APP下载

三相电压型PWM整流器主电路的设计与仿真

2012-10-13宋东波李达义

湖北工业大学学报 2012年1期
关键词:整流器功率因数三相

宋东波,李达义

(强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学),湖北 武汉430074)

由于传统的二极管不控整流和晶闸管相控整流电路造成了网侧功率因数低、电流谐波含量高等问题,电能质量和电网危害得到了越来越多的重视.抑制电力电子装置向电网注入谐波的方式有两种:一种是被动的,即装设谐波补偿装置来补偿谐波,如有源电力滤波等;另一种是主动的,即设计输入电流为正弦、谐波含量低、功率因数高的整流装置,如有源功率因数校正等.功率因数是衡量电能有效利用的标准之一,从最初使用感性负载带来的无功损耗,到后来各种非线性整流装置投入电网带来的谐波污染,再到现在大量电力电子装置使用带来的谐波危害,功率因数校正技术经历了从无功补偿到无源滤波、有源滤波再到有源功率因数校正和单位功率因数变换技术的发展历程.

PWM整流具有高功率因数、低谐波污染、能量双向流动等优点,真正实现了“绿色电能变换”.在有源电力滤波、无功补偿、高压直流输电和太阳能、风能等可再生能源的并网发电中有着广泛的应用前景.

三相 电 压 型 PWM 整 流 器 (voltage-source PWM rectifier VSR)具有结构简单、损耗低、控制方便等优点,成为了PWM整流器研究的重点.本文首先介绍了三相VSR的数学模型,在此基础上介绍了双闭环控制方法和主电路参数的设计,最后通过仿真验证了电路设计的正确性.

1 数学模型

1.1 在abc坐标系下的模型

三相 VSR的拓扑结构如图1所示,ea、eb、ec为网侧三相电压,L为交流侧电阻,C为直流侧电容,RL为直流侧负载,RS为等效电感的电阻和开关管内阻的等效值,eL为直流侧电动势.

图1 三相电压型PWM整流器拓扑结构

基于开关函数的高频数学模型[1-2]:

其中Sk(k=a,b,c) 为开关函数,Sk=1时,k相的上桥臂开通;sk=0时,k相的下桥臂开通.

1.2 d-q同步旋转坐标系下的模型

首先定义网侧三相电压:

在具体讨论坐标变换关系之前,给出三相和两相坐标系的关系,如图2所示.

图2 两种坐标系之间的位置关系

在上述坐标系位置关系定义和等幅值变换方式下,三相静止坐标和两相旋转坐标的变换关系

三相VSR在dq坐标系下的数学模型:

式中,ed、eq为电网电动势矢量的d、q分量;id、iq交流侧电流矢量的d、q分量.从式(4)可知,三相VSR的数学模型存在耦合.

2 控制策略及控制系统设计

2.1 三相VSR控制策略

三相VSR的控制策略主要分为间接电流控制和直接电流控制,其中直接电流控制以其快速的电流反馈控制得到了更为广泛的应用.直接电流控制的三相VSR的控制方法先后有固定开关频率的PWM电流控制、滞环PWM电流控制.其中,固定开关频率的电流控制物理意义清晰、网侧滤波电感设计容易,因此本文采用了固定开关频率的PWM直接电流控制策略.

三相VSR的控制一般采用电压外环和电流内环的双闭环控制结构[3],电压外环控制三相VSR直流侧电压,电流内环按电压外环输出的电流指令进行电流控制,如实现所希望的单位功率因数正弦电流控制.

虽然通过三相静止和两相同步旋转坐标之间的变换,将三相坐标系下的正弦量变成了两相坐标的直流量,但由式(4)可知三相VSR在d-q坐标系下的模型依然存在耦合,这给控制器的设计带来了困难.因此需要进行电流的解耦控制,文献[4]给出了解耦控制的推导过程.三相VSR在d-q坐标系下的双闭环解耦控制模型如图3所示.

图3 三相VSR双闭环解耦控制模型

2.2 电流PI调节器的设计

由图3知,电流内环的主要作用就是根据电压外环输出的电流指令进行电流控制,文献[1]给出了按典型Ⅱ型系统设计的电流PI调节器参数设计方法,这里直接列出调节器参数计算公式.

其中,KiI、Kip为积分和比例增益;L为网侧电感;Ts为PWM开关周期;KPWM为桥路PWM等效增益.

2.3 电压PI调节器的设计

电压外环控制的目的是保持VSR直流侧电压恒定,由文献[1]知三相VSR电压外环简化控制结构框图如图4所示.

图4 三相VSR电压外环简化控制结构

同样文献[1]给出了按典型Ⅱ型系统设计的电压PI调节器参数设计方法,其参数为由式(6)可得

2.4 网侧电感值设计

三相VSR网侧电感取值不仅影响系统的动静态性能,还制约着VSR输出功率、功率因数以及直流电压,因此网侧电感参数(L)对VSR系统的影响是综合的,其参数的设计至关重要.文献[1]从满足有功(无功)功率指标和瞬态电流跟踪指标对L值的设计进行了推导计算,文献[5]从满足额定功率要求和瞬时电流跟踪速度要求方面对网侧L设计进行了研究,并给出了L上限值的设计方法,文献[3]从抑制谐波电流角度,给出了L取值上限,即

文献[1]给出了L的下限,即

式中:Em为网侧相电压峰值;Δimax为最大允许谐波电流脉动量.

仿真结果证明了电感设计的正确性,上述电感上下限值的设计大大缩小了电感参数的取值范围.

2.5 直流侧电容的设计

直流侧电容主要起着稳定直流侧电压和抑制直流侧纹波的作用,因此其参数的设计同样重要.从满足电压环控制的跟随性看,VSR直流侧电容应尽量小;而从满足电压环控制的抗扰性来看,VSR直流侧电容应尽量大[6].两者的要求互相矛盾,这就给电容的设计带来不便.

文献[1]分别按满足VSR直流侧电压跟随性指标和满足VSR直流侧电压抗扰性指标确定了电容的上限和下限值,但是这两个值通常不能同时满足.文献[7]以电容电压波动量为设计出发点,认为引起电压波动的原因在于负载变化引起的瞬态过程中输入及输出的功率不平衡,特别是当系统工作模式由最大功率整流到最大功率逆变突变时,输入输出功率偏差最大,且瞬态过程最长,而瞬态过程中功率偏差引起电容上较大的电压波动.文献[8]在文献[7]的基础上给出了瞬态时间的估算方法,求得电容

式中,ΔVdc()max是电容电压最大波动量;cosφ为网侧功率因数;Em为电网相电压峰值.

3 仿真与实验结果

基于上述设计方法,在 Matlab/Si mulink环境下搭建系统的仿真模型.仿真参数如下:

电网线电压有效值:Ea=380 V;

交流侧电感:L=10 mH;

直流侧电压:Vdc=630 V;

直流侧电容:C=2200μF;

直流侧负载电阻:R=30Ω.

设置q轴指令电流为0,以使电路工作在单位功率因数状态.仿真时间设为3.5 s,电路先工作于整流状态,在2.0 s时由整流状态切换到逆变状态.仿真波形如图5、6、7所示,图5为直流侧电压波形,图6为d、q轴电流波形,图7为a相电压和电流波形(电流值放大5倍).

图5 直流侧电压波形

由图5可看出直流侧电压基本稳定在了设定值.

图6 d、q轴电流波形

图7 a相相电压和电流波形

由图5可以看出直流侧电压可以快速达到指令电压630 V,并且电压值稳定,逆变时直流侧电压稍有上升之后很快回到指令值.由图6可清楚看到q轴电流为0很好的跟踪了指令电流值,d轴电流在整流时为一恒定正值,在逆变时为一恒定负值,符合电路工作原理.图7在0.25 s时由整流状态转换为逆变状态,从图中可以清楚地看出在整流时电流和电压同相位且基本保持为正弦波,从整流到逆变的过渡过程很短,逆变时电流和电压相位相反.

4 结束语

由仿真结果可见,按本文所述方法设计的PWM整流器,网侧电流波形基本保持正弦,功率因数为1,电流响应快,过渡时间短,直流侧电压稳定.仿真结果表明,本文给出的参数计算方法,能够达到抑制谐波电流的目的,可以满足直流侧电压的抗扰性和动态稳态性能.减小了电感电容参数的取值范围,为PWM整流器参数的设计提供了较好的参考.

[1]张崇巍,张 兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2003.

[2]方 宇,裘 讯,邢 岩,等.三相高功率因数电压型PWM整流器建模与仿真[J].电工技术学报,2006,21(10):45-49.

[3]沈安文,万淑芸,王离九,等.PWM整流器的输入电流谐波分析及参数确定[J].电力电子技术,1998,32(3):4-6.

[4]熊 健,张 凯,陈 坚.PWM整流器的控制工程化设计方法[J].电工电能新技术,2002,21(3):44-48.

[5]徐金榜,何顶新,赵 金,等.一种新的PWM整流器电感上限值设计方法[J].华中科技大学学报(自然科学版),2006,34(4):33-35.

[6]伍旭鹏.三相电压型PWM整流器的研究[D].湖南:湖南大学图书馆,2009.

[7]沈安文,万淑芸,王离九,等.双PWM交流传动系统中主电路储能原件设计[J].华中理工大学学报,1999,27(7):23-25.

[8]史伟伟,蒋 全,胡敏强,等.三相电压型PWM整流器的数学模型和主电路设计[J].东南大学学报(自然科学版),2002,32(1):50-55.

[9]董晓鹏,王兆安.PWM整流器直流电压对电源电流控制的影响[J].电力电子技术,1998,32(3):7-11.

[10]曹 震.三相四桥臂有源电力滤波器的控制与实验研究[D].武汉:华中科技大学图书馆,2008.

猜你喜欢

整流器功率因数三相
三电平PWM整流器下的地铁牵引供电系统探讨
三相异步电动机保护电路在停车器控制系统中的应用
功率因数提高的仿真研究与实践
一种高精度功率因数测量电路
三相电压型PWM 整流器研究
基于NCP1608B的功率因数校正电路设计
PWM整流器启动瞬时电流过冲抑制策略
三相PWM整流器解耦与非解耦控制的对比
一种程控功率因数可调开关电源设计
基于DSP和FFT的三相无功功率测量