矿用变频器三电平PWM整流器控制策略研究*

周德华

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

目前变频器在煤矿井下煤矿运输装备、通风机、水泵等控制系统中已经得到了广泛的应用，对变频器的控制也提出了更高的要求，即三电平整流器比二电平整流器具有明显优势。三电平整流器可任意调节网侧功率因数，还可实现功率的双向流动，使异步电动机能工作在四象限运行状态。该可控整流器有两个控制目标：

1) 功率因数为1。

2) 直流电压恒定在某个数值[1]。

本文对三相三电平整流器在三相不平衡的情况下进行了分析研究。

1 三电平整流器控制系统

三电平整流器控制系统如图1所示。

图1 三电平整流器控制系统

由图1所示，其有功功率和无功功率为：

p=eaia+ebib+ecic

(1)

(2)

通过坐标变化可得：

(3)

其指令电流为：

(4)

式(3)中pr为有功功率指令，与直流侧电压关联，故：

(5)

输出测电压的d、q分量vd、vq分别为：

(6)

由此，控制系统在dq坐标系中的模型为：

(7)

式中：p为微分算子。

电压指令为：

(8)

式中:vrd、vrq为坐标系dq中的指令电压；ird、irq为坐标系dq中的网侧指令电流[2]。

2 电网电压不平衡时三电平PWM整流器控制技术

2.1 平衡控制策略

2.1.1 正、负序电量关系

当电网电压不平衡时，电网电压相当于正序电压、负序电压和零序电压的叠加，为下式:

通过坐标变换，得：

(10)

式中:K(ωt)为旋转坐标变换矩阵。

为便于讨论，其整流器交流输出端电压仅含正序基波分量，如图2所示。

图2 系统交流侧等效电路图

2.1.2 正、负序分量数学模型

为便于分析，仅考虑基波分量，其电压空间矢量为：

(11)

当电网电压三相不平衡时,电压、电流为：

(12)

式中:VP、VN为交流侧电压矢量；IP、IN为电流矢量。

由此，空间矢量的数学模型为：

(13)

将式(13)坐标进行变换，得：

(14)

2.1.3 有功功率和无功功率

将式(9)和式(10)分别代入式(1)和式(2)，得:

(15)

式中:p0、q0为有功、无功功率平均值；pc2、ps2为有功功率最大值；qc2、qs2为无功功率最大值。

由此，控制策略的算法为：

(16)

由式(16)可知，控制策略的算法包括有功功率、无功功率、二次谐波。

2.2 优化控制策略

2.2.1 阻抑网侧负序电流不平衡的控制算法

(17)

由式(17)求得正序电流指令

(18)

整流器交流侧正序电压控制指令为：

(19)

负序电压控制指令为：

(20)

通过上述理论，控制策略系统的结构如图3所示。

图3 控制系统结构

2.2.2 网侧电压、电流正、负序分量的检测

1) 电压控测。设电网电压只含有基波分量，即

(21)

Kj∈[0,1]αj∈[-π,π] (j=a,b,c)。

可得表达式为：

(22)

由此可知，正序电压的相位角(ωt)P和负序电压的相位角(ωt)N，经过dq变换，得到相应的d、q轴分量，其电压检测方法如图4所示。

要设计陷波器(即带阻滤波器)消除谐波，其陷波器的传递函数为:

(23)

式中:ω0为陷波角频率；Q为品质因数。

图4 电压检测方法

2) 电流检测。根据三相电路理论可得到电网电流正、负序分量的检测方法。图5为基波正序电流的检测方法。

图5 电流分量检测

图5中:

(24)

3 仿真分析

为了验证上述控制策略，进行了仿真研究。电网电压为：

(25)

图6为采用平衡控制策略的仿真图，即电压仿真、电流仿真、直流侧电压仿真、有功功率仿真及无功功率仿真。

(a)电压仿真

(b) 电流仿真

(c) 直流侧电压仿真

(d) 有功功率仿真

(e) 无功功率仿真图6 采用平衡控制策略时的仿真图

图7为采用阻抑网侧负序电流的不平衡控制策略时的仿真图，即电流仿真、直流侧电压仿真、有功功率仿真及无功功率仿真。

(a) 电流仿真

(b) 直流侧电压仿真

(c) 有功功率仿真

(d) 无功功率仿真图7 采用阻抑网侧负序电流的不平衡 控制策略时的仿真图

仿真结果分析表明，当电网电压不平衡时，采用平衡控制策略，网侧三相输入电流不平衡。采用阻抑网侧负序电流的控制策略，能有效地改善网侧电流波形，使其基本对称。

4 结论

本文给出了三相PWM控制器数学模型，对三相三电平整流器在三相不平衡的情况下进行了分析，仿真表明能够改善网侧电流波形，使其基本对称，但网侧有功功率和无功功率仍存在二次谐波。