-1131

[16].Dong-Choon Lee，G-Myoung Lee，Ki-Do Lee.DC-bus voltage control of three-phase AC/DC PWMconverter using feedback linearization[J].IEEETrans.Ind.Applicat.，2000，36(3)：826-833

[17].张波，卢至峰，邓卫华.三相电压型PWM整流器的反馈线性化解耦模型和仿真[J].华南理工大学学报(自然科学版)，2004，32(6)：10-13

[18].D.-C.Lee.Advanced nonlinear control of three-phase PWM rectifiers[J].IEE.Proc.-Electr.Power Appl.，2000，147(5)：361-366

[19].阮立飞，张艳红，叶芃生.三相单位功率因数整流器的电流控制方法研究[J].电气传动，2001，31(6)：27-29

[20].Hasan

Osman Kükrer.Lyapunov-based control for three-phase PWM AC/DC voltage-sourceconverters[J].IEEE Trans.Power Electron，1998，13(5)：801-813

[21].李正熙，王久和，李华德.电压型PWM整流器非线性控制策略综述[J].电气传动，2006，36(1)：9-13

[22].R.Ortegn，H.Sira-Ramirez，H.Ludvigsen.A hybrid passivity based controller design for a three phasevoltage sourced reversible boost type rectifier[J].Proceedings of the 37^th IEEE conference on decision &control，Tampa，Florida USA·December1998 2035-2040

[23].J.M.Carrasco，E.Galvan，G.Escobar，A.M.Stankovic，R.Oretega.Passivity-based controller for a three phasesynchronous rectifier[J].IEEE IECON 2000，1-6

[24].胡庆，于海雁，夏桂文.滑模变结构控制在三相整流器中的应用[J].沈阳工业大学学报，2002，24(2)：139-142

[25].杨涛，郭尚峰，张民.一种用模糊逻辑控制的新型三相电压型PWM整流器[J].海军工程大学学报，2003，15(3)：65-68

[26].A.Dell Aquila，M.Liserre，C.Cecati，A.Ometto.A fuzzy logic CC-PWM three-phase AC/DC converter[J].Dipartimento di Elettotecnicaed Elettronica Politecnico di Bar Bari，Italy 2000

[27].鞠儒生，陈宝贤，陈燕.一种新型PWM整流器[J].电工技术学报，2002，17(6)：48-52

[28].Mariusz Cichowlas，Dariusz Sobczuk，Marian P.Kazmierkowski，Mariusz Malinowski.Novel artificialneural network(ANN)based current controller for PWM rectifiers.Warsaw University of Technology.Institute of Control and Industrial Electronics，2001

[29].Carlos Gaviria，Enric Fos.sas and Robert

Robust Controller for a Full-Bridge Rectifier Using the IDAApproach and GSSA Modelling.Institut d′OrganizacióI Control de Sistemes Industrials，UniversitatPolitècnica de Catalunya Barcelona，Spain.Mayl 4，2003

[30]Carles Batlle，Arnau Dòria-Cerezo，and Enric Fossas.IDA-PBC controller for a bidirectional power flowfull-bridge rectifier.Universitat Politècnica de Catalunya Barcelona，Spain

[31].Carlos Gaviria，Robert

and Enric Fossas.Control Scheme Based on GSSA Modeling Applied to anUnity Power Factor Boost Rectifier.Universitat Politècnica de Catalunya Barcelona，Spain

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，③系统结构简单可靠。首先建立了整流器在dq两相同步旋转坐标系中的的Euler-lagrange模型为

式中：x₁＝U_dc，x₂＝i_d，x₃＝i_q，

$M=\left[\begin{array}{ccc}C& 0& 0\\ 0& L& 0\\ 0& 0& L\end{array}\right],$ $J=\left[\begin{array}{ccc}0& -S_d& -S_q\\ S_d& 0& -\mathrm{\ωL}\\ S_q& \mathrm{\ωL}& 0\end{array}\right],$

$x=\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ x_3\end{array}\right],u=\left[\begin{array}{c}0\\ u_d\\ u_q\end{array}\right],$

J(x)=-J^T(x)，

可以证明(1)是严格无源的。

为实现单位功率因数、直流电压恒定控制，设系统期望值为 $U_{\mathrm{dc}}^{*}=U_{\mathrm{dcr}},i_d^{*}=\sqrt{3/2}{I}_m,i_q^{*}=0.$ I_m为稳态运行时交流相电流的幅值，由下式确定

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

式中：U_dcr为直流给定电压，U_m为交流相电压幅值。

负载电流受下式约束

$i_L<\frac{3U_m^2}{8R{U}_{\mathrm{dcr}}}---\left(3\right)$

对于三相对称电源有 $u_d=\sqrt{\frac{3}{2}}{U}_m,u_q=0.$

令x_e＝x-x^*，由式(1)可得

取能量函数 $V=\frac{1}{2}{x}_e^{T}M{x}_e,$ 有

于是控制律为

则有

同时将

代入式(1)得

$\left\{\begin{array}{c}C\frac{d{U}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}+U_{\mathrm{dc}}/R_L=U_{\mathrm{dcr}}/R_L\\ L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{Ri}}_d=R\sqrt{3/2}{I}_m\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{Ri}}_q=0\end{array}\right.---\left(7\right)$

由(7)可知，PWM整流器控制系统实现了解耦，且系统变为线性系统。

由(5)可得，

$\left\{\begin{array}{c}{S}_d{i}_d+S_q{i}_q=U_{\mathrm{dcr}}/R_L\\ S_d{U}_{\mathrm{dc}}-\mathrm{\&omega;}{\mathrm{Li}}_q+\sqrt{3/2}{I}_{m}R=\sqrt{3/2}{U}_m\\ S_q{U}_{\mathrm{dc}}+\mathrm{\&omega;}{\mathrm{Li}}_d=0\end{array}\right.---\left(8\right)$

若τ_c＝τ_L， $R_{L}C=\frac{L}{R},$ 于是可得

$\left\{\begin{array}{c}{S}_d=\frac{\sqrt{3/2}(U_m-I_{m}R)+\mathrm{\&omega;}{\mathrm{Li}}_q}{U_{\mathrm{dc}}}\\ S_q=-\frac{\mathrm{\&omega;}{\mathrm{Li}}_d}{U_{\mathrm{dc}}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

则由式(9)确定出的S_d、S_q就为基于无源性的整流器解耦控制律。

基于无源性的三相电压型PWM整流器解耦控制系统如图2所示。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。由图可知在正常负载、过载、严重过载及轻载时均能实现直流电压稳态误差ΔU_dc＝U_dcr-U_dc≈0；稳态时网侧交流电压与交流电流同相位且为正弦波，实现了单位功率因数；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。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，真正意义上实现了“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为基于无源性的三相电压型PWM整流器解耦控制系统结构框图，图中T_abcldq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＝25Ω)启动时直流电压曲线，附图4(b)为过负载(R_L＝25Ω)稳态时交流电压与交流电流曲线。附图5(a)为严重过载(R_L＝5Ω)时启动时直流电压曲线，附图5(b)为过负载(R_L＝5Ω)稳态时交流电压与交流电流曲线。附图6(a)时为轻负载(R_L＝100Ω)启动时直流电压曲线，附图6(b)为轻负载(R_L＝100Ω)稳态时交流电压与交流电流曲线。

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，按照该策略可制成基于无源性的三相电压型PWM整流器解耦控制系统。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S_d、S_q的计算，把S_d、S_q送给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。CCS 2.2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基于无源性的三相电压型PWM整流器解耦控制策略在整流器Euler-lagrange模型基础上，证明了PWM整流器是严格的无源系统。基于系统的无源性，在滤波电感器时间常数和直流侧电容时间常数相等的条件下，求出了将系统解耦且变为线性系统的简单控制律。根据该控制律构成新的整流器控制系统，具有结构简单、交流电流谐波小，对负载具有强的鲁棒性，直流电容量大大减少的优点。

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