CN1949646A - 基于合成电压空间矢量的pwm整流器直接功率控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出基于合成电压空间矢量的电压型PWM整流器直接功率控制系统，如附图所示。该系统采用相邻电压空间矢量合成一个幅值与其它非零电压空间矢量相同的合成电压空间矢量，使非零电压空间矢量达到12个。为进一步减少功率控制误差、交流电流谐波及直流电压波动；对输入空间进行重新划分扇区。根据新的12个电压空间矢量和扇区划分，确定了新的功率控制开关表。对系统计算机仿真表明，基于合成电压空间矢量的电压型PWM整流器直接功率控制系统具有良好的动、静性能，实现了单位功率因数，直流电压波动及交流电流谐波均达到国家电能质量标准。

Description

基于合成电压空间矢量的PWM整流器直接功率控制系统

技术领域  本发明提出基于合成电压空间矢量实现电压型PWM整流器直接功率控制系统，可实现PWM整流器网侧电流低谐波、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、有源滤波、通信电源等领域。属电力电子技术领域。

背景技术  电压型PWM整流器直接功率控制是通过控制瞬时有功功率和无功功率实现整流器高性能整流的。为提高整流器的性能，国内外学者提出了许多控制策略，Toshihiko Noguchi等学者采用估算到瞬时功率和检测到的电流进行电压估算^[1][2]，推进了直接功率控制的研究。继后，Mariusz Malinowski等学者为降低开关频率，减少损失，提出了基于虚拟磁链定向的直接功率控制策略^[2][3][4]。为进一步提高直接功率控制系统能力，提出了基于输出调节子空间的功率控制策略^[5]。为改善和提高整流器的性能，对国外上述几种控制策略进行了对比分析和研究^[6][7]，上述几种控制策略均采用6个非零电压空间矢量和2个零电压空间矢量，通过1个开关表实施控制的，导致了有功功率波动(易导致直流电压波动)、大负载时功率因数变小及网侧电流谐波不能满足国家电能质量标准等问题。对此，提出了设置扇形边界死区的电压型PWM整流器直接功率控制的控制策略^[8]，较好解决了扇形边界死区对有功功率的影响，使有功功率平稳，提高了直流电压稳定度；提出了采用双开关表的电压型PWM整流器直接功率控制策略^[9]，较好的解决了整流器的启动性能和有功功率、无功功率的合理调节问题。上述两种策略只是从不同侧面改善了整流器的性能，仍采用6个非零电压空间矢量和两个零电压空间矢量实施控制的。

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

2.Sc.Mariusz Malinnowski.Sensorless Control Strategies for Three-Phase PWM Rectifier.Warsaw Universityof Technology.Ph..D.Thesis.2001

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

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

5.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.IEEE Trans on Power Electronics.2003，18(1)：823-830

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

7.王久和，李华德，李正熙.电压型PWM整流器直接功率控制研究.辽宁工程技术大学学报，2004，23(5)：658-660

8.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.北京科技大学学报，2005，27(3)：380-384

9.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.中国电机工程学报，2005，25(16)：47-52

发明内容  为减少交流电流谐波、直流电压波动，提高负载变化时的功率因数；针对少电压空间矢量在功率控制上存在的问题，提出采用合成电压空间矢量实现整流器功率控制新策略，并根据该策略构成了整流器功率控制系统。该系统采用相邻电压空间矢量合成一个新的电压空间矢量，其幅值与其它非零电压空间矢量相同，如附图1所示。如U₁₂是由U₁和U₂合成，以此类推；这样，便形成了具有12个非零电压空间矢量的输入空间；同时，为使选择U_i(i＝1，2，…，12)更好的逼近所需的U_r，按下式确定U_r

            U_r＝U_i[i＝arg min(|U_i-U_rx|)]                                (1)

矢量的合成的原理如附图2所示。图中以U₁₂为例说明新矢量的合成的原理，通过占空比为50％的信号控制两个矢量U₁(011)、U₂(110)通过两个与门，两个与门的输出经或门，得到所需的合成矢量U₁₂；其余合成矢量照此处理。

为进一步减少功率控制误差，减少谐波，减少直流电压波动；对输入空间进行重新划分扇区，θ_n由式(2)确定，θ_n分布见附图1。

$(2n-3)\frac{\mathrm{\π}}{12}\≤{\mathrm{\θ}}_n\≤(2n-1)\frac{\mathrm{\π}}{12}n=\mathrm{1,2},\·\·\·,12---\left(2\right)$

根据新的电压空间矢量和扇区划分，确定新的功率控制开关表。对应于H_p、H_q(有功功率和无功功率滞环比较器的环宽)的有功电流和无功电流为Δi_p、Δi_q，则A、B、C、D、E、F、G、H为H_p、H_q限定的区域，如附图3所示。先考虑电源电压矢量u在第一扇区(-15°≤θ≤15°)，电流矢量i滞后于u，i的有功分量i_p小于i_r情况，即在A、B、O、H区域。当p＜p_ref、q＞0时，即i矢量在H、A、B线上，所选空间矢量u_r应使i向O点(i_r)移动；又由于i矢量在H、A、B线上位置不确定性，就按A点为依据选u_r。所选空间矢量u_r应使i从A向O点移动，对此，按式(3.3)、式(4.3)近似选择U₅₆；同理，当p＞p_ref、q＞0时，近似选择U₆₁；当p＜p_ref、q＜0时，近似选择U₂₃；当p＞p_ref、q＜0时，近似选择U₁₂。其它扇区可按此方法确定u_r，可得功率控制开关表如1所示。表中S_a S_b S_c为控制主电路开关管的开关函数。

                          表1采用合成矢量的DPC系统功率控制开关表

SpSq		Sa Sb Sc
														θ1	θ2	θ3	θ4	θ5	θ6	θ7	θ8	θ9	θ10	θ11	θ12
		1010	0001	U56U61U23U12	101100010110	U61U12U34U23	100110011010	U12U23U45U34	110010001011	U23U34U56U45	010011101001	U34U45U61U56	011001100101													U45U56U12U61	001101110100

基于合成电压空间矢量的PWM整流器直接功率控制系统如图4所示。按照附图4整流器直接功率控制系统结构，用上述新的输入空间扇形划分、合成空间矢量及功率控制开关表构建了smiulink环境下的仿真模型，仿真参数：主电路参数：U_a＝U_b＝U_c＝85V，电源频率f＝50Hz，L＝4mH，R＝0.1Ω，C＝2200μF，R_L＝10Ω，U_dcr＝200V，I_LN＝20A。PI调节器为G_PI(s)＝0.0195+0.178/s。系统在正常工作状态(R_L＝10Ω)及性能仿真如附图5、附图6所示，由图5可知，系统具有良好的动、静性能；稳态时，ΔU≈0，λ＝1，THD＝5％。由附图6可得3次谐波电流为0.2A，5次谐波电流为0.8A，7次谐波电流为0.7A；谐波电流值均符合国家电能质量标准。在重载工作状态(R_L＝5Ω)系统仿真如附图7所示。在轻载工作状态(R_L＝20Ω)系统仿真如附图8所示。综上结果，基于合成电压空间矢量PWM整流器直接功率控制系统是可行的，性能优于其它整流器控制系统的性能指标，且对付在有良好的鲁棒性。

附图说明    附图1是新电压空间矢量的形成和输入空间扇形划分；附图2是合成电压空间矢量实现原理图；附图3是功率控制开关表形成原理图；附图4是整流器直接功率控制系统结构图；附图5是系统工作状态仿真结果，(a)为网侧相电压、相电流，(b)为直流给定电压和整流器输出直流电压，(c)为瞬时有功功率和无功功率新功率控制开关表形成原理；附图6是系统性能仿真结果，(a)为直流电压波动ΔU(ΔU＝U_dcr-U_dc)，(b)λ为功率因数，(c)THD为网侧电流总谐波畸变因数；附图7是系统重载工作状态下仿真结果；附图8是系统轻载工作状态下仿真结果。

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制成基于合成电压空间矢量PWM整流器直接功率控制系统。图4中功率计算、滞环比较器、开关表、PI调节器等均有数字信号处理器完成。

具体实施方案如下：

1主电路参数选择

直流侧电压选择：按U_dc≥1.5U_m(U_m为电源相电压幅值)。

交流侧滤波电感选择：由于U_m、p_ref(整流器给定输出功率)、ω(电源角频率)为定值，可根据选定的功率滞环宽度H_pH_q及选定的平均开关频率f_av根据式(3)确定电感L值。

$L=\frac{3\mathrm{\ω}{p}_{\mathrm{ref}}{U}_m^2}{{8H}_p{H}_q{f}_{\mathrm{av}}^2}---\left(3\right)$

直流侧电容的选择：根据给定的ΔU_dcm和I_LM(最大负载电流)由式(4)可确定出满足给定ΔU_dcm的最小电容值。

$C=\frac{3L{(\frac{2}{3}\frac{p_{\mathrm{ref}}}{U_m}+I_{\mathrm{LM}})}^2}{2[{(U_r+\frac{3}{2}{U}_m+\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{dcm}})}^2-{(U_r+\frac{3}{2}{U}_m)}^2]}---\left(4\right)$

2电压环PI调节器参数选择

PI调节器传递函数为 $G_{\mathrm{PI}}\left(s\right)=K_I\frac{{\mathrm{\τ}}_{I}s+1}{{\mathrm{\τ}}_{I}s}=K_{\mathrm{pI}}+\frac{K_{\mathrm{II}}}{s},$ K_I、K_II按式(5)确定。

$\left.\begin{array}{c}{K}_I=K_{\mathrm{pI}}=\frac{0.6T_c}{R_L^{2}C}\\ K_{\mathrm{II}}=\frac{K_I}{{\mathrm{\τ}}_I}\end{array}\right\}---\left(5\right)$

式中：T_c＝1/f_c，f_c一般选在1/2基频以下；τ_I＝5R_LC。

3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。

4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。

5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。电源可选择电源组件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。

6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功率计算

瞬时有功与无功功率根据传感器检测到的电流u_a、u_b、u_c及i_a、i_b、i_c进行正交变换计在αβ固定坐标系中的u_α、u_β，i_α、i_β。瞬时有功与无功功率按式(6)计算，扇形划分器根据u_α、u_β及式(2)划分扇区，得到扇区θ_n信号。

$\left.\begin{array}{c}p=u_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\α}}+u_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\β}}\\ q=u_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-u_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right\}---\left(6\right)$

8数字信号处理器

选择ICETEK-LF2407-A型数字信号处理器。功率计算、扇区划分、滞环比较器、开关表、PI调节器等均由数字信号处理器完成。整流器DPC系统控制程序是在CCS(Code ComposerStudio)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(公共目标文件)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. 基于合成电压空间矢量的PWM整流器直接功率控制系统，该系统采用了电压空间矢量实现电压型PWM整流器的直接功率控制；其特征在于采用相邻电压空间矢量合成一个幅值与其它非零电压空间矢量相同的合成电压空间矢量[2]，使非零电压空间矢量达到12个[1]，对输入空间进行重新划分扇区(2n-3)π/12≤θ_n≤(2n-1)π/12 n＝1，2，…，12，建立了新的功率控制开关表，根据电源电压空间矢量的空间位置、新划分的输入空间扇区及新的功率控制开关表，在12个非零电压空间矢量中选择合适的非零电压空间实施功率控制，实现了单位功率因数、交流电流低谐波及直流电压恒定控制的目的。

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