無(wú)電流傳感器三相PWM整流器控制策略

1、2004年11月 第19卷第11期電 工 技 術(shù) 學(xué) 報(bào)TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETYNov. 2004無(wú)電流傳感器三相PWM整流器控制策略張 恩 廖曉鐘（北京理工大學(xué)自動(dòng)控制系 北京 100081）摘要 提出了一種無(wú)電流傳感器的三相PWM整流器控制策略。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)PI調(diào)節(jié)器控制直流側(cè)輸出電壓，內(nèi)環(huán)通過(guò)滯環(huán)調(diào)節(jié)器控制有功功率和無(wú)功功率，達(dá)到單位功率因數(shù)運(yùn)行的目的。根據(jù)整流器的數(shù)學(xué)模型通過(guò)電流重構(gòu)可獲得網(wǎng)側(cè)電流，以實(shí)現(xiàn)無(wú)電流傳感器控制。仿真實(shí)驗(yàn)證明該方案具有良好的控制性能。關(guān)鍵詞：無(wú)電流傳感器 PWM整流器 電流重構(gòu) 中

2、圖分類(lèi)號(hào)：TM461Current Sensorless Control of Three-Phase PWM RectifiersZhang En Liao Xiaozhong（Beijing Institute of Technology Beijing 100081 China）Abstract In this paper a current sensorless control strategy of three-phase PWM rectifiers is presented. Double close-loop control method is applied in the s

3、ystem. DC voltage is regulated by the external loop PI regulator. The system can operate at unity power factor by controlling the active and reactive power with two inner loop hysteresis controllers. The input AC current can be reconstructed from the mathematical model of PWM rectifiers in order to

4、eliminating current sensors . The simulation results prove that the system has good performance.Keywords：Current sensorless，PWM rectifiers，current reconstruction1 引言PWM整流器可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化，單位功率因數(shù)運(yùn)行，甚至能量雙向流動(dòng)。這些特性使得PWM整流器有著廣泛的應(yīng)用，如用于有源電力濾波（APF）、無(wú)功補(bǔ)償（SVG）、統(tǒng)一潮流控制（UPFC）,超導(dǎo)磁能儲(chǔ)能(SMES)等1。通常情況下，控制系統(tǒng)需要用到交流電壓、電流傳感器以及

5、直流電壓傳感器，用于實(shí)現(xiàn)直流電壓和交流電流雙閉環(huán)控制。利用傳感器可以方便、快速獲得電壓電流參數(shù)，但這導(dǎo)致系統(tǒng)體積大、成本較高。針對(duì)以上問(wèn)題本文提出了一種無(wú)交流電流傳感器的三相PWM整流器控制方案。利用整流器數(shù)學(xué)模型重構(gòu)交流電流，開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出則通過(guò)查表實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的SVPWM相比，查表方式可以減少計(jì)算量，縮短計(jì)算時(shí)間2。收稿日期 2004-06-17 改稿日期 2004-09-082 PWM整流器數(shù)學(xué)模型整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，為三相半橋電壓源整流器（VSR）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交流側(cè)采用三相對(duì)稱無(wú)中線連接方式。利用基爾霍夫電壓、電流定律可建立整流器數(shù)學(xué)模型，三相VSR數(shù)學(xué)模型為RL圖1 三相VSR拓?fù)?/p>

6、結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Three-phase VSR topology第19卷第11期張 恩等 無(wú)電流傳感器三相PWM整流器控制策略 43LLdia+Ria=Ua（VaN+VN0） （1） dtdib+Rib=Ub（VbN+VN0） （2） dtdiLc+Ric=Uc（VcN+VN0） （3）dt定義開(kāi)關(guān)函數(shù)Sk（k=a，b，c），取值為1時(shí)表示上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷；取值為0時(shí)表示上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通。當(dāng)Sa=1時(shí)，VaN=Vdc；Sa=0時(shí)，VaN=0，故VaN=VdcSa。同理VbN =VdcSb，VcN=VdcSc。則由開(kāi)關(guān)函數(shù)描述的整流器數(shù)學(xué)模型為di（VdcSa+VN0） （4）

7、La+Ria=UadtLdib+Rib=Ub（VdcSb+VN0） （5） dt圖2 系統(tǒng)控制原理圖Fig.2 Block diagram of control system4 電流重構(gòu)一般而言網(wǎng)側(cè)電阻較小且壓降主要集中在電感上，因此為了簡(jiǎn)化分析計(jì)算，通常忽略電阻的影響。電流表達(dá)式可簡(jiǎn)化為L(zhǎng)dik（k=a，b，c） （12） =Uk（VdcSk+VN0）dtdi（VdcSc+VN0） （6） Lc+Ric=Ucdt考慮電網(wǎng)三相平衡，則Ua+Ub+Uc=0（7）ia+ib+ic=0設(shè)離散采樣時(shí)間為T(mén)，則電流離散化表達(dá)式為 ik (n+1)=ik (n)+Uk(VdcSk+VN0)T（13） L聯(lián)

8、立式（4）（7），可得VN0=Vdc3Sk （8）零矢量（V0，V7）時(shí)，電流表達(dá)式可簡(jiǎn)化為i（=i（+Ukkn+1）kn）T（14） Lk=a,b,c由基爾霍夫電流定律有dVVCdc=iaSa+iaSb+iaScdc （9）dtRL當(dāng)為有效電壓矢量時(shí)交流電流的離散化表達(dá)式如表1所示。表1 電流重構(gòu)表達(dá)式Tab.1 Equations of current reconstruction3 控制原理系統(tǒng)控制原理如圖2所示。忽略網(wǎng)側(cè)電阻，瞬時(shí)有功功率、無(wú)功功率計(jì)算式分別為dibdicdia+P=Liicabdt+Vdc (Saia+Sbib+Scic） dtdt（10）didi1q=3L(aicc

9、ia)VdcSa（iaic）+dtdtSb（icia）+Sc（iaib） （11）2根據(jù)上式計(jì)算出瞬時(shí)有功無(wú)功估計(jì)值后通過(guò)比較器與對(duì)應(yīng)的指令值比較。單位功率運(yùn)行時(shí)，無(wú)功功率指令值設(shè)為零。有功功率指令值由PI調(diào)節(jié)器來(lái)控制，PI輸出為有功指令電流，通過(guò)乘法器與直流電壓相乘計(jì)算出有功功率參考值。開(kāi)關(guān)狀態(tài)直接根據(jù)滯環(huán)輸出和扇區(qū)分布通過(guò)查表方式獲得。44電 工 技 術(shù) 學(xué) 報(bào) 2004年11月計(jì)算出ia、ib后，根據(jù)平衡條件（式7），任意電壓矢量下均有i（=i（+i（ （15） cn+1）an+1）bn+1）定為零。根據(jù)文獻(xiàn)3，5開(kāi)關(guān)邏輯表如表2所示。5 滯環(huán)控制器及電壓矢量開(kāi)關(guān)邏輯表圖2中HCP、HC

10、Q為滯環(huán)有功、無(wú)功控制器。定義HP、Hq為滯環(huán)帶寬，輸入量定義為P=PPref，q=qqref=q。滯環(huán)控制器輸出有兩電平、三電平以及混合型多種類(lèi)型，本文采用兩電平輸出滯環(huán)控制器，其輸入輸出特性如圖3所示。圖4 空間電壓矢量及扇區(qū)分布圖 Fig.4 Voltage vector and sector selection圖3 滯環(huán)控制器輸入輸出特性 Fig.3 Output and input characteristics ofhysteresis power controller)以有功功率滯環(huán)控制器為例，其輸入輸出關(guān)系如下：若PHP時(shí)，則dP=1； 若HPPHP且dP0，則dP=0； dt

11、dP若HPPHP且0，則dP=1；dt圖5 電壓矢量與瞬時(shí)功率關(guān)系 Fig.5 Relationship between voltage vectorsand instantaneous powers 表2 開(kāi)關(guān)邏輯表 Tab.2 Switching logic tabledP1dq01001若PHP時(shí)，則dP=0。 （16） 滯環(huán)帶寬直接影響控制精度和開(kāi)關(guān)頻率，應(yīng)根據(jù)具體情況合理選擇。電壓矢量平面可分為6個(gè)（式17）或12個(gè)（式18）扇區(qū)，為了使控制更加精確，本文將矢量平面123456 7 8 9 101112扇區(qū)分布及各電壓矢量空間位置如劃分為12扇區(qū)，圖4所示。（2n3n（2n1 （n=

12、1，26） （17）66（n2n（n1 （n=1，212） （18）666 仿真研究及結(jié)果分析為了驗(yàn)證方案的可行性，利用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。相關(guān)參數(shù)如下：交流側(cè)線電壓為380V，頻率50Hz，電感8mH，電阻0.1。負(fù)載阻值RL為100。直流側(cè)濾波電容C為7500µF，采樣頻率為50kHz，直流電壓參考輸入U(xiǎn)dcref設(shè)定為620V。整流器橋臂電壓矢量Us與瞬時(shí)有功、無(wú)功功率關(guān)系如圖5所示，Us的變化可以影響電感電壓，進(jìn)而影響線電流相位和幅值，因此通過(guò)合理選擇電壓矢量，調(diào)整Us相位和幅值，即可達(dá)到控制有功和無(wú)功功率的目的3,4。圖5中i表示實(shí)際線電流，

13、i表*示期望線電流，U表示線電壓，點(diǎn)M（P，q）表示給定有功、無(wú)功功率，單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)q設(shè)圖6為直流側(cè)電壓輸出響應(yīng)，可以看出電壓輸出超調(diào)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。圖7 a為交流側(cè)相電第19卷第11期張 恩等 無(wú)電流傳感器三相PWM整流器控制策略 45流，電流波形接近正弦變化規(guī)律；圖7b是a相電流的諧波分析結(jié)果，其總諧波畸變率為1.36%。圖8為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)同一坐標(biāo)系下a相電壓和電流輸出，可以看出電壓電流同相位，可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。圖8 a相電壓及電流Fig.8 Voltage and current of phase a號(hào)通過(guò)查表的方式直接輸出，減少了計(jì)算量、節(jié)約圖6 直流電壓輸出 Fig

14、.6 output of DC voltage了計(jì)算時(shí)間。通過(guò)調(diào)節(jié)有功、無(wú)功功率可以使系統(tǒng)運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方案可行且具有良好的控制性能。參考文獻(xiàn)1 張崇巍, 張興. PWM整流器及其控制. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 20032 Toshihiko Noguchi,Hiroaki Tomiki, Seiji Kondo，et al.Direct power control of PWM converter without power-source voltage sesnsors. IEEE Trans. on Industry Applications, 1998, 3

15、4（3）：473479（a）3 Malinowski M, Kazmierkowski M P. Simulation studyof virtual flux based direct power control for three-phase PWM rectifiers. Industrial Electronics Society, of 26th Annual Confjerence of the IEEE, 2000, 4（10）：22284 Steffan Hansen, Mariusz Malinowski, Frede Blaabjerg,et al. Sensorless control strategies for PWM rectifier. Applied Power Electronics Conference and Exposition, of 15th IEEE APEC, 2000, 2（2）：6105 Su Chen, Joos G. Direct power control of three phaseactive filter with minimum energy storage components. Applied Power Electronics Conference and Exposition, of