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)。