劉東耀　許少華　靳鞅

【摘 要】電壓型PWM整流器跟三相交流電機定子電路有很大的相似性，采用類似于交流電機磁鏈觀測的方法構(gòu)造出虛擬電網(wǎng)電壓矢量作為PWM整流器矢量控制的發(fā)生矢量，可以達到降低PWM整流器成本的目的。準確觀測虛擬電網(wǎng)磁鏈成為該控制策略的關(guān)鍵，本文采用改進型的虛擬磁鏈初值計算方案，能夠比較準確的對虛擬磁鏈初值進行估計，解決了整流器啟動過程中沖擊電流過大甚至無法啟動的問題。仿真和實驗結(jié)果跟試驗驗證了觀測方法的正確性。

【關(guān)鍵詞】虛擬電網(wǎng)磁鏈；矢量控制；磁鏈初值；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整流技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，其分為電壓型和電流型，目前廣泛應(yīng)用的是電壓型PWM整流器，主要采用電壓定向矢量控制方式，該方式需要檢測電網(wǎng)電壓、輸入電流和直流母線電壓，需要多種傳感器，眾多信號的采集處理使控制復雜，成本偏高。直流母線電壓傳感器用于穩(wěn)定直流母線電壓，交流電流傳感器為電流閉環(huán)提供反饋信號，進行過流保護。電網(wǎng)電壓傳感器采集電網(wǎng)電壓提供同步旋轉(zhuǎn)坐標變換所需要的角度信號。如果能夠用電流傳感器獲得相應(yīng)的角度信息，那么就能省去電網(wǎng)電壓傳感器，這也是虛擬磁鏈技術(shù)提出的出發(fā)點。

無電網(wǎng)電壓傳感器控制，如果控制得當，可以去除電網(wǎng)電壓波動以及諧波的影響，虛擬電網(wǎng)磁鏈信號對于測量干擾有良好的抑制作用，所以基于虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的PWM整流器矢量控制具有相當大的實用價值。

1 虛擬磁鏈定向的矢量控制

1.1 虛擬磁鏈的定向及VFOC

基于虛擬磁鏈定向的矢量控制（VFOC）是在基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制（VOC）基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。電網(wǎng)電壓有諧波干擾時，就會直接影響電網(wǎng)電壓基波適量相位角檢測，影響適量定向的精準度和控制性能，還有可能造成系統(tǒng)震蕩。虛擬磁鏈可以將VSR交流側(cè)（濾波環(huán)節(jié)和電網(wǎng)）等效成一個交流發(fā)電機，三相電網(wǎng)電壓矢量經(jīng)過積分所得的矢量就是虛擬電動機的氣隙磁鏈。由于積分的低通性，可有效抑制電網(wǎng)電壓諧波對磁鏈的影響，確保適量定向的精準度。其控制思想如圖1。

由直流母線電壓Vdc跟功率變換器開關(guān)函數(shù)可以得到交流側(cè)輸出電壓的α、β分量，并由此可以算出三相電網(wǎng)電壓的α、β分量，對電壓進行積分可以得到虛擬電網(wǎng)磁鏈，經(jīng)過變換便可得到控制系統(tǒng)進行角度變換所需要的角度信息cosθ、sinθ，其系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2。

圖中利用兩相電流和開關(guān)管橋臂開關(guān)信號估計出虛擬磁鏈的α、β分量，進而得到θ角的正余弦曲線，以此進行坐標變換，獲得無電網(wǎng)電壓傳感器虛擬磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標系，已完成系統(tǒng)的空間矢量控制（SVPWM）為整流器提供脈沖信號，控制開關(guān)管的開通與關(guān)斷。

1.2 虛擬磁鏈定向時積分漂移的克服

當利用電網(wǎng)電壓積分進行虛擬磁鏈定向時，存在積分漂移問題，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

（1）當通過A-D轉(zhuǎn)換對電網(wǎng)電壓進行采樣時，由于采樣電路中點電壓的漂移，通常會導致采樣結(jié)果中伴隨著微小的直流分量，當這個直流分量控制在誤差允許范圍內(nèi)時，對系統(tǒng)實時控制的影響可以忽略。然而，為實現(xiàn)虛擬磁鏈定向，則必須對電網(wǎng)電壓進行積分，這樣直流分量誤差會隨著運行時間的增加而越來越大，最終嚴重影響系統(tǒng)的定向準確度。

（2）由于電網(wǎng)電壓是一個正弦信號，而對正弦信號進行積分時，其積分結(jié)果會出現(xiàn)一個和積分初值相關(guān)的直流分量，同樣也會造成定向誤差，如式（1）。

2 啟動實現(xiàn)與分析

2.1 采用零矢量發(fā)生的方法

如果采用微分環(huán)節(jié)求取電網(wǎng)角度時，對電流信號采用低通濾波器，其角度線性度不好。波形如下。其中左圖上邊波形為電網(wǎng)鎖相角度；左圖下邊波形為計算觀測的角度；右圖則分別為d軸和q軸電流。在截止頻率fz=1000Hz，T=0.0001情況下，發(fā)現(xiàn)電流存在直流偏移，且角度在過零基本一致。

截止頻率fz=100Hz，T=0.0001情況下，電網(wǎng)鎖相角度、計算觀測的角度、d軸和q軸電流如圖4所示：

2.2 利用鎖相原理的方法

如果利用鎖相原理，通過電流采樣，計算d、q軸磁通，并使q軸磁通控制為零的情況下，波形如下。其中左圖上邊為電網(wǎng)鎖相角度；左圖下邊為計算觀測的角度；右圖分別為d軸和q軸電流。

從圖中可以看到電網(wǎng)實際相位與虛擬磁鏈估計出的相位一致，可以滿足要求。

3 試驗驗證

本次試驗平臺為200kW/660V低壓變頻器，電感為1.875mH。采用虛擬磁鏈定向PWM整流控制和帶電網(wǎng)電壓傳感器的電壓定向PWM整流控制兩種方案進行試驗，并將試驗結(jié)果對比，結(jié)果如下：

從圖中可以看出，虛擬磁鏈定向PWM整流控制可以達到帶電壓傳感器的PWM整流器的效果。

4 結(jié)束語

三相電壓型PWM整流器的主電路與三相交流電機的主電路有很大的相似性，可以采用類似于交流電機磁場定向矢量控制的方法對PWM整流器進行無電網(wǎng)電壓傳感器控制，這樣可以省去PWM整流器電網(wǎng)電壓定向所必須的交流電壓傳感器，從而降低了PWM整流器的成本。準確觀測虛擬電網(wǎng)磁鏈是PWM整流器無電壓傳感器控制的關(guān)鍵。本文提出了虛擬磁鏈初值估計的改進型方法，并進行了實驗驗證。結(jié)果表明，本文所提出的方法比傳統(tǒng)不帶虛擬磁鏈初值計算的方法準確度要高，PWM整流器啟動過程中，電流沖擊較小，有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，具有很好的應(yīng)用前景。

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[責任編輯：楊玉潔]