基于矢量控制的直接功率控制

基于矢量控制的直接功率控制

1控制策略分析自tkotariot等人提出采用vmm控制改善整流器輸入波形以來(lái)，vmm全流器以其良好的性能成為研究的熱點(diǎn)。目前對(duì)PWM整流器的研究重點(diǎn)集中在電壓型整流器上,其具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速的特點(diǎn)。三相電壓型PWM整流器的控制技術(shù)有很多,PWM整流器的高性能控制策略主要分為矢量控制和直接功率控制(DPC),分別與電機(jī)控制的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制相呼應(yīng)?；诙ㄏ虿呗缘牟煌?每種控制策略又分為基于“電網(wǎng)電壓定向”和基于“虛擬磁鏈”兩種。目前常用的控制策略是矢量控制,對(duì)于DPC的應(yīng)用尚處于嘗試階段。DPC具有響應(yīng)快、算法簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的DPC采用bang-bang控制,存在開(kāi)關(guān)頻率不固定等缺點(diǎn),將DPC控制和空間矢量脈寬調(diào)制算法(SVM)的思想相結(jié)合,兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),同時(shí)克服了傳統(tǒng)DPC開(kāi)關(guān)頻率不固定的缺點(diǎn),并利用電網(wǎng)電壓虛擬磁鏈定向技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的DPC控制進(jìn)行改進(jìn),使其可以在工業(yè)中應(yīng)用。2電平整流器數(shù)學(xué)模型圖1示出中點(diǎn)箝位型的三電平PWM整流器主電路。Si1~Si4(i=a,b,c)為整流器的開(kāi)關(guān)函數(shù);Udc為直流側(cè)輸出電壓;Ls,Rs為整流器交流側(cè)電感和等效電阻;RL,L為直流側(cè)等效負(fù)載電阻和電感;Uup,Udown分別為直流母線上下電壓。在推導(dǎo)三電平整流器數(shù)學(xué)模型前,先假設(shè):(1)公共電網(wǎng)三相對(duì)稱,剛性且穩(wěn)定,為理想平衡電壓;(2)主電路開(kāi)關(guān)元件為理想元件,其通斷控制由開(kāi)關(guān)函數(shù)來(lái)描述;(3)直流側(cè)負(fù)載為等效負(fù)載。遵守功率不變的原則,經(jīng)過(guò)Clark變換和Park變換將三相a,b,c坐標(biāo)系中系統(tǒng)變量變換到d,q兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。經(jīng)過(guò)變換后,三相電壓型PWM整流器在d,q兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型為:式中:udr=S1dUup-S2dUdown;uqr=S1qUup-S2qUdown;ud,uq,id,iq為電網(wǎng)電壓、電流變換到d,q坐標(biāo)上的量。3dpc-svm溫度控制原理3.1瞬時(shí)功率的測(cè)定為實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié),不能采用常規(guī)的平均功率計(jì)算法,應(yīng)采用瞬時(shí)功率。根據(jù)1983年提出的三相電路瞬時(shí)功率理論可求得功率在d,q軸的表達(dá)式為:因?yàn)閡d=-ωΨβ,uq=ωΨα,可將功率表達(dá)式寫(xiě)成磁鏈與電流的關(guān)系,即:3.2同步速旋轉(zhuǎn)d對(duì)整流器在d,q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型式(1)進(jìn)行處理,將其變成PWM整流器的功率數(shù)學(xué)模型,處理過(guò)程如下:式中:Ψm為相電壓的幅值。為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量控制,可采用電網(wǎng)虛擬磁鏈定向矢量控制,坐標(biāo)變換關(guān)系如圖2所示。將同步速旋轉(zhuǎn)d,q坐標(biāo)系的d軸定向于電網(wǎng)電壓虛擬磁鏈?zhǔn)噶喀贩较蛏?θ=ω1t為d,α軸的夾角。磁鏈的d,q軸分量為:Ψd=Ψm,Ψq=0。則式(4)可寫(xiě)成:上式比較直觀地反映了VF-DPC-SVM的控制原理,由此可得VF-DPC-SVM的控制框圖,如圖3所示。通過(guò)對(duì)直流母線電壓Udc的控制產(chǎn)生出有功參考電流i*sq,它與Udc的乘積作為有功功率的參考量p*,若要實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制無(wú)功功率參考矢量q*=0,p,q的實(shí)際值根據(jù)上述提到的瞬時(shí)功率計(jì)算方法算得。4抗擾動(dòng)性能測(cè)試?yán)肕atlab7.6.0工具進(jìn)行仿真研究,參數(shù)如下:交流側(cè)線電壓660V;Rs=0.1369Ω;Ls=0.7mH;輸出直流母線電容C1=C2=7000μF;額定輸出電壓Udc=1.1kV;開(kāi)關(guān)頻率fn=2kHz。在0.01s啟動(dòng)整流器,空載運(yùn)行,0.2s切入負(fù)載(125kW),0.5s加載(250kW),0.8s減載(125kW),通過(guò)對(duì)切入負(fù)載和加載過(guò)程的仿真來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性能。由仿真波形可見(jiàn),Udc在很短的時(shí)間內(nèi)就重新達(dá)到穩(wěn)定;在輸出功率突變時(shí),有功功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速,而由于有功功率和無(wú)功功率的解耦效果比較好,無(wú)功功率幾乎沒(méi)有變化?；贒SPTMS320F2812對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)參數(shù):交流側(cè)線電壓660V;Ls=0.8mH;C1=C2=5000μF;Udc=1.8kV;fn=2kHz。圖4a,b為負(fù)載變化時(shí)三電平整流器在SVM-DPC下的有功、無(wú)功功率給定及反饋波形。由圖可見(jiàn),SVM-DPC控制下的三電平整流器有功功率和無(wú)功功率響應(yīng)迅速,內(nèi)環(huán)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。圖4c,d為SVM-DPC控制下的三電平PWM整流器在負(fù)載階躍下的響應(yīng)波形,θ為虛擬磁鏈觀測(cè)器輸出角度,ia,ua為后端整流器網(wǎng)側(cè)a相電流、電壓。由圖可見(jiàn),從負(fù)載階躍變化開(kāi)始直至Udc穩(wěn)定只需約60ms。對(duì)比兩組波形可見(jiàn),對(duì)于三電平PWM整流器,采用SVM-DPC擁有比直接電流控制更為優(yōu)異的直流母線電壓控制能力,也即其動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能更優(yōu)秀。5電流諧波小,功率控制,頻率穩(wěn)定,穩(wěn)定性差提出的三電平PWM整流器的定頻直接功率控制算法實(shí)現(xiàn)了單