基于虚拟电网磁链定向控制的PWM整流器控制策略研究

刘东耀　许少华　靳鞅

【摘 要】电压型PWM整流器跟三相交流电机定子电路有很大的相似性，采用类似于交流电机磁链观测的方法构造出虚拟电网电压矢量作为PWM整流器矢量控制的发生矢量，可以达到降低PWM整流器成本的目的。准确观测虚拟电网磁链成为该控制策略的关键，本文采用改进型的虚拟磁链初值计算方案，能够比较准确的对虚拟磁链初值进行估计，解决了整流器启动过程中冲击电流过大甚至无法启动的问题。仿真和实验结果跟试验验证了观测方法的正确性。

【关键词】虚拟电网磁链；矢量控制；磁链初值；PWM整流器

【Abstract】There is a great similarity between the circuit of three-phase voltage-source PWM rectifier and the stator of an inverter-fed AC motor. Therefore a virtual line-flux-linkage vector can be constructed similarly to the observation of AC motor flux linkage， which may serve as the oriented vector in the vector control of the PWM rectifier instead of the line voltage vector. As a result， the line voltage sensors will be eliminated and the costs of PWM rectifier can be reduced. The key problem of the virtual line-flux-linkage vector oriented control of the PWM rectifier without line voltage sensors is to observe the virtual line-flux-linkage accurately. A new modified method to observe the virtual line-flux-linkage is been put forword this paper， which will restrain a large current rush， which sometimes could even cause the rectifier hard to start up. The validity of the observer has been proved good through the result both simulation and experiment.

【Key words】Virtual line-flux-linkage； Vector control； The initial value of line-flux-linkage； PWM rectifier

0 引言

PWM整流技术在电力系统中的应用越来越广泛，其分为电压型和电流型，目前广泛应用的是电压型PWM整流器，主要采用电压定向矢量控制方式，该方式需要检测电网电压、输入电流和直流母线电压，需要多种传感器，众多信号的采集处理使控制复杂，成本偏高。直流母线电压传感器用于稳定直流母线电压，交流电流传感器为电流闭环提供反馈信号，进行过流保护。电网电压传感器采集电网电压提供同步旋转坐标变换所需要的角度信号。如果能够用电流传感器获得相应的角度信息，那么就能省去电网电压传感器，这也是虚拟磁链技术提出的出发点。

无电网电压传感器控制，如果控制得当，可以去除电网电压波动以及谐波的影响，虚拟电网磁链信号对于测量干扰有良好的抑制作用，所以基于虚拟电网磁链定向的PWM整流器矢量控制具有相当大的实用价值。

1 虚拟磁链定向的矢量控制

1.1 虚拟磁链的定向及VFOC

基于虚拟磁链定向的矢量控制（VFOC）是在基于电网电压定向的矢量控制（VOC）基础上发展出来的。电网电压有谐波干扰时，就会直接影响电网电压基波适量相位角检测，影响适量定向的精准度和控制性能，还有可能造成系统震荡。虚拟磁链可以将VSR交流侧（滤波环节和电网）等效成一个交流发电机，三相电网电压矢量经过积分所得的矢量就是虚拟电动机的气隙磁链。由于积分的低通性，可有效抑制电网电压谐波对磁链的影响，确保适量定向的精准度。其控制思想如图1。

由直流母线电压Vdc跟功率变换器开关函数可以得到交流侧输出电压的α、β分量，并由此可以算出三相电网电压的α、β分量，对电压进行积分可以得到虚拟电网磁链，经过变换便可得到控制系统进行角度变换所需要的角度信息cosθ、sinθ，其系统控制结构如图2。

图中利用两相电流和开关管桥臂开关信号估计出虚拟磁链的α、β分量，进而得到θ角的正余弦曲线，以此进行坐标变换，获得无电网电压传感器虚拟磁链定向的同步旋转坐标系，已完成系统的空间矢量控制（SVPWM）为整流器提供脉冲信号，控制开关管的开通与关断。

1.2 虚拟磁链定向时积分漂移的克服

当利用电网电压积分进行虚拟磁链定向时，存在积分漂移问题，主要体现在以下两个方面：

（1）当通过A-D转换对电网电压进行采样时，由于采样电路中点电压的漂移，通常会导致采样结果中伴随着微小的直流分量，当这个直流分量控制在误差允许范围内时，对系统实时控制的影响可以忽略。然而，为实现虚拟磁链定向，则必须对电网电压进行积分，这样直流分量误差会随着运行时间的增加而越来越大，最终严重影响系统的定向准确度。

（2）由于电网电压是一个正弦信号，而对正弦信号进行积分时，其积分结果会出现一个和积分初值相关的直流分量，同样也会造成定向误差，如式（1）。

2 启动实现与分析

2.1 采用零矢量发生的方法

如果采用微分环节求取电网角度时，对电流信号采用低通滤波器，其角度线性度不好。波形如下。其中左图上边波形为电网锁相角度；左图下边波形为计算观测的角度；右图则分别为d轴和q轴电流。在截止频率fz=1000Hz，T=0.0001情况下，发现电流存在直流偏移，且角度在过零基本一致。

截止频率fz=100Hz，T=0.0001情况下，电网锁相角度、计算观测的角度、d轴和q轴电流如图4所示：

2.2 利用锁相原理的方法

如果利用锁相原理，通过电流采样，计算d、q轴磁通，并使q轴磁通控制为零的情况下，波形如下。其中左图上边为电网锁相角度；左图下边为计算观测的角度；右图分别为d轴和q轴电流。

从图中可以看到电网实际相位与虚拟磁链估计出的相位一致，可以满足要求。

3 试验验证

本次试验平台为200kW/660V低压变频器，电感为1.875mH。采用虚拟磁链定向PWM整流控制和带电网电压传感器的电压定向PWM整流控制两种方案进行试验，并将试验结果对比，结果如下：

从图中可以看出，虚拟磁链定向PWM整流控制可以达到带电压传感器的PWM整流器的效果。

4 结束语

三相电压型PWM整流器的主电路与三相交流电机的主电路有很大的相似性，可以采用类似于交流电机磁场定向矢量控制的方法对PWM整流器进行无电网电压传感器控制，这样可以省去PWM整流器电网电压定向所必须的交流电压传感器，从而降低了PWM整流器的成本。准确观测虚拟电网磁链是PWM整流器无电压传感器控制的关键。本文提出了虚拟磁链初值估计的改进型方法，并进行了实验验证。结果表明，本文所提出的方法比传统不带虚拟磁链初值计算的方法准确度要高，PWM整流器启动过程中，电流冲击较小，有良好的动态和稳态性能，具有很好的应用前景。

【参考文献】

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[2]赵仁德，贺益康.无电网电压传感器三相PWM整流器虚拟电网磁链定向矢量控制的研究[J].中国电机工程学报，Vol.25 No.20 Oct.2005.

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[责任编辑：杨玉洁]