本發(fā)明涉及一種三相電壓型PWM整流器的基于虛擬磁鏈定向的功率前饋預(yù)測(cè)直接功率控制方法，屬于電氣傳動(dòng)技術(shù)。
背景技術(shù)：
：目前，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展以及半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件性能的不斷提高，三相PWM整流器已從不控整流發(fā)展到可控整流。三相電壓型PWM整流器因其電網(wǎng)電流正弦度高、運(yùn)行于單位功率因數(shù)和能量雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，如風(fēng)力發(fā)電、靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)、不間斷電源(UPS)和電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域。對(duì)于三相PWM整流器的控制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多高效的控制方法。根據(jù)控制對(duì)象的不同，可分為矢量控制(VOC)和直接功率控制(DPC)兩種。其中，直接功率控制策略因其結(jié)構(gòu)、算法簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注。直接功率控制采用功率內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，通過(guò)有功和無(wú)功功率滯環(huán)選擇合適的開(kāi)關(guān)表，進(jìn)而控制PWM整流器的瞬時(shí)功率跟隨給定值，但其開(kāi)關(guān)頻率不固定，輸出濾波器的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜?；谔摂M磁鏈定向的直接功率控制無(wú)需交流側(cè)電網(wǎng)電壓傳感器，降低了成本?；诳臻g矢量的直接功率控制實(shí)現(xiàn)了恒定的開(kāi)關(guān)頻率控制，便于濾波器的設(shè)計(jì)，其電流諧波含量也有所降低。直接功率控制為了維持直流電壓的穩(wěn)定都需要并聯(lián)一個(gè)較大的電容，增大了裝置的體積，也增加了成本。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于虛擬磁鏈定向的功率前饋預(yù)測(cè)直接功率的控制方法，無(wú)需交流側(cè)電網(wǎng)電壓傳感器，降低成本，開(kāi)關(guān)頻率固定，便于濾波器的設(shè)計(jì)，采用預(yù)測(cè)功率控制，減小電流諧波，采用負(fù)載功率前饋，降低了電容的大小，降低成本并提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于虛擬磁鏈定向的功率前饋預(yù)測(cè)直接功率的控制方法，包括如下步驟：(1)采集三相電壓型PWM整流器的對(duì)稱(chēng)三相電流ia、ib、ic，直流母線(xiàn)電壓Udc和負(fù)載電流iL；(2)直流母線(xiàn)電壓Udc的平方Us與給定直流母線(xiàn)電壓的平方的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到部分給定有功功率pu，直流母線(xiàn)電壓Udc與負(fù)載電流iL相乘得到負(fù)載功率pL，部分給定有功功率pu與負(fù)載功率pL相加得到給定有功功率給定無(wú)功功率(3)根據(jù)對(duì)稱(chēng)三相電流ia、ib、ic和三相電壓型PWM整流器的六個(gè)開(kāi)關(guān)管狀態(tài)得到虛擬磁鏈ψ、有功功率p、無(wú)功功率q及估算的電網(wǎng)電壓在αβ坐標(biāo)系下的分量和(4)給定有功功率與有功功率p的差值和給定無(wú)功功率與無(wú)功功率q的差值經(jīng)由功率預(yù)測(cè)控制器構(gòu)成的功率內(nèi)環(huán)得到三相電壓型PWM整流器輸出的電壓矢量，對(duì)電壓矢量進(jìn)行空間矢量調(diào)制得到三相電壓型PWM整流器的六個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管的控制信息，使得有功功率p和無(wú)功功率q跟隨給定有功功率和給定無(wú)功功率具體的，所述步驟(3)中，根據(jù)對(duì)稱(chēng)三相電流ia、ib、ic和三相電壓型PWM整流器的六個(gè)開(kāi)關(guān)管狀態(tài)得到虛擬磁鏈ψ、有功功率p、無(wú)功功率q及估算的電網(wǎng)電壓在αβ坐標(biāo)系下的分量和的具體方法如下：(31)三相電壓型PWM整流器的六個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管狀態(tài)采用如下方式表示：(32)利用克拉克變換得到直流母線(xiàn)電壓Udc在αβ坐標(biāo)系下的分量：uconvαuconvβ=23×Udc×1-0.5-0.5032-32SaSbSc]]>(33)利用克拉克變換得到對(duì)稱(chēng)三相電流ia、ib、ic在αβ坐標(biāo)系下的分量：iαiβ=23×1-0.5-0.5032-32iaibic]]>(34)利用公式得到虛擬磁鏈ψ在αβ坐標(biāo)系下的分量，其中：L為三相電壓型PWM整流器交流側(cè)的濾波電感；(35)利用公式得到有功功率p和無(wú)功功率q，其中：ω為電網(wǎng)電壓角速度；(36)利用公式得到估算的電網(wǎng)電壓在αβ坐標(biāo)系下的分量和具體的，所述步驟(4)中，三相電壓型PWM整流器輸出的電壓矢量的控制方程為：vα(k)vβ(k)=u^α(k)u^β(k)-LTs||u^αβ||2u^α(k)u^β(k)u^β(k)-u^α(k)×2p*(k)-p*(k-1)-p(k)q*(k)-q(k)]]>其中：為k時(shí)刻三相電壓型PWM整流器的輸出電壓矢量在αβ坐標(biāo)系下的分量，為k時(shí)刻估算的電網(wǎng)電壓在αβ坐標(biāo)系下的分量，p(k)為k時(shí)刻有功功率，q(k)為k時(shí)刻無(wú)功功率，p*(k)和p*(k-1)分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻給定有功功率，q*(k)為k時(shí)刻給定無(wú)功功率，Ts為采樣時(shí)間，有益效果：本發(fā)明提供的基于虛擬磁鏈定向的功率前饋預(yù)測(cè)直接功率的控制方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，降低了成本并提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，具體如下：1、無(wú)需交流測(cè)電網(wǎng)電壓傳感器，節(jié)約了成本并提高了系統(tǒng)的可靠性；2、功率內(nèi)環(huán)無(wú)需PI調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)化了控制器結(jié)構(gòu)；3、開(kāi)關(guān)頻率固定，便于濾波器的設(shè)計(jì)；4、采用預(yù)測(cè)功率控制，減小了電流諧波；5、采用負(fù)載功率前饋，降低了電容的容量，減小裝置的體積。附圖說(shuō)明圖1為三相電壓型PWM整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明方法的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例A相動(dòng)態(tài)電壓和電流的仿真波形圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例三相電流的動(dòng)態(tài)仿真波形圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例直流母線(xiàn)電壓的動(dòng)態(tài)仿真波形圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例有功和無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)仿真波形圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖1所示為三相電壓型PWM整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，包括三相電網(wǎng)電壓ua/b/c、交流側(cè)的濾波電感L、濾波電容C、電阻負(fù)載RL和六個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管組成的整流橋；圖1中：R為交流側(cè)的濾波電感L上的寄生電阻，ia/b/c為對(duì)稱(chēng)三相電流，Sa/b/c為六個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管狀態(tài)，idc為直流側(cè)電流，ic為濾波電容電流，Udc為直流母線(xiàn)電壓，iL為負(fù)載電流。本案的控制系統(tǒng)如圖2所示，包括控制電路和功率主電路：控制電路包括霍爾傳感器和主控芯片，本案采用的主控芯片為DSP28335；功率主電路主要包括電壓平方環(huán)和功率環(huán)。電壓平方環(huán)的構(gòu)成為：通過(guò)直流側(cè)的霍爾傳感器得到直流母線(xiàn)電壓Udc和負(fù)載電流iL，直流母線(xiàn)電壓Udc的平方Us與給定直流母線(xiàn)電壓的平方的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到部分給定有功功率pu，直流母線(xiàn)電壓Udc與負(fù)載電流iL相乘得到負(fù)載功率pL，部分給定有功功率pu與負(fù)載功率pL相加得到給定有功功率給定無(wú)功功率功率環(huán)的構(gòu)成包括如下部分：(a)通過(guò)交流側(cè)的霍爾傳感器得到對(duì)稱(chēng)三相電流ia、ib、ic，將三相電壓型PWM整流器的六個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管狀態(tài)采用如下方式表示：(b)利用克拉克變換得到直流母線(xiàn)電壓Udc在αβ坐標(biāo)系下的分量：uconvαuconvβ=23×Udc×1-0.5-0.5032-32SaSbSc]]>(c)利用克拉克變換得到對(duì)稱(chēng)三相電流ia、ib、ic在αβ坐標(biāo)系下的分量：iαiβ=23×1-0.5-0.5032-32iaibic]]>(d)利用公式得到虛擬磁鏈ψ在αβ坐標(biāo)系下的分量，其中：L為三相電壓型PWM整流器交流側(cè)的濾波電感。(e)利用公式得到瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無(wú)功功率q，其中：ω為電網(wǎng)電壓角速度。(f)利用公式得到估算的電網(wǎng)電壓在αβ坐標(biāo)系下的分量和在αβ坐標(biāo)系下，三相電壓型PWM整流器的有功功率p和無(wú)功功率q也可由公式(1)計(jì)算：pq=u^αu^βu^β-u^αiαiβ---(1)]]>由于采樣頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率，可認(rèn)為在相鄰的兩個(gè)采樣周期內(nèi)因此可以得到有功功率p和無(wú)功功率q在相鄰兩個(gè)采樣周期內(nèi)的表達(dá)式為：p(k+1)-p(k)q(k+1)-q(k)=u^α(k)u^β(k)u^β(k)-u^α(k)iα(k+1)-iα(k)iβ(k+1)-iβ(k)---(2)]]>根據(jù)圖2，三相電壓型PWM整流器在αβ坐標(biāo)系下可表示為：Lddtiα(t)iβ(t)=u^α(t)u^β(t)-vα(t)vβ(t)-Riα(t)iβ(t)---(3)]]>由于寄生電阻R很小，因此將其忽略，由于采樣頻率遠(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)頻率，將式(3)中的對(duì)應(yīng)項(xiàng)忽略并對(duì)式(3)進(jìn)行一階差分，可以得到三相電壓型PWM整流器在αβ坐標(biāo)系下的差分表達(dá)式為：iα(k+1)-iα(k)iβ(k+1)-iβ(k)=TsL(u^α(k)u^β(k)-vα(k)vβ(k))---(4)]]>將式(4)帶入式(2)可得：p(k+1)-p(k)q(k+1)-q(k)=TsLu^α(k)u^β(k)u^β(k)-u^α(k)×(u^α(k)u^β(k)-vα(k)vβ(k))---(5)]]>要使下一時(shí)刻有功功率p和無(wú)功功率q跟蹤至給定有功功率和給定無(wú)功功率則有：p(k+1)q(k+1)=p*(k+1)q*(k+1)---(6)]]>將式(6)帶入式(5)，可得：vα(k)vβ(k)=u^α(k)u^β(k)-LTs||eαβ||2u^α(k)u^β(k)u^β(k)-u^α(k)×p*(k+1)-p(k)q*(k+1)-q(k)---(7)]]>由于單位功率因數(shù)運(yùn)行，一般給定無(wú)功功率在相鄰兩個(gè)采樣周期內(nèi)對(duì)給定有功功率采用線(xiàn)性插值得：p*(k+1)q*(k+1)=2p*(k)-p*(k-1)q*(k)---(8)]]>將式(8)帶入式(7)中，可得：vα(k)vβ(k)=u^α(k)u^β(k)-LTs||u^αβ||2u^α(k)u^β(k)u^β(k)-u^α(k)×2p*(k)-p*(k-1)-p(k)q*(k)-q(k)---(9)]]>通過(guò)式(9)最終可得k時(shí)刻三相電壓型PWM整流器的輸出電壓矢量對(duì)電壓矢量進(jìn)行空間矢量調(diào)制得到三相電壓型PWM整流器的六個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管的控制信息Sa/b/c，通過(guò)六個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管的控制信息Sa/b/c驅(qū)動(dòng)六個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電壓型PWM整流器的直接功率控制。下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。在matlab/Simulink環(huán)境下搭建三相電壓型PWM整流器的仿真模型，采用如圖2所述的控制策略，其參數(shù)如下：電網(wǎng)側(cè)相電壓幅值為25V，濾波電感L＝7mH，濾波電容C＝20uF，電阻負(fù)載RL＝36.5Ω，直流母線(xiàn)電壓Udc初始值為60V，在0.5s時(shí)突變?yōu)?0V，開(kāi)關(guān)頻率為10kHz。圖3為電壓電流的動(dòng)態(tài)波形，電壓電流同相位，系統(tǒng)單位功率因數(shù)運(yùn)行，電壓突變后，電流很快就達(dá)到穩(wěn)定值，且超調(diào)很小。圖4為三相電流波形，三相電流對(duì)稱(chēng)，且正弦度很高。圖5為直流母線(xiàn)電壓波形，直流電壓很穩(wěn)定，波動(dòng)范圍為2V左右，電壓突變后，直流母線(xiàn)電壓在0.002s內(nèi)就達(dá)到給定值，且很快就穩(wěn)定在70V上。圖6為有功功率與無(wú)功功率波形，有功與無(wú)功功率波動(dòng)很小，無(wú)功功率在0Var上下波動(dòng)，系統(tǒng)功率因數(shù)為1，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，有功功率迅速變化，且超調(diào)小，無(wú)功功率基本不變，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)解耦。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3