三相電壓型PWM逆變器電流控制技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展

1、T綜述微特電機(jī)2005年第echnicalreview1期三相電壓型PWM逆變器電流控制技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展施火泉,徐守雷(江南大學(xué),江蘇無(wú)錫214036)ThePresentSituationandDevelopmentofCurrentControlTechniquesinThree-phasePWMConvertersSHIHuo-quan,XUShou-lei(JiangnanUniversity,Wuxi214036,)摘要:對(duì)三相電壓源型PWM逆變器電流控制技術(shù)進(jìn)行了研究和分析。分為兩大類:線性控制和非線性控制,的選取標(biāo)準(zhǔn),結(jié),。關(guān)鍵詞:PWM逆變器;電流控制技術(shù)中圖分類號(hào):TM301

2、.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1004-7018(2005)01-0034-04Abstract:Variouskindsofcurrentcontroltechniquesforthree-phasevoltagesourcepulsewidthmodulatedconvertersareanalyzedandstudiedinthispaper.Varioustechniqueswhicharedifferentinconcept,havebeendescribedintwomaingroups,linearandnonlinear.Newtrendsincurrentcontrolared

3、iscussedhere.Basicrequirementsandperformancecriteriaofcurrentcontroltechniquesaresummarizedinthispaperaswell.Anddisadvantagesandadvantagesofvariouskindsofcurrenttech2niquesarepresented.Thebasicapproachesandperformanceofvariousmethodsaregiven.Keywords:voltagetypePWMconverter;currentcontroltechnique;(

4、。當(dāng)前,PWM電流控制方法仍在不斷的進(jìn)步和發(fā)展,本文主要對(duì)廣泛應(yīng)用的三相兩電平逆變電路的電流控制技術(shù)進(jìn)行比較研究,對(duì)各種算法的性能和運(yùn)行原理進(jìn)行總結(jié)。2PWM電流控制的基本要求和選取標(biāo)準(zhǔn)PWM電流控制技術(shù)的主要目標(biāo)是迫使三相交流電流跟蹤參考信號(hào),使輸入電流近似為正弦。其基本思想是將測(cè)量得到的實(shí)際相電流的瞬時(shí)值和參考電流進(jìn)行比較,產(chǎn)生逆變狀態(tài)開(kāi)關(guān)信號(hào),從而降低電流誤差。一般來(lái)說(shuō),對(duì)于電流控制的基本要求主要有以下幾點(diǎn):(1)在較寬的輸出頻率范圍內(nèi),無(wú)相位和幅值誤差;(2)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好;(3)能夠限制或保持開(kāi)關(guān)頻率恒定,使電力晶三相電壓型PWM1前言三相電壓源型PWM逆變技術(shù)的應(yīng)用廣泛,包括變頻傳

5、動(dòng)、有源濾波、高功率因數(shù)AC/DC逆變、UPS系統(tǒng)以及交流供電系統(tǒng)。它們都包含有電流反饋控制環(huán)節(jié),逆變系統(tǒng)性能的好壞很大程度上取決于電流控制策略的優(yōu)劣。因此,PWM逆變電流控制技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)研究的重要組成部分。與傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)電壓PWM逆變器相比,電流控制1PWM逆變電路主要有以下優(yōu)點(diǎn):(1)控制瞬態(tài)電流波形較好;(2)峰值電流保護(hù);(3)過(guò)載保護(hù);(4)極好的動(dòng)態(tài)品質(zhì);(5)因負(fù)載參數(shù)變化而引起的補(bǔ)償效應(yīng);收稿日期:2004-07-06體管工作在安全工作區(qū)內(nèi);(4)諧波含量低;(5)直流電壓利用率高。有些控制性能相互矛盾,比如快速響應(yīng)和低諧波含量。所以,對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合,電流控制性能

6、要求也不同。逆變器電流控制技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展電流控制性能主要包括靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。評(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)有:遲滯時(shí)間、上升時(shí)間、首次達(dá)到峰值時(shí)間以及超調(diào)系數(shù)等。所有這些因素都來(lái)源于脈寬調(diào)制和控制環(huán)節(jié)的處理過(guò)程。因此,動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)化要根據(jù)具體的需要進(jìn)行綜合考慮,根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選取合適的電流控制技術(shù)。當(dāng)前,隨著電力電子器件開(kāi)關(guān)頻率的不斷提高,如IGBT的出現(xiàn),使得一些電流控制方法的優(yōu)點(diǎn)逐漸弱化,電流控制技術(shù)的選取更加容易。然而,對(duì)于34微特電機(jī)2005年第1期綜述Technicalrevi特殊場(chǎng)合的應(yīng)用,比如有源濾波要求快速響應(yīng),高功率逆變器則要求減小換流次數(shù)到最低,這些應(yīng)用場(chǎng)合仍需要慎重選擇恰當(dāng)?shù)碾?/p>

7、流控制技術(shù)。3電流控制技術(shù)的分類劃分電流控制技術(shù)方法很多3,5。在這里,把電流控制技術(shù)分為兩大類:線性控制和非線性控制。3.1線性控制器圖1靜態(tài)坐標(biāo)下PI線性控制主要有PI靜態(tài)和同步控制、狀態(tài)回饋I控制以及開(kāi)關(guān)頻率恒定預(yù)測(cè)控制方法,它主要應(yīng)用在傳統(tǒng)電壓型PWM調(diào)制中5,6,相比,從而得到狀態(tài)回饋制兩部分。系數(shù)矩陣。控制器的積分部分雖然可以將靜態(tài)誤差制,減小到零,但是暫態(tài)誤差卻很大,為此可以在狀態(tài)反的優(yōu)點(diǎn):,較高的直流電饋中引入?yún)⒖茧妷呵梆佇盘?hào)和擾動(dòng)輸入信號(hào)。狀態(tài)壓利用率等回饋控制可以動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償電動(dòng)勢(shì)電壓,其控制性能試,方便開(kāi)環(huán)和閉環(huán)測(cè)試。優(yōu)于傳統(tǒng)的PI控制器5。靜態(tài)PI控制器也叫斜坡比較電流控

8、制器。它它是在每一個(gè)采樣周期(調(diào)制周期)初始時(shí),根采用三個(gè)PI誤差調(diào)節(jié)器,產(chǎn)生三相正弦脈寬調(diào)制的據(jù)實(shí)際誤差和交流側(cè)參數(shù)R、L、E,預(yù)測(cè)電流誤差矢參考電壓,然后根據(jù)SPWM原理,將參考電壓和三量,確定下一個(gè)PWM調(diào)制周期產(chǎn)生的電壓矢量,從角載波進(jìn)行比較,產(chǎn)生控制信號(hào),控制逆變開(kāi)關(guān)的通而降低預(yù)測(cè)誤差16。斷。盡管控制器是在SPWM技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的,但3.2非線性控制器是由于加入了輸出電流波動(dòng)回饋控制,并影響到開(kāi)非線性電流控制包括滯環(huán)、delta調(diào)制和在線優(yōu)關(guān)次數(shù),所以其動(dòng)作原理并不相同。PI補(bǔ)償器的積化控制三種。為了避免混淆,RDCL拓?fù)涞碾娏骺胤植糠挚梢詼p小低頻誤差,而比例系數(shù)和零點(diǎn)配置制器單獨(dú)

9、為一種。此外,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯控制也則與紋波幅值有關(guān)。屬于非線性電流控制。此外,由于調(diào)制波要與三角載波的上下限多次3.2.1滯環(huán)電流控制器相交,因此,只有當(dāng)參考電流的主要諧波頻率和負(fù)載滯環(huán)控制是一個(gè)非線性回饋環(huán),有一組兩電平電動(dòng)勢(shì)限制在載波頻率以下,一般低于載波頻率1/9,的滯環(huán)比較器。當(dāng)偏差超過(guò)滯環(huán)環(huán)寬時(shí),比較器產(chǎn)才能得到滿意的控制性能。靜態(tài)PI控制的主要缺生開(kāi)關(guān)信號(hào)。點(diǎn)就是其固有的跟蹤誤差(幅值和相位),通常需要(1)開(kāi)關(guān)頻率可變控制器通過(guò)加入鎖相環(huán)和前饋校正來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。滯環(huán)電流控制的主要優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單,魯棒性3.1.2同步矢量控制器(PI)強(qiáng),跟蹤誤差小,不受負(fù)載參數(shù)變化的影響,動(dòng)態(tài)性

10、在很多工業(yè)應(yīng)用中,通常需要理想的電流表達(dá)能好且只受開(kāi)關(guān)速度和負(fù)載時(shí)間常數(shù)的限制,然而式,因?yàn)榧词购苄〉南辔换蚍嫡`差都會(huì)引起系統(tǒng)它也存在著以下的缺點(diǎn):誤操作。因此,產(chǎn)生了基于空間矢量電流控制方(a)逆變器的開(kāi)關(guān)頻率隨著負(fù)載參數(shù)和交流電法4。它采用兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器,分別控制同步旋轉(zhuǎn)坐壓的變化而變化;標(biāo)系中d、q電流分量6。經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換,isd和isq變(b)由于固有的隨機(jī)性,運(yùn)行有些不平滑,使得為直流分量,輸入到PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。逆變器的保護(hù)較為困難11。此外,還有一種工作在靜止-坐標(biāo)系下的滯環(huán)電流控制的特點(diǎn)就是能將瞬時(shí)電流精確地同步控制器,它的控制變量為交流分量。如圖1虛保持在環(huán)寬之內(nèi),但是對(duì)

11、于沒(méi)有中性點(diǎn)的系統(tǒng),其瞬線部分所示,控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)由兩個(gè)積分器和乘法器時(shí)誤差卻可以達(dá)到環(huán)寬的兩倍9。一相狀態(tài)比較組成為變頻發(fā)生器,它為PWM調(diào)制器提供參考電器狀態(tài)的變化會(huì)影響到其它兩相負(fù)載的電壓,也就壓uc、uc,用來(lái)消除穩(wěn)態(tài)電流誤差。是說(shuō),它們之間存在耦合。然而,如果把三相電流誤狀態(tài)回饋控制器差看作空間矢量,那么就可以補(bǔ)償相互之間的影 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 三相電壓型WPM逆變器電流控制技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展35T綜述微特電機(jī)2005年第echnicalre

12、view,因此出現(xiàn)了很多基于空間矢量的控制器。1期響7,8在線訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電流控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該結(jié)構(gòu)基于自適應(yīng)濾波器,設(shè)計(jì)作為周期此外,如果采用帶有查表功能的三電平比較器,選擇7適當(dāng)?shù)牧汶妷菏噶?可以降低逆變器的開(kāi)關(guān)頻7,8率。(2)開(kāi)關(guān)頻率恒定控制器為了解決開(kāi)關(guān)頻率變化的問(wèn)題,人們提出了很多的方法。比如根據(jù)交流電壓或通過(guò)鎖相環(huán)控制來(lái)911改變滯環(huán)上下限的幅值。一種排除干擾的方法是在逆變器電壓上去掉擾9動(dòng)信號(hào),從而對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行解耦。類似的,在離散開(kāi)關(guān)模式下,不需要估計(jì)負(fù)載阻抗,10這類控制器采用實(shí)時(shí)優(yōu)化算法,需要復(fù)雜的在線計(jì)算,因此,它只能利用微處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)。(1)開(kāi)關(guān)頻率最小

13、化預(yù)測(cè)算法該算法是在滯環(huán)控制器的空間矢量分析的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。每一相具有環(huán)寬+h的滯環(huán)控制器的電流誤差區(qū)的邊界為一規(guī)則六邊形。假設(shè)只采用一個(gè)滯環(huán)控制器,這時(shí)電流誤差邊界(也叫開(kāi)關(guān)或誤差曲線)可能就是其它形狀。誤差曲線的位置由指令電流矢量確定,當(dāng)電流矢量到達(dá)誤差曲線時(shí),就會(huì)預(yù)測(cè)出七條不同的電流軌跡。最終,在優(yōu)化處理的基礎(chǔ)上,就可以獲得最小化開(kāi)關(guān)頻率所需的電壓矢量。對(duì)于快速瞬時(shí)狀態(tài),可以采用最小化響應(yīng)時(shí)間的控制算法。(2)磁場(chǎng)定向控制頻率最小化預(yù)測(cè)電流控制可以在旋轉(zhuǎn)或者在靜止坐標(biāo)系中設(shè)計(jì)。和d-q平面定向坐標(biāo)系下三電平滯環(huán)控制器工作原理相同,通過(guò)沿旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁方向選擇一條相互呈直角的誤差曲線,可以使

14、開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)一步降低。實(shí)際應(yīng)用中,預(yù)測(cè)和優(yōu)化處理的時(shí)間降低了實(shí)際的開(kāi)關(guān)頻率。當(dāng)前更為先進(jìn)的算法是將由兩個(gè)有效矢量組成的電壓矢量減小為電動(dòng)勢(shì)矢量和零電壓3矢量,從而進(jìn)行無(wú)損失優(yōu)化控制。參考。2,能,需要很高的采樣頻率,電流控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)其增益為最佳值,確保獲得較高的電流控制性能。但是,這種控制器需要很長(zhǎng)的學(xué)習(xí)時(shí)間。圖3為一相人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一相人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制圖3控制器結(jié)構(gòu)圖器結(jié)構(gòu)框圖。其輸入為-1參考電流iAc(n),它通過(guò)延遲環(huán)節(jié)Z進(jìn)行采樣,其輸出為指令電壓uAc(n)。輸入層有L個(gè)神經(jīng)元,神經(jīng)元的數(shù)量等于一個(gè)周期參考電流的采樣個(gè)數(shù),參考電流的諧波信息對(duì)網(wǎng)絡(luò)是已知的。17,18傳統(tǒng)的逆變器模型是一

15、個(gè)多輸入多輸出的非線性系統(tǒng),其控制困難就在于它的非線性。當(dāng)前非線性處理方法中最簡(jiǎn)單的方法就是采用兩個(gè)PI控制器對(duì)直流項(xiàng)和無(wú)功功率分別進(jìn)行控制,但是這種方法使得響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)而且很難找到合適的PI參數(shù)。另一種方法就是寫出系統(tǒng)的狀態(tài)方程,在操作點(diǎn)附近對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化。其缺點(diǎn)是控制器的設(shè)計(jì)受到操作點(diǎn)的限制。為了提高控制性能,一般是將狀態(tài)方程分離為線性和非線性兩個(gè)部分。PI控制器處理非線性部分,線性控制器處理線性部分,但是也無(wú)法避免PI控制器存在的缺點(diǎn)。當(dāng)前,出現(xiàn)了一種基于非線性變換的新型建模技術(shù),它將非線性微分技術(shù)引入到回饋控制器的設(shè)計(jì)中,解決三相整流模型的非線性問(wèn)題,使輸入輸出線性化。對(duì)于內(nèi)部直流母

16、線動(dòng)態(tài)電壓,通過(guò)把d軸指令電流作為輸入,并對(duì)直流母線電壓進(jìn)行平方變換。它的外環(huán)以直流輸出電壓的平方作為控制量,而不是輸出電壓本身,通過(guò)這樣的變換可以將非線性系統(tǒng)線性化,輸入輸出線性化控制框圖如圖4所示,框圖由兩部分組成,內(nèi)環(huán)為電流控制器,采用輸入輸出線性回饋控制方法,外環(huán)為直流電壓回饋控三相電壓型PWM逆變器電流控制技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展4電流控制技術(shù)的新發(fā)展最近,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊控制算法以及輸入輸出線性回饋控制也應(yīng)用在PWM電流控制中,已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。4.1在線訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)電流控制器36微特電機(jī)2005年第1期T綜述echnicalrevi制環(huán),回饋?zhàn)兞繛橹绷麟妷旱钠椒健?/p>

17、其中,x1、x2分別為id和iq,x3為變量Vr。內(nèi)環(huán)電流控制器的控制框圖如圖5所示。field-orientedcontrolledinductionmotordriveJ.IEEETrans.Ind.Applicat.,1994,30:12471253ofthree-phasecontrolled-currentPWMrectiferusingcircuitD-QtransformationJ.390396vectorbasedcurrentcontrollersforPWM-invertersJ.IEEETrans.PowerElectron.,1991,6(1):158166IEEET

18、rans.PowerElectron.,1994,9:圖4輸入輸出線性化回饋控制的系統(tǒng)框圖ollerJ.I.Electron.,1998,13:297L,.controlmethodforcurrentPinverterswithconstantmodulationfrequencyJEEETrans.Ind.Applicat.,1990,26:8892techniqueofVSIPWMinverterswithconstantModulationfre2quencyandextendedvoltagerangeJ.IEEETrans.Ind.Appli2cat.,1991,27:365369

19、tedcontrolofinductionmachinesJ.IEEETrans.tron.,1994,41:406417pressionschemeforhysteresiscurrentcontrolledPWM-VSIwithconsiderationofswitchingdelaytimeC.inConf.Rec.IEEE-IASAnnu.Meeting,Houston,TX,1992:10341041phasePWMinverterJ.IEEETrans.PowerElectron.,1990,5:2128mizedpredictivecurrentcontrollersforPWM

20、convertersystemJ.IEEETrans.PowerElectron.,1991,6:454462ofareal-timepredictivecurrentcontrollerforpermanent-mag2netsynchronousservodrivesJ.IEEETrans.1994,41:110117fixedswitchingfrequencyJ.IEEETrans.Ind.Applicat,1990,26:880885namicsControlofThree-PhaseAC/DCVoltage-SourceCon2vertersJ.IEEETrans.PowerElectron,2003,18(1)18YangYe.Modeling,ControlandImplementationofThree-PhasePWMConvertersJ.IEEETrans.PowerElectron,2003,18(3)19博斯BK,姜建國(guó).電力電子學(xué)與變頻傳動(dòng)技術(shù)和應(yīng)用J.1999.9:180-19020李永東.交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)M.2002,5:232-240Ind.Electron,圖5AC/DC綜上所述,punov,避免了傳統(tǒng)處理非線性系統(tǒng)的缺點(diǎn)。另外,控制系統(tǒng)對(duì)d、q電流獨(dú)立控制,消除了非線性系統(tǒng)輸入輸出耦合產(chǎn)生的影響。同時(shí)由于直流輸出電