三相電壓型SVPWM整流器用于無功補(bǔ)償?shù)姆抡?/h1>
2011-07-19 02:28徐寧生張淑君
山東電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào) 2011年5期
李 林 徐寧生 王 文 張淑君
宣城供電公司變電工區(qū) 安徽 宣城 242000
0 引言
三相電壓型整流器主要應(yīng)用于大型或中等功率的電力電子電路中，通常用作逆變電路、大型UPS電源的前級直流電源。三相電壓型整流器能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)校正、消除諧波對電網(wǎng)的污染，是近年來的研究熱點(diǎn)。
整流器的控制質(zhì)量主要取決于交流側(cè)的電流波形、功率因數(shù)、直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性等。隨著PWM脈沖調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)、滯環(huán)電流PWM控制等技術(shù)，廣泛應(yīng)用于PWM整流器控制。同時(shí)，現(xiàn)代控制理論、智能控制技術(shù)的迅速發(fā)展，也使得PWM整流器的性能不斷提高[1-2]。三相電壓型SVPWM 整流器具有直流電壓利用率高、諧波小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可以運(yùn)行于整流、逆變、無功補(bǔ)償?shù)榷喾N工作狀態(tài)。
本文采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制技術(shù)、空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，對三相電壓型SVPWM整流器的無功補(bǔ)償運(yùn)行模式進(jìn)行了仿真分析。利用Matlab/Simulink搭建了仿真模型，仿真結(jié)果表明，三相電壓型SVPWM整流器的響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、能夠支持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的無功補(bǔ)償。
1 整流器的電路及數(shù)學(xué)模型
圖1為三相電壓型PWM整流器的主電路。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，整流器的輸出直流電壓穩(wěn)定，三相橋臂由正弦脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)[3-5]。
圖1 三相PWM整流器的主電路
當(dāng)開關(guān)頻率很高時(shí)，電感的濾波作用使得交流側(cè)電壓、電流的諧波非常小。只考慮電壓、電流的基波，整流器可以看作是一個(gè)理想的三相交流電壓源。
通過調(diào)節(jié)輸入電壓的幅值、相位，可以控制整流器交流側(cè)輸入電流的幅值、電流與電壓的相角，使整流器運(yùn)行于以下三種工作狀態(tài)。
1）功率因數(shù)接近于1的整流運(yùn)行。此時(shí)，交流側(cè)電流為正弦且與電網(wǎng)電壓同相，能量由電網(wǎng)流入整流器，電網(wǎng)與整流器之間幾乎無無功功率流動(dòng)。
2）功率因數(shù)接近于1的逆變運(yùn)行。此時(shí)，交流側(cè)電流為正弦且與電網(wǎng)電壓反相，能量由整流器流入電網(wǎng)，電網(wǎng)與整流器之間幾乎無無功功率流動(dòng)。
3）功率因數(shù)不為1的運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)，交流側(cè)電流與電網(wǎng)電壓具有一定的相位關(guān)系。當(dāng)交流側(cè)電流為正弦且與電網(wǎng)電壓保持90度的相位關(guān)系時(shí)，整流器可作為靜止無功補(bǔ)償器（STATCOM）運(yùn)行。此外，在整流器非單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，還可以利用交流側(cè)電流進(jìn)行諧波治理。
設(shè)三相電網(wǎng)電壓平衡，主電路開關(guān)器件為理想開關(guān)，通斷可以用開關(guān)函數(shù)表示。根據(jù)PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可得：
式中，ua、ub、uc為等效三相電網(wǎng)電壓；ia、ib、ic為整流器輸入三相電流；idc為變流器直流側(cè)輸出電流；iload為整流器直流側(cè)負(fù)載電流；udc為整流器輸出直流電壓；Sa、Sb、Sc分別為三相橋臂的開關(guān)函數(shù)，當(dāng)Si=1時(shí)，表示第i相上管導(dǎo)通，當(dāng)Si=0時(shí)，表示第i相下管導(dǎo)通。
2 整流器的無功補(bǔ)償控制策略
在三相三線制系統(tǒng)中，三相電流之和為零，有ia+ib+ic=0；三相電壓平衡，有ua+ub+uc=0。將這兩個(gè)條件帶入式（1）中，可得三相電壓型PWM整流器在abc坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：
對式（2）進(jìn)行3s/2r（三相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)）坐標(biāo)變換，可得PWM整流器在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：
為簡化控制算法，應(yīng)用空間坐標(biāo)變換，將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量us的方向上，um為電網(wǎng)電壓的幅值，電網(wǎng)電壓的dq分量為
輸入電流滿足
式中，uds、uqs為整流器交流側(cè)電壓的d、q軸分量，uds=Sdudc，uqs=Squdc。
上式表明d、q軸電流除受控制量uds、uqs的制約外，還受交叉耦合項(xiàng)ω1Lids、ω1Liqs和電網(wǎng)電壓的影響。
將式（5）改寫為
其中
整流器處于無功補(bǔ)償狀態(tài)的控制策略，與正常工作時(shí)不同。正常工作時(shí)，無功電流的指令為零。無功補(bǔ)償時(shí)，整流器需要根據(jù)電網(wǎng)電壓的變化，動(dòng)態(tài)改變無功補(bǔ)償電流的指令。
圖2為整流器運(yùn)行在無功補(bǔ)償狀態(tài)的控制框圖。整流器采用雙閉環(huán)控制，電壓外環(huán)主要控制三相SVPWM變流器的直流側(cè)電壓，直流電壓指令值與反饋的誤差，經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器計(jì)算得到有功電流指令值 ，其值決定了有功功率的大小，符號決定了有功功率的流向。通過比較電網(wǎng)電壓幅值指令值與實(shí)際值，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生無功補(bǔ)償電流i*qs。
同時(shí)，還要限定無功電流指令i*qs的幅值，通過對有功電流指令進(jìn)行限制。變流器交流側(cè)參考電壓u*ds、u*qs經(jīng)坐標(biāo)變換后進(jìn)行SVPWM調(diào)制，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號實(shí)現(xiàn)整流器的無功補(bǔ)償控制。
圖2 整流器的無功補(bǔ)償控制策略
3 整流器的仿真分析
利用Matlab/Simulink搭建了仿真模型，如圖3所示。
圖3 整流器的仿真模塊
圖4 直流電壓的波形
采用線電壓為380V的可編程三相電源，頻率50Hz，在t=0.3s~0.6s之間電源電壓的幅值跌落20%，其他時(shí)間正常。L的參數(shù)，L＝5mH；并聯(lián)電容容量，有功800W，無功5000 var。
整流器的參數(shù)，L=6 mH，R＝0.01Ω； 電容C=4400uF，電容的初始電壓為700V，直流電壓的指令值為700V；負(fù)載電阻RL=50Ω；無功電流最大指令為25；交流電壓幅值指令為220V；三角載波的頻率為10 kHz，調(diào)制比m=1。
仿真結(jié)果分析。
1）直流母線動(dòng)態(tài)響應(yīng)
由圖4可見，初始時(shí)刻，電容的電壓設(shè)為700V。仿真開始后，直流電壓出現(xiàn)波動(dòng)，整個(gè)電壓跌落過程中，直流電壓在700V上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍較小，控制效果可以滿意。
2）整流器交流側(cè)電壓、電流波形
由圖5可見，在t=0 s~0.3s，整流器交流側(cè)a相的電壓、電流基本穩(wěn)定，功率因數(shù)接近于1。
圖5 交流側(cè)的a相電壓、電流波形
在t=0.3 s~0.6s，三相電源電壓跌落20%，引起整流器a相電壓的跌落，整流器開始運(yùn)行于無功補(bǔ)償狀態(tài)。在t=0.5s，整流器交流側(cè)a相的電壓、電流又基本穩(wěn)定，但功率因數(shù)不為1。
在t=0.6s，三相電源電壓恢復(fù)正常，整流器交流側(cè)a相的電壓、電流又出現(xiàn)波動(dòng)。在t=0.7s，整流器交流側(cè)a相的電壓、電流基本穩(wěn)定，功率因數(shù)接近于1。
3）整流器的有功功率的波動(dòng)
由圖6、7可見，在t=0s~0.3s，有功電流分量、有功功率基本穩(wěn)定。在t=0.3s~0.6s，三相電源電壓跌落20%，引起交流側(cè)有功電流分量、有功功率的突變。在t=0.5s，整流器的有功電流分量、有功功率又基本穩(wěn)定。
圖6 有功電流波形
圖7 有功功率突變
在t=0.6s，三相電源電壓恢復(fù)正常，有功電流分量、有功功率又出現(xiàn)波動(dòng)。在t=0.7s，有功電流分量、有功功率又基本穩(wěn)定。
4）整流器無功功率的波動(dòng)
由圖8、9可見，在t=0 s~0.3s，無功電流分量、無功功率基本穩(wěn)定為0。在t=0.3s~0.6s，三相電源電壓跌落20%，引起交流側(cè)無功電流分量、無功功率的突變，無功功率為負(fù)值，說明整流器向電網(wǎng)、負(fù)載進(jìn)行無功補(bǔ)償。在t=0.5s，整流器交流無功電流分量、無功功率又基本穩(wěn)定，但不為0。
圖8 無功電流波形
圖9 無功功率突變
在t=0.6s，三相電源電壓恢復(fù)正常，無功電流分量、無功功率又出現(xiàn)波動(dòng)。在t=0.7s，無功電流分量、無功功率又基本穩(wěn)定為0。
4 總結(jié)
本文利用Matlab/Simulink軟件，對三相電壓型SVPWM整流器的無功補(bǔ)償運(yùn)行模式進(jìn)行了仿真。在仿真系統(tǒng)中，電網(wǎng)側(cè)的并聯(lián)電容、串聯(lián)電感的選擇至關(guān)重要，是實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)闹匾骷?/p>
實(shí)際上，利用并聯(lián)電容進(jìn)行無功補(bǔ)償存在著一定的缺點(diǎn)，并聯(lián)電容只能向電網(wǎng)發(fā)送無功功率，而不能吸收無功功率。本仿真電路只適用于電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，支持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，對實(shí)際應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。
[1] 張崇巍，張興.PWM整流器及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.
[2] 李永東，王劍.PWM整流器的現(xiàn)狀與展望[J].2006中國電工技術(shù)學(xué)會電力電子學(xué)會第十屆學(xué)術(shù)年會，2006.
[3] M.Malinowski，M.P.Kazmierkowsk Simple Direct Power control of three phase PWM rectifier Using space-vector Modulation[J].IEEE Trans.Ind.Appl，vol.51，no.2，2004：447-454.
[4] 馬皓，郎蕓萍.空間矢量簡化算法在三相PWM電壓型整流器中的應(yīng)用 [J].浙江大學(xué)學(xué) （工學(xué)版），2006，40（01）：176-180.
[5] 王永，沈頌華，關(guān)淼.新穎的基于電壓空間矢量三相雙向整流器的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21（01）：104-110.
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0 引言
三相電壓型整流器主要應(yīng)用于大型或中等功率的電力電子電路中，通常用作逆變電路、大型UPS電源的前級直流電源。三相電壓型整流器能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)校正、消除諧波對電網(wǎng)的污染，是近年來的研究熱點(diǎn)。
整流器的控制質(zhì)量主要取決于交流側(cè)的電流波形、功率因數(shù)、直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性等。隨著PWM脈沖調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)、滯環(huán)電流PWM控制等技術(shù)，廣泛應(yīng)用于PWM整流器控制。同時(shí)，現(xiàn)代控制理論、智能控制技術(shù)的迅速發(fā)展，也使得PWM整流器的性能不斷提高[1-2]。三相電壓型SVPWM 整流器具有直流電壓利用率高、諧波小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可以運(yùn)行于整流、逆變、無功補(bǔ)償?shù)榷喾N工作狀態(tài)。
本文采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制技術(shù)、空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，對三相電壓型SVPWM整流器的無功補(bǔ)償運(yùn)行模式進(jìn)行了仿真分析。利用Matlab/Simulink搭建了仿真模型，仿真結(jié)果表明，三相電壓型SVPWM整流器的響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、能夠支持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的無功補(bǔ)償。
1 整流器的電路及數(shù)學(xué)模型
圖1為三相電壓型PWM整流器的主電路。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，整流器的輸出直流電壓穩(wěn)定，三相橋臂由正弦脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)[3-5]。
圖1 三相PWM整流器的主電路
當(dāng)開關(guān)頻率很高時(shí)，電感的濾波作用使得交流側(cè)電壓、電流的諧波非常小。只考慮電壓、電流的基波，整流器可以看作是一個(gè)理想的三相交流電壓源。
通過調(diào)節(jié)輸入電壓的幅值、相位，可以控制整流器交流側(cè)輸入電流的幅值、電流與電壓的相角，使整流器運(yùn)行于以下三種工作狀態(tài)。
1）功率因數(shù)接近于1的整流運(yùn)行。此時(shí)，交流側(cè)電流為正弦且與電網(wǎng)電壓同相，能量由電網(wǎng)流入整流器，電網(wǎng)與整流器之間幾乎無無功功率流動(dòng)。
2）功率因數(shù)接近于1的逆變運(yùn)行。此時(shí)，交流側(cè)電流為正弦且與電網(wǎng)電壓反相，能量由整流器流入電網(wǎng)，電網(wǎng)與整流器之間幾乎無無功功率流動(dòng)。
3）功率因數(shù)不為1的運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)，交流側(cè)電流與電網(wǎng)電壓具有一定的相位關(guān)系。當(dāng)交流側(cè)電流為正弦且與電網(wǎng)電壓保持90度的相位關(guān)系時(shí)，整流器可作為靜止無功補(bǔ)償器（STATCOM）運(yùn)行。此外，在整流器非單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，還可以利用交流側(cè)電流進(jìn)行諧波治理。
設(shè)三相電網(wǎng)電壓平衡，主電路開關(guān)器件為理想開關(guān)，通斷可以用開關(guān)函數(shù)表示。根據(jù)PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可得：
式中，ua、ub、uc為等效三相電網(wǎng)電壓；ia、ib、ic為整流器輸入三相電流；idc為變流器直流側(cè)輸出電流；iload為整流器直流側(cè)負(fù)載電流；udc為整流器輸出直流電壓；Sa、Sb、Sc分別為三相橋臂的開關(guān)函數(shù)，當(dāng)Si=1時(shí)，表示第i相上管導(dǎo)通，當(dāng)Si=0時(shí)，表示第i相下管導(dǎo)通。
2 整流器的無功補(bǔ)償控制策略
在三相三線制系統(tǒng)中，三相電流之和為零，有ia+ib+ic=0；三相電壓平衡，有ua+ub+uc=0。將這兩個(gè)條件帶入式（1）中，可得三相電壓型PWM整流器在abc坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：
對式（2）進(jìn)行3s/2r（三相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)）坐標(biāo)變換，可得PWM整流器在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：
為簡化控制算法，應(yīng)用空間坐標(biāo)變換，將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量us的方向上，um為電網(wǎng)電壓的幅值，電網(wǎng)電壓的dq分量為
輸入電流滿足
式中，uds、uqs為整流器交流側(cè)電壓的d、q軸分量，uds=Sdudc，uqs=Squdc。
上式表明d、q軸電流除受控制量uds、uqs的制約外，還受交叉耦合項(xiàng)ω1Lids、ω1Liqs和電網(wǎng)電壓的影響。
將式（5）改寫為
其中
整流器處于無功補(bǔ)償狀態(tài)的控制策略，與正常工作時(shí)不同。正常工作時(shí)，無功電流的指令為零。無功補(bǔ)償時(shí)，整流器需要根據(jù)電網(wǎng)電壓的變化，動(dòng)態(tài)改變無功補(bǔ)償電流的指令。
圖2為整流器運(yùn)行在無功補(bǔ)償狀態(tài)的控制框圖。整流器采用雙閉環(huán)控制，電壓外環(huán)主要控制三相SVPWM變流器的直流側(cè)電壓，直流電壓指令值與反饋的誤差，經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器計(jì)算得到有功電流指令值 ，其值決定了有功功率的大小，符號決定了有功功率的流向。通過比較電網(wǎng)電壓幅值指令值與實(shí)際值，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生無功補(bǔ)償電流i*qs。
同時(shí)，還要限定無功電流指令i*qs的幅值，通過對有功電流指令進(jìn)行限制。變流器交流側(cè)參考電壓u*ds、u*qs經(jīng)坐標(biāo)變換后進(jìn)行SVPWM調(diào)制，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號實(shí)現(xiàn)整流器的無功補(bǔ)償控制。
圖2 整流器的無功補(bǔ)償控制策略
3 整流器的仿真分析
利用Matlab/Simulink搭建了仿真模型，如圖3所示。
圖3 整流器的仿真模塊
圖4 直流電壓的波形
采用線電壓為380V的可編程三相電源，頻率50Hz，在t=0.3s~0.6s之間電源電壓的幅值跌落20%，其他時(shí)間正常。L的參數(shù)，L＝5mH；并聯(lián)電容容量，有功800W，無功5000 var。
整流器的參數(shù)，L=6 mH，R＝0.01Ω； 電容C=4400uF，電容的初始電壓為700V，直流電壓的指令值為700V；負(fù)載電阻RL=50Ω；無功電流最大指令為25；交流電壓幅值指令為220V；三角載波的頻率為10 kHz，調(diào)制比m=1。
仿真結(jié)果分析。
1）直流母線動(dòng)態(tài)響應(yīng)
由圖4可見，初始時(shí)刻，電容的電壓設(shè)為700V。仿真開始后，直流電壓出現(xiàn)波動(dòng)，整個(gè)電壓跌落過程中，直流電壓在700V上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍較小，控制效果可以滿意。
2）整流器交流側(cè)電壓、電流波形
由圖5可見，在t=0 s~0.3s，整流器交流側(cè)a相的電壓、電流基本穩(wěn)定，功率因數(shù)接近于1。
圖5 交流側(cè)的a相電壓、電流波形
在t=0.3 s~0.6s，三相電源電壓跌落20%，引起整流器a相電壓的跌落，整流器開始運(yùn)行于無功補(bǔ)償狀態(tài)。在t=0.5s，整流器交流側(cè)a相的電壓、電流又基本穩(wěn)定，但功率因數(shù)不為1。
在t=0.6s，三相電源電壓恢復(fù)正常，整流器交流側(cè)a相的電壓、電流又出現(xiàn)波動(dòng)。在t=0.7s，整流器交流側(cè)a相的電壓、電流基本穩(wěn)定，功率因數(shù)接近于1。
3）整流器的有功功率的波動(dòng)
由圖6、7可見，在t=0s~0.3s，有功電流分量、有功功率基本穩(wěn)定。在t=0.3s~0.6s，三相電源電壓跌落20%，引起交流側(cè)有功電流分量、有功功率的突變。在t=0.5s，整流器的有功電流分量、有功功率又基本穩(wěn)定。
圖6 有功電流波形
圖7 有功功率突變
在t=0.6s，三相電源電壓恢復(fù)正常，有功電流分量、有功功率又出現(xiàn)波動(dòng)。在t=0.7s，有功電流分量、有功功率又基本穩(wěn)定。
4）整流器無功功率的波動(dòng)
由圖8、9可見，在t=0 s~0.3s，無功電流分量、無功功率基本穩(wěn)定為0。在t=0.3s~0.6s，三相電源電壓跌落20%，引起交流側(cè)無功電流分量、無功功率的突變，無功功率為負(fù)值，說明整流器向電網(wǎng)、負(fù)載進(jìn)行無功補(bǔ)償。在t=0.5s，整流器交流無功電流分量、無功功率又基本穩(wěn)定，但不為0。
圖8 無功電流波形
圖9 無功功率突變
在t=0.6s，三相電源電壓恢復(fù)正常，無功電流分量、無功功率又出現(xiàn)波動(dòng)。在t=0.7s，無功電流分量、無功功率又基本穩(wěn)定為0。
4 總結(jié)
本文利用Matlab/Simulink軟件，對三相電壓型SVPWM整流器的無功補(bǔ)償運(yùn)行模式進(jìn)行了仿真。在仿真系統(tǒng)中，電網(wǎng)側(cè)的并聯(lián)電容、串聯(lián)電感的選擇至關(guān)重要，是實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)闹匾骷?/p>
實(shí)際上，利用并聯(lián)電容進(jìn)行無功補(bǔ)償存在著一定的缺點(diǎn)，并聯(lián)電容只能向電網(wǎng)發(fā)送無功功率，而不能吸收無功功率。本仿真電路只適用于電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，支持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，對實(shí)際應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。
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