高功率因數(shù)整流器控制策略仿真研究

康爾良,曹亮亮

(哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,哈爾濱 150080)

0 引 言

整流器作為各種電力電子裝置與電網(wǎng)的接口,其發(fā)展方向是將變流技術(shù)與微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)相融合,實現(xiàn)對電網(wǎng)無污染的 “綠色”電能變換。隨著電力電子裝置的廣泛使用,由此引起的諧波污染問題逐漸受到了人們的重視。目前,大部分的電力電子裝置所使用的直流電源是通過不控整流或相控整流得到的,這些功率器件大多工作在開關(guān)狀態(tài),設(shè)備在運行中對電網(wǎng)注入了大量的諧波和無功,造成了嚴重的電網(wǎng)污染[1-3]。傳統(tǒng)的二極管不控整流和晶閘管相控整流有許多不足[4]。整流裝置是諧波主要的來源,因此有必要研制高功率因數(shù)、低諧波整流器以降低諧波污染,并滿足功率控制系統(tǒng)的高性能、高效率、高穩(wěn)定性等要求。

將PWM(Pluse Width Modulation)控制技術(shù)[5]與整流技術(shù)結(jié)合在一起,形成的新型整流器稱為PWM整流器。PWM控制技術(shù)應(yīng)用于整流器始于20世紀70年代末。國內(nèi)外已發(fā)表了大量研究報告并從不同方面對可逆PWM整流器技術(shù)作了深入而全面的研究,PWM整流器技術(shù)日趨成熟[6]?？赡鍼WM整流器由于能量可雙向傳輸及其優(yōu)越的控制性能,近年來在電力電子裝置中獲得了廣泛應(yīng)用,并受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注[7-9]。采用PWM整流可獲得單位功率因數(shù)和正弦化輸入電流。與相控整流相比,PWM整流器對電容、電感這類無源濾波元件或儲能元件的需求大大降低,動態(tài)性能也有很大的提高。本文根據(jù)PWM整流的原理和結(jié)構(gòu)特點,應(yīng)用矢量脈寬調(diào)制的控制策略,在Matlab2009b/ Simulink軟件上搭建仿真平臺,仿真結(jié)果驗證了文中控制系統(tǒng)設(shè)計的可行性。

1 電壓型PWM整流器數(shù)學(xué)模型

三相電壓型 PWM整流器 (Voltage Source Rectifier,VSR)主電路拓撲結(jié)構(gòu)見圖1。

網(wǎng)側(cè)電路采用對稱的三相三線制結(jié)構(gòu),功率開關(guān)管采用全控型器件IGBT和續(xù)流二極管并聯(lián)組成。其中Ek(k=a,b,c)是交流側(cè)電源相電壓, ik為交流側(cè)電源相電流,Lk是交流側(cè)濾波電感, Rk是交流側(cè)電感寄生電阻,C為直流側(cè)濾波電容。考慮到電路對稱性,令L=Lk,R=Rk。假設(shè)IGBT和二極管均為理想器件。

設(shè)三相電網(wǎng)電源時域表達式為:

圖1 三相電壓型PWM整流器拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Main circuit of three-phase voltage source PWM rectifier

定義整流器的邏輯開關(guān)函數(shù)sk為:

根據(jù)圖1所示的三相電壓型PWM整流器的主電路結(jié)構(gòu),由基爾霍夫定律可以得到三相靜止坐標系abc下的開關(guān)函數(shù)數(shù)學(xué)模型如式(3)所示。

在abc坐標系下三相電壓型PWM整流器交流側(cè)均為時變量,不利于控制系統(tǒng)設(shè)計?？梢酝ㄟ^坐標變換將三相靜止坐標系abc轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步的兩相旋轉(zhuǎn)坐標系dq。經(jīng)過變換,三相坐標系中正弦量為

將變成兩相旋轉(zhuǎn)坐標系中直流量,從而簡化控制系統(tǒng)設(shè)計。運用三相對稱靜止坐標abc到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系dq間的變換矩陣

圖2 兩相旋轉(zhuǎn)坐標系中三相電壓型PWM整流器模型結(jié)構(gòu)Fig.2 Three-phase voltage source PWM rectifier model structure on two-phase rotating coordinate system

2 雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器設(shè)計

PID調(diào)節(jié)器中有比例積分PD、比例積分PI、比例積分微分PID 3種類型。PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成超前補償,可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與動態(tài)響應(yīng),但系統(tǒng)精度較差。PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成滯后補償,可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,但系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度較PD慢。PID調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)超前與滯后補償,包括了PD與PI兩者的優(yōu)點,可以全面提高系統(tǒng)性能,但具體實現(xiàn)與調(diào)試復(fù)雜。一般系統(tǒng)都以系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)精度為主要調(diào)試目標,為簡化系統(tǒng)設(shè)計,本文采用雙閉環(huán)PI控制結(jié)構(gòu)設(shè)計三相電壓型PWM整流器,即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)控制主要獲得穩(wěn)定的直流輸出電壓,電流內(nèi)環(huán)是電壓外環(huán)的輸出指令進行電流控制,提供高品質(zhì)的電流響應(yīng),實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制。

2.1 電流PI調(diào)節(jié)器設(shè)計

電流內(nèi)環(huán)由于對稱性,dq坐標系下兩環(huán)電流控制方法相同,故只設(shè)計一環(huán)即可。因此,下面以的控制為例設(shè)計電流調(diào)節(jié)器?？紤]到電流內(nèi)環(huán)采用延時和PWM控制的小慣性特性,按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計的電流內(nèi)環(huán)簡化結(jié)構(gòu)見圖3。其中KiP,KiI分別為電流PI調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù),且KiP為PWM開關(guān)周期,KPWM為PWM等效增益。

圖3 電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of the current control loop

以PI控制器零點抵消電流控制對象傳遞函數(shù)的極點校正后,即τi=L/R,電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Φ(s)變成典型二階系統(tǒng):

傳統(tǒng)組操作步驟與超聲刀組基本一致，術(shù)中主要采用單極電刀切割術(shù)區(qū)的肌肉、脂肪組織等，用電刀電凝止血、血管鉗鉗夾或絲線結(jié)扎。

2.2 電壓環(huán)PI控制器設(shè)計

在進行電壓環(huán)設(shè)計時,假設(shè)電流環(huán)已實現(xiàn)完全跟蹤。參照文獻 [7-8]電壓環(huán)可設(shè)計如圖4,設(shè)電壓環(huán)采用時間常數(shù),圖中,分別為電壓環(huán)PI控制器的比例和積分系數(shù),且τv。

圖4 電壓環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Diagram of the voltage control loop

按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計電壓PI控制器,電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為:

在考慮系統(tǒng)跟隨性和抗擾性的同時,工程上中頻寬h一般取5,代入式(9)中,可得到電壓環(huán)PI控制器參數(shù)。電壓環(huán)的調(diào)節(jié)速度不能太快,否則正常電壓輸出波動會加深電流畸變。為保證電壓環(huán)帶寬小于電流環(huán),實現(xiàn)電流完全跟蹤,一般取電壓環(huán)的開環(huán)寬度小于開關(guān)頻率的1/5。

綜合以上各式,dq坐標系下變量已實現(xiàn)解耦,可得到三相電壓型PWM整流器的控制系統(tǒng),見圖5。

圖5 三相PWM整流器控制系統(tǒng)Fig.5 Control system of three-phase PWM rectifier

3 Simulink仿真實驗

系統(tǒng)在離散模型由下可變步長算法ode23tb采樣,步長幅值5e-5,仿真時間0.7 s,在0.3 s時另并聯(lián)電阻8 Ω,仿真得到的波形輸出見圖 6～圖8。

由圖6和圖8可見,系統(tǒng)從0.02 s開始進入整流狀態(tài),在0.1 s以后整流電壓穩(wěn)定在325 V,整流電路穩(wěn)定在20 A。由圖7可見,此時網(wǎng)側(cè)相電壓和相電流為正弦波且達到同相位。圖9表示整流后功率因數(shù)波形,系統(tǒng)進入整流狀態(tài)后,實現(xiàn)了單位功率因數(shù)控制。在0.3 s突然增加負載,負載電阻值由原來的16 Ω再并聯(lián)一個同樣的負載。整流電壓由于PI控制器的調(diào)節(jié),在0.5 s以后重新穩(wěn)定在325 V,相電流很快恢復(fù)正弦波狀態(tài),功率因數(shù)也很快恢復(fù)1。

圖9 功率因數(shù)波形Fig.9 Power factor waveforms

整流電流躍變?yōu)?0 A,系統(tǒng)輸出功率增加一倍,圖10與圖11所示為負載變化前后相電流頻譜分析,此時諧波總畸變率T HD由3.41%降為2.87%。驗證了文中所設(shè)計的PWM整流器系統(tǒng)具有良好的系統(tǒng)魯棒性與快速動態(tài)響應(yīng)。

4 結(jié) 論

由仿真實驗結(jié)果可見,采用SVPWM調(diào)制和雙閉環(huán)PI控制器設(shè)計的三相電壓型PWM整流器,可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制。仿真實驗波形表明本文設(shè)計的電壓型PWM整流器在實現(xiàn)快速跟蹤的同時,保證了系統(tǒng)的抗擾性。該設(shè)計方法為工程實際應(yīng)用中提供了參數(shù)運算依據(jù),如柔性交流輸電,可再生能源并網(wǎng)發(fā)電等。

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