基于虛擬電網(wǎng)的三相電壓型pwm整流器直接功率控制策略

基于虛擬電網(wǎng)的三相電壓型pwm整流器直接功率控制策略

0gm整流器的應用在可能源能源應用的風動力發(fā)電技術中，永頻雙頻傳輸發(fā)電系統(tǒng)得到了廣泛應用。由于電機的勵磁濾波裝置具有良好的輸入和輸出特點，同時也需要具有雙向功率流動的能力，因此通常使用vm濾波。經(jīng)過多年發(fā)展,三相電壓型PWM整流器的控制方法已經(jīng)從最初的直接電流控制發(fā)展到基于旋轉坐標變換理論的定向控制方法,近些年又研究出了基于虛擬磁鏈的控制方法。引入的虛擬磁鏈無需檢測電網(wǎng)電壓,省去了交流電壓傳感器,同時提高了可靠性。本文對基于虛擬電網(wǎng)磁鏈直接功率控制系統(tǒng)進行了理論分析,并建設基于MATLAT/Simulink環(huán)境下的仿真模型,對系統(tǒng)進行仿真。1基于虛擬磁鏈的直接功率控制系統(tǒng)1.1轉子軸線的繪制交流電機是一個非線性,多變量,強耦合的系統(tǒng)。取三相定轉子軸線如圖1所示,并假設電壓、電流、磁鏈的正方向符合右手螺旋法則,可以取到繞組磁鏈的表達式為:?=L×I(1)1.2無電壓傳感器器模型圖2是PWM整流器的主電路,它與變頻器供電三相交流電機定子電路有著很大的相似性。PWM整流器中的電網(wǎng)電壓相當于交流電機的氣隙磁場在定子繞組中產生的感應電勢,電抗器的電感和電阻分別相當于電機定子繞組的漏感和電阻。因此,可以將PWM整流器看成一臺無限大由變頻器供電、以同步轉速恒速運行的、定子電阻和漏感分別為R和L的同步電機。設三相電網(wǎng)電壓平衡,忽略進線電抗器和線路的電阻R,則PWM整流器在α-β坐標系下的電壓方程為:式中:Sa,Sb,Sc是三相橋臂開關函:Sk=0表示相應橋臂下管導通,上管關斷,Sk=1為相應橋臂上管導通,下管關斷;(k=a,b,c);uα,uβ,αi,iβ分別為三相電網(wǎng)電壓和電流的α,β分量。用式(2)直接進行電網(wǎng)電壓估計可得到無電壓傳感器控制方法,但由于用到了電流的微分量,在實際控制中易放大噪聲引入干擾,難以實現(xiàn)。將式(2)的方程兩邊同時積分可得式中:Ψα,Ψβ分別為虛擬電網(wǎng)磁鏈的α,β分量。令U=uα+juβ,Ψ=Ψα+jΨβ則電網(wǎng)電壓空間矢量U超前于虛擬電網(wǎng)磁鏈矢量Ψ電角度π/2。如圖3所示,虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的目的。實際上就是虛擬電網(wǎng)磁鏈矢量的空間位置角θ的觀測。于是θ角的觀測可以轉化為虛擬磁鏈的α,β分量的觀測問題。1.3虛擬磁鏈技術在傳統(tǒng)有電壓傳感器的直接功率控制中,通過電網(wǎng)電壓和電流的計算獲得系統(tǒng)瞬時功率。將虛擬磁鏈的概念引入到直接功率控制后,瞬時功率估算將由電流和虛擬磁鏈計算得出,因此可以省去交流電壓傳感器。有功功率p和無功功率q的表達式為:根據(jù)式(2),(3),(5)可得電網(wǎng)瞬時供給有功和無功功率分別為:2設計并實施了直接虛擬磁鏈電源系統(tǒng)2.1基于sab的電壓傳感解釋基于虛擬磁鏈的無電壓傳感器直接功率控制系統(tǒng)結構如圖4所示。用三相橋臂的開關函數(shù)Sa,Sb,Sc及直流側電壓Vdc,再估算出瞬時有功功率P和無功功率Q,扇形劃分由ψα,ψβ確定ψ的角度,由于電網(wǎng)電壓空間矢量U超前于虛擬電網(wǎng)磁鏈矢量ψ電角度π/2,所以由得到電壓U的扇區(qū)信號θn,這樣就實現(xiàn)了省去電網(wǎng)電壓傳感器的目的。2.2兩個級聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)虛擬電網(wǎng)磁鏈的初始值難以用式(3)直接作積分來估算其值,否則會在估算出的虛擬電網(wǎng)磁鏈中引入與積分初值有關的直流偏置,導致坐標系中的磁鏈軌跡將會是一個以相應的直流偏置為圓心的圓,為了避免純積分帶來的問題,文獻采用慣性環(huán)節(jié)取代純積分,觀測所得磁鏈雖然在一定程度上解決了上述問題,但觀測結果只是近似值,存在幅值和相位誤差。為此,采用兩個級聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)代替純積分環(huán)節(jié)。由于正弦信號經(jīng)過純積分之后相位滯后90。,幅值變?yōu)樵瓉淼?/ω,因此只有當兩個級聯(lián)慣性環(huán)節(jié)的作用效果與之相同時,才能用來取代純積分。設慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為:式中:X(s)為輸入信號;Y(s)為輸出信號;τ為慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。該慣性環(huán)節(jié)的相位滯后Φ和幅值增益G為:若采用兩個慣性環(huán)節(jié)級聯(lián),且其時間常數(shù)相同,則級聯(lián)后相位滯后Φn=2和幅值增益Gn=2可表示為:為了得到積分效果,需要滿足:式中:Gc為對增益進行的補償。由以上兩式可得級聯(lián)型慣性環(huán)節(jié)的關鍵參數(shù):可見τ,Gc與角頻率密切相關,但因電網(wǎng)的角頻率基本不變,故采用這種級聯(lián)型慣性環(huán)節(jié)實現(xiàn)虛擬磁鏈觀測,無需實時計算τ和Gc,減少了計算量。3負載突增工況根據(jù)以上的分析,按著圖4利用MATLAB/Simulink工具箱,建立仿真模型。為了體現(xiàn)系統(tǒng)的控制特點,對其進行了動態(tài)仿真,在0.15s的時候突增負載。仿真結果如圖5(a)、(b)、(c)所示。由圖5可知,(a)(b)中相電壓與相電流相位差很小,基本同相位,且具有較快的的動態(tài)響應,有功和無功功率脈動較小;在負載突增工況下,電流波形具有較快的動態(tài)響應。圖(c)母線電壓穩(wěn)定在給定值,具有較強的抗負載擾動能力。4dpc技術