礦用變頻器三電平PWM整流器控制策略研究*

周德華

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

目前變頻器在煤礦井下煤礦運(yùn)輸裝備、通風(fēng)機(jī)、水泵等控制系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)變頻器的控制也提出了更高的要求，即三電平整流器比二電平整流器具有明顯優(yōu)勢(shì)。三電平整流器可任意調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，還可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，使異步電動(dòng)機(jī)能工作在四象限運(yùn)行狀態(tài)。該可控整流器有兩個(gè)控制目標(biāo)：

1) 功率因數(shù)為1。

2) 直流電壓恒定在某個(gè)數(shù)值[1]。

本文對(duì)三相三電平整流器在三相不平衡的情況下進(jìn)行了分析研究。

1 三電平整流器控制系統(tǒng)

三電平整流器控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 三電平整流器控制系統(tǒng)

由圖1所示，其有功功率和無功功率為：

p=eaia+ebib+ecic

(1)

(2)

通過坐標(biāo)變化可得：

(3)

其指令電流為：

(4)

式(3)中pr為有功功率指令，與直流側(cè)電壓關(guān)聯(lián)，故：

(5)

輸出測(cè)電壓的d、q分量vd、vq分別為：

(6)

由此，控制系統(tǒng)在dq坐標(biāo)系中的模型為：

(7)

式中：p為微分算子。

電壓指令為：

(8)

式中:vrd、vrq為坐標(biāo)系dq中的指令電壓；ird、irq為坐標(biāo)系dq中的網(wǎng)側(cè)指令電流[2]。

2 電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)三電平PWM整流器控制技術(shù)

2.1 平衡控制策略

2.1.1 正、負(fù)序電量關(guān)系

當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，電網(wǎng)電壓相當(dāng)于正序電壓、負(fù)序電壓和零序電壓的疊加，為下式:

通過坐標(biāo)變換，得：

(10)

式中:K(ωt)為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換矩陣。

為便于討論，其整流器交流輸出端電壓僅含正序基波分量，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)交流側(cè)等效電路圖

2.1.2 正、負(fù)序分量數(shù)學(xué)模型

為便于分析，僅考慮基波分量，其電壓空間矢量為：

(11)

當(dāng)電網(wǎng)電壓三相不平衡時(shí),電壓、電流為：

(12)

式中:VP、VN為交流側(cè)電壓矢量；IP、IN為電流矢量。

由此，空間矢量的數(shù)學(xué)模型為：

(13)

將式(13)坐標(biāo)進(jìn)行變換，得：

(14)

2.1.3 有功功率和無功功率

將式(9)和式(10)分別代入式(1)和式(2)，得:

(15)

式中:p0、q0為有功、無功功率平均值；pc2、ps2為有功功率最大值；qc2、qs2為無功功率最大值。

由此，控制策略的算法為：

(16)

由式(16)可知，控制策略的算法包括有功功率、無功功率、二次諧波。

2.2 優(yōu)化控制策略

2.2.1 阻抑網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流不平衡的控制算法

(17)

由式(17)求得正序電流指令

(18)

整流器交流側(cè)正序電壓控制指令為：

(19)

負(fù)序電壓控制指令為：

(20)

通過上述理論，控制策略系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.2 網(wǎng)側(cè)電壓、電流正、負(fù)序分量的檢測(cè)

1) 電壓控測(cè)。設(shè)電網(wǎng)電壓只含有基波分量，即

(21)

Kj∈[0,1]αj∈[-π,π] (j=a,b,c)。

可得表達(dá)式為：

(22)

由此可知，正序電壓的相位角(ωt)P和負(fù)序電壓的相位角(ωt)N，經(jīng)過dq變換，得到相應(yīng)的d、q軸分量，其電壓檢測(cè)方法如圖4所示。

要設(shè)計(jì)陷波器(即帶阻濾波器)消除諧波，其陷波器的傳遞函數(shù)為:

(23)

式中:ω0為陷波角頻率；Q為品質(zhì)因數(shù)。

圖4 電壓檢測(cè)方法

2) 電流檢測(cè)。根據(jù)三相電路理論可得到電網(wǎng)電流正、負(fù)序分量的檢測(cè)方法。圖5為基波正序電流的檢測(cè)方法。

圖5 電流分量檢測(cè)

圖5中:

(24)

3 仿真分析

為了驗(yàn)證上述控制策略，進(jìn)行了仿真研究。電網(wǎng)電壓為：

(25)

圖6為采用平衡控制策略的仿真圖，即電壓仿真、電流仿真、直流側(cè)電壓仿真、有功功率仿真及無功功率仿真。

(a)電壓仿真

(b) 電流仿真

(c) 直流側(cè)電壓仿真

(d) 有功功率仿真

(e) 無功功率仿真圖6 采用平衡控制策略時(shí)的仿真圖

圖7為采用阻抑網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流的不平衡控制策略時(shí)的仿真圖，即電流仿真、直流側(cè)電壓仿真、有功功率仿真及無功功率仿真。

(a) 電流仿真

(b) 直流側(cè)電壓仿真

(c) 有功功率仿真

(d) 無功功率仿真圖7 采用阻抑網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流的不平衡 控制策略時(shí)的仿真圖

仿真結(jié)果分析表明，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，采用平衡控制策略，網(wǎng)側(cè)三相輸入電流不平衡。采用阻抑網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流的控制策略，能有效地改善網(wǎng)側(cè)電流波形，使其基本對(duì)稱。

4 結(jié)論

本文給出了三相PWM控制器數(shù)學(xué)模型，對(duì)三相三電平整流器在三相不平衡的情況下進(jìn)行了分析，仿真表明能夠改善網(wǎng)側(cè)電流波形，使其基本對(duì)稱，但網(wǎng)側(cè)有功功率和無功功率仍存在二次諧波。