三相高频PWM整流器的预测电流控制

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:研究了三相高频PWM整流器的数学模型,分析了预测电流控制方法的基本原理,给出了电压控制环路计算的方法。最后给出了实验结果。 关键词:三相高频PWM整流器;预测电流控制;原理与计算 引言 传统的相控整流器和二级管整流器存在功率因数低、电流谐波含量高、对电网污染严重等缺点。高频PWM整流器功率因数可达1,输入电流为正弦,且可向电网回馈能量,克服了传统整流器的缺点。高频PWM整流器在控制算法上一般采用电压、电流双环设计,以控制直流输出电压的稳定并使输入电流为正弦。在电流控制算法上,常常采用将模型转换到同步旋转的dq坐标系的方法,以实现d、q轴电流的解耦控制为目标,这种算法常常需要锁相环等环节实现d、q轴的定位,比较复杂。本文研究了一种预测电流控制法,能实现对电流的快速响应,且实现简单。 图1 1 三相高频PWM整流器模型和预测电流控制的基本原理 三相电压型高频PWM整流器主电路如图1所示。由图1可得 式中:USa,USb,USc分别为三相电源电压; iSa,iSb,iSc为相应的三相电流; UCa,UCb,UCc分别为A,B,C三点处的电压,为三个控制量,决定于各桥臂的占空比和直流输出电压; L为各相串联电感的电感量。 用前向差商代替微分对式(1)离散化,得 式中:Ts为采样周期。 为了减小时延的影响,可利用已知状态,预测下一个采样时刻达到电流iSi*所需的控制电压USi*,因此,由式(2)可得 式(3)的意义是,根据当前已知的状态变量USi(k)及iSi(k)和参数值Ts及L以及下一步指令电流值iSi*(k+1),预测使电流在第k+1步达到iSi*(k+1)所需的电压UCi*(k)。如果在此瞬间在图1的A、B、C三点处能分别得到式(3)所要求的电压,那么在第k+1步即可得到所需要的电流iSi(k+1)。 式(3)中预测电流值由式(4)得出 式中:I*为直流输出电流的指令值,在稳态时为一个恒定直流量。 图2 稳态时USa2+USb2+USc2及Uo也为恒定直流量,因此,iSi*与USi成正比。由于USi为正弦,因此,预测电流值(即电流指令)iSi*与输入电压形状相同,都为正弦,相位也相同,实现了功率因数为1的控制。由式(4)得 这说明式(4)式保证了输入输出功率的平衡,即按式(4)给出的电流预测值既可控制输入电流的波形,也可控制其大小(因而也控制了输出功率的大小)。 2 控制环路的设计 采用预测电流控制方法后,电流环的响应非常快,可用一个一阶惯性环节代替。虽然三相电流是各自正弦变化的,但从功率平衡角度来说,等效于直流电压、电流的变化。因此,整个系统的控制环路可等效为图2结构。 图2中C为电解电容的电容值。直流输出电流指令I*由输出直流电压的指令Uo*和反馈值Uo之差e=Uo*-Uo放大得到。 由式(4)可见,为了保证输入电流的正弦形,指令电流I*的波动要尽量平缓,换句话说由式(6)决定的输出电压控制器的带宽要尽量地窄。由于电网频率为50Hz,因此,电压环的带宽要远低于50Hz。但为了使动态响应时间不至于过慢,带宽又要求越宽越好。综合上述两方面因素,实际系统中转折频率取为ω=1/τ=2π5s-1。由于采样周期Ts很小,带宽又很低,高频滤波环节影响很小,因此,式(7)可简化为G=(Kp/τ C)(1+sτ)/s2,其波特图如图3所示。图3中τ=30ms,电压环的放大倍数Kp=C/(2τ),相角裕度约45%26;#176;。按此设计的PI调节器参数可以使系统绝对稳定。 图4 3 矢量控制算法 按式(3)算出的各相电压值与三角波比较,可得出各桥臂的开关时刻,这就是一般的SPWM法,如图4(a)所示。 也可采用矢量控制法,其本质是对零状态的控制。如可令一个PWM周期中的三相线电压为零的状态(即零矢量状态)全部固定为上桥臂全导通,如图4(b)所示。这时三相调制电压变为 并有 可见,三相调制电压同时偏移某个值后其合成的空间电压矢量不变,因而控制效果不变。但这样处理带来许多好处,如开关次数降低、母线电压利用率提高、转换效率提高等。 4 实验结果 为了验证所提出的三相高频整流器最小损耗控制方法的正确性,试制了一台3kW样机并进行了实验研究。其中滤波电感为6mH,滤波电容为500μF,开关频率为10kHz。控制电路以DSP(TMS320LF2407A)为核心构成全数字化控制器,如图5所示。电流环、电压环和空间矢量PWM算法全部由软件实现。图6(a)为交流输入电压为三相250V,输出直流电压为500V时的输入电压、电流和直流输出电压波形图,图6(b)为交流输入电压为三相380V,输出直流电压为600V时相应的波形图。可见输入电流为正弦波且与输入电压相位是一致的。当输入电压与输出电压差别较大时,电流控制得更好些。 5 结语 本文研究了一种三相高频PWM整流器的电流控制方法,能实现对电网电流快速、精确的控制。分析了系统的环路传递函数,给出了设计方法。指出采用矢量控制可降低开关次数和开关损耗,提高系统的运行效率。最后给出了实验结果。
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