一種三狀態(tài)直接功率控制策略

一種三狀態(tài)直接功率控制策略

1控制策略的發(fā)展隨著能源電子技術(shù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，基于脈寬調(diào)節(jié)（pm）技術(shù)的各種變流裝置在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。PWM整流器具有網(wǎng)側(cè)電流正弦、單位功率因數(shù)和方便實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),真正實(shí)現(xiàn)了電能的“綠色變換”。以正弦波電流為目標(biāo)的各種控制結(jié)構(gòu)和控制算法也被提出。20世紀(jì)90年代初,TokuoOhnishi提出一種將瞬時(shí)有功功率、無功功率概念用于PWM變換器的控制策略,隨后ToshihikoNoguchi等學(xué)者進(jìn)行了研究并取得了進(jìn)展,提出了直接功率控制(DPC)策略。該方法具有算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率因數(shù)高、THD低和良好的動(dòng)態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的DPC策略采用功率內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的控制結(jié)構(gòu),將給定與實(shí)際的有功、無功功率相比較,通過查詢開關(guān)表選擇電壓矢量,來控制PWM整流器的開關(guān)狀態(tài)。由于引入大量零矢量,受到使用一個(gè)開關(guān)表同時(shí)調(diào)節(jié)有功和無功解耦能力的限制,導(dǎo)致傳統(tǒng)DPC策略的網(wǎng)側(cè)電流仍然具有較高的諧波含量,且在每個(gè)周期內(nèi)存在一段時(shí)間的無功失控區(qū)域。為了改善DPC策略的性能,許多學(xué)者進(jìn)行了研究,提出了各種改進(jìn)算法和雙開關(guān)表結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)采用無交流電壓傳感器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)的魯棒性,但沒有改進(jìn)DPC策略的核心開關(guān)表;文獻(xiàn)提出了雙開關(guān)表結(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,但所采用的雙開關(guān)表結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)是單獨(dú)控制有功功率和無功功率,導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能欠佳。本文在分析DPC系統(tǒng)的各種改進(jìn)方案基礎(chǔ)上,基于雙開關(guān)表結(jié)構(gòu)的思想,提出了一種新型三狀態(tài)DPC策略。該策略通過增加一個(gè)標(biāo)示有功功率、無功功率狀態(tài)的變量來細(xì)分開關(guān)表,優(yōu)化了對(duì)有功和無功功率的控制,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該算法具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性。2采用vmm全流器模型和瞬時(shí)功率理論2.1基爾霍夫?yàn)V波器三相電壓型PWM整流器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中,Ua、Ub、Uc為對(duì)稱三相電源電壓;ia、ib、ic為流入整流器的三相電流;R、L分別為濾波電抗器的電阻和電感;Ura、Urb、Urc為輸入整流器的三相離散電壓信號(hào);C為濾波電容;RL為負(fù)載電阻;Udc為直流側(cè)電壓;iL為負(fù)載電流;Si(i=a、b、c)為表征開關(guān)器件狀態(tài)的函數(shù),可以表示為在交流側(cè)運(yùn)用基爾霍夫電壓定律可得式中,UON為ON點(diǎn)之間的電壓。式(2)可簡(jiǎn)寫成在直流側(cè)運(yùn)用基爾霍夫電流定律可得式中,idc=Saia+Sbib+Scic。式(4)與式(5)構(gòu)成了PWM整流器在abc坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型。2.2旋轉(zhuǎn)電流矢量i定義三相電壓和電流的瞬時(shí)值分別為ua、ub、uc和ia、ib、ic,電壓和電流分別構(gòu)成旋轉(zhuǎn)電壓矢量u和旋轉(zhuǎn)電流矢量i,兩個(gè)矢量之間的夾角為θ。定義電流矢量i投影在電壓矢量u上的分量為有功分量ip,投影在u法線方向上的分量為無功分量iq。瞬時(shí)有功功率和無功功率分別為根據(jù)上述定義和計(jì)算,在DPC系統(tǒng)中對(duì)電壓和電流采樣,實(shí)時(shí)計(jì)算PWM整流器上傳遞的有功和無功功率,為DPC策略的實(shí)現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)。3直接功率控制的三個(gè)單元的原理3.1直流側(cè)小擾動(dòng)、中功率大變化的控制策略結(jié)合三相PWM整流器數(shù)學(xué)模型搭建如圖2所示的控制系統(tǒng)。在交流側(cè),采用霍爾傳感器采集兩相電壓和電流信號(hào),實(shí)時(shí)計(jì)算輸入整流器的有功功率P和無功功率Q。通過三相電壓信號(hào)的正負(fù)和相互之間的大小關(guān)系判斷空間電壓矢量所處的扇區(qū)號(hào)Sr(r=0~12),如圖3所示。直流側(cè)采用電壓外環(huán)、功率內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)。有功功率給定為Pref,電壓外環(huán)起到快速跟隨電壓給定Ud*c的作用。為了實(shí)現(xiàn)三相PWM整流器單位功率因數(shù)控制,無功功率的給定Qref為零。通過比較P、Q和Pref、Qref產(chǎn)生有功和無功的功率狀態(tài)變量Sp和Sq,此處有別于傳統(tǒng)DPC系統(tǒng)的滯環(huán)比較的定義方式。將Sp和Sq重新定義成三狀態(tài)的變量式中,Hp和Hq分別為有功、無功功率偏移給定值的限幅寬度。將Sp和Sq以及Sr信號(hào)送入開關(guān)表,得到PWM整流器的開關(guān)信號(hào)。3.2ur時(shí).ur-pcr的數(shù)學(xué)模型根據(jù)上面的分析可知,三狀態(tài)DPC系統(tǒng)的核心在于開關(guān)表的構(gòu)建,將式(4)兩邊積分并忽略電阻的影響得因此,構(gòu)建開關(guān)表的關(guān)鍵是選擇合適的電壓矢量Ur,由其調(diào)節(jié)電流矢量逼近給定值。Ur的選擇可以根據(jù)PWM整流器開關(guān)信號(hào)Sa、Sb、Sc的取值,SaSbSc=000~111對(duì)應(yīng)于Ur(r=0~7),即U0(000),U1(100),U2(110),U3(010),U4(011),U5(001),U6(101),U7(111),其中U0和U7為零矢量,電壓電流矢量和扇區(qū)編號(hào)的空間矢量圖如圖4所示。在圖4中,設(shè)電壓矢量U在S1扇區(qū)。為了實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制,給定電流矢量I與U同相位,其幅值取決于有功功率給定Pref。根據(jù)上一節(jié)對(duì)Sp、Sq的三狀態(tài)定義,將實(shí)際電流矢量所處的位置劃分為圖4所示的9個(gè)區(qū)域。如果實(shí)際的電流矢量處于最中間的區(qū)域(Sp=Sq=0),說明有功和無功都較好的跟隨了給定,無需進(jìn)行調(diào)節(jié)?，F(xiàn)取I1和I2所處的位置分析Ur選取的原則。I1代表Sp和Sq中有一個(gè)為零,這時(shí)只需調(diào)節(jié)功率狀態(tài)變量不為零的量,I1(Sp=1,Sq=0)表示需要調(diào)節(jié)的是有功功率。根據(jù)式(9)和圖4可知,選擇U4能使I1沿著U-U4的方向逼近I,且在這一過程中對(duì)無功功率影響很小。I2(Sp=-1,Sq=-1)所處的位置代表Sp和Sq都不為零的情況,此時(shí)需要同時(shí)調(diào)節(jié)有功和無功功率。選擇U1使I2沿著U-U1方向逼近I,使I2的有功和無功分量都得到了有效調(diào)節(jié)。因此,開關(guān)表在Sp=1,Sq=0,Sr=1的位置上選擇U4(011),而在Sp=-1,Sq=-1,Sr=1的位置上選擇U1(100)。按照上述選擇Ur的思路,得到三狀態(tài)DPC策略開關(guān)表見下表。4在三個(gè)狀態(tài)下，直接功率控制策略的模擬和實(shí)驗(yàn)4.1a、bc兩相線電壓仿真按圖3所示結(jié)構(gòu),在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建仿真模型,系統(tǒng)參數(shù)如下:負(fù)載電阻初始值為RL=22Ω,由5個(gè)110Ω電阻并聯(lián)得到,負(fù)載突變后切去兩個(gè)電阻,LR′=110/3Ω;濾波電感L=7mH;濾波電容C=3000μF;電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器比例常數(shù)Kp=0.8,積分常數(shù)Ki=0.2;Hp=4W;Hq=4var。仿真結(jié)果如圖5所示。由圖可知,網(wǎng)側(cè)A相電流波形接近正弦。圖5a所示為BC相線電壓與A相電流,A相電流超前BC相線電壓90°。整流器輸入的有功和無功功率實(shí)現(xiàn)了解耦,無功功率基本為零,實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)控制,直流側(cè)電壓穩(wěn)定,負(fù)載突變后系統(tǒng)能夠迅速跟隨,電壓電流超調(diào)較小,減小了對(duì)電網(wǎng)和直流側(cè)電容的沖擊。4.2控制策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果按照?qǐng)D3和前表所示的結(jié)構(gòu)和參數(shù)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),選用功率MOSFETIRF360構(gòu)成三相PWM整流器主電路,主控制器采用TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812,系統(tǒng)其余參數(shù)與仿真參數(shù)一致。三狀態(tài)DPC策略實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示,與圖5的仿真結(jié)果相吻合,證明了控制策略的可行性和有效性。所研究系統(tǒng)采用三相三線制隔離變壓器,圖6a給出了A相電流和BC相線電壓的波形,電流相位超前電壓90°,從圖中可以清晰地看出電流的過零點(diǎn)與電壓的峰值相對(duì)應(yīng),說明系統(tǒng)運(yùn)行在單位功率因數(shù)。圖6b給出了負(fù)載突變瞬間A相電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng),由圖可知電流響應(yīng)迅速,過渡平穩(wěn),幾乎沒有超調(diào)。直流母線電壓負(fù)載抗擾動(dòng)波形如圖6d所示,負(fù)載突變時(shí)電壓環(huán)跟蹤及時(shí),超調(diào)量小。5dpc系統(tǒng)結(jié)構(gòu)針對(duì)傳統(tǒng)DPC系統(tǒng)有功功率、無功功率控制解耦不充分的問題,本文提出了一種新的功率狀態(tài)變量定義方式,以此為基礎(chǔ)給出了三狀態(tài)DPC控制策略,構(gòu)建了三狀態(tài)DPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu),給出了開關(guān)表的構(gòu)成方法。所建立的DPC控制系統(tǒng)既能在穩(wěn)態(tài)時(shí)同