基于PR的單相PWM整流器電流控制研究
摘要:?jiǎn)蜗?strong>PWM整流器電流控制系統(tǒng)被控量為單相正弦量,無(wú)法像三相PWM整流器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)一樣,采用同步坐標(biāo)系下的直流PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的零靜差調(diào)節(jié)。本文將PR調(diào)節(jié)器應(yīng)用于單相PWM整流器網(wǎng)側(cè)正弦電流的控制,克服了單相交流系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的缺陷,減小了諧波含量。同時(shí)對(duì)單相PWM整流器控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果表明系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)電能轉(zhuǎn)換和電能的雙向流動(dòng),電源電壓、頻率及負(fù)載變化時(shí),網(wǎng)側(cè)電流均可以實(shí)現(xiàn)零靜差跟蹤給定正弦給定電流,同時(shí)直流側(cè)電壓有較好的穩(wěn)定性和抗干擾性。 1.引言 單相PWM 整流器由于其所用電力電子器件少、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用于電力機(jī)車 牽引[1]、可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電[2]、能量可雙向流動(dòng)的級(jí)聯(lián)型多電平變頻器的有源前端[3]等。 PWM 整流器交流側(cè)電流有多種控制方法,例如,電流滯環(huán)控制、線性PI 控制、預(yù)測(cè)電 流控制等。電流滯環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng),但是它有開(kāi)關(guān)頻率不固定,存在滯環(huán)寬度兩 倍的電流誤差等缺點(diǎn)[4]。 對(duì)于三相PWM 整流器,可將靜止ABC 坐標(biāo)系下的正弦電流轉(zhuǎn)換 到同步dq 坐標(biāo)系下的直流量進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)零靜差控制,但對(duì)于單相PWM 整流器,很難實(shí)現(xiàn)這種變換,PI 調(diào)節(jié)器無(wú)法實(shí)現(xiàn)電流的零靜差控制[2],而預(yù)測(cè)電流控制的控制性能受被 控對(duì)象和給定預(yù)測(cè)電流的限制[5]。 本文針對(duì)以上問(wèn)題,在單相PWM 整流器中引入PR 調(diào)節(jié)器進(jìn)行正弦電流控制,該方法 不需要坐標(biāo)變換,也不需要特別高的開(kāi)關(guān)頻率就可以實(shí)現(xiàn)與dq 坐標(biāo)系下PI 控制相媲美的穩(wěn) 態(tài)及動(dòng)態(tài)性能。國(guó)外已有文獻(xiàn)將PR 調(diào)節(jié)器應(yīng)用于電力機(jī)車牽引[1]和可再生能源并網(wǎng)發(fā)電[2] 中的單相PWM 變流器的控制,但國(guó)內(nèi)對(duì)此研究很少。本文結(jié)合能量可雙向流動(dòng)的級(jí)聯(lián)型多 電平變頻器有源前端的具體要求,將PR 調(diào)節(jié)器用于其有源前端的控制,給出了單相電壓型 PWM 整流器的仿真模型,并對(duì)整流、逆變兩種工作模式,及負(fù)載和電網(wǎng)電壓、頻率變化等 情況進(jìn)行了仿真分析。 2.單相 PWM 整流器控制策略及系統(tǒng)仿真模型的建立 2.1 網(wǎng)側(cè)電流控制 圖1(a)為單相PWM 整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,單相PWM 整流器由交流回路、功率開(kāi)關(guān)橋 路和直流回路等組成[6]。其中交流回路包括交流電源 us 、網(wǎng)側(cè)電感L 及其等效電阻R 等;直 流回路包括負(fù)載電阻 RL 等;功率開(kāi)關(guān)橋路為電壓源型。通過(guò)控制交流電壓v 即可實(shí)現(xiàn)PWM 整流器的四象限運(yùn)行,其關(guān)鍵在于網(wǎng)側(cè)電流的控制[1]。 由圖 1(a)可得網(wǎng)側(cè)電流控制動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,如圖1(b)所示??紤]開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻 率,為了便于分析忽略開(kāi)關(guān)動(dòng)作對(duì)系統(tǒng)的影響,將PWM 整流單元近似為一增益環(huán)節(jié)K ,其 中,G(s)為電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)。 單相PWM 整流器的控制系統(tǒng)包括外環(huán)直流電壓控制和內(nèi)環(huán)正弦電流控制。要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè) 單位功率因數(shù)控制要求網(wǎng)側(cè)正弦交流電與電網(wǎng)電壓同頻同相,這里采用單相鎖相環(huán)檢測(cè)電網(wǎng) 電壓,實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)電流同步控制[8],由以上分析可得單相PWM 整流器控制系統(tǒng)的控制框圖如 圖2 所示。 3.仿真及結(jié)果分析 圖 3 為仿真結(jié)果,從中可以看出網(wǎng)側(cè)實(shí)際電流可實(shí)現(xiàn)零靜差跟蹤給定正弦電流信號(hào),且 可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制,電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)網(wǎng)側(cè)電流不受影響,仍可以實(shí)現(xiàn)零靜差跟蹤, 適當(dāng)選擇PR 調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以使其具有要求的帶寬,抑制電源頻率波動(dòng)的影響。負(fù)載和網(wǎng) 側(cè)電壓變化時(shí)直流側(cè)電壓快速穩(wěn)定,該控制系統(tǒng)能對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化能很快做出調(diào)整,動(dòng)態(tài) 性能好。同時(shí)網(wǎng)側(cè)電流諧波含量小,畸變率小,減小了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。 4.結(jié)論 本文將PR 調(diào)節(jié)器用于單相PWM 整流器的電流控制,仿真結(jié)果表明該控制方案無(wú)需坐 標(biāo)變換即可以實(shí)現(xiàn)正弦電流的零靜差控制,同時(shí),直流側(cè)電壓對(duì)電網(wǎng)電壓、頻率的變化和負(fù) 載的變化有較好的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)單位率因數(shù)電能轉(zhuǎn)換和電能的雙向流動(dòng)。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn):將新型調(diào)節(jié)器PR 調(diào)節(jié)器應(yīng)用于單相正弦交流電流的零靜差調(diào)節(jié),實(shí) 現(xiàn)并推導(dǎo)出單相PWM 整流器的控制系統(tǒng),系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾性較好并給出了分析。
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圖2.單相PWM 整流器控制系統(tǒng)框圖