#我说#空间矢量整流器

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      随着开关器件性能的提高,以及电力电子控制技术的发展,PWM 整流器越来越被各种工况企业所接受。这种整流器虽然控制方面相对复杂,但是其动态响应速度比较快,储能器件体积相对比较小,不仅可以实现任意功率因数下能量的双向流动,还具有很低的输入电流畸变率。从大类分,三相整流器可分为电压源型和电流源型,本文针对电压源型整流器进行介绍。

      对于三相电压源型 PWM 整流器来讲,当其电压电流双闭环控制结构中的内部电流环采用传统的比例积分控制器时,若采用传统的 SPWM 调制方法,其输出的一系列开关序列的趋势就是使三相的电流误差减小,但这种控制方式对所输出的开关状态没有要求。当内部电流环采用滞环控制策略时,对于整流器各相的开关状态就有了一定的限定,这种限定使得其电流调节速度大于采用传统PI控制器时的电流控制速度,但是滞环控制器对某一相进行调节时,对其它两相的控制器的开关状态却没有限制,则其它两相的开关状态则会影响到本相电流调节的速度。对于电流空间矢量滞环控制策略,是在各种电量的空间矢量表达形式下,当出现电流误差时,使控制器输出一种开关状态,使得在这种开关状态的作用下,电流误差矢量以最快的速度减小,从而加快了电流环调节的速度。

      三相电压源型 PWM 整流器的电路拓扑结构如下图所示,其中 L 为开关变换器交流侧的滤波电感,R 为电路等效损耗电阻如电感的内阻、线路的电阻和变换器死区效应引起的电阻等,C为整流器直流侧的滤波电容,RL为整流器的等效负载。

      假定整流器的交流输入电源三相平衡,电路三相结构及电路元件参数对称,则定义变换器的开关函数如下:

      对于电压源型整流器来说,实际运行时应避免某一相桥臂的上下开关管同时导通而导致电路短路,则对变换器开关函数的数学约束为:

其中 sk.up为某桥臂的上开关管,sk.down为该桥臂的下开关管。

则推导出三相电压源型 PWM 整流器的数学模型如下:

      采用基于固定开关频率的 SVPWM 电流控制,即利用同步旋转坐标系(d,q)中的电流调节器输出的空间电压矢量指令,再采用SVPWM 使 VSR 的空间电压跟踪电压矢量指令,从而达到电流控制的目的(SVPWM在之前介绍过,本次不再赘述,有兴趣的朋友可以参考一下之前的内容)。三相电压型 PWM 整流器的电流解耦控制如图所示,此控制方案采用电压外环和电流内环的双闭环串级控制结构,控制结构简单,控制性能优良,由于电流内环的存在,只要使电流指令限幅,可以使整流器工作于恒流状态,这对半导体功率器件的保护非常有利。

      在三相 VSR 系统中,交流侧电感的作用至关重要,其值的大小不仅影响三相VSR 电流响应的动、静态性能,并且还制约着三相VSR 的输出功率、功率因数以及直流测电压等。电感参数的大小既要 保证电流快速跟踪,又要抑制谐波电流。当电流过零时,电流的变化率最大,此时电感应足够小,以满足电流快速跟踪的要求;在正弦波电流峰值处,谐波电流脉动最大,此时电感应该足够大,以满足抑制谐波电流的要求。满足以上电流瞬态跟踪指标时,三相 VSR 电感参数的范围是:

其中:Em为电网电动势相电压峰值;Vdc为直流侧额定电压值;Im为交流侧相电流基波峰值;ω为电网电压角频率;Δimax为最大允许谐波电流脉动量;Ts为PWM 控制周期。从满足直流电压控制的跟随性能指标出发,VSR直流侧电容应尽可能的小,以确保VSR直流侧电压的快速跟踪控制;而从满足直流电压环控制的抗扰性出发,VSR直流侧电容应尽可能大,以抑制负载扰动时的直流电压动态压降。根据动态性能,直流电容范围为:

其中:t*r为三相 VSR 直流侧电压从初始值上升到额定值的最大允许上升时间 ;RL为额定直流侧负载电阻。根据 VSR 直流侧电压的抗扰性指标,可以求得三相 VSR 直流侧电容的范围为:

其中:Δ Vmax为三相 VSR 直流侧电压最大动态压降;Vdc为三相VSR 直流侧额定电压值;ΔV*m为三相 VSR 直流侧电压最大动态压降相对值;RL为三相 VSR 额定直流侧负载电阻。采用simulink搭建三相空间矢量整流器模型,0.2s无功阶跃,从0到100kVar,0.6s,直流电压阶跃,从600V阶跃到700V,其仿真结果如下:

直流电压波形,在0.2s发生无功阶跃,电压波动,在0.6s直流电压指令突变,从600V阶跃到700V,在不到一个周波内跟踪。

系统无功波形,在0.2s无功指令从0阶跃到100KVar。以上仿真结果可以看出,本文所述电压型整流器,能够进行正常的稳态运行及暂态过程,跟踪速度快,能够满足需求.

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