三電平中點鉗位式整流器的解耦控制

三電平中點鉗位式整流器的解耦控制

0電平np整流器的基本數(shù)學(xué)模型直驅(qū)式風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)通常采用非可控東正教或兩聲沉默交流電路，導(dǎo)致交流側(cè)電壓畸變，輸出因素低，尤其是交流側(cè)機槍的正常穩(wěn)定運行。與傳統(tǒng)的PWM整流器相比,三電平中點箝位NPC(Neutral-Point-Clamped)整流器不僅具有輸出直流電壓可調(diào)節(jié)、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、輸入電流諧波畸變小、動態(tài)響應(yīng)快以及能量可雙向流動等優(yōu)點,而且可以實現(xiàn)大功率的傳輸,因此在高壓大功率電機調(diào)速系統(tǒng)和靜止無功補償(SVC)、有源電力濾波(APF)、超導(dǎo)儲能(SMES)、統(tǒng)一潮流控制(UPFC)、高壓直流輸電(HVDC)、風(fēng)能及可再生能源的變網(wǎng)發(fā)電中得到了廣泛的應(yīng)用,受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。由于三電平NPC整流器的特殊結(jié)構(gòu),使得整流器直流側(cè)輸出電容的電壓不平衡,即中點電位不平衡,它對整流器的工作性能有著重要的影響。產(chǎn)生中點電位波動的因素是多方面的,傳統(tǒng)的三電平PWM載波調(diào)制和空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)都會在直流側(cè)產(chǎn)生基波頻率為3倍交流側(cè)頻率的中線電流,從而導(dǎo)致直流側(cè)上、下電容傳輸功率的不平衡,造成中點電位不平衡。另外,開關(guān)器件和直流側(cè)電容特性的不一致,以及擾動輸入的存在,也會導(dǎo)致直流側(cè)中點電位出現(xiàn)偏差。目前中點電位不平衡的控制策略主要是通過調(diào)整成對小矢量的作用時間來完成,其中大量文獻著重研究小矢量的作用時間,還有一些研究瞬態(tài)不平衡檢測及控制方法。雖然這些策略取得了很好的效果,但它們都是從平均意義上解決中點電位平衡,并且還受到SVPWM復(fù)雜性的限制,調(diào)節(jié)裕度非常有限。另外,三電平NPC整流器工作于開關(guān)模式下,它是一個強非線性控制系統(tǒng),電流間存在強耦合,其控制器設(shè)計采用非線性控制方法,如狀態(tài)反饋線性化方法、李亞普諾夫直接法和標準PBC方法等,這些控制方法大多需要準確的系統(tǒng)參數(shù),且算法較為復(fù)雜,給控制系統(tǒng)設(shè)計帶來不便。針對三電平NPC整流器,本文在開關(guān)函數(shù)和空間矢量的概念基礎(chǔ)上,建立了三電平NPC整流器的數(shù)學(xué)模型,提出了一種基于dq軸解耦的雙閉環(huán)控制的高性能控制策略,實現(xiàn)有功和無功電流的無差調(diào)節(jié),消除網(wǎng)側(cè)電流、電壓擾動的影響。針對直流側(cè)中點電位不平衡問題,基于簡化的SVPWM算法提出了一種根據(jù)三相輸入電流和中點電流波動精確控制中點電位的策略,有效解決了直流母線中點電位的直流偏差和電壓波動問題。最后通過實驗驗證了該方案的正確性和可行性。1三平流器的數(shù)學(xué)建模和開開設(shè)備的分辨率控制1.1電平環(huán)境abc的數(shù)學(xué)模型三電平NPC整流器主電路如圖1所示。在理想情況下,Udc1=Udc2=Udc/2。根據(jù)主電路結(jié)構(gòu),交流側(cè)a相橋臂上輸出電壓有3種狀態(tài):輸出電壓Uan=Udc/2(VT1a、VT2a導(dǎo)通),定義為1狀態(tài);輸出電壓Uan=0(VT2a、VT3a導(dǎo)通),定義為0狀態(tài);輸出電壓Uan=-Udc/2(VT3a、VT4a導(dǎo)通),定義為-1狀態(tài)。以a相開關(guān)函數(shù)Sa為例,將其分解,以便于推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型。S1a、S2a、S3a的約束關(guān)系為S1a+S2a+S3a=1,具體關(guān)系如下:根據(jù)基爾霍夫定律,三電平NPC整流器在三相靜止坐標系(abc)下的數(shù)學(xué)模型如式(1)所示。其中,Udc1=Udc2,C1=C2=Cd。三電平NPC在兩相旋轉(zhuǎn)坐標系(dq)下的數(shù)學(xué)模型可以通過三相靜止/兩相靜止坐標變換矩陣和兩相靜止/兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換矩陣得到。1.2電流環(huán)ud控制根據(jù)式(1),三電平NPC整流器交流側(cè)輸入電流如式(2)所示。三電平NPC整流器的控制,關(guān)鍵在于對交流側(cè)電流的控制,由式(2)可知,d、q軸電流不僅受到交流側(cè)電壓Ud、Uq的影響,還受到交叉耦合電壓ωLsiq、ωLsid擾動和電網(wǎng)電壓ed、eq擾動,因此不能單純地對d、q軸電流進行簡單的負反饋控制。本文采用對d、q軸電流前饋解耦控制的方法進行PI調(diào)節(jié),控制輸入如式(3)所示。將式(3)代入式(2)化簡得式(4),可知三電平整流器的電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)了解耦。整流器直流側(cè)的電壓方程如式(1)的第4項和第5項所示。由于直流側(cè)上下電容基本相等,且忽略中點電流和iq,則Udc與id的關(guān)系如式(5)所示:三電平NPC整流器系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制,如圖2所示。直流電壓U*dc作為給定輸入,Ud和Uq作為控制器輸出,ed和eq作為前饋補償,引入電流狀態(tài)反饋ωLsid和ωLsiq進行前饋解耦,對電流實現(xiàn)獨立控制。電壓調(diào)節(jié)器作為外環(huán)調(diào)節(jié),穩(wěn)定直流輸出電壓,其輸出作為電流環(huán)分量id的給定輸入。首先對電流環(huán)進行設(shè)計。以d軸控制器為例,解耦后的d軸電流環(huán)控制系統(tǒng)如圖3(a)所示。電流環(huán)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為考慮到電流內(nèi)環(huán)需要獲得更好的電流跟隨性能,按照典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器,將τ1和τ2這2個小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)用1個時間常數(shù)為τsf的一階慣性環(huán)節(jié)來代替,并令Rs/Ls=KiI/KiP,d軸電流閉環(huán)傳遞函數(shù)為根據(jù)二階最佳整定法,取ξ=0.707時,求出d軸電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)KiP和KiI。然后進行電壓環(huán)設(shè)計。由于電流環(huán)的截止頻率高于電壓環(huán)的截止頻率,將電流環(huán)等效為一階慣性環(huán)節(jié),電壓環(huán)控制系統(tǒng)如圖3(b)所示。電壓調(diào)節(jié)器用于穩(wěn)定直流側(cè)電壓,要求抗干擾性能強,所以按照典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計,利用三階最佳整定法設(shè)計,求出電壓調(diào)節(jié)器的參數(shù)KuP和KuI。2電平整流器的svpwm算法由于三電平整流器開關(guān)器件的狀態(tài)(SaSbSc)共有27種,則共有27個空間電壓矢量。常規(guī)的三電平SVPWM首先是判斷參考電壓矢量處于某個大扇區(qū)以及該扇區(qū)中的某個小三角形,其次是確定空間電壓矢量作用順序以及計算對應(yīng)開關(guān)矢量作用時間,最后是輸出脈沖。雖然其思路清晰容易接受,但是對36個小三角形,需要預(yù)先存儲大量的表格數(shù)據(jù),計算量比較大,尤其是采用dq坐標系,還需進行反正切和開平方運算,使得計算量成倍增加,DSP處理起來比較復(fù)雜且速度慢。三電平整流器的SVPWM算法實現(xiàn)如圖4所示。通過對圖4(a)進行觀察可以發(fā)現(xiàn):三電平空間矢量圖可以看成兩電平空間矢量圖的組合,即三電平空間矢量正六邊形正好可以由6個小的正六邊形組合而成,而且每個小六邊形正好都是兩電平整流器的電壓空間矢量圖,并且每個六邊形的中心移動1/姨6Udc后可與大六邊形的中心重合。本文提出一種簡化的SVPWM算法:將參考電壓矢量分解為基矢量和兩電平分矢量的組合,用類似兩電平整流器SVPWM對三電平整流器進行調(diào)制。根據(jù)三電平參考電壓矢量分解的定義,以及伏秒平衡原理,則有其中,UR*為參考電壓矢量;UrBase為基矢量;Ur為兩電平矢量;t1、t2、t0為矢量U1、U2、U0相應(yīng)的作用時間;Ts為SVPWM周期。進一步推導(dǎo)得到:其中,U1=U1′+UrBase;U2=U2′+UrBase;U3=U3′+UrBase。通過對三電平向兩電平過渡的可行性驗證,三電平矢量的作用時間與轉(zhuǎn)換為兩電平相應(yīng)矢量的作用時間完全相等。相應(yīng)的三電平空間電壓矢量的作用順序只需要在兩電平空間電壓矢量的作用順序上加上相應(yīng)的基矢量。在S=1的六邊形中,如圖4(b)所示,UR*被分解為兩電平矢量Ur′和基矢量UrBase=V1,將Ur′作為兩電平的參考矢量,V1作為兩電平的零矢量。三電平矢量作用時間根據(jù)兩電平相應(yīng)矢量的作用時間確定。三電平的空間電壓矢量作用順序,僅需在兩電平的空間電壓矢量順序上加上基矢量(011),其中,兩電平的電壓空間矢量采取7段空間矢量合成方式:每個矢量均以(000)開始和結(jié)束,中間為(111),保證每次只切換一只開關(guān),減小了開關(guān)損耗和輸出電壓諧波含量,并且避免在相鄰扇區(qū)間轉(zhuǎn)換時出現(xiàn)跳變。3正小矢量作用下的中點電位三電平NPC整流器在運行中必須保證中點電位的平衡,否則會出現(xiàn)偶次諧波,部分開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力將會增大,不利于整流器的安全運行。三電平整流器的空間矢量中,3個零矢量對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)與中點電位無連接,對中點電位沒有影響;6個大矢量對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)使三相輸入和正負母線相連,與中點沒有連接,不影響中點電位;6個中矢量對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài),其中點總是與某相電流相聯(lián)系,且電流總是從交流輸入流入中點,造成中點電位不平衡。另外還有12個小矢量,通過其對應(yīng)的電路圖進行分析,得出如下結(jié)論:正小矢量作用時,Δu=Udc1-Udc2>0,中點電位Un降低;負小矢量作用時,Δu=Udc1-Udc2<0,中點電位Un升高。3.1兩電平平面分析指標s當參考電壓空間矢量位于相鄰的小六邊形重疊區(qū)域時,可以通過動態(tài)改變兩電平平面號S值來控制中點電位平衡,如圖5所示。參考電壓空間矢量由三電平平面化簡至S=1或者S=2中的任何一個兩電平空間矢量平面。當S=1時,根據(jù)最近三矢量原則,參考電壓所確定的矢量作用順序為(0-1-100-110-110010-100-10-1-1),在該電壓矢量作用序列下,負小矢量的作用時間明顯多于正小矢量的作用時間,中點電位將上升;當S=2時,參考電壓確定的矢量作用順序為(00-110-110011010010-100-1),在該矢量作用順序下,正小矢量的作用時間明顯多于負小矢量的作用時間,中點電位將下降。同理對其他S值的兩電平平面分析:當S值為1、3、5的時候,中點電位將上升;當S值為2、4、6的時候,中點電位將下降。所以,當參考電壓空間矢量位于兩電平平面重疊區(qū)域時,只需根據(jù)中點電位的偏差Δu(Δu=Udc1-Udc2),相應(yīng)地改變S值(加1或者減1),控制中點電位平衡。3.2中點電位控制因子基于改變S值的中點電位控制策略所改變的是正、負小矢量的固定分配時間,雖然比較靈活,但不能充分發(fā)揮正、負小矢量對中點電位的補償作用。實際上,中點電位漂移的根本原因是在一個開關(guān)周期內(nèi)流入或流出中點的電荷不守恒?；诖怂枷?提出一種基于控制因子ρ的準確計算策略,通過檢測直流側(cè)電容電壓大小和三相交流輸出電流,準確計算正、負小矢量的時間控制因子ρ,使每個開關(guān)周期內(nèi)流入中點的總電荷為零,從而實現(xiàn)中點電位的準確控制。在每一個開關(guān)周期中,空間電壓矢量作用順序總是以某一小矢量的負小矢量出發(fā),并以該小矢量的負小矢量結(jié)尾,稱該小矢量為主控小矢量,其相鄰的小矢量稱為輔控小矢量。在某段區(qū)域中,主控小矢量作用時間為tρ0,輔控小矢量作用時間為tρ1,中矢量作用時間為tm,則正小矢量作用時間tρ0p=(1+ρ)tρ0/2,負小矢量的作用時間為tρ0n=(1-ρ)tρ0/2。主控小矢量流入中點的總電荷為Qρ0=Qρ0p-Qρ0n=ρtρ0ixn,其中ixn為該小矢量相應(yīng)的某相電流(ia,ib,ic),定義相電流方向以交流流出方向為正。輔控小矢量流入中點的電荷為Q1;中矢量流入中點的電荷為Qm=imtm;中點電位平衡的關(guān)鍵是保證流入中點的總電荷為零,即Qρ0+Q1+Qm=0。在S=1的兩電平平面中,中點電流大小和方向的矢量作用時間如圖6所示,區(qū)域(3)的主控小矢量為V1,輔控小矢量為V2,控制因子ρ的準確計算如下:各區(qū)域的中點電位控制因子ρ如表1所示?；诳刂埔蜃应训臏蚀_計算策略的前提是中點電位沒有漂移,如果其他一些因素導(dǎo)致中點漂移,則該控制策略不具有將中點電位拉回平衡點的能力。為了彌補中點漂移缺陷,將基于改變S值的策略與基于控制因子ρ的準確計算策略結(jié)合起來,實現(xiàn)中點電位的準確控制,具體實現(xiàn)如下:設(shè)定一個電壓誤差滯環(huán)ΔUsef,如果中點電位的實際偏差Δu<ΔUsef,采用基于控制因子ρ的準確計算策略;如果中點電位的實際偏差Δu>ΔUsef,采用基于改變S值的中點控制策略。4中點電位控制為了驗證三電平NPC整流器數(shù)學(xué)模型、控制策略、調(diào)制算法和中點電位平衡控制的正確性,本文以DSP(TMS320F2812)為核心控制器設(shè)計了三電平PWM整流器。系統(tǒng)主要參數(shù)為:交流側(cè)線電壓380V,Ls=10mH,Rs=0.1Ω,直流母線電壓750V,C1=C2=1000μF。圖7為三電平的實驗波形,其中圖7(a)為直流側(cè)輸出的電壓波形,穩(wěn)定在750V,電壓偏差在±5V范圍內(nèi)。圖7(b)為a相相電壓ea和電流ia的穩(wěn)態(tài)實驗波形,電流和電壓同相位,a相電壓畸變率THDu=4.12%,電流畸變率THDi=3.64%,功率因數(shù)λ=cosue788=0.99。圖7(c)為整流器輸入側(cè)uab線電壓波形,為五階梯波形。圖7(d)和圖7(e)為不采用和采用中點電位控制后的中點電位差波形,中心電位控制前,中點電壓在(5±5)V波動,加入中點電位控制后,電壓在(0±2.5)V波動,可以看出電位波動得到了有效的抑制。由