三相PWM變換器矢量控制與直接功率控制研究

摘要：對(duì)三相PWM變換器的矢量控制與直接功率控制(DPC)進(jìn)行對(duì)比研究。闡述了三相PWM變換器的基本原理，推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方案;通過(guò)分析三相PWM變換器電壓矢量在不同扇區(qū)對(duì)電網(wǎng)側(cè)輸入有功、無(wú)功功率的影響，制定開(kāi)關(guān)表，得到基于滯環(huán)控制的DPC方案。構(gòu)建基于XC2785單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三相PWM變換器的矢量控制與DPC均能實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定、功率因數(shù)可調(diào)的控制目標(biāo)，矢量控制穩(wěn)態(tài)性能較優(yōu)，而DPC動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快。

1 引言

三相PWM變換器應(yīng)用廣泛，在整流、有源濾波、交流傳動(dòng)等控制中都具有較好的性能。

三相PWM變換器控制策略主要有矢量控制與DPC。矢量控制又可分為電網(wǎng)電壓定向與虛擬磁鏈定向兩種。其中電網(wǎng)電壓定向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制效果好，技術(shù)成熟，得到廣泛運(yùn)用;而虛擬磁鏈定向雖可省去電壓傳感器，但磁鏈計(jì)算的精確程度會(huì)增加控制的復(fù)雜性。DPC原理類(lèi)似于直接轉(zhuǎn)矩控制，通過(guò)分析變換器的不同電壓矢量在每個(gè)扇區(qū)對(duì)電網(wǎng)輸入(輸出)瞬時(shí)功率的控制作用，制定開(kāi)關(guān)表進(jìn)行控制。相較矢量控制，DPC具有算法簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。

在此根據(jù)三相PWM變換器的數(shù)學(xué)模型，采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制與滯環(huán)控制的DPC策略，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)兩種控制策略進(jìn)行分析比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，矢量控制與DPC均能實(shí)現(xiàn)直流母線電壓與電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的穩(wěn)定、可調(diào)。其中矢量控制穩(wěn)態(tài)效果較好，DPC動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快。

2 變換器數(shù)學(xué)模型及矢量控制策略

2.1 三相PWM變換器數(shù)學(xué)模型

三相PWM變換器的數(shù)學(xué)模型是對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行分析和控制的基礎(chǔ)，其主電路見(jiàn)圖1。

根據(jù)圖1可得三相PWM變換器在同步旋轉(zhuǎn)d，q坐標(biāo)系下的電壓方程為：

式中：igd，igq為網(wǎng)側(cè)電流d，q軸分量;ugd，ugq為電網(wǎng)電壓d，q軸分量;uod，uoq為三相變換器輸出電壓d，q軸分量。

2.2 電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略

三相PWM變換器采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制，將d軸定向于電網(wǎng)電壓合成矢量ug方向，q軸超前d軸90°，空間矢量圖如圖2所示。

采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制策略：ugd=Ug，ugq=0，其中Ug為電網(wǎng)電壓矢量的幅值。

將定向條件代入式(1)有：

由式(2)可得如圖3所示的三相PWM變換器矢量控制結(jié)構(gòu)框圖。

3 三相PWM變換器的直接功率控制

采用電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)噶慷ㄏ?，即將坐?biāo)系d軸定向于電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)噶浚臻g矢量圖如圖4所示。

由圖可得：

由此可知，如果電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)噶课恢么_定，通過(guò)選擇不同的電壓空間矢量，可控制磁鏈?zhǔn)噶糠至?psi;od，ψoq的變化效果，繼而可決定每個(gè)電壓矢量對(duì)有功、無(wú)功功率的影響。

電壓矢量的標(biāo)識(shí)、扇區(qū)的劃分及三相PWM變換器磁鏈?zhǔn)噶咳鐖D5所示。

根據(jù)上述分析，可得三相PWM變換器DPC開(kāi)關(guān)表，如表1所示。

根據(jù)以上分析，得到如圖6所示的三相PWM變換器DPC框圖。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

搭建了基于XC2785單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)三相PWM變換器的矢量控制與DPC進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較及分析。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：直流母線電壓200 V，網(wǎng)側(cè)進(jìn)線電感20 mH，三相PWM變換器開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz，每相電阻負(fù)載Rf=77 Ω。實(shí)驗(yàn)對(duì)三相PWM的矢量控制與DPC進(jìn)行比較，波形如圖7所示。

圖7a，b示出兩種方案穩(wěn)態(tài)時(shí)功率因數(shù)為1的a相電壓、電流比較波形。由圖可見(jiàn)，矢量控制方案電流波形正弦度好，而DPC的電流波形發(fā)生畸變，但兩種控制方案均能保證系統(tǒng)單位功率因數(shù)運(yùn)行，達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo)。

圖7c，d為兩種控制方案在母線電壓由200 V變化到280 V時(shí)的動(dòng)態(tài)比較波形。圖7e，f為兩種控制方案在無(wú)功分量動(dòng)態(tài)變化時(shí)的比較波形。分析可知，矢量控制達(dá)到穩(wěn)態(tài)后較為穩(wěn)定，控制性能良好，但動(dòng)態(tài)過(guò)程較長(zhǎng)。而DPC動(dòng)態(tài)性能良好，能迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但穩(wěn)態(tài)后波形略有振動(dòng)。

5 結(jié)論

對(duì)三相PWM變換器的矢量控制與基于滯環(huán)控制的直接功率控制進(jìn)行比較分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知：電網(wǎng)電壓定向的矢量控制有固定的開(kāi)關(guān)頻率，穩(wěn)態(tài)性能良好，但由于通過(guò)雙閉環(huán)進(jìn)行控制，算法較為復(fù)雜，因受PI參數(shù)的制約，動(dòng)態(tài)響應(yīng)稍慢?；跍h(huán)控制的直接功率控制算法簡(jiǎn)單，具有良好的動(dòng)態(tài)性能，但其開(kāi)關(guān)頻率不固定，穩(wěn)態(tài)時(shí)電流紋波較大，穩(wěn)態(tài)性能不如矢量控制。兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，但皆能達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。