PWM整流器中相序調(diào)整的新方法-技術方案

精品文檔-下載后可編輯PWM整流器中相序調(diào)整的新方法-技術方案摘要：建立三相電壓型PWM整流器的數(shù)學模型，并在此基礎上針對PWM整流器輸入端的相序與電網(wǎng)相序不能匹配問題，通過對整流器輸入端的電壓、電流相位和內(nèi)部算法中扇區(qū)號排列順序的分析，提出一種新的三相電源相序調(diào)整方法，能有效匹配整流器與電網(wǎng)的相序。通過仿真和實際運行驗證了該方法的可行性。

1引言

PWM整流器不僅可以控制AC/DC變換性能，而且可實現(xiàn)網(wǎng)側單位功率因數(shù)和正弦波電流控制，甚至能使電能雙向傳輸[1],因此被廣泛應用于功率因數(shù)補償、高性能整流器、電能回饋、有源濾波等領域。整流器的輸入端來自電網(wǎng)的三相電源，其相序a,b,c在保證相位差120°的前提下只是一個相對量，而整流器算法中三相電源的相序涉及大量的數(shù)學變換以及PWM波的輸出，需在輸入端定義。這樣如果輸入端接線錯誤，就不能實現(xiàn)算法功能。因此在不同的電網(wǎng)環(huán)境，必須先用儀器測量相序，再讓整流器工作，這樣的過程繁瑣且容易出錯。在此提出一種新的三相電源相序調(diào)整方法，有效地解決了上述問題。

2PWM整流器的數(shù)學模型及控制策略

2.1PWM整流器的基本結構

圖1示出三相VSR主電路結構?？梢姡撾娐酚山涣鱾热嚯姼?、三相全控橋、直流側濾波電容組成。當VSR正常工作時，通過PWM波控制開關管的關斷順序，實現(xiàn)能量的雙向傳輸。

圖1三相橋式電壓型PWM整流器

橋臂上下兩個功率開關管的導通是互補的，即上橋臂開關管導通時，對應的下橋臂功率開關管關斷，其相應的邏輯開關函數(shù)為：

2.2數(shù)學模型及控制策略

設定電網(wǎng)電壓為：

式中：uao,ubo,uco分別為交流側a,b,c與電源中點o間的電壓；Up為峰值電壓。

由式（1）可得出三相靜止坐標系下的開關函數(shù)數(shù)學模型為：

式中：ia,ib,ic為交流側電流；Udc為直流側的負載電壓。

為判別相序，將三相電壓轉換成線電壓。根據(jù)Clarke變換，將a,b,c坐標系轉換為α，β坐標系：

式中：uab,ucb分別為線電壓，且以b相為參考點；uα,uβ,iα,iβ分別為α，β坐標系中的電壓和電流。

根據(jù)Park變換，將α，β坐標系轉換為兩相旋轉d,q坐標系：

式中：ud,uq,id,iq分別為d,q坐標系中的電壓和電流；θ=2πft,f為電網(wǎng)頻率，0≤t≤Tuα,Tuα為uα的周期。

經(jīng)過以上變換后，在d,q坐標系中的三相電壓型PWM整流器的數(shù)學模型為：

令交流側電壓矢量在d,q軸上的分量分別為upd=UdcSq,upq=UdcSd.在式（6）中，d,q軸變量互相耦合，因而不能對其電流進行單獨控制。通過id,iq的前饋解耦控制，對ud,uq進行前饋補償，并且采用電流預測法對電流環(huán)進行控制，方程如下：

式中：id*為電壓環(huán)PI的輸出值；iq*=0.

將第k+1次采樣周期時輸入電流的采樣值，用給定值id*（k+1），iq*（k+1）來代替，計算出符合電流變化的輸出電壓矢量。在PWM中運用空間矢量法合成輸出電壓矢量，使下采樣時刻的實際電流以特性跟隨下一時刻的參考電流。

控制系統(tǒng)的電壓外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，其輸出得到三相參考電流幅值基準i*,i*就是d,q旋轉坐標系下的電流給定值id*（k+1），iq*（k+1）。只要在開關周期內(nèi)實現(xiàn)式（7），即可實現(xiàn)電流無差拍控制。

3相序調(diào)整原理

設a,b,c為電網(wǎng)的三相端，a′，b′，c′為整流器三相輸入端，其連接方式有：①a′-a,b′-b,c′-c;②a′-b,b′-c,c′-a;③a′-c,b′-a,c′-b;④a′-c,b′-b,c′-a;⑤a′-b,b′-a,c′-c;⑥a′-a,b′-c,c′-b.連接法①是相位直接匹配，在連接法②，③中，電網(wǎng)和整流器相位依次交錯但相序一致，用這3種連接方法能產(chǎn)生正確的驅動波形，線電壓分別為：

連接法④~⑥中，僅兩相交錯連接，相序改變，從而影響驅動波形的輸出，線電壓分別為：

式（11）和（8）、式（12）和（9）、式（13）和（10）中線電壓互換，又因為式（8）~（10）的輸出線電壓一致，可推出式（11）~（13）的輸出線電壓一致，所以整流器的線電壓uab′,ucb′在6種進線方式下分別有兩種波形且相位差60°，區(qū)分這兩種波形即可區(qū)分接線正確與否。y1=sin（2πt/T+φ），y2=sin（2πt/T+φ+π/3），其中T為周期，φ為初相角，y1和y2分別是關于時間t的函數(shù)，且y2比y1超前60°。當t=（T/2π）（2kT-φ-π/3），k=0,1,2…，即y2處于過零點且上升沿位置，此時y1=-√3/20;當t=（T/2π）（2kT-φ），即y1處于過零點且上升沿位置，此時y2=√3/20.同理，當uab′處于過零點且上升沿位置，通過判斷ucb′是否大于零就可判斷出輸入端接線是否正確。當判斷接線錯誤時，互換uab,ucb可將線電壓調(diào)整正確，α，β坐標系下的電壓為：

互換線電壓會導致扇區(qū)號呈順序排列，使電壓空間合成矢量的旋轉方向也由逆序變成順序。

為保證電壓空間合成矢量按照逆序旋轉，可從開關器件切換點的時間T1,T2,T3入手，表1,2分別為逆序旋轉和順序旋轉。

表1扇區(qū)切換點時間（逆序）

表2扇區(qū)切換點時間（順序）

由此可知在互換線電壓的基礎上還要通過互換切換點時間Ta,Tc,才能使電壓空間合成矢量的旋轉方向按照逆序旋轉。在此線電壓是以b相電壓為參考電壓，uab,ucb的互換其實也是ua,uc的互換，輸入電壓與電流相位跟隨，所以當判斷接線錯誤時，ia,ic也要互換，α，β坐標系下的電流iα,iβ為：

4仿真結果

仿真參數(shù)：網(wǎng)側電感為5mH,直流側電容為1100μF,開關頻率10kHz,輸出功率15kW.改變整流器輸入端的接線，均可得到圖2所示的效果。

圖2仿真波形

5實驗結果

實驗參數(shù)與仿真參數(shù)一致。由于輸入端是線電壓，直接觀察三相坐標系中電壓電流的動態(tài)變化不方便，所以圖3中顯示的是兩相靜止坐標系中的電壓電流及輸出的直流側負載電壓。

按照連接法④~⑥進行實驗，結果均與圖3一致，說明輸入電壓與電流跟隨且輸出直流電壓穩(wěn)定；在15kW帶載條件下測得的失真度為6.03%.