直接功率控制的雙PWM變頻調速在泵站電機上的應用

李 瑾

(南昌工程學院 電氣工程學院，江西 南昌 330099)

近年來變頻調速技術已成為實現節能降耗的重要措施。由于采用二極管不控整流的電壓型交-直-交變頻器無法讓電能雙向傳遞，會使電機的再生能量在直流側濾波電容上產生的泵升電壓造成主電路中功率器件、濾波電容的過壓損壞[1]。而PWM技術具有能大大降低直流側泵升電壓以增強系統工作的可靠性，輸出諧波含量小，功率因數近于1，并可實現轉差功率的雙向流動從而提高電能利用率等優點而被廣泛用于電機變頻調速系統[2]。本文提出了一種整流側采用引入新型開關矢量表的DPC，機側變流器采用轉子磁場定向的矢量控制的雙PWM變頻調速系統，對其網側和機側進行仿真實驗的結果表明，將該調速方案用于泵站電機不僅可減小網側電流的諧波，還能增強直流母線電壓的穩定性和系統的抗擾能力，從而顯著減小電容體積并降低成本。

1 雙PWM變換器數學模型

整流和逆變部分都引入PWM技術的雙PWM變頻調速系統主電路見圖1，其變頻器再生能量可回饋電網并能方便地實現電機的四象限運行[3]。

圖1 雙PWM變頻調速系統主電路

圖2是主電路中的PWM整流器，它在同步dq坐標系下的數學模型如下：

(1)

式中：ed、eq—三相電網電動勢ea、eb、ec經3s/2r坐標變換后得到的d、q軸分量id、iq—三相電流ia、ib、ic經3s/2r坐標變換后得到的d、q軸分量。

開關函數SK=1表示上橋臂開通，下橋臂關斷，SK=0則反之(K=d，q)。

圖2 三相電壓型PWM整流器電路

2 網側PWM整流器DPC控制系統

2.1 DPC 控制系統結構圖

PWM整流器DPC控制系統如圖3所示，其控制部分為電壓外環功率內環的雙閉環結構，直流母線電壓給定值與實際值的差作為外環PI調節器的輸入，其輸出與直流側電壓給定值相乘作為有功功率給定值，無功功率給定值設為0以使功率因數為1。有功和無功功率的給定值與其實際值比較后作為滯環比較器的輸入，由滯環比較器的輸出和扇區判斷模塊輸出的θ值就可從開關矢量表中選擇合適的電壓矢量來控制功率開關器件。

圖3 PWM整流器 DPC 控制系統

2.2 滯環比較器

滯環比較器采用bang-bang 控制，單級滯環比較器的輸出只有1和0兩個值，這里采用三電平有功功率滯環比較器，在-Hp

(2)

(3)

2.3 開關矢量表

DPC的核心是選擇開關矢量，傳統DPC忽略了平波電抗器電壓降可能使無功功率不可控，換相時刻不可控程度會更大[5]。本文采用表1所示的新型開關矢量表以縮小無功功率的不可控區并降低開關頻率[6]，其中Sp、Sq分別是有功和無功功率滯環比較器的輸出，θ1～θ12對應扇區1～12。

3 機側PWM變流器的控制策略

機側變流器采用將d軸定向于轉子磁鏈矢量ψr方向上即轉子磁場定向的矢量控制并引入SVPWM技術。將異步電機的數學模型從三相靜止的abc坐標系變換到按轉子磁鏈定向的兩相同步旋轉的dq坐標系，可得ψr只與d軸分量id有關而與q軸分量iq無關，電磁轉矩Tem則由iq決定而跟id無關。采用轉速和磁鏈閉環的矢量控制系統框圖見圖4。

圖4 矢量控制系統框圖

表1 新型開關矢量表

4 仿真實驗

4.1 網側PWM整流器仿真

1)純電阻負載。采用新型開關矢量表的PWM整流器的Matlab仿真模型如圖5所示，圖中扇區判斷和三電平有功功率滯環比較器的子系統由編寫m函數實現，開關矢量表子系統通過兩個二維表實現。仿真參數如下：電源線電壓380 V，網側電阻值R=10 Ω，電感值L=4.8 mH；母線電容C=4700 uF；電容初始電壓設為500 V，直流側電壓Vdc的給定值為600 V，滯環環寬Hp=±400 W。圖5中有功和無功功率計算的子系統如圖6所示。

圖5 PWM整流器的Matlab仿真模型

圖6 有功和無功功率計算的子系統

負載電阻初始值設為30 Ω，于t=0.1 s由30 Ω突變為5 Ω，圖7(a)是網側a相電壓和電流仿真波形。負載電阻初始值不變，在t=1 s由30 Ω突變為20 Ω所得的直流側電壓波形見圖7(b)，在t=0.6 s負載電阻由30 Ω突變為15 Ω所得的有功、無功功率的波形分別如圖7(c)和(d)所示。

(a)網側a相電壓和電流

由圖7(a)可見網側電壓與電流是相位相同的正弦波，在t=0.1 s負載阻值突降時，網側電流明顯增大，而且再次達到穩態時電壓與電流依然同相，可見網側電流隨負載的變化而變化且能實現整流狀態的單位功率因數運行。

圖7(b)中，t=0時直流母線電壓Vdc由初始值500 V開始上升，經0.16 s達最大值710 V，約在t=0.6 s時達到給定值600 V，在t=1 s負載阻值突降后Vdc降至約550 V，經短暫的動態調整后又回升到給定值600 V。

從圖7(c)可看出在t=0.6 s突加負載之后有功功率值從原來的穩態值約20 KW經過約0.1 s的調整時間就達到新的穩態值約40 KW，動態響應較快。圖7(d)中在t=0.2 s之后無功功率為零，可見帶純電阻負載時PWM整流器處于整流狀態，且功率因數等于1。

2)反電勢負載。當負載反電動勢EL=2000 V，負載電阻RL=40 Ω時，得到的網側a相電壓和電流波形、直流側電壓波形與有功功率波形如圖8所示。圖8(a)中電壓與電流波形的正弦度高，RL上電壓為負，跟整流狀態相比負載電流反向了也就是電壓電流相位相反，說明電能從負載側流向電網側，整流器處于逆變狀態。圖8(b)中，直流側電壓Vdc從初始值500 V開始上升，于0.12 s達到最大值705 V，在t=0.6 s時穩定在給定值600 V，紋波較小。圖8(c)中，逆變狀態時id為負，有功功率P=udid經過約0.1 s的調整時間達到負的穩態值。

(a)網側a相電壓和電流

由圖8可得出結論：DPC下的雙PWM變流器可實現能量的雙向流動以提高電能利用率，并能實現逆變時的單位功率因數運行。

4.2 機側PWM變流器仿真

圖9 機側PWM變流器的仿真模型

圖10(a)中三相定子電流在約t=0.2 s達到穩態，在t=0.4 s給定角速度ω*突降后，定子電流增大，經短暫的動態調整之后達到新的穩態，定子電流頻率降低，圖中定子電流在穩態時都是三相對稱的光滑正弦波。由圖10(b)和圖10(c)兩圖可看出，異步電機起動后其角速度ω迅速上升，電磁轉矩Tem先快速增大，在t=0.04 s左右Tem達到最大值約13 N·m之后很快回落，約在t=0.06 s時ω達到給定初值80 rad/s，Tem回到零值。t=0.4 s時ω*突降后，Tem變為負值使ω迅速減小，電機經過短暫的制動狀態后Tem又為正，在約t=0.44 s時達到新的穩態，ω降到新的角速度給定值40 rad/s，Tem重回到零值。

(a)定子三相電流

(b) 轉子角速度

5 結語

針對傳統的交-直-交變頻器中電能無法雙向傳遞、電機的再生能量在濾波電容上產生的過高的泵升電壓會給系統帶來危害的問題，本文提出了一種整流側采用引入新型開關矢量表的DPC控制，機側變流器采用引入SVPWM技術的轉子磁場定向矢量控制的雙PWM變頻調速系統，仿真實驗的結果表明，該控制方案實現了網側電流諧波小、功率因數近于1、直流側電壓穩定性高的控制目標，且減小了無功功率的波動，在電機突加負載時系統能迅速反應而很快達到穩態，從而證明了將采用該控制策略的雙PWM變頻調速系統用于泵站電機的有效性和可行性。