三相電壓型脈寬調(diào)制整流器的開關(guān)矢量表

三相電壓型脈寬調(diào)制整流器的開關(guān)矢量表

0相電壓型dm整流器的dpc控制其他應(yīng)用直接功率控制是快速控制三相電壓脈寬電源的有效方法，包括三個相的電壓矩陣（pm）。直接功率(directpowercontrol,DPC)控制系統(tǒng)的控制對象中不僅含有交流側(cè)電流的信息,還含有電網(wǎng)電壓的信息,能夠?qū)崿F(xiàn)對變換器與電網(wǎng)交換的有功功率和無功功率進(jìn)行快速高效地控制,同時,DPC還有算法簡單、動態(tài)響應(yīng)快、不受坐標(biāo)變換影響等特點(diǎn),特別適合于有源電力濾波器、背靠背電力變換和電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的整流器等對動態(tài)性能要求很高的應(yīng)用場合,能充分發(fā)揮三相電壓型PWM整流器的網(wǎng)側(cè)電流低諧波、高功率因數(shù)、能量雙向流動及恒定直流電壓控制等優(yōu)勢。國內(nèi)外學(xué)者對PWM整流器的直接功率控制進(jìn)行了卓有成效的研究。傳統(tǒng)采用滯環(huán)比較器的DPC控制系統(tǒng)中,開關(guān)矢量表是核心,對控制效果的影響最為明顯。絕大多數(shù)文獻(xiàn)中的DPC控制均采用了文獻(xiàn)提出的空間劃分方法和開關(guān)表,但對其調(diào)制機(jī)制,各文獻(xiàn)中要么未做分析,要么僅利用空間矢量圖進(jìn)行大致的定性分析。本文根據(jù)瞬時功率理論,在推導(dǎo)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的功率數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,通過分析開關(guān)函數(shù)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的表達(dá)式,研究每個開關(guān)矢量在矢量空間中對有功功率和無功功率的作用,給出三相電壓型PWM整流器DPC調(diào)制機(jī)制的數(shù)學(xué)分析,得到一種新的空間劃分方法,并基于這種空間劃分方法推導(dǎo)一套嚴(yán)格符合矢量作用的新開關(guān)表。將這種新開關(guān)表與傳統(tǒng)開關(guān)表及其他文獻(xiàn)中優(yōu)化后的開關(guān)表進(jìn)行對比可發(fā)現(xiàn),采用其他開關(guān)表的DPC控制效果都可以從中得到一定的解釋。通過一系列對比仿真和實(shí)驗(yàn)分析可知,采用這種新的空間劃分方法和新型開關(guān)矢量表的直接功率控制系統(tǒng)獲得了很好的有功、無功功率控制效果,提高了穩(wěn)態(tài)交流電流波形,從而驗(yàn)證了本文對三相PWM整流器DPC調(diào)制機(jī)制分析的正確性。1基于thou檢測器的dpc控制機(jī)制1.1兩相旋轉(zhuǎn)dq系統(tǒng)模擬三相電壓型PWM整流器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中:usa、usb、usc分別為三相電網(wǎng)的相電壓;L為交流側(cè)電感;ia、ib、ic分別為變換器的交流電流;udc為直流側(cè)電容上的電壓;iL為負(fù)載電流。根據(jù)三相瞬時功率理論,系統(tǒng)的瞬時有功功率p和無功功率q在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中可計(jì)算得式中:usd、usq分別為電網(wǎng)電壓矢量在d、q軸上的投影分量;id、iq分別為交流電流矢量的d、q軸分量。一般情況下,三相電網(wǎng)基本平衡,可以忽略usq。以有功、無功功率為狀態(tài)變量的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的整流器數(shù)學(xué)模型為式中Sd、Sq分別為d、q坐標(biāo)系下的變換器開關(guān)函數(shù)。為了簡化分析,考慮額定工作情況,忽略一些相對較小的量,可以得到有功、無功功率變化率的表達(dá)式:根據(jù)式(3),功率變化率的大小與dq坐標(biāo)系下的開關(guān)函數(shù)Sd、Sq有關(guān),需要對它們進(jìn)行定量分析:式中Sa、Sb、Sc分別為三相ABC坐標(biāo)系下的變換器開關(guān)函數(shù)。其取值為將上面的三相開關(guān)函數(shù)代入式(4),可以得到各開關(guān)矢量對應(yīng)的有功、無功開關(guān)函數(shù),如表1所示。1.2開關(guān)矢量對無功功率的作用根據(jù)式(3),分析各矢量對于有功功率控制的影響,以開關(guān)函數(shù)V1的作用為例,將相應(yīng)的Sd帶入式(3)中,得式中為恒功率坐標(biāo)變換條件下非零矢量的模長,記為。由于,可以將看作是某個第一象限角度θ的余弦值,即將式(6)代入式(5)得令式(7)等于0,構(gòu)造方程如下:ωt=θ和ωt=-θ是式(8)的2個根。當(dāng)sin[(ωt+θ)/2]與sin[(ωt-θ)/2]異號時,式(7)為正值,有功變化率為負(fù)數(shù),此時有功功率減小;當(dāng)2者同號時,有功功率增加。所以,V1對有功功率的作用將矢量空間分成不相等的2個區(qū)域,且2區(qū)域的分界線也是不固定的,其他矢量的作用也可以用相同的方法推導(dǎo)得出。各矢量對有功功率作用的方向區(qū)域如圖2所示,兩區(qū)域的分界線為式中k為非零矢量編號。由圖2可知,同一個開關(guān)矢量對有功的增、減調(diào)節(jié)能力是不同的。dp/dt的最小值為,而最大值為,故開關(guān)矢量增加有功功率的能力強(qiáng),減小的能力弱些。同時,進(jìn)行增加有功的調(diào)節(jié)時,可選的開關(guān)矢量會更多一些。根據(jù)圖2,6個開關(guān)矢量的作用范圍將整個矢量空間分成了如圖3(a)所示的12個區(qū)域,且這12個區(qū)域并不相等。由式(6)可知,θ=π/2時,udc無窮大;當(dāng)θ=π/6時,udc接近不控整流時直流母線電壓值。這2種情況是udc的兩種極限情況,所以θ的取值范圍為θ=π/6~π/2。當(dāng)θ=π/2時,圖3(a)可以簡化為如圖3(b)所示的6扇區(qū)圖。1.3同保理劑中無功功率變化率的符號根據(jù)表1,將各個開關(guān)矢量對應(yīng)的Sq表達(dá)式代入式(3)之中,并令無功功率的變化率為正和為負(fù),分別構(gòu)造不等式,可得到在不同扇區(qū)中無功功率變化率的符號。根據(jù)開關(guān)矢量對無功功率的作用,每個開關(guān)矢量都將矢量空間分成相等的2個區(qū)域,如圖4所示。綜合來看,與對有功功率不同,開關(guān)矢量對無功功率作用方向的分界線為三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC軸,且同一個非零開關(guān)矢量對于無功的最大增、減調(diào)節(jié)能力是對稱的。根據(jù)不同矢量對無功功率的作用方向,可把整個矢量空間分成基本相等的6個扇區(qū),如圖5所示。1.4多矢量區(qū)分帶對功率的調(diào)節(jié)作用將圖5和圖3(a)所劃分的區(qū)域進(jìn)行疊加,可得到各開關(guān)矢量對功率作用的完整區(qū)域圖,如圖6(a)所示,矢量空間被劃分成18個扇區(qū),為上文方便比較分析,將各扇區(qū)作如圖6(a)的命名。如果將圖5和圖3(b)所劃分的區(qū)域進(jìn)行疊加,就可以得到傳統(tǒng)的12扇區(qū)圖,如圖6(b)所示。通過上文的分析可知,傳統(tǒng)的矢量空間扇區(qū)劃分只是18扇區(qū)的一種極限情況,PWM整流器正常工作時是不可能達(dá)到的。根據(jù)圖6(a)的扇區(qū)劃分方法,分析各矢量在各扇區(qū)中對功率的調(diào)節(jié)作用,可以得到表2所示的在不同扇區(qū)對有功和無功功率的作用(僅給出了V1、V2的作用,其它矢量的作用可以依此類推)。表2中,“+”表示該矢量對功率是增加的作用;“++”表示該矢量對功率的增加作用很強(qiáng);“-”表示該矢量對功率是減小的作用。根據(jù)表2可以歸納出嚴(yán)格遵循各矢量對功率作用的通用開關(guān)表,如表3所示,Sp和Sq分別為有功和無功滯環(huán)控制器的輸出。根據(jù)表2可知,Sp=1項(xiàng)中的矢量可以有多種選擇,表3中所選的矢量其實(shí)是滿足作用方向且作用力最小的開關(guān)矢量。表3中,帶方框的矢量是一種近似的選擇,因?yàn)楸?中該扇區(qū)沒有符合條件的矢量,只有用效果最接近的開關(guān)矢量(即帶框矢量)來代替。1.5最優(yōu)設(shè)計(jì)為了分析的簡便,式(3)中忽略了幾項(xiàng)變量,主要有:R×p/usd、ωLq/usd、ωLp/usd、Rq/usd,若考慮正功率因數(shù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況,所有的變量均可用其給定值來代替,令q=0,再忽略交流側(cè)阻抗R,則只剩ωLp/usd一項(xiàng),該項(xiàng)主要是對無功功率的變化率研究產(chǎn)生影響。如果不忽略ωLp/usd,令無功功率變化率為0,則有根據(jù)功率平衡,可以求出使變化率為零的Sq取值式中Io為直流負(fù)載電流。忽略ωLp/usd的影響由輸出負(fù)載電流Io和電網(wǎng)電壓的幅值usd共同決定,電網(wǎng)電壓的幅值越小、負(fù)載電流越大,則忽略ωLp項(xiàng)的影響也越大。所以在輕載情況下,忽略該項(xiàng)的影響很小,而當(dāng)滿載時,就會有一些誤差。例如,取Io=15A,角度誤差為3.39°,相對誤差率不到1%(3.39/360),所以這種分析方法在一般情況下是適用的。2試驗(yàn)結(jié)果和討論利用Matlab/Simulink7.0仿真平臺對DPC數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),所有的信號均進(jìn)行了離散化和規(guī)格化處理。文獻(xiàn)提出的傳統(tǒng)開關(guān)表記作SVT1,文獻(xiàn)提出的優(yōu)化后的開關(guān)表記作SVT2,本文提出的通用開關(guān)表記為NEWSVT(表3)。將這幾種開關(guān)矢量表進(jìn)行對比分析如下:1)SVT1與NEWSVT主要區(qū)別是,在Sp=1的情況下矢量的選擇不同,甚至在Sp=1&Sq=1時SVT1全部選用的是零矢量,零矢量雖然能夠增加有功功率,但對無功的調(diào)節(jié)能力很弱,且調(diào)節(jié)方向不確定,所以過多的使用零矢量是導(dǎo)致無功功率波動、電流波形不好的主要原因;2)SVT2所選的矢量即使按照本文提出的18扇區(qū)來劃分,也是能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的Sp和Sq要求的,只是SVT2選用的矢量對有功功率作用強(qiáng)度比NEWSVT中相應(yīng)位置的要大一些,這種開關(guān)表的開關(guān)頻率比其它2個都要高。圖7~8分別為使用開關(guān)表SVT1、SVT2和傳統(tǒng)的12扇區(qū)劃分方法這2種方案的電流波形和功率誤差,圖中,M為幅值,f為頻率。圖9為采用本文提出的NEWSVT開關(guān)表和18扇區(qū)劃分空間的相應(yīng)波形。由圖7~9中可知,SVT1方案中的無功功率誤差存在周期性波動,已經(jīng)超出所設(shè)置的滯環(huán)環(huán)寬值,且電流波形存在較大的低次諧波分量;SVT2方案中無功功率誤差雖然被限制在滯環(huán)環(huán)寬內(nèi),但由于在Sp=1時選用的開關(guān)矢量的作用力過強(qiáng),導(dǎo)致有功功率的誤差平均值為負(fù)數(shù);本文提出的方案中,電流波形的諧波含量是最低的,瞬時有功功率的控制效果最好,無功功率也能控制在滯環(huán)環(huán)寬(設(shè)置為400var)左右。3新型同步電流控制的測試本文在一臺三相PWM整流器設(shè)備上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn),設(shè)備的主電路實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表4所示。圖10為使用傳統(tǒng)12扇區(qū)劃分和傳統(tǒng)開關(guān)表得到的交流側(cè)A相電壓電流波形及電流的頻譜分析圖,采樣頻率50kHz。由圖10可以發(fā)現(xiàn),電流波形存在明顯畸變現(xiàn)象,低次諧波的含量也比較高。圖11是同樣采樣頻率下,使用本文提出的新型空間劃分方法及通用開關(guān)表得到的A相電流波形,對比圖10,可以明顯地看出波形更加平滑,幾乎沒有畸變,總諧波畸變率(totalharmonicdistortion,THD)也有明顯改善。為驗(yàn)證直接功率控制在動態(tài)性能上的優(yōu)勢,對比采用PI控制的直接電流控制(directcurrentcontrol,DCC)系統(tǒng)的三相PWM整流器系統(tǒng)的突加負(fù)載實(shí)驗(yàn)。DCC采樣頻率為9.6kHz,2個系統(tǒng)的控制器參數(shù)盡量保持一致。對比圖12、13,從空載到2kW突加負(fù)載,DCC系統(tǒng)的響應(yīng)時間超過125ms,遠(yuǎn)大于直接功率控制的95ms。4創(chuàng)新的量表添加方式直接功率控制是一種結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用、動態(tài)控制效果理想的控制方法,非常適用于三相電壓型PWM整流器的控制,它包含功率估算、滯環(huán)比較和開關(guān)表構(gòu)建3個主要部分,其中又以開