功率因數(shù)閉環(huán)控制的PWM整流器設(shè)計(jì)
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1. 引言
近幾年來,隨著電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛,電網(wǎng)中諧波電流和無功功率對(duì)電力系統(tǒng)的污染也日益嚴(yán)重。消除諧波污染并提高功率因數(shù),已經(jīng)成為電力電子技術(shù)中的一個(gè)重大課題。作為解決這一問題的途徑之一,能夠?qū)崿F(xiàn)任意功率因數(shù)運(yùn)行,直流輸出穩(wěn)定,動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,且?guī)缀醪划a(chǎn)生諧波的PWM 整流器已得到廣泛的研究。
針對(duì)以上課題,本文提出了一種功率因數(shù)閉環(huán)控制,可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的PWM整流器。在克服電流諧波污染的同時(shí),可以通過對(duì)功率因數(shù)的調(diào)整,對(duì)電網(wǎng)的無功功率進(jìn)行一定的補(bǔ)償。
2. PWM整流原理
三相PWM整流器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括交流側(cè)的電感、電阻、直流電容、以及由全控開關(guān)器件(IGBT)和續(xù)流二極管組成的三相全橋電路。Ua、 Ub、Uc為三相交流電源,RL為負(fù)載。通過適當(dāng)?shù)牟呗钥刂迫嗳珮螂娐分械牧鶄€(gè)全控開關(guān)器件V1~V6的開關(guān)狀態(tài),便可以在直流側(cè)得到穩(wěn)定的電壓輸出,同時(shí)保證交流側(cè)電流相位可控,且諧波小。常用的控制方案包括電流跟蹤和矢量控制等。[1]
圖1所示的三項(xiàng)PWM整流器主電路中,假設(shè)電網(wǎng)電壓三相對(duì)稱且穩(wěn)定;開關(guān)器件理想,沒有過渡過程,其通斷狀態(tài)由開關(guān)函數(shù)描述,開關(guān)函數(shù)定義為 。可以得到電阻性負(fù)載RL情況下,三相PWM整流器在ABC坐標(biāo)系中的一般數(shù)學(xué)模型為[1]:
(1)
電流跟蹤PWM整流器中,利用上下橋臂的開通與關(guān)斷控制相應(yīng)相電流的瞬時(shí)值,使交流電流嚴(yán)格跟蹤三相參考電流,實(shí)現(xiàn)對(duì)功率因數(shù)的控制。如圖2所示。三相參考電流的相位由交流電壓相位和功率因數(shù)設(shè)定決定,而其幅值則與直流側(cè)電壓有關(guān)。
三相整流器的控制應(yīng)該達(dá)到如下要求:1)直流端電壓穩(wěn)定;2)線電流正弦;3)功率因數(shù)可控。整流器直流電壓的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)交流側(cè)電流實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)三相坐標(biāo)系下整流器的數(shù)學(xué)模型,由電流正弦和功率因數(shù)的要求,設(shè)給定電流為: (2) 式中 為電壓復(fù)制給定; 代表A,B,C三相。
在理想狀態(tài)下,忽略線路損耗、電流電壓正選對(duì)稱,且直流端電壓恒定的情況下,根據(jù)功率平衡的原則有: (3) 式中 為相電壓幅值; 為設(shè)定功率因數(shù)。
所以: (4)
一般地,對(duì)直流電壓得調(diào)節(jié)是用PI調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)的。為了能起到調(diào)節(jié)直流端電壓的作用,線電流幅值的給定還要加上直流端電壓實(shí)際值和給定值差值的比例譏諷調(diào)節(jié)值,即:
(5)
3. 主電路設(shè)計(jì)
主電路拓?fù)湟呀?jīng)在圖1中給出,對(duì)主電路的設(shè)計(jì)主要是指對(duì)主電路中儲(chǔ)能元件,即交流側(cè)電感和直流側(cè)電容參數(shù)的選擇。
交流側(cè)電感的選擇需滿足以下3 點(diǎn)要求[2]:①電感上壓降盡可能小,一般不大于電源額定電壓的30 %;②在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)交流側(cè)電流的最大超調(diào)量盡可能小,一般小于交流側(cè)額定電流的10 %;③交流側(cè)電流THD(total harmonic distortion 電流畸變率)盡可能小,一般規(guī)定一個(gè)上限,本文中定為交流側(cè)額定電流的5 %。
直流電容的選擇是三相PWM整流電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),選擇的是否合適將直接影響系統(tǒng)的特性及安全性。由參考文獻(xiàn)[ ]直流側(cè)電容的取值范圍為:
(6)
根據(jù)以上結(jié)論[3],確定的主電路參數(shù)為:
La=Lb=Lc=2mH;
Ra=Rb=Rc=2Ω;
Cd=1000μF;
Vdc=400V;
交流電源為三相Sm=220V;
直流側(cè)負(fù)載RL=50Ω。
4. 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示,可視為公率因數(shù)、交流電流串級(jí)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中電流反饋和電流跟蹤控制器構(gòu)成內(nèi)環(huán)[1],利用電流跟蹤控制控臺(tái)響應(yīng)好,跟蹤精度高,魯棒性強(qiáng),瞬時(shí)響應(yīng)無直流偏移量等優(yōu)勢,保證交流電流嚴(yán)格復(fù)現(xiàn)三相參考電流。外環(huán)則由公率因數(shù)反饋和功率因數(shù)控制器構(gòu)成,使系統(tǒng)在設(shè)定的功率因數(shù)下工作達(dá)到消除無功功率的目的。
如上文所述,功率因數(shù)調(diào)節(jié)器根據(jù)功率因數(shù)給定和反饋的差值調(diào)節(jié)三項(xiàng)參考電流的相位,而三相參考電流的幅值則由直流電壓得給定值與實(shí)際值共同決定。
5. Matlab仿真
根據(jù)上文中的分析和設(shè)計(jì),利用Matlab的電力電子工具箱對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)[4],電路參數(shù)已在上文中給出。文中圖3為直流電壓階躍響應(yīng)曲線,圖4為交流a電壓、電流曲線,圖5功率因數(shù)響應(yīng)曲線。
6. 結(jié)論
通過MATLAB仿真,得到直流電壓、交流電流及公路因數(shù)曲線,可以看到本系統(tǒng)據(jù)有直流電壓響應(yīng)速度快,交流側(cè)電流波形為正弦波切于交流電壓相位相同的特點(diǎn)。仿真結(jié)果說明:本設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)合理,參數(shù)調(diào)節(jié)適當(dāng),控制有效,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案正確性和可行性。