電網平衡條件下三相pwm整流器電感設計

電網平衡條件下三相pwm整流器電感設計

1控制不平衡控制策略為了確保全流器能夠在不平衡條件下穩(wěn)定運行，通常采取兩種措施。首先，通過適當增加整流器的直接和外部能耗，我們可以抑制輸出電壓和交流波形的電壓。其次，采用不平衡控制策略。本文提出在三相PWM整流器控制系統(tǒng)中使用不平衡控制策略的前提下,分別在電網平衡和不平衡條件下設計電感的參數,通過反復仿真實驗得知,如果使用在電網不平衡的條件下設計的電感,三相PWM整流器盡管在電網不平衡的條件下可以穩(wěn)定運行,但是當電網平衡時,就不一定能實現(xiàn)穩(wěn)定運行,所以在設計交流側電感時應該綜合考慮電網的兩種狀態(tài),文獻僅在電網不平衡下設計電感參數,忽略了電網不平衡只是一瞬態(tài)或暫態(tài)現(xiàn)象,這樣的設計方法還有待改進。2電網不平衡時三元vsr交流電流控制策略在三相電網不平衡條件下,三相VSR網側視在復功率S為式中:P,Q分別為三相VSR網側有功功率、無功功率。式中:P0,Q0為有功、無功功率平均值;Pc2,Ps2為2次有功余弦、正弦項諧波峰值;Qc2,Qs2為2次無功余弦、正弦諧波峰值。顯然,式(2)表明,當電網不平衡時,三相VSR網側有功功率P(t)、無功功率Q(t)均含有2次諧波分量。為抑制電網不平衡對VSR控制的影響,根據對三相VSR有功功率P、無功功率Q的不同要求,可以求出電網不平衡條件下三相VSR交流電流控制指令,若ME的逆矩陣存在,則當電網不平衡時,由于負序電流的存在,使三相VSR交流側電流不對稱,從而影響三相VSR的運行。為抑制電網不平衡條件下三相VSR交流負序電流,則令iqN=idN=0,并帶入式(2)。為了取得單位功率因數控制,可令平均無功功率,指令值Q0*=0。由于P0*表示三相VSR平均有功功率指令,因而與三相VSR直流側電壓平均值相關,當三相VSR直流電壓調節(jié)器采用PI調節(jié)器時,其調節(jié)器輸出與三相VSR直流電流指令相對應,因此式中:KVp,KVI分別為電壓調節(jié)器比例、積分增益。聯(lián)立式(3)與式(4),即可取得電網不平衡時抑制三相VSR交流負序電流指令iqP*,idP*。求出iqP*,idP*之后,即可采用三相VSR坐標系(d,q)中電流的前饋解耦控制。由該控制策略原理可知該控制策略只是使三相VSR交流負序電流為零,即iqN=idN=0。然而,由于電網負序電動勢的存在,三相整流器網側有功功率P(t)仍然存在2次諧波分量,所以,三相VSR直流側電壓將存在2次諧波分量。3電流跟蹤過程電網平衡的條件下PWM整流器交流側電感的設計主要考慮以下兩個方面:一是抑制諧波電流;二是滿足瞬態(tài)電流跟蹤要求。電感值太小會導致電源電流中諧波含量增加,電流的總諧波畸變率(THD)增大;而電感過大則會降低電源電流跟蹤性能。如果要求電流內環(huán)獲得較快的電流跟蹤時,那么電流調節(jié)器須按I型系統(tǒng)設計。當開關頻率足夠高時,電流內環(huán)具有較快的動態(tài)響應。圖1中a相忽略電阻后電壓方程為考慮單位功率因數下電流過零(ωt=0,ea=0)處附近一個PWM開關周期Ts中的電路瞬態(tài)過程,其波形如圖1所示。穩(wěn)態(tài)條件下,當0<t<T1時,sa=0,當T1<t<Ts時,sa=1,從圖1和式(6)、式(7)可知,考慮要求電流上升如圖1所示,則跟蹤電流必須也上升,此時式(6)、式(7)中sb=sc=1。如滿足快速電流跟蹤要求,則聯(lián)立式(6)、式(7)和式(8)得在分析抑制諧波電流時電抗器的設計。考慮單位功率因數下電流峰值處(ωt=90°,ea=Em),附近一個開關周期Ts中電流跟蹤過程,如圖2所示。穩(wěn)態(tài)條件下,當0<t<T1時,sa=0,當T1<t<Ts時,sa=1,在電流峰值處,聯(lián)立式(10)、式(11)和式(12)并考慮sb=sc=0,又因Vdc≥2Em,故綜上所述,滿足動態(tài)響應時電抗器取值范圍為4交流側電容二次諧波的抑制策略當電網不平衡時,依照上面所述增大交流側電感,雖然可以抑制交流側負序電流,進而降低諧波幅值,但電感、電容取值過大,也會影響三相PWM整流器運行性能。由于交流電流負序分量的加入,使交流側三相電感上瞬時有功功率含有二次諧波,所以整流器交流側輸入的瞬時功率也含有二次諧波。三相電感上的瞬時功率為在基于正、負序旋轉坐標下的不平衡控制策略中,控制電網側輸入瞬時功率的二次脈動分量為零,所以整流器直流側輸出瞬時功率為由式(16)可知,由于交流側三相電感上的二次脈動瞬時功率的存在,直流側輸出的瞬時功率含有二次的脈動分量。從而使輸出的直流電壓含有一定的二次脈動分量,直流側瞬時功率的二次脈動分量就正比于交流側電感L,電感越大L越大,直流側瞬時功率的二次脈動分量就越大,從而直流電壓的二次脈動分量就越大。為了減小因負序電流的加入而在電感上產生的二次脈動瞬時功率,適當減小交流側電感的取值,達到抑制直流電壓二次諧波的目的。本文中采用的控制策略是抑制交流側負序電流,即在能達到控制目的的前提下應盡量減小交流側電感的取值。5電網電動勢平衡仿真參數為:電網狀態(tài)A,Eam=Ebm=Ecm=311V;狀態(tài)B,Eam=Ecm=311V,Ebm=291V;狀態(tài)C,在0.2~0.4s之間Eam=Ecm=311V,Ebm=291V,其余時間電網電動勢平衡如狀態(tài)A。直流側電容為2mF,直流側電壓為600V。整流器容量為50kW。經過計算,電網電動勢平衡的條件下電感取值范圍為:6.92mH≤L≤27.6mH。實驗仿真結果如下。1當存在于電網平衡的情況下2交流側清晰控制參數設計由上面的仿真可知,電網平衡與電網不平衡條件下,交流側電感參數是不同的,同時也體現(xiàn)出在電網不平衡條件下為減小直流側二次諧波,電感值比在電網平衡時的電感值小,符合電網不平衡時電感設計原則。3特性分析結果為了在電網平衡和不平衡條件下獲得較為理想的控制效果,進行了多次試驗,試驗數據見表1。表1中,“*”表示直流側電壓振蕩,這時的實驗數據已經不重要。電網不平衡只是一個瞬態(tài)現(xiàn)象,它持續(xù)的時間僅有數百μs,但是如果不采用不平衡的控制策略,會使損耗增大和變流裝置性能下降,嚴重時可使變流裝置發(fā)生故障保護,甚至燒壞裝置。從圖6中可以看出,如果電感參數是依據電網不平衡選擇的,那么在0.2~0.4s發(fā)生不平衡故障期間,整流器可以穩(wěn)定運行,而在其他時間內整流器直流側電壓是不穩(wěn)定的。因為交流側電感對三相VSR系統(tǒng)影響是綜合性的,取值不僅影響系統(tǒng)的動靜態(tài)性能,而且還會對三相VSR的額定輸出功率等其他的因素產生影響。通過對仿真模型的分析,在電感L=8mH時系統(tǒng)中3個PI調節(jié)器都出現(xiàn)了跳動,同時交流電流出現(xiàn)幅值跳動,導致正、負序電流的變化,引起控制系統(tǒng)中給定空間電壓向量不穩(wěn)定幅值有所變化,使得空間矢量跟隨出現(xiàn)跳動,導致控制系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定,從而導致直流側電壓不穩(wěn)定。說明交流側電感不僅影響整流器性能同時也影響整流器直流側電壓。從表1可以得出,實現(xiàn)最好的控制效果時對應的電感參數應在13~14mH之間,通過仿真實驗得知,L=13.81mH時控制效果最好。6基于種類的合作設計電網不平衡故障只是瞬態(tài)或短暫的現(xiàn)象,所以在設計電感時應該綜合考慮電網平衡與不平衡兩種狀態(tài),并偏重于平衡狀態(tài),不能僅在一種電網狀態(tài)下設計電感參數。如果采用的是不平衡控制策略,那么在設計電感時應該充分考慮電網平衡條件下整流器的運行性能,綜合考慮兩種電網狀態(tài)下選擇最優(yōu)的電感參數。仿真結果表明,這種設計理念和方法在提高PWM整流器的性能和控制效果方面都能體現(xiàn)出它的合理性和實用性。在電感取值區(qū)間內,選取不同的電感值。通過多次的仿真實驗綜合多方面的數據,最后選擇L=13.81mH。對應波形如圖3、圖4所示。由電網不平衡時電感設計原則可知,當電