三相电压型SVPWM整流器的SIMULINK建模与仿真精.docx
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三相电压型SVPWM整流器的SIMULINK建模与仿真精.docx
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三相电压型SVPWM整流器的SIMULINK建模与仿真精
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三相电压型SVPWM整流器的SIMULINK
建模与仿真
毛文喜罗隆福
(湖南大学电气与信息工程学院,长沙410082)
摘要:
在建立了三相PWM整流器数学模型的基础上,将双闭环工程设计方法结合矢量控制策略应用于PWM整流器。
通过MATLAB的SIMULINK工具箱得到系统仿真结果,验证了该模型和控制方法的可行性。
关键词:
PWM数学模型空间矢量SIMULINK
中图分类号:
TM461.5文献标识码:
A文章编号:
1003-4862(2007)01-0023-04
TheModelingandSimulationofThree-phaseVoltageSVPWMRectifier
MaoWenxi,LuoLongfu
(CollegeofElectricalandInformationEngineeringHunanUniversity,Changsha410082,China
Abstract:
BasedonthemathematicalmodelofPWMrectifier,thedual-close-loopengineeringdesignwithvectorcontrolisappliedinthe3-phasePWMrectifier.ThevalidityofthemathematicalmodelanditscontrolmethodareconfirmedbybothMATLAB/SIMULINKsimulationandexperiment.Keywords:
PWM;mathematicalmodel;spacevector;SIMULINK
1引言
在电能变换中,电压型PWM整流器(简称“VSR”功率因数可调、输入电流波形为正弦波、可实现能量的双向流动,真正实现了“绿色电能变换”。
本文在建立三相VSR在a、b、c坐标系下数学模型的基础上,通过坐标变换得到了三相VSR的d、q坐标系下的数学模型,应用空间矢量的控制方法对PWM整流器进行动态实时仿真,实验结果验证了该模型的正确性和控制方法的可行性。
2三相VSR主电路结构及基本原理
三相VSR的主电路结构如图1所示,主要包括交流侧的电感、电阻、直流电容以及由全控开关器件和续流二极管组成的三相整流电路。
ea、eb、ec为电源电压,RL为负载电阻。
开关器件按采用的调制方法动作,由于输入电感的滤波作用,整流器交流侧的输入可认为是
三相正弦电流,直流侧有大电容稳压,输出呈直流电压源特性,稳态时输出直流电压可保持不变。
图2是整流器输入电压Us、输入电流Is、交流侧控制电压Ur间的向量图。
(a图中,整流器工作在整流状态,电流矢量Is与电压矢量Us平行且同向,此时整流器网侧呈现正电阻特性,实现单位功率因数整流控制,负载从电网吸收有功功率。
(b图中,整流器工作在逆变状态,电流矢量Is与电压矢量Us平行且反向,此时整流器网侧呈现负电阻特性,实现单位功率因数逆变控制,负载向电网释放有功功率。
对图2进行分析可看出,要实现整流器的单位功率因数控制,关键在于控制网侧电流Is,使之与电网电压E同相或反相。
目前,控制方法主要分为间接电流控制和直接电流控制2种。
间接电流控制[1]的优点在于控制简单、
无需电流反馈控制,不足之处在于电流响应不够快,甚至交流侧电流
收稿日期:
2006-10-11
作者简介:
毛文喜(1975-),男,硕士研究生,研究方向:
电力电子与电力传动及电力系统谐波抑制。
罗隆福(1962-),男,教授,博士生导师,主要从事电力电子变流技术新研究工作。
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中含有直流分量,且对系统参数波动较敏感[2]。
直接电流控制[3]
以快速电流反馈控制为特性,可获得较高品质的电流响应,但控制结构和算法较复杂,不易于数字实现。
另一种是基于同步旋转坐标系的矢量控制方案,它具有动态响应快、稳态性能好、消除电流稳态跟踪误差、可以实现无功功率的解耦控制[4]等优点,是一种较理想的控
制策略。
3三相VSR动态数学模型及矢量控制策略
三相VSR的拓扑结构如图1所示,假设电路满
足以下条件:
(1电源是三相平衡的正弦电压源,即:
⎩⎨
⎧=++=++00
iiieeec
bacba(2滤波电感L是线形的,不考虑饱和现象。
定义三相桥臂的开关函数分别为sa、sb、sc;s=l代表上管通,下管关;s=O代表下管通,上管关。
三相VSR的数学模型为[1]:
⎪⎪⎪
⎪⎪
⎪
⎩⎪⎪⎪⎪⎪
⎪⎨⎧++=−−=+−−=+−−=+−++=UsssUusueiusueiusueiisisisidccbaNONocdccccNo
bdcdbbNoadcdaa
Lccbbaadc
RdtdLRdtd
LRdtdLdtdC(31(1
为便于系统分析与综合、获得良好的控制性
能,采用PARK变换[4],将整流器模型变换到两相
同步旋转的d、q坐标系,并使q轴定向于电网电压矢量。
取变换矩阵为:
⎥
⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣
⎡
+−−−−+−=→32sin(32sin(sin32cos(32cos(cos32π
ωπωωπωπωωttttttTdqabc
将以上变换作用于(1式,则得到整流器在两相同步旋转d-q坐标系下的数学模型为:
⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣
⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢
⎣⎡
⎥⎥
⎥⎥⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡−−−−
−=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎢⎣
⎡ueeuiiS
Sidcsqsddcqdq
dqd
dcqdLLLC
C
L
L
RLLR
dtd
dtddtd10
001
00010223ω
ω
(2
VSRd、q轴变量相互耦合,给控制器设计造成一定困难。
为此,可采用前馈解耦控制策略[3],
引入id、iq的前馈补偿解耦控制实现对两通道的
电压进行单独控制。
对电流环采用PI调节,可得三相同步旋转坐标系下三相电流控制时的电压指令为[5]:
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧−−+−=+−+−=iiiKeuiiiKeudqqiIiPqqqddiIiPddLSLSωω((*
*
(3
式中:
KiP、KiI是电流内环的比例调节增益和积分调节增益;iq*、id*为电流iq、id的指令值。
引入补偿后,式(3表示的电压指令已完全解耦控制,系统控制框图如图3所示。
图中,给定指令电压u*dc与实际直流侧电压Udc比较后经PI调节器得到电流有功分量指令iq*,id*、iq*与交流侧实际电流比较后经PI环得到指令电压u*d、u*q,经过电网电压、电感电压交叉分量的前馈补偿后,将所得电压指令送入PWM合成器,作为SVPWM控
制的指令电压。
为了实现单位功率因数控
制,控制算法采用电网电压定向,即令以同步速度旋转的三相电网电压E=eq,若要实现单位功率因数控制,则必须使三相网侧电流I=i
q,即使Id=0。
整个控制电路由
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电压外环和电流内环组成,电压外环经PI调节后的输出作为电流环的给定。
4空间矢量合成原理
三相VSR不同开关组合时的交流侧电压可以用一个模为2Udc/3的空间电压矢量在复平面上表示出来,由于三相VSR开关是双电平控制,其空间电压矢量只有23=8种,且U0(0,0,0、U7(1,1,1为零矢量[4]。
空间矢量PWM控制是通过分配
电压空间矢量(尤其是零矢量的作
用时间,最终形成等幅不等宽的PWM脉冲波,实现追踪磁通的基准圆形轨迹。
由图3可知,
三相VSR电流环
调节运算确定后,三相VSR电流跟踪控制的指令电压矢量U*也就被确定,可以利用三相VSR
空间电压矢量Uk(k=0,…,7来合成U*,以实现VSR电流控制。
当矢量U*处于三相VSR电压矢量空间任一区域时,设矢量U*与a轴夹角为θ(0≤θ≤360°,矢量U*与所在三角形区域起始边界矢量Uk(k=1,…,6的夹角为α,则α,k可以由以下方程求得[6]:
4
(601(160(⎪⎩⎪⎨⎧
°
×−−=∂+°=kINTkθθ
其中,k取1,…,6。
则对于任意U*,设其位于k区,则U*可由Uk和Uk+1两矢量合成,施加时间分别为Tk和Tk+1,矢
量作用周期为Ts[7]。
为保证较高的合成精度,如图4所示,采用双三角形合成方案,可以求得
⎪⎪⎩⎪⎪⎨
⎧==+++++α
αsin2160sin2cos2160cos22*1
1*11TTUTTTTks
kks
kkskDD
进而求得
⎪⎪⎪
⎩
⎪⎪
⎪⎨⎧
−
−=∂=∂−∂=+∧+∧∧TTTTTTTKKSS
KS
kCOST101sin*2
sin*1*其中,3
/2**
dc
U=
∧
将零矢量周期分成三段,其中矢量U*的起、终点上均匀地分布矢量U0,而
在矢量U*中点处分布矢量U7,且
T7=T0/2。
对应的三相PWM如图5所示,其中矢量Uk和Uk+1
放置先后顺序以开关次数最少为准。
5系统仿真及仿真结果
应用Matlab软件SimPowerSystem工具箱,搭建了整个控制系统的仿真模型,进行仿真。
5.1系统主回路仿真说明
图6为系统主电路仿真图,系统的控制算法由control模块实现。
电压电流分别经检测模块输入到control模块中,给定电压Udc*和直流侧反馈电压Udc同时也输入到该模块中来。
5.2控制算法的仿真
控制算法由control模块实现,如图7所示。
给定指令电压u*dc与实际直流侧电压Udc比较后经PI调节器得到电流有功分量指令iq*,id*、iq*与交流侧实际电流比较后经PI环得到指令电压
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u*d、u*q,经过电网电压、电感电压交叉分量的前馈补偿后,将所得电压ud、uq指令输入到PWM_wave模块,PWM_wave模块的输出便作为控制三相电压型SVPWM整流器的脉冲指令。
5.3仿真研究结果
主电路参数设置如下:
三相对称交流电源电压幅值:
Emax=200V
,频率f=50Hz,交流侧电感L=6mH,交流侧电阻R=0(忽略不计,直流侧电容:
C=2000µF,指令电压U
dc*=520V。
图8给出了单位功率因数整流、逆变时a相电压和电流的稳态仿真波形。
从仿真结果可以看出,稳态时,网侧电流非常好地与电网电压保持
同相,实现了单位功率因数的整流与逆变。
6结论
以SIMULINK为工具进行的三相PWM整流器仿真,充分发挥了SIMULINK功能强大、建模简单、参数易于调整的特点。
本文在建立三相VSRd_q数学模型的基础上,结合间接电流控制和直接电流控制方法的矢量控制策略,系统的建立了三相VSR仿真模型。
模型直观、易于使用,仿真验证了数学模型及其控制策略的正确性。
参考文献:
[1].WuR,DewanSB,SlemonGR.AnalysisofanACto
dcvoltagesourceconverterusingPWMwithphaseandamplitudecontrol[J].IEEETrans.IransPowerEledtron,1991.27:
355-364.
[2].JOSEREspinoza,GEZAJocs,LUISMoran.Decoupled
controloftheactiveandreactivepowerinthree-phaserectifiersbasedonnon-linearcontrolstrategies[J].IEEETransonIndusElectronics,1999,1:
131—136.[3].ZARGARINR,J006SG.Performanceinvestigationof
acurrent-controlledvoltage-regulatedPWMrectifierinrotatingandstationaryframesProc[J].IEEEAnnuConfIndustrialElectronicsSocietyProceedingsoftheIedon93,1993,2:
1193—1198.
[4].V.BlaskandV.Kanra,Anewmathematicalmodeland
controlofathree-phaseac-dcvoltagesourceconverter,IEEETrans.PowerElectron.Vo1.12,PP.116-123,Jan.1997
[5].张兴,等.PWM可逆变流器空间电压矢量控制技术的
研究[J].中国电机工程学报,2002,21(10:
101-106.[6].董小鹏,等.一种电压型PWM整流器控制方法的研究
[J].电工技术学报,1998,13(5:
31-38.
[7].Chern-LinChen,He-MingLee.Rong-JieTu.eta1.A
NovelSimplifiedspace-Vector-ModulatedControlSchemeforThree-PhaseSwitch-ModeRectifier[J].
IEEETrans.onIndustrialElectronics.1999,46(3:
512—515.
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