中图分类号
文献标识码
电压型 PWM 整流器直接功率控制系统
王久和 1
1 北京信息工程学院
李华德 2
2
王立明 1
北京科技大学 北京市 海淀区 100083
北京市 朝阳区 100101
Direct Power Control System of Three Phase Boost Type PWM Rectifiers
(3)
根 据 Sd max = 2 / 3
2/3
Sd min = − 2 / 3 由式(3)可得
Sq max =
Sq min = − 2 / 3
万方数据
56
中
国
电
机
工
程
学
报
第 26 卷
dp L dt L dp dt dq L dt L dq dt
r idc Sa _ ua ~ + u _ b ~ + _ uc + ~ L L L R R R ia ib ic Sa Sb A Ura B Urb Urc Sc _ Sb Sc RES C Udc RL + iL
r 为桥
RES 为电容等效串联
N
测电路 功率估算器 扇形划分器 功率滞环比较 器 开关表及 PI 调节器组成 瞬时有功与无功功率 根据检测到的电流 ia ib ic 及 ua ub uc 进行计 算 得到瞬时有功和无功功率的估算值 p q 及三相 电压 ua ub uc 在 αβ 固定坐标系中的 uα uβ 扇 形划分器根据 uα uβ 划分扇区 得到扇区 θn 信号 p 和 q 与给定的 pref 和 qref 比较后的差值信号送入 功率滞环比较器得到 Sp Sq 开关信号 pref 由直流 电压外环 PI 调节器的输出(代表电流)与直流电压的 乘积设定 qref 设定为 0 以实现单位功率因数 根 据 Sp Sq θn 在开关表中选择所需的 Sa Sb Sc 去驱动主电路开关管 图中略去了电阻 RLeabharlann 电压电流功率 测量功率计算 uαβ
扇形选择
_
θn
p
Sq
+
PI pref
_
_
q + qref=0
+
(1)
Fig. 2
图 2 PWM 整流器 DPC 系统结构 Block diagram of PWM rectifier DPC system
2 电压型 PWM 整流器 DPC 系统主电路参 数设计
2.1 交流侧电感的选择 在主电路拓扑结构 交流电源电压及负载的一 定的情况下 主电路设计主要是确定交流侧滤波电 感值 直流侧电压和直流侧电容值 交流电感的主要作用是滤除交流侧 PWM 谐波 电流 当在整流器稳定于单位功率因数运行时 瞬 时有功功率决定了交流电流 对此 需找出功率与 电感的关系 根据式(2) 略去电阻 R 考虑到整流器稳态运 行于单位功率因数时 q =0 式(2)可变为
WANG Jiu-he1 LI Hua-de2 WANG Li-ming1
China China) (1. Beijing Information Technology Institute Chaoyang Districts Beijing 100101 2. University of Science and Technology Beijing Haidian Districts Beijing 100083 ABSTRACT: This paper establishs the power control mathematical model of rectifier based on the mathematical model of three phase boost type PWM rectifier in synchronous dq coordinates. According to the power control mathematical model, the paper proposes a new design method of filter inductance in AC side , voltage and capacitance in DC side of main circuit for three phase boost type PWM rectifier by combining with the features of direct power control(DPC) system. Based on the models of rectifier, the control structure of rectifier DPC system and the design method of controller is obtained. Meanwhile, the paper discusses the influence of bridge loss and equivalent series resistance(ESR) of capacitor on rectifier. The design method is proved feasible by simulation and experiment and is available for reference in engineering. KEY WORDS: power electronics; PWM rectifier; direct power control; filter inductance; proportional integral regulator 摘要 根据三相电压型 PWM 整流器在 dq 两相同步旋转坐 标系中的数学模型 建立整流器功率控制数学模型 根据功 率控制数学模型 结合整流器直接功率控制(DPC)系统的特 点 提出新的电压型 PWM 整流器直接功率控制系统的主电 路交流侧滤波电感值 直流侧电压和直流侧电容值设计方 法 根据整流器的数学模型 得到整流器 DPC 控制系统结 构和控制器设计方法 同时 讨论了桥路损失和直流侧电容 器的等效串联电阻(ESR)对整流器的影响 验表明 提出设计方法是可行的 计算机仿真和实 具有应用参考价值 直接功率控制
第 26 卷 第 18 期 2006 年 9 月 文章编号 0258-8013 (2006) 18-0054-07
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE TM71
报 A
Vol.26 No.18 Sep. 2006 ©2006 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号 470⋅40
(2)
1.2 电压型 PWM 整流器 DPC 系统结构及原理 电压型 PWM 整流器 DPC 系统有多种方案[12] 经综合比较采用如图 2 所示有电压互感器方案 整 流器 DPC 系统主要由主电路和控制电路组成 主电 路由交流电源 滤波电抗器 整流器 直流电解电 容器 负载组成 控制电路为直流电压外环功率内 环结构 由交流电压 电流检测电路和直流电压检
略去 R 的影响 3 2 = Um + ω Lq − (uα Sα + uβ S β )U dc Lp 2 Lq = −ω Lp − (uα S β − uβ Sα )U dc 在稳态时 =q =0 p
U dc = U dcr
dp 2 = 1.5U m − L dt dq = ω Lp + L dt 3 U mU dc Sd 2 3 U mU dc Sq 2
式中 Sd Sq 分别为开关函数在 d q 轴上的分量 根据式(1)及三相对称系统功率计算 p = 3/ 2U m id q = − 3/ 2U m iq (Um 为电源相电压幅值)可得以 p q 为变量的功率控制数学模型 dp 2 = 1.5U m − Rp − ω Lq − prd L dt L dq = − Rq + ω Lp + q rq dt 式中 prd = 3/ 2U m urd , qrq = 3 / 2U m urq
− − −
图 1 电压型 PWM 整流器主电路拓扑结构 Fig. 1 Topological structure of main circuit of a three-phase boost-type PWM rectifier
ua ∼ ub ∼ uc ∼
+ + +
L L L ia ib ic
ia ib ic
关键词 电力电子 脉冲宽度调制整流器 滤波电感 PI 调节器
1
电压型 PWM 整流器 DPC 系统结构及原理
电压型 PWM 整流器主电路拓扑结构如图 1 所
1.1 电压型 PWM 整流器拓扑结构及数学模型 示 图中 ua ib ub uc 为三相对称电源相电压 ia
0
引言
随着电力电子技术和数字信号处理器的发展
max
2 = 1.5U m + U mU dc
2.2 直流侧直流电压的选择 (4) 直流侧直流电压与交流电压 电感及负载有关 下面从功率角度来进行分析 整流器在 αβ 两相静 止坐标系中功率计算式为 (5) p = uα iα + u β iβ q = uα iβ − uβ iα 由式(12)可得 (12)
促进了 PWM 整流器的研究 PWM 整流器具有网 侧电流低谐波 单位功率因数 能量双向流动及恒 定直流电压控制等优点 实现了电能的 绿色变换 为实现整流器的上述优点 提出了各种电流控制策 略[1-4]和非线性控制策略[5] 为进一步提高整流器的 性能 简化整流器控制系统 增强系统反应速度 国内外学者开始了 PWM 整流器直接功率控制(DPC) 策略的研究[6-12] 由于整流器 DPC 系统具有结构 算法简单 动态响应快 单位功率因数等优点 具 有良好的开发和应用前景 PWM 整流器 DPC 系统 的性能取决于系统结构 主电路参数 控制器参数 及控制策略 控制器参数又依赖于主电路参数 对 于 PWM 整流器主电路的设计方法在国内外文献 [13-16]中主要是针对电流控制策略 SPWM 调制方 式的 在文献[13-16]中介绍的整流器控制系统控制 器设计方法 是基于电流解耦的电流控制策略设计 方法 不适于整流器 DPC 系统设计 综上 PWM 整流器 DPC 系统的主电路和控制器参数的设计方 法至今未见相关报道 对此 本文根据电压型 PWM 整流器的数学模型 结合 DPC 系统的特点 提出了 整流器 DPC 系统主电路和控制器参数新的设计方 法 计算机仿真和实验证明该设计方法的可行性