《电子技术应用》
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一种新型的单相整流器控制方法的研究
2018年电子技术应用第9期
胡晓雪1,王海滨1,郭筱瑛2,张煜枫1,刘中豪1,曹太强1
1.西华大学 电气与电子信息学院,四川 成都610039;2.攀枝花学院 电气信息工程学院,四川 攀枝花617000
摘要: 针对传统单相PWM整流器直接功率控制(Direct Power Control,DPC)存在系统动态响应慢、抗干扰能力差、频率不固定等问题,采用了一种电容储能的外环反馈控制和无差拍预测直接功率的内环控制方法。外环将电容储能作为反馈量,提高了系统动态响应速度和抗干扰能力。同时,内环采用自回归算法,解决了传统算法中延时补偿问题,简化了控制器设计。通过空间矢量调制算法(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)固定了开关频率。此外,该方法无需电压相位检测装置,降低了设计成本。最后对所提出的控制算法和传统电压外环直接功率控制分别进行了仿真分析,仿真结果验证了该算法的有效性。
中图分类号: TM7
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173966
中文引用格式: 胡晓雪,王海滨,郭筱瑛,等. 一种新型的单相整流器控制方法的研究[J].电子技术应用,2018,44(9):158-161,166.
英文引用格式: Hu Xiaoxue1,Wang Haibin1,Guo Xiaoying,et al. Study on a new kind of control method of single-phase rectifiers[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(9):158-161,166.
Study on a new kind of control method of single-phase rectifiers
Hu Xiaoxue1,Wang Haibin1,Guo Xiaoying2,Zhang Yufeng1,Liu Zhonghao1,Cao Taiqiang1
1.School of Electrical Engineering and Electronic Information,Xihua University,Chengdu 610039,China; 2.School of Information and Electric Engineering,Panzhihua University,Panzhihua 617000,China
Abstract: According to these drawbacks of traditional direct power control(DPC) in single-phase PWM rectifiers such as slow dynamic response,poor anti-interference ability and variable switching frequency, an algorithm based on outer loop adopting the feedback of capacitor energy storage and internal loop with deadbeat predictive direct power control is further given.This algorithm improves the speed of dynamic response and the ability of anti-interference with the outer loop control method based on the feedback variable of capacitor energy storage and load power feed forward. Meanwhile,the auto-regressive algorithm simplifies the controller design, and addresses the issue of delay compensation in traditional control. Combined with the space vector modulation(SVPWM) the system′s switch frequency is fixed. Furthermore, it reduces the design costs without voltage′s phase detector. Finally, the proposed control method and traditional DPC method were compared in computer simulation respectively , and the simulation result verified the validity of the proposed control method.
Key words : PWM;deadbeat predictive control;direct power control;capacitor energy storage;space vector

0 引言

    PWM整流器已广泛用于交流传动、不间断电源、光能及风能并网发电等重要领域。国内外针对PWM整流器的控制算法多为双闭环控制,即外环采用电压反馈控制(电压外环[1]电容储能反馈外环[2]、电压平方外环[3]),内环采用直接电流控制(预测电流控制[4]、滞环电流控制[5]、d-q轴同步PI电流控制[6])。与直接电流控制不同,直接功率控制算法直接控制系统有功、无功功率,因控制精度高、响应速度快,已广泛应用在三相PWM变流器中。整流器DPC算法通过选择功率滞环开关表实现控制[7],但仍存在许多问题。文献[8]提出了基于模糊控制算法的开关表优化传统功率滞环开关表降低网测谐波含量,但其系统开关频率仍未固定。因此,文献[9-10]采用SVPWM算法固定开关频率。文献[9]提出了一种内环采用PI的DPC算法,降低了采样频率,但PI参数需调试经验,且系统仍存在动态响应速度较慢等问题。文献[10]提出了一种预测直接功率控制算法替换掉PI,简化了控制器参数设计,且系统的动态响应速度提高。

    国内外对单相整流器DPC预测控制的研究相对较少,文献[11]提出了一种固定开关频率的单相整流器DPC算法,需占用较大的微处理器存储空间,还需锁相环变换坐标系实现锁相,而文献[12]提出了一种无需构造虚拟磁链和锁相环的单相瞬时功率计算方法。

    针对上述问题,本文采用了一种无锁相环的自回归功率预测DPC算法,外环采用电容储能反馈的控制方法,并引入负载功率进行前馈控制,提高了外环抗干扰能力,且动态响应快,内环采用自回归算法取代PI,解决延时补偿问题,结合单相SVPWM算法,使开关频率固定。最后通过MATLAB/Simulink进行了仿真,验证了本文控制方法的可行性。

1 单相整流器数学模型

    图1所示为单相整流器电路拓扑图,其回路方程可表示为:

    dy5-gs1.gif

式中,u、i分别为输入电压电流,uab为H桥交流侧电压,L、R为交流侧等效电感和电阻。

dy5-t1.gif

    单相整流器d-q轴上的离散数学模型为式(2),其中x(k)为第kTs时刻的采样值。

dy5-gs2-4.gif

    由式(3)看出,usin、ucos中的低频分量可通过带阻滤波器滤掉近似于2倍网频的高频分量,获得式(5):

    dy5-gs5.gif

2 单相整流器无差拍DPC算法

    单相系统在d-q坐标系下有功无功功率可表示为:

dy5-gs6-12.gif

    式(12)为自回归无差拍预测直接功率控制模型。

3 电容储能外环设计

    由式(1)两边同乘以i可得整流器能量交换模型:

dy5-gs13-19.gif

式中KEP、KEI分别为电容储能PI控制器的比例和积分系数,dy5-gs13-19-x1.gif分别为电容储能和有功功率给定值。

    由式(19)可知引入PL、PR进行前馈得到网侧有功功率给定值P*。图2为电容储能外环控制框,图中dy5-gs13-19-x2.gif为电容充电功率给定值。结合自回归算法的单相无差拍功率预测算法可得到控制系统结构图如图3所示。

dy5-t2.gif

dy5-t3.gif

4 仿真验证

    为验证本文采用的单相整流器算法的有效性,在Simulink中搭建仿真模型与传统电压外环算法进行了仿真对比验证。表1为仿真系统参数。

dy5-b1.gif

    图4给出了稳态网测电流仿真波形图,可知系统在单位功率因数运行,从图5稳态时的网侧电流FFT结果看出THD值为4.44%,谐波集中在150 Hz和2 500 Hz附近,因交流侧电压含有2倍基波频率的纹波,其波动可影响电压uab大小,使交流侧电流含3次谐波,开关器件的切换会导致网侧电流含有开关频率附近的谐波,因此谐波含量在150 Hz和2 500 Hz附近。

dy5-t4.gif

dy5-t5.gif

    图6给出了输出电压仿真波形,传统电压外环控制系统在0.18 s达到稳定,电容储能外环系统直流侧电压在0.12 s稳定,两种算法超调量大小基本一致为85 V,由于采用相同的调制方法和控制周期,直流侧纹波大小均为5 V。通过对比可知电容储能外环比传统电压外环系统具有更快的响应速度。   

dy5-t6.gif

    图7为系统负载在0.5 s时突增一倍,1 s时突减回原始负载的输出电压波形图,由图7(a)可知传统电压外环算法系统恢复稳定的响应时间为0.1 s,图7(b)所示该算法为0.08 s,比较可知,电容储能外环算法系统响应速度相对更快,负载突变时输出电压波动值更小。

dy5-t7.gif

5 结论

    本文针对单相PWM整流器,建立了电容储能外环的无差拍直接功率模型,与传统直接功率控制算法相比,该算法有以下优点:

    (1)提高了整流器动态响应速度和抗干扰能力;

    (2)PI控制器减少,简化了控制器的参数设计;

    (3)采用SVPWM调制,开关频率恒定;

    (4)无需锁相环,易设计。

    最后在MATLAB/Simulink中对该算法进行了仿真,结果证明了本文提出的算法的正确性和优越性。

参考文献

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[9] MALINOWSKI M,JASINSKI M,KAZMIERKOWSKI M P.Simple direct power control of three-phase PWM rectifier using space-vector Modulation(DPC-SVM)[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2004,51(2):447-454.

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[11] 马庆安,李群湛,邱大强,等.基于直接功率控制的单相AC-DC变流器控制器设计[J].电工技术学报,2012,27(7):251-256.

[12] 马俊鹏,宋文胜,冯晓云.单相三电平无锁相环直接功率控制[J].中国电机工程学报,2015,35(7):1723-1731.




作者信息:

胡晓雪1,王海滨1,郭筱瑛2,张煜枫1,刘中豪1,曹太强1

(1.西华大学 电气与电子信息学院,四川 成都610039;2.攀枝花学院 电气信息工程学院,四川 攀枝花617000)