一種充電設(shè)備整流電路新型控制策略的研究

摘 要:在此將三相PWM整流電路應(yīng)用于充電設(shè)備主電路，以達(dá)到充電設(shè)備輸出長期穩(wěn)定、可靠性好、輸出紋波小、傳遞效率高的要求。在整流器控制策略上采用基于電壓定向的的矢量控制，對(duì)電壓定向原則進(jìn)行了分析，并推導(dǎo)了dq軸電流解耦方式。仿真結(jié)果表明采用該方案整流器能快速跟蹤給定，具有直接電流控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)性能好的特點(diǎn)。由于采用了網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制也使網(wǎng)側(cè)電流變化對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不敏感，從而增強(qiáng)了電流控制系統(tǒng)的魯棒性。關(guān)鍵詞:充電設(shè)備; 矢量控制; 電壓定向控制; PWM整流器

中圖分類號(hào):TN919-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)22-0191-02

Study on a New Control Strategy of PWM Rectifier in Charging Device

ZHANG Ming-lian， HAN Gu-yong， ZHAO Xu-cheng， WANG Hui

(Department of Aviation Four Stations， Xuzhou Air Force College， Xuzhou 221000， China)

Abstract: PWM rectifier technology is introduced to the main power circuit of the charger to enhance the charging efficiency， improve its long term reliability and save its life. A new strategy of space vector control based on voltage oriented is used in PWM rectifier. It simplifies voltage oriented principle and the method of decoupling control for both axis quantities of the input current. The simulation results show that it can realize unit power factor and small current harmonic with excellent dynamic-static performance. The input current changes become insensitive against the system parameter since it adopted the current closed loop control method， and the robustness of the current controlling system can be enhanced. Keywords: charging device; vector control; voltage oriented control; PWM rectifier

0 引 言

充電設(shè)備主電路的作用是將380 V/50 Hz三相交流電轉(zhuǎn)換成用于蓄電池充電的直流電能。由于PWM整流器輸入電流非常接近正弦波，可以和輸入電壓同相位，并且可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)[1]，因此有較多的學(xué)者將PWM整流器引入到充電設(shè)備中，不僅可以改善功率因數(shù)，而且可以實(shí)現(xiàn)蓄電池的充電和放電。在PWM整流器控制技術(shù)方面，目前主要有2種控制方式:矢量控制和直接功率控制[2-5]。20世紀(jì)70年代初，西德 F.Blasschke等發(fā)明了感應(yīng)電機(jī)磁場定向的矢量控制系統(tǒng)，根據(jù)磁場等效[6]的基本原理，三相靜止坐標(biāo)、兩相靜止坐標(biāo)和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間可以進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，這樣就可以把對(duì)交流量的控制轉(zhuǎn)變成對(duì)直流量的控制，實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電機(jī)磁通與轉(zhuǎn)矩的解耦控制，簡化了控制要求，使系統(tǒng)得到較好的動(dòng)靜態(tài)性能。與感應(yīng)電機(jī)磁場定向的矢量控制相似，電壓定向控制(voltage oriented control，VOC)[7-8]和虛擬磁鏈定向控制(virtual flux oriented control，VFOC)[9-10] 也是通過引入坐標(biāo)變換以實(shí)現(xiàn)整流器dq軸電流解耦控制和單位功率因數(shù)運(yùn)行，本文采用了前者控制策略，通過原理分析和仿真驗(yàn)證，該策略是可行的。

1 VOC策略

充電設(shè)備主電路采用三相電壓型PWM整流電路。VOC是目前PWM整流器廣泛采用的一種控制策略。圖1給出這種基于電壓定向原理的矢量圖，圖1中:整流器的交流輸入側(cè)的電壓和電流矢量，在三相靜止坐標(biāo)系中表示為va，vb，vc，ia，ib，ic，在兩相坐標(biāo)系下表示為vLα，vLβ、iLα，iLβ，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中表示為vLd，vLq、iLd，iLq。由磁場等效的基本原理，就可以把對(duì)交流量的va，vb，vc，ia，ib，ic的控制轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)直流量vLd，vLq，iLd，iLq的控制。

根據(jù)Park變換原理，在靜止坐標(biāo)系上的三相正弦電壓va，vb，vc，在空間上可以等效成為一按正弦角頻率ω旋轉(zhuǎn)的空間電壓矢量vL，Park矢量變換關(guān)系為:

vL=23(va+avb+a2vc)=Vmejωt(1)

α=ej2π3，為旋轉(zhuǎn)因子;Vm為三相正弦電壓va，vb，vc的幅值。所謂電壓定向即令電壓空間矢量vL在t=0時(shí)刻與d軸重合，則有Vm=vLd，vLq=0，也稱為基于dq坐標(biāo)變換的矢量控制。控制框圖見圖2，采用的是直流電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，其中電壓外環(huán)保證穩(wěn)定的直流輸出，電流內(nèi)環(huán)迫使網(wǎng)側(cè)電流跟蹤電源電壓，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)。電壓調(diào)節(jié)器輸出有功電流給定i*Ld，為使整流器達(dá)到單位功率因數(shù)，設(shè)定無功電流給定i*Lq=0。

圖1 電壓定向控制(VOC)參考坐標(biāo)系和各矢量關(guān)系

圖2 電壓定向控制(VOC)系統(tǒng)框圖

2 仿真分析

仿真主電路參數(shù)為相電壓幅值Vm=250 V，等值電阻為R=0.1 Ω，電感為L=10 mH，直流側(cè)電容為C=1 000 μF，負(fù)載R=50 Ω。直流電壓給定:V*dc=550V。系統(tǒng)采樣頻率:fN=5 kHz，開關(guān)頻率:f=5 kHz。VOC系統(tǒng)在理想正弦電源電壓輸入時(shí)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行波形仿真波形如圖3所示。

控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)輸出直流電壓為550 V，輸入電壓與輸入電流同相位，功率因數(shù)近似為1，因此這種控制系統(tǒng)整流器的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能較理想。

3 結(jié) 語

本文對(duì)充電設(shè)備PWM整流電路基于電壓定向的矢量控制進(jìn)行了研究，分析了電壓定向原則，推導(dǎo)了dq軸電流解耦方式，仿真結(jié)果表明采用該方案整流器能快速跟蹤給定，具有直接電流控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)性能好的特點(diǎn)。由于采用了網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制也使網(wǎng)側(cè)電流控制對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不敏感，從而增強(qiáng)了電流控制系統(tǒng)的魯棒性。

圖3 正弦電源電壓輸入VOC系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行波形

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