基于虛擬電網(wǎng)磁鏈定向控制的PWM整流器控制策略研究

劉東耀　許少華　靳鞅

【摘 要】電壓型PWM整流器跟三相交流電機(jī)定子電路有很大的相似性，采用類似于交流電機(jī)磁鏈觀測的方法構(gòu)造出虛擬電網(wǎng)電壓矢量作為PWM整流器矢量控制的發(fā)生矢量，可以達(dá)到降低PWM整流器成本的目的。準(zhǔn)確觀測虛擬電網(wǎng)磁鏈成為該控制策略的關(guān)鍵，本文采用改進(jìn)型的虛擬磁鏈初值計(jì)算方案，能夠比較準(zhǔn)確的對虛擬磁鏈初值進(jìn)行估計(jì)，解決了整流器啟動(dòng)過程中沖擊電流過大甚至無法啟動(dòng)的問題。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果跟試驗(yàn)驗(yàn)證了觀測方法的正確性。

【關(guān)鍵詞】虛擬電網(wǎng)磁鏈；矢量控制；磁鏈初值；PWM整流器

【Abstract】There is a great similarity between the circuit of three-phase voltage-source PWM rectifier and the stator of an inverter-fed AC motor. Therefore a virtual line-flux-linkage vector can be constructed similarly to the observation of AC motor flux linkage， which may serve as the oriented vector in the vector control of the PWM rectifier instead of the line voltage vector. As a result， the line voltage sensors will be eliminated and the costs of PWM rectifier can be reduced. The key problem of the virtual line-flux-linkage vector oriented control of the PWM rectifier without line voltage sensors is to observe the virtual line-flux-linkage accurately. A new modified method to observe the virtual line-flux-linkage is been put forword this paper， which will restrain a large current rush， which sometimes could even cause the rectifier hard to start up. The validity of the observer has been proved good through the result both simulation and experiment.

【Key words】Virtual line-flux-linkage； Vector control； The initial value of line-flux-linkage； PWM rectifier

0 引言

PWM整流技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，其分為電壓型和電流型，目前廣泛應(yīng)用的是電壓型PWM整流器，主要采用電壓定向矢量控制方式，該方式需要檢測電網(wǎng)電壓、輸入電流和直流母線電壓，需要多種傳感器，眾多信號(hào)的采集處理使控制復(fù)雜，成本偏高。直流母線電壓傳感器用于穩(wěn)定直流母線電壓，交流電流傳感器為電流閉環(huán)提供反饋信號(hào)，進(jìn)行過流保護(hù)。電網(wǎng)電壓傳感器采集電網(wǎng)電壓提供同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換所需要的角度信號(hào)。如果能夠用電流傳感器獲得相應(yīng)的角度信息，那么就能省去電網(wǎng)電壓傳感器，這也是虛擬磁鏈技術(shù)提出的出發(fā)點(diǎn)。

無電網(wǎng)電壓傳感器控制，如果控制得當(dāng)，可以去除電網(wǎng)電壓波動(dòng)以及諧波的影響，虛擬電網(wǎng)磁鏈信號(hào)對于測量干擾有良好的抑制作用，所以基于虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的PWM整流器矢量控制具有相當(dāng)大的實(shí)用價(jià)值。

1 虛擬磁鏈定向的矢量控制

1.1 虛擬磁鏈的定向及VFOC

基于虛擬磁鏈定向的矢量控制（VFOC）是在基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制（VOC）基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。電網(wǎng)電壓有諧波干擾時(shí)，就會(huì)直接影響電網(wǎng)電壓基波適量相位角檢測，影響適量定向的精準(zhǔn)度和控制性能，還有可能造成系統(tǒng)震蕩。虛擬磁鏈可以將VSR交流側(cè)（濾波環(huán)節(jié)和電網(wǎng)）等效成一個(gè)交流發(fā)電機(jī)，三相電網(wǎng)電壓矢量經(jīng)過積分所得的矢量就是虛擬電動(dòng)機(jī)的氣隙磁鏈。由于積分的低通性，可有效抑制電網(wǎng)電壓諧波對磁鏈的影響，確保適量定向的精準(zhǔn)度。其控制思想如圖1。

由直流母線電壓Vdc跟功率變換器開關(guān)函數(shù)可以得到交流側(cè)輸出電壓的α、β分量，并由此可以算出三相電網(wǎng)電壓的α、β分量，對電壓進(jìn)行積分可以得到虛擬電網(wǎng)磁鏈，經(jīng)過變換便可得到控制系統(tǒng)進(jìn)行角度變換所需要的角度信息cosθ、sinθ，其系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2。

圖中利用兩相電流和開關(guān)管橋臂開關(guān)信號(hào)估計(jì)出虛擬磁鏈的α、β分量，進(jìn)而得到θ角的正余弦曲線，以此進(jìn)行坐標(biāo)變換，獲得無電網(wǎng)電壓傳感器虛擬磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，已完成系統(tǒng)的空間矢量控制（SVPWM）為整流器提供脈沖信號(hào)，控制開關(guān)管的開通與關(guān)斷。

1.2 虛擬磁鏈定向時(shí)積分漂移的克服

當(dāng)利用電網(wǎng)電壓積分進(jìn)行虛擬磁鏈定向時(shí)，存在積分漂移問題，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）當(dāng)通過A-D轉(zhuǎn)換對電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣時(shí)，由于采樣電路中點(diǎn)電壓的漂移，通常會(huì)導(dǎo)致采樣結(jié)果中伴隨著微小的直流分量，當(dāng)這個(gè)直流分量控制在誤差允許范圍內(nèi)時(shí)，對系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的影響可以忽略。然而，為實(shí)現(xiàn)虛擬磁鏈定向，則必須對電網(wǎng)電壓進(jìn)行積分，這樣直流分量誤差會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而越來越大，最終嚴(yán)重影響系統(tǒng)的定向準(zhǔn)確度。

（2）由于電網(wǎng)電壓是一個(gè)正弦信號(hào)，而對正弦信號(hào)進(jìn)行積分時(shí)，其積分結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一個(gè)和積分初值相關(guān)的直流分量，同樣也會(huì)造成定向誤差，如式（1）。

2 啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)與分析

2.1 采用零矢量發(fā)生的方法

如果采用微分環(huán)節(jié)求取電網(wǎng)角度時(shí)，對電流信號(hào)采用低通濾波器，其角度線性度不好。波形如下。其中左圖上邊波形為電網(wǎng)鎖相角度；左圖下邊波形為計(jì)算觀測的角度；右圖則分別為d軸和q軸電流。在截止頻率fz=1000Hz，T=0.0001情況下，發(fā)現(xiàn)電流存在直流偏移，且角度在過零基本一致。

截止頻率fz=100Hz，T=0.0001情況下，電網(wǎng)鎖相角度、計(jì)算觀測的角度、d軸和q軸電流如圖4所示：

2.2 利用鎖相原理的方法

如果利用鎖相原理，通過電流采樣，計(jì)算d、q軸磁通，并使q軸磁通控制為零的情況下，波形如下。其中左圖上邊為電網(wǎng)鎖相角度；左圖下邊為計(jì)算觀測的角度；右圖分別為d軸和q軸電流。

從圖中可以看到電網(wǎng)實(shí)際相位與虛擬磁鏈估計(jì)出的相位一致，可以滿足要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本次試驗(yàn)平臺(tái)為200kW/660V低壓變頻器，電感為1.875mH。采用虛擬磁鏈定向PWM整流控制和帶電網(wǎng)電壓傳感器的電壓定向PWM整流控制兩種方案進(jìn)行試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果對比，結(jié)果如下：

從圖中可以看出，虛擬磁鏈定向PWM整流控制可以達(dá)到帶電壓傳感器的PWM整流器的效果。

4 結(jié)束語

三相電壓型PWM整流器的主電路與三相交流電機(jī)的主電路有很大的相似性，可以采用類似于交流電機(jī)磁場定向矢量控制的方法對PWM整流器進(jìn)行無電網(wǎng)電壓傳感器控制，這樣可以省去PWM整流器電網(wǎng)電壓定向所必須的交流電壓傳感器，從而降低了PWM整流器的成本。準(zhǔn)確觀測虛擬電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)荘WM整流器無電壓傳感器控制的關(guān)鍵。本文提出了虛擬磁鏈初值估計(jì)的改進(jìn)型方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，本文所提出的方法比傳統(tǒng)不帶虛擬磁鏈初值計(jì)算的方法準(zhǔn)確度要高，PWM整流器啟動(dòng)過程中，電流沖擊較小，有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，具有很好的應(yīng)用前景。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]