文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173966
中文引用格式: 胡曉雪,王海濱,,郭筱瑛,,等. 一種新型的單相整流器控制方法的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)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.
0 引言
PWM整流器已廣泛用于交流傳動(dòng),、不間斷電源、光能及風(fēng)能并網(wǎng)發(fā)電等重要領(lǐng)域,。國內(nèi)外針對(duì)PWM整流器的控制算法多為雙閉環(huán)控制,,即外環(huán)采用電壓反饋控制(電壓外環(huán)[1]、電容儲(chǔ)能反饋外環(huán)[2],、電壓平方外環(huán)[3]),,內(nèi)環(huán)采用直接電流控制(預(yù)測電流控制[4]、滯環(huán)電流控制[5],、d-q軸同步PI電流控制[6]),。與直接電流控制不同,直接功率控制算法直接控制系統(tǒng)有功,、無功功率,,因控制精度高、響應(yīng)速度快,,已廣泛應(yīng)用在三相PWM變流器中,。整流器DPC算法通過選擇功率滯環(huán)開關(guān)表實(shí)現(xiàn)控制[7],但仍存在許多問題,。文獻(xiàn)[8]提出了基于模糊控制算法的開關(guān)表優(yōu)化傳統(tǒng)功率滯環(huán)開關(guān)表降低網(wǎng)測諧波含量,,但其系統(tǒng)開關(guān)頻率仍未固定。因此,,文獻(xiàn)[9-10]采用SVPWM算法固定開關(guān)頻率,。文獻(xiàn)[9]提出了一種內(nèi)環(huán)采用PI的DPC算法,降低了采樣頻率,,但PI參數(shù)需調(diào)試經(jīng)驗(yàn),,且系統(tǒng)仍存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢等問題,。文獻(xiàn)[10]提出了一種預(yù)測直接功率控制算法替換掉PI,簡化了控制器參數(shù)設(shè)計(jì),,且系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度提高,。
國內(nèi)外對(duì)單相整流器DPC預(yù)測控制的研究相對(duì)較少,文獻(xiàn)[11]提出了一種固定開關(guān)頻率的單相整流器DPC算法,,需占用較大的微處理器存儲(chǔ)空間,,還需鎖相環(huán)變換坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)鎖相,而文獻(xiàn)[12]提出了一種無需構(gòu)造虛擬磁鏈和鎖相環(huán)的單相瞬時(shí)功率計(jì)算方法,。
針對(duì)上述問題,,本文采用了一種無鎖相環(huán)的自回歸功率預(yù)測DPC算法,外環(huán)采用電容儲(chǔ)能反饋的控制方法,,并引入負(fù)載功率進(jìn)行前饋控制,,提高了外環(huán)抗干擾能力,且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,,內(nèi)環(huán)采用自回歸算法取代PI,,解決延時(shí)補(bǔ)償問題,結(jié)合單相SVPWM算法,,使開關(guān)頻率固定,。最后通過MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真,驗(yàn)證了本文控制方法的可行性,。
1 單相整流器數(shù)學(xué)模型
圖1所示為單相整流器電路拓?fù)鋱D,,其回路方程可表示為:
式中,u,、i分別為輸入電壓電流,,uab為H橋交流側(cè)電壓,L,、R為交流側(cè)等效電感和電阻,。
單相整流器d-q軸上的離散數(shù)學(xué)模型為式(2),其中x(k)為第kTs時(shí)刻的采樣值,。
由式(3)看出,,usin、ucos中的低頻分量可通過帶阻濾波器濾掉近似于2倍網(wǎng)頻的高頻分量,,獲得式(5):
2 單相整流器無差拍DPC算法
單相系統(tǒng)在d-q坐標(biāo)系下有功無功功率可表示為:
式(12)為自回歸無差拍預(yù)測直接功率控制模型,。
3 電容儲(chǔ)能外環(huán)設(shè)計(jì)
由式(1)兩邊同乘以i可得整流器能量交換模型:
式中KEP、KEI分別為電容儲(chǔ)能PI控制器的比例和積分系數(shù),,分別為電容儲(chǔ)能和有功功率給定值,。
由式(19)可知引入PL、PR進(jìn)行前饋得到網(wǎng)側(cè)有功功率給定值P*。圖2為電容儲(chǔ)能外環(huán)控制框,,圖中為電容充電功率給定值,。結(jié)合自回歸算法的單相無差拍功率預(yù)測算法可得到控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
4 仿真驗(yàn)證
為驗(yàn)證本文采用的單相整流器算法的有效性,,在Simulink中搭建仿真模型與傳統(tǒng)電壓外環(huán)算法進(jìn)行了仿真對(duì)比驗(yàn)證,。表1為仿真系統(tǒng)參數(shù)。
圖4給出了穩(wěn)態(tài)網(wǎng)測電流仿真波形圖,,可知系統(tǒng)在單位功率因數(shù)運(yùn)行,,從圖5穩(wěn)態(tài)時(shí)的網(wǎng)側(cè)電流FFT結(jié)果看出THD值為4.44%,諧波集中在150 Hz和2 500 Hz附近,,因交流側(cè)電壓含有2倍基波頻率的紋波,,其波動(dòng)可影響電壓uab大小,使交流側(cè)電流含3次諧波,,開關(guān)器件的切換會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流含有開關(guān)頻率附近的諧波,,因此諧波含量在150 Hz和2 500 Hz附近。
圖6給出了輸出電壓仿真波形,,傳統(tǒng)電壓外環(huán)控制系統(tǒng)在0.18 s達(dá)到穩(wěn)定,,電容儲(chǔ)能外環(huán)系統(tǒng)直流側(cè)電壓在0.12 s穩(wěn)定,兩種算法超調(diào)量大小基本一致為85 V,,由于采用相同的調(diào)制方法和控制周期,,直流側(cè)紋波大小均為5 V,。通過對(duì)比可知電容儲(chǔ)能外環(huán)比傳統(tǒng)電壓外環(huán)系統(tǒng)具有更快的響應(yīng)速度,。
圖7為系統(tǒng)負(fù)載在0.5 s時(shí)突增一倍,1 s時(shí)突減回原始負(fù)載的輸出電壓波形圖,,由圖7(a)可知傳統(tǒng)電壓外環(huán)算法系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定的響應(yīng)時(shí)間為0.1 s,,圖7(b)所示該算法為0.08 s,比較可知,,電容儲(chǔ)能外環(huán)算法系統(tǒng)響應(yīng)速度相對(duì)更快,,負(fù)載突變時(shí)輸出電壓波動(dòng)值更小。
5 結(jié)論
本文針對(duì)單相PWM整流器,,建立了電容儲(chǔ)能外環(huán)的無差拍直接功率模型,,與傳統(tǒng)直接功率控制算法相比,該算法有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)提高了整流器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和抗干擾能力,;
(2)PI控制器減少,,簡化了控制器的參數(shù)設(shè)計(jì);
(3)采用SVPWM調(diào)制,,開關(guān)頻率恒定,;
(4)無需鎖相環(huán),易設(shè)計(jì),。
最后在MATLAB/Simulink中對(duì)該算法進(jìn)行了仿真,,結(jié)果證明了本文提出的算法的正確性和優(yōu)越性,。
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作者信息:
胡曉雪1,王海濱1,,郭筱瑛2,,張煜楓1,劉中豪1,,曹太強(qiáng)1
(1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院,,四川 成都610039;2.攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院,,四川 攀枝花617000)