采用电流滞环调节器的电压矢量控制PWM整流器系统_赵振波

图2 Fig.2
整流器各矢量间的关系 Relation of rectifier vectors
根据各个矢量在 dq 坐标系中的位置关系， 有电 压矢量 u = u d + ju q ，输入电流矢量 i = i d − jiq ， 根据视在功率 S = p + j q = u • i 推出
p = u d i d + u q i q , q = u q id + u d i q
* * −i ∆i d = i d − i d ， ∆i q = i q q
* 轴电流指令 i d
Байду номын сангаас
us = u sa + α 2u sb + αu sc
当整流器开关状态确定后，则 us 被唯一确定，图 4 所示为空间电压矢量及其扇区分布。
H d 和 H q 分别为两个比较器的滞环带宽，直接 会影响输入电流的畸变率以及开关频率平均值。考 虑控制过程的复杂性，电流滞环调节器采用两电平 输出，图 3 为 dq 轴电流调节器 HCR 的输入输出特 性。根据式(3) ， d 轴电流滞环输入误差 ∆id 信号相 当 于 给定 有 功 功 率 和 系 统 实 际 有 功 功 率 之 间 误 差 ∆p 信号， q 轴电流滞环输入误差 ∆i q 信号相当于给 定无功功率和系统实际无功功率之间误差 ∆q 信号。
(2)
由于电网电压是标准的正弦波且三相对称，因 此 u q = 0 。电网电压 q 轴分量为零，只有 d 轴分量
u d ，其模长等于电网相电压的幅值。因此，式 (2) 简化为 p = u d id , q = ud iq (3)
从式 (3)得到 PWM 整流器系统有功功率 p 和无 功功率 q 表示的输入电流分量 i d 和 iq 之间是解耦的， 功率和电流之间成比例关系。因此，根据系统有功 功率 p 和无功功率 q 的控制方法来间接控制输入电 流两个分量 id 和 iq。根据图 2，输入电流 i 的两个分 量 i d 和 i q 表示如下 id = usq us sin δ u u −u cosδ = ， i q = sd = d s X X X X (4)
2004 年 1 月 第 19 卷第 1 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.19 No1 Jan. 2004
采用电流滞环调节器的电压矢量控制 PWM 整流器系统
赵振波 李和明 董淑惠
保定 071003 ） （华北电力大学电力工程系 摘要
在 dq 坐标系下，电网电压矢量 u 、电流矢量 i、 电感 L 上电压矢量以及三相电压型 PWM 整流器交 流输入侧电压矢量 us 之间的关系如图 2 所示，其中
δ 是 u s 落后于 u 的相位角。
第 19 卷第 1 期
赵振波 等
采用电流滞环调节器的电压矢量控制 PWM 整流器系统
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* u dc 之间的误差作为外环电压调节器的输入，经过
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电流滞环控制
用霍尔元件检测 PWM 整流器的三相输入电流
图1 Fig.1
电 压 型 PWM 整 流 器 电 流 滞 环 矢 量 控 制 原 理 Principle of voltage vector-controlled PWM rectifier with current hysteresis
i a、ib、ic ，通过矢量变换矩阵得到两个直流分量 i d、 i q，表示为 2π 2 π i a cos ω t cos( ω t − ) cos( ω t + ) i d 2 3 3 i = 3 sin ω t sin(ω t − 2π ) sin(ω t + 2π ) b i q 3 3 i c (6) 反 馈 输 出 直 流 电 压 u dc 和 给 定 输 出 直 流 电 压
提出了一种性能良好的电压矢量控制 PWM 整流器方法。 根据 dq 坐标系下整流器数学
模型，用控制整流器系统中有功和无功功率的方法间接控制相互有耦合的输入有功和无功电流分 量。控制系统电压外环用 PI 调节器输出有功指令电流分量，反馈输入电流与指令电流的误差作为 两个电流滞环调节器的输入。滞环输出经过开关逻辑表选择出合适的电压矢量，不需计算开关作 用时间，控制整流器输入电压和电流同相位，输入电流正弦化。仿真和实验结果证明了该控制方 法简单，动态性能好，易实现。 关键词： 电流滞环 电压矢量 开关逻辑 中图分类号： TM 461
图3 Fig.3 滞 环 电 流 调 节 器 (HCR)的 输 入 输 出 特 性 Output and input characteristics of current hysteresis regulator
扇区 B 的位置靠近 u B。以 0＜ θ ＜ 30°为例，d 轴位 于扇区 2 内。此时，靠近扇区 2 的矢量为 u4，靠近 扇区 3 的矢量为 u6。分析不同电流滞环比较器输出 时，正确选取电压矢量。如图 5 为电压矢量与功率 之间的关系，其中点 M 表示给定有功功率 p *和无 功功率 q *。
Fig.4 图4 电压矢量和扇区分布 Voltage vector and sector distribution
根 据 文 献 [5,7,8], 开 关 逻 辑 表 电 压 矢 量 控 制 目 标的思路是用一组反映控制量变化的开关状态组 成逻辑表，通过外部输入选择电压矢量，使控制目 标在给定误差范围内变化。在相邻的两个矢量之间 假定扇区 A 的位置靠近 u A， 包括两个扇区 A 和 B ，
Voltage Vector-Controlled PWM Rectifier System with Current Hysteresis Regulators
Zhao Zhenbo Li Heming Dong Shuhui Baoding 071003 China ） （ North China Electrical Power University
基于电流滞环的电压矢量控制 PWM 整流器方法。 它结合二者的优点，采用 80C196MC 作为控制核 心，组成一个以电流滞环控制为内环，输出直流 电压控制为外环的控制系统，开关状态输出采用 自适应开关逻辑表，不需计算开关作用时间，过 程实现简单。
收 稿 日 期 2003 － 02 － 28
改 稿 日 期 2003 － 10 － 13
[4, 5]
1
引言
在电能变换中， PWM 整流器克服了传统二极
管或相控整流所引起的大量谐波、功率因数低等 缺点，成为目前国内外研究的热点 。电流滞环控 制是 PWM 整流器控制系统中最易实现， 最简单的 方式，但其也存在开关频率不固定，对电力电子 器件性能要求较高，开关损耗比较大，不容易设
[1]
。针对以上控制方式的不足，本文提出了一种
个扇区。设 PWM 整流器桥臂输入端相对于电网电 压中性点 O 的电压为 us a、usb 和 usc ，则桥臂合成电 压矢量 u s 表示为
PI 调节，输出量作为 d 。在单位功率 因数运行时， PWM 整流器系统只消耗有功功率， * = 0 。把输 不吸收无功功率。因此，理想状态下 i q 入电流分量 id、 iq 与指令电流分量相比较，其误差 作为滞环比较器 HCQ 和 HCD 的输入， 滞环输出用 于选择开关逻辑表中的电压矢量。定义滞环比较器 输入偏差为
考虑 q 轴的定义与 d 轴相同，只分析 d 轴电流 滞环比较器特性，其输入与输出关系如下： 当Δ i d ≥ H d 时， s d = 1 ； 当 −H d ＜ Δ i d ＜ H d 时， 若 若
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电 工 技 术 学 报
2004 年 1 月
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系统 dq 数学模型
控制所依据的是三相电压型 PWM 整流器在 dq 坐
标系下的数学模型。考虑电网三相电压对称，且正弦 化。 假定 u a = 2u cos(ω t ) 、u b = 2 u cos(ω t − 2π ) 、 3 2 π u c = 2u cos(ω t + 3 ) ，则在 dq 坐标系下整流器的 数学模型为 [6] d id − R ω L − sd id 1 0 0 ud L 0 0 d t d iq 0 L 0 d t = −ω L − R − sq iq + 0 1 0 uq d u u 0 0 0 1 dc C s s 0 0 − 0 dc t d q RL dc d (1) 式（ 1）表明整流器输入电流的 id 和 iq 分量之 间存在耦合，直接控制输入电流需要解耦处理，需 要引入电网电压前馈补偿来提高系统动态性能，控 制过程相对复杂。而在整流器系统中，有功功率和 无功功率之间是解耦的，能独立进行控制。因此， 本文提出用控制系统有功功率和无功功率方法间 接控制 dq 轴电流分量，不需要进行输入电流解耦。
Abstract The method of voltage vector-controlled PWM rectifier system with hysteresis current regulators is presented. According to mathematical model of rectifier under dq coordinates. This method can indirectly control the active current and reactive current components by using active power and reactive pewer. The output of voltage external loop with PI regulator is considered as current component of active power, and the error of feedback input current and instruction current is considered as input of two inner loops current hysteresis regulators. The output of hysteresis regulator selects the correct vector by voltage vector switch logic table, not to calculate switch operation time to make input voltage and input current of rectifier in phase, input current be sine. The simulation and experimental results prove that it is simple and has good dynamic characteristics. Keywords ： Current hysteresis, voltage vector, switch logic 计输出滤波 器等缺点 [2, 3] 。空间电压矢量控制易于 数字化实现，直流电压利用率高，输入电流畸变 率低，但需要快速微处理器，计算过程相对复杂
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控制系统原理
根据 dq 坐标系下数学模型，结合电流滞环和
矢量控制优点，设计出采用电流滞环调节器的电压 矢量控制 PWM 整流器系统。其结构方框图如图 1 所示。
因此， 整流器输入有功功率 式为 p=
p 和无功功率 q 的表达
udus sin δ u (u −u cosδ ) ，q= d d s (5) X X 根据式 (5)通过控制电压矢量 u s 的大小和其相 对于 u 的相位角 δ 来控制有功功率 p 和无功功率 q 的大小和方向，间接控制输入电流的大小和方向， 以达到控制目的。