單相PWM整流器矢量控制的研究

1、 合H3。它在提高系統(tǒng)耐壓等級(jí)的同時(shí),還可以有效降低交流諧波污染,從而改善網(wǎng)側(cè)電流波形。近年來,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)單相三電平PWM VSR進(jìn)行了研究,并應(yīng)用于電力機(jī)車等實(shí)際系統(tǒng)中¨61。2.變流器組合變流器組合由多個(gè)電流型PWM整流器組成,主要應(yīng)用于大電流等場(chǎng)合"3。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將獨(dú)立的電流型PWM整流器進(jìn)行組合,每個(gè)整流器均采用移相PWM控制技術(shù),從而以較低的開關(guān)頻率獲得等效的高開關(guān)頻率控制,即在降低功率損耗的同時(shí),有效的提高了PWM整流器的電流、電壓波形品質(zhì)。3.軟開關(guān)此外,在一些大功率PWM整流器的設(shè)計(jì)中,韓國(guó)學(xué)者In-Dong Kim E N對(duì)基于軟開關(guān)(ZVS,ZCS

2、的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相應(yīng)控制策略進(jìn)行了研究陽(yáng)1。這種結(jié)構(gòu)克服了常規(guī)PWM變換器以強(qiáng)迫開關(guān)方式終端功率通量來變換功率時(shí)形成的脈沖電壓和電流,致使功率器件承受過大的電壓和電流應(yīng)力等缺點(diǎn)。從理論上講,軟開關(guān)變換器的開關(guān)損耗小,電磁干擾少,輸出直流電壓穩(wěn)定,然而這一技術(shù)距離普及應(yīng)用還有一定距離,有待于進(jìn)一步完善和改進(jìn)。整流電路控制目的是要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化,且與輸入電網(wǎng)電壓同相位,從而獲得單位功率因數(shù);系統(tǒng)的直流電壓輸出穩(wěn)定,且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,穩(wěn)態(tài)誤差小;能量可在交直流兩側(cè)流動(dòng),系統(tǒng)能夠四象限運(yùn)行。現(xiàn)從網(wǎng)側(cè)電流、直流側(cè)電壓以及系統(tǒng)控制這三方面,。對(duì)單相PWM VSR的控制策略進(jìn)行闡述。1.網(wǎng)側(cè)電流控制網(wǎng)側(cè)電流的控

3、制目的是使網(wǎng)側(cè)電流中諧波含量少,波形接近于正弦,相位與網(wǎng)側(cè)電壓相同。由于網(wǎng)側(cè)電流將直接輸入電網(wǎng),因而單相PwM VSR 最終的控制效果很大程度上取決于內(nèi)環(huán)電流的控制。根據(jù)是否選取瞬態(tài)交流輸入電流作為反饋量,PWM整流電路的控制可以分為間接電流控制和直接電流控制兩種,現(xiàn)分述如下:網(wǎng)電壓不發(fā)生畸變,而在實(shí)際系統(tǒng)中,很多因素會(huì)引起電網(wǎng)電壓的畸變,因而系統(tǒng)將對(duì)參數(shù)變化反應(yīng)過于靈敏,魯棒性差;再者,由于交流電流不作為直接的反饋控制量,系統(tǒng)缺乏自身的限流功能,還需要專門設(shè)計(jì)過流保護(hù)電路。因而,這種方法已逐漸被“直接電流控制”所取代。(2直接電流控制所謂“直接電流控制就是指構(gòu)建電流控制環(huán),從而直接對(duì)網(wǎng)側(cè)電流

4、進(jìn)行閉環(huán)控制,使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能得到明顯改善?！爸苯与娏骺刂啤笨刂贫嗖捎弥绷鱾?cè)電壓外環(huán)、網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)策略,其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快,穩(wěn)態(tài)控制精度高,魯棒性好,因而得到廣泛應(yīng)用,是一種實(shí)用化的控制方式。比較常用的直接電流控制方案主要有預(yù)測(cè)電流控制、滯環(huán)電流控制、DQ軸電流同步控制等?，F(xiàn)將上述方法做簡(jiǎn)單說明。1預(yù)測(cè)電流控制這種控制方法是基于系統(tǒng)微分約束關(guān)系,在一個(gè)開關(guān)周期對(duì)電流做出預(yù)測(cè)性控制,當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí),可以電流的無差拍控制n們。通過采樣電流的當(dāng)前值與下采樣時(shí)刻的預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較,求出使電流誤差最小的控制電壓,使下一采樣時(shí)刻的電流以最優(yōu)特性跟蹤當(dāng)前時(shí)刻參考電流。這種控制方法動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,電流控制精度

5、高。其問題在于,受系統(tǒng)參數(shù)變化影響較大,穩(wěn)態(tài)響應(yīng)有一定靜差;尤其是在開關(guān)頻率較低時(shí),電流相移增大,甚至可能將導(dǎo)致這種控制方法失敗。2滯環(huán)電流控制滯環(huán)控制是一種非線性控制方案,其控制的基本理念是引入滯環(huán)控制器,將輸入電流的控制限定在一定的容差范圍內(nèi),當(dāng)容差越小時(shí),輸入電流越接近于正弦,此時(shí)PWM脈沖的頻率也會(huì)越高n3。這種控制方案的優(yōu)點(diǎn)明顯,網(wǎng)側(cè)電流的畸變被限定在容差范圍內(nèi),因此系統(tǒng)不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響,魯棒性好;此外,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其主要問題在于功率器件的開關(guān)頻率不固定,而受直流側(cè)負(fù)載影響。當(dāng)重載時(shí),系統(tǒng)開關(guān)頻率顯著增加,使得開關(guān)器件應(yīng)力過大。為解決這一問題,可以采用滯

6、環(huán)寬度變化或自適應(yīng)調(diào)節(jié)來得到大致固定的開關(guān)頻率。3DQ軸同步PI電流控制單相PWM變流器的同步PI電流控制最早是由美國(guó)學(xué)者M(jìn)ichael J.Ryan與1997年提出,并應(yīng)用于逆變器的交流側(cè)電流控制中3。這種控制方法是以整流器在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q下的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),將交流電流等效成直流量進(jìn)行控制。由于單相系統(tǒng)只有一項(xiàng)網(wǎng)側(cè)電流,因而需要找到一個(gè)與其正交的電流量,實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變換。在該文章中,作者通過交流側(cè)濾波電容的電流與4實(shí)際交流側(cè)電流自然相差90度來構(gòu)建正交電流量,并獲得成功。在2002年,通用電氣公司的學(xué)者Richard Zhang首次將旋轉(zhuǎn)變換應(yīng)用到單相PWM整流器中,并申請(qǐng)了相關(guān)專利

7、n引。文中,作者構(gòu)建了一相與網(wǎng)側(cè)電流正交的虛擬電流,從而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換,達(dá)到DQ軸電流同步直流等效控制。DQ軸電流同步PI控制的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何構(gòu)建與網(wǎng)側(cè)電流正交的虛擬電流。西班牙學(xué)者Joan Salaet對(duì)此進(jìn)行了深入研究n副,提出了兩種構(gòu)建虛擬電流的方法,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的旋轉(zhuǎn)變換并完成矢量控制,通過搭建單相三電平的樣機(jī)對(duì)這兩種方法進(jìn)行比較;在此基礎(chǔ)上,巴西學(xué)者U,A.Miranda將控制算法作出簡(jiǎn)化,提出了一種簡(jiǎn)化的電流控制策略,并通過樣機(jī)證明了這種算法的可行性n41。2.直流側(cè)電壓控制直流側(cè)電壓控制目的是使PWM整流電路輸出直流電壓隨給定指令變化,達(dá)到穩(wěn)定和調(diào)節(jié)直流輸出電壓的要求。傳統(tǒng)的直流側(cè)

8、電壓控制環(huán)多為系統(tǒng)的控制外環(huán),采用PI調(diào)節(jié)器,將參考和反饋的差值作為調(diào)節(jié)器的輸入,調(diào)節(jié)器的輸出作為交流電流幅值的參考值。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是,控制機(jī)理清晰,易于實(shí)現(xiàn),穩(wěn)態(tài)性能好。然而,其問題在于電壓環(huán)的響應(yīng)速度遠(yuǎn)不及電流環(huán),因而系統(tǒng)對(duì)指令值的響應(yīng)不快,從而直接影響到網(wǎng)側(cè)電流的控制;此外,在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),直流側(cè)電壓的超調(diào)也較大。近年來,國(guó)外學(xué)者對(duì)外環(huán)電壓控制策略也進(jìn)行了一定的研究,并將一些新穎的控制算法應(yīng)用進(jìn)來?，F(xiàn)將研究成果簡(jiǎn)述如下:(2模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器是一種自調(diào)節(jié)控制器,它將模糊規(guī)則與自學(xué)習(xí)能力等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起,是一種有巨大潛力和應(yīng)用前景的智能控制方法。韓國(guó)學(xué)者YuenChung