張祥，晉建廠

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電壓型PWM整流器電流空間矢量控制研究

張祥1，晉建廠2

（1. 中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 410074；2. 海軍裝備部，北京 100071）

針對如何提高電壓源型三相PWM整流器交流側(cè)電流的控制速度問題，本文提出了控制和調(diào)制相結(jié)合的兩種控制策略，即電流的空間矢量滯環(huán)控制策略和優(yōu)化的電流空間矢量控制策略。本文分別對這兩種控制策略進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗證了兩種策略的有效性。

電流空間矢量控制策略 電壓源型三相PWM整流器 電流直接控制

0 引言

隨著開關(guān)器件性能的提高，以及電力電子控制技術(shù)的發(fā)展，PWM整流器越來越被各種工礦企業(yè)所接受。這種整流器雖然控制方面相對復(fù)雜，但是其動態(tài)響應(yīng)速度比較快，儲能器件體積相對比較小，不僅可以實現(xiàn)任意功率因數(shù)下能量的雙向流動，還具有很低的輸入電流畸變率。

在對三相電壓源型和電流源型PWM整流器建模時可以發(fā)現(xiàn)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的整流器是一種多輸入多輸出非線性強耦合的系統(tǒng)，所以確定一種好的控制策略使得這種整流器具有良好的性能則變的極為復(fù)雜。各國學(xué)者對這種結(jié)構(gòu)的整流器做出了很多的研究成果，一些文獻(xiàn)提出了利用小信號線性化的方法，從而得到整流器在某一個工作點附近的近似線性數(shù)學(xué)表述[1]，另一些文獻(xiàn)則利用非線性輸入變換和功率平衡得到整流器的大信號線性模型[2,3]，這些文獻(xiàn)中大部分都利用傳統(tǒng)的PI控制器作為其控制策略，但是PI控制器參數(shù)的設(shè)計和其性能嚴(yán)格地依賴于系統(tǒng)的各個電量參數(shù)；還有一些文獻(xiàn)中利用變量反饋線性化方法將整流器的數(shù)學(xué)模型線性化并利用極點配置的方法設(shè)計控制器[4]，或者利用李亞普諾夫函數(shù)設(shè)計控制器[5,6]，然而這些非線性控制策略數(shù)學(xué)處理及計算比較復(fù)雜實現(xiàn)起來相對比較困難；滯環(huán)控制方法不僅穩(wěn)定裕度大，而且其性能不依賴于系統(tǒng)的參數(shù)，但是其開關(guān)頻率不固定給電感或者變壓器的設(shè)計帶來很大的困難，一些學(xué)者提出了帶開關(guān)頻率閉環(huán)的滯環(huán)控制方案[7,8]，但是控制復(fù)雜度的提高卻降低了系統(tǒng)的可靠性。

針對三相電壓源型PWM整流器，如果只從交流電流調(diào)節(jié)速度考慮，不同的控制策略有著不同的控制速度，如滯環(huán)控制相對而言比傳統(tǒng)的PI控制的控制速度快[9]。那么如何在整流器運行時，實時地根據(jù)系統(tǒng)的各個電量選擇不同的開關(guān)狀態(tài)使得變換器的電流控制速度最快就顯得尤為重要。本文基于該問題提出了電流空間矢量滯環(huán)控制和優(yōu)化的電流空間矢量控制策略，從而提高了電壓源型三相PWM整流器的交流側(cè)電流的控制速度。所提出的兩種控制策略跟滯環(huán)控制一樣，也是一種控制與調(diào)制相結(jié)合的控制方法，但是這兩種控制策略又有比傳統(tǒng)滯環(huán)控制更為優(yōu)越的控制性能。本文對兩種控制策略進(jìn)行了理論推導(dǎo)和仿真。

1 電流空間矢量滯環(huán)控制策略

對于三相電壓源型PWM整流器來講，當(dāng)其電壓電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部電流環(huán)采用傳統(tǒng)的比例積分控制器時，若采用傳統(tǒng)的SPWM調(diào)制方法，其輸出的一系列開關(guān)序列的趨勢就是使三相的電流誤差減小，但這種控制方式對所輸出的開關(guān)狀態(tài)沒有要求。當(dāng)內(nèi)部電流環(huán)采用滯環(huán)控制策略時，對于整流器各相的開關(guān)狀態(tài)就有了一定的限定，這種限定使得其電流調(diào)節(jié)速度大于采用傳統(tǒng)PI控制器時的電流控制速度，但是滯環(huán)控制器對某一相進(jìn)行調(diào)節(jié)時，對其它兩相的控制器的開關(guān)狀態(tài)卻沒有限制，則其它兩相的開關(guān)狀態(tài)則會影響到本相電流調(diào)節(jié)的速度。對于電流空間矢量滯環(huán)控制策略，是在各種電量的空間矢量表達(dá)形式下，當(dāng)出現(xiàn)電流誤差時，使控制器輸出一種開關(guān)狀態(tài)，使得在這種開關(guān)狀態(tài)的作用下，電流誤差矢量以最快的速度減小，從而加快了電流環(huán)調(diào)節(jié)的速度。

1.1 三相電壓源型PWM整流器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

三相電壓源型PWM整流器（VSR）的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖1所示，其中為開關(guān)變換器交流側(cè)的濾波電感，為電路等效損耗電阻如電感的內(nèi)阻、線路的電阻和變換器死區(qū)效應(yīng)引起的電阻等，為整流器直流側(cè)的濾波電容，為整流器的等效負(fù)載。

假定整流器的交流輸入電源三相平衡，電路三相結(jié)構(gòu)及電路元件參數(shù)對稱，則定義變換器的開關(guān)函數(shù)如下：

對于電壓源型整流器來說，實際運行時應(yīng)避免某一相橋臂的上下開關(guān)管同時導(dǎo)通而導(dǎo)致電路短路，則對變換器開關(guān)函數(shù)的數(shù)學(xué)約束為：

其中為某橋臂的上開關(guān)管，為該橋臂的下開關(guān)管。

則推導(dǎo)出三相電壓源型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型如下：

1.2 空間矢量滯環(huán)控制理論基礎(chǔ)推導(dǎo)

定義空間矢量為：

則原三相電壓源型PWM整流器交流側(cè)的方程在空間矢量表達(dá)下的形式為：

由(2)－(1)得：

圖2 開關(guān)變換器交流側(cè)誤差電流導(dǎo)數(shù)矢量

2 優(yōu)化的電流空間矢量控制

圖3 特定下的電流誤差導(dǎo)數(shù)矢量圖

式(4)所求出的解有無窮多個，選擇最合適的解來組合所需要的電流誤差導(dǎo)數(shù)矢量。

3 Matlab仿真結(jié)果

本節(jié)中，控制結(jié)構(gòu)采用雙環(huán)控制策略，內(nèi)電流環(huán)采用所提出的兩種電流空間矢量控制策略，外電壓環(huán)采用傳統(tǒng)比例積分控制（PI），具體結(jié)構(gòu)如下圖4所示。

圖4中直流輸出的電壓誤差經(jīng)過外電壓環(huán)控制器的調(diào)節(jié)后，其輸出乘以由同步環(huán)節(jié)得到的電網(wǎng)電源同步信號，作為電流內(nèi)環(huán)的電流給定指令，使穩(wěn)態(tài)時整流器工作于單位因數(shù)整流狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)交流輸入電流的幅值來調(diào)節(jié)直流側(cè)輸出電壓的大小。

圖4 基于兩種空間矢量電流控制策略的控制結(jié)構(gòu)圖

為了驗證本文所提出的兩種電流控制策略的有效性和可靠性，本節(jié)分別列出了在這兩種電流控制策略下所得到的Matlab仿真結(jié)果。主電路采用本文中圖2所示的三相電壓源型PWM整流器結(jié)構(gòu)，其參數(shù)為三相交流輸入電壓110 V，頻率為50 Hz，輸入濾波電感為3 mH，輸入側(cè)等效電阻為0.3 Ω，直流側(cè)濾波電容為4700 μF，直流側(cè)額定輸出電壓為400 V，整流器額定功率為3kW，輸出負(fù)載用一個固定的53 Ω電阻表示?？刂撇糠植捎帽疚闹袌D4所示的控制結(jié)構(gòu)，在這兩種電流控制策略中采用相同的外電壓PI控制器，PI控制器的參數(shù)為Kp=0.001、Ti=0.05。

本節(jié)中圖5、圖6和圖7分別為Matlab的仿真結(jié)果，其中圖5為穩(wěn)態(tài)時交流電壓和輸入交流電流波形，從圖中可以看出在兩種電流控制策略下整流器的功率因數(shù)都為1，即整流器工作在單位因數(shù)功率整流狀態(tài)下，且在兩種電流控制策略下輸入交流電流的諧波都很小，其中電流空間矢量滯環(huán)控制策略下的THD為4.39%，優(yōu)化的空間矢量控制策略下的THD為3.40%；圖6為在輸出電壓指令從350 V突變?yōu)?00 V后輸出電壓跟隨指令的變化情況，從圖中可以看出在兩種電流控制策略下，輸出電壓都具有很快的調(diào)節(jié)速度和很好的穩(wěn)態(tài)特性，其中電流空間矢量滯環(huán)控制策略下的調(diào)節(jié)時間為0.0440 s ,優(yōu)化的空間矢量控制策略下的調(diào)節(jié)時間為0.0418 s；圖7是輸出電壓在350 V到400 V變化時輸入交流電流的變化情況，從圖5和圖7可以看出，在兩種電流控制策略下輸出電壓調(diào)節(jié)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)，以及整流器交流電流都能在一個開關(guān)周期內(nèi)跟蹤電流指令，且優(yōu)化的電流空間矢量控制策略不僅開關(guān)頻率固定，而且具有更快的電流調(diào)節(jié)速度和更低的電流畸變率，是比較理想的電流控制策略。

(a)電流控制策略采用空間矢量滯環(huán)控制

(b)電流控制策略采用優(yōu)化的空間矢量滯環(huán)控制

圖5 交流輸入電壓和電流的穩(wěn)態(tài)波形圖

(a) 電流控制策略采用空間矢量滯環(huán)控制

(b)電流控制策略采用優(yōu)化的空間矢量滯環(huán)控制

圖6 輸出直流電壓的動態(tài)響應(yīng)波形圖

(a) 電流控制策略采用空間矢量滯環(huán)控制

(b) 電流控制策略采用優(yōu)化的空間矢量滯環(huán)控制

圖7 交流輸入電壓和電流的動態(tài)波形圖

4 結(jié)論

如何根據(jù)系統(tǒng)的各個電量實時地選擇不同的開關(guān)狀態(tài)，使得整流器的交流側(cè)電流控制速度最快，本文分別提出了交流電流的空間矢量滯環(huán)控制和優(yōu)化的電流空間矢量控制兩種方法，并對兩種控制方法的原理進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析。

本文對所提出的兩種控制策略進(jìn)行了Matlab仿真，仿真結(jié)果表明整流器不僅實現(xiàn)了單位功率因數(shù)整流，并且其交流電流的波形畸變率小于4.5%，在系統(tǒng)的動態(tài)及穩(wěn)態(tài)時能使交流電流在一個開關(guān)周期內(nèi)達(dá)到指令值。優(yōu)化了電流空間矢量控制，電流調(diào)節(jié)速度快，而電流諧波更小且開關(guān)頻率固定。這種優(yōu)良的控制特性使得整流器的輸出電壓在大約兩個工頻周期達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。

[1] Bo Yin, Ramesh Oruganti, Sanjie Kumar Panda, Ashoka K. S. Bhat. A Simple Single-Input- Single- output(SISO) Model for a Three-Phase PWM Rectifier. IEEE Trans. Power Electron, vol. 24, no. 3, pp. 620-631, March 2009.

[2] Y. Yang, M. Kazerani, H. V. Qquintana. Modeling, Control and Implementation of Three-Phase PWM Converter. IEEE Trans, Power Electron, vol. 18, no. 3, pp. 857-864, 2003.

[3] Wang Xu, Huang Kaizheng, Yang Shijie, XuBin. Simulation of Three Phase Voltage Source PWM Rectifier Based on the Space Vector Modulation. Control and Decision Conf, 2008, pp. 1881-1884.

[4] D. C. Lee, G. M. Lee, and K. D. Lee. DC-Bus Voltage Control of Three-Phase AC/DC PWM Converters Using Feedback Linearization. IEEE Trans. Ind. Appl, vol. 36, no. 3, pp. 826-833, May/Jun. 2000.

[5] H. C. Mao, D. Boroyevic, and C. Y. Lee. Novel reduced-order small-signal model of a three-phase PWM rectifier and its application in control design and system analysis. IEEE Trans. Power Electron, vol. 13, no. 3, pp. 511-521, May 1998.

[6] H. Komurcugil and O. Kukrer. Lyapunov-based control for three-phase PWM AC/DC voltage-source converters. IEEE Trans. Power Electron, vol. 13, no. 5, pp. 801-813, Sep. 1998.

[7] T. G. Habetier. A space vector based rectifier regulator for AC/DC/AC converters. IEEE Trans. On Power Electronics, Vol. 8, no. 1, pp. 30-36, 1993.

[8] Bong-Hwan Kwon, Tac-Wookim, jang-Hyoun Yown. A Novel SVM-Based Hysteresis Current Controller. IEEE Trans on PE, 1998, vol. 13, no. 2, pp . 297-307.

[9] T Kataoka, Y. Fuse, D. Nakajima, S. Nishikata. A Three Phase Voltage Type PWM Rectifier with the Function of an Active Power Filter. EICPEVSD Conf, Sep. 2000, pp. 386-391.

Two-space Vector Current Control Strategies for Three-phase Voltage Source PWM Rectifier

Zhang Xiang1, Jin Jianchang2

(1. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2. Naval Armament Department of PLAN, Beijing 100071, China)

TM 46

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1003-4862（2014）2-0027-05

2013-06-28

張祥(1987-)，女，碩士研究生。研究方向：電能質(zhì)量控制技術(shù)。