基于虛擬磁鏈定向的PWM整流器控制方法研究

侯兆然

（許昌學(xué)院，河南 許昌 461000）

0 引言

PWM整流技術(shù)相對(duì)于二極管靜態(tài)整流具有先天的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，可以將電能回饋到電網(wǎng)中，對(duì)快速變化的負(fù)載具有快速響應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。目前在工業(yè)應(yīng)用中PWM整流技術(shù)已經(jīng)得到了較多的應(yīng)用，但是PWM整流器在成本上的劣勢(shì)也是比較明顯的[3]。

當(dāng)前，多數(shù)應(yīng)用的是三相電壓型PWM整流器，采用的控制方案多為電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方法。這種控制方案，需要檢測(cè)三相輸入電流、直流母線電壓以及電網(wǎng)測(cè)相電壓。電流檢測(cè)通常采用霍爾元件，電流量的檢測(cè)通常不能省略，因?yàn)殡娏鱾鞲衅魈峁┛刂破魉枰碾娏鞣答佪斎胄盘?hào)，而且過(guò)流、過(guò)載保護(hù)都需要電流反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。直流母線電壓的檢測(cè)通常采用光電隔離放大器設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路，母線電壓是控制母線電壓穩(wěn)定必須的電壓反饋輸入，而且過(guò)壓、欠壓保護(hù)通過(guò)電壓反饋來(lái)完成，同樣不能省略[5-6]。電網(wǎng)電壓檢測(cè)電路的作用主要是通過(guò)對(duì)電網(wǎng)電壓的檢測(cè)計(jì)算得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換的角度信息。

在無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器的控制方案中，只需通過(guò)其他的物理量觀測(cè)出所需要的角度信息，就可以按照電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方法進(jìn)行控制了。從文獻(xiàn)研究中我們可以得出，主要可以通過(guò)三個(gè)方面來(lái)達(dá)到角度觀測(cè)的目的，一是直接觀測(cè)相電壓的角度；二是觀測(cè)電網(wǎng)電壓然后通過(guò)鎖相環(huán)一類(lèi)的技術(shù)計(jì)算角度；三是通過(guò)觀測(cè)虛擬電網(wǎng)磁鏈來(lái)得到角度信息[7-8]。通過(guò)比較，觀測(cè)虛擬電網(wǎng)磁鏈的方法不僅能夠準(zhǔn)確地觀測(cè)所需的量，而且因?yàn)樽陨碛蟹e分環(huán)節(jié)的存在對(duì)測(cè)量過(guò)程中的干擾有一定的抑制作用[9]。在觀測(cè)虛擬電網(wǎng)磁鏈的過(guò)程中，存在初始值的問(wèn)題，如果不對(duì)觀測(cè)的初始值進(jìn)行處理，觀測(cè)值會(huì)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致控制效果變差甚至控制失敗。本文提出一種觀測(cè)初始值的處理方法，可以有效地解決初始值給觀測(cè)器帶來(lái)的誤差。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的方案能夠在無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器的情況下采用虛擬電網(wǎng)磁鏈的方法實(shí)現(xiàn)PWM整流控制，且控制器具有較好的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)快速性。

1 虛擬磁鏈原理

三相PWM整流器的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中Vdc為母線電壓，R為等效電阻，L為儲(chǔ)能濾波電感，ua，ub，uc為三相電網(wǎng)電壓。交流電機(jī)控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，虛線圈內(nèi)為交流電機(jī)的等效結(jié)構(gòu)。對(duì)比兩份圖，不難發(fā)現(xiàn)，PWM整流器的網(wǎng)側(cè)部分與三相交流電機(jī)有著莫大的相似之處。PWM整流器中的網(wǎng)側(cè)電壓相當(dāng)于三相交流電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，網(wǎng)側(cè)電感相當(dāng)于電機(jī)繞組的漏感，等效電阻相當(dāng)于電機(jī)繞組的電阻[10]。因此可以類(lèi)比于交流電機(jī)磁鏈觀測(cè)的方法來(lái)觀測(cè)虛擬電網(wǎng)磁鏈。

圖1 PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 PWM rectifier topology

圖2 交流電機(jī)控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 AC motor control topologies

忽略三相電網(wǎng)電壓的不平衡量，忽略線路阻抗，PWM整流器在兩相靜止αβ坐標(biāo)系下的電壓方程為

理論上可以用上式進(jìn)行電網(wǎng)電壓觀測(cè)并進(jìn)行相應(yīng)的無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器的控制方法。但是，這種觀測(cè)方法包含了電流的微分量，在實(shí)際控制系統(tǒng)中容易放大噪聲干擾，對(duì)系統(tǒng)控制不利，需要對(duì)可能引入的干擾進(jìn)行處理。令

將上述的電壓方程兩邊同時(shí)積分可得

式中，ψα、ψβ分別為虛擬電網(wǎng)磁鏈的α、β分量。設(shè)電網(wǎng)電壓矢量表達(dá)式為U=uα+juβ，虛擬電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)噶勘磉_(dá)式為ψ=ψα+jψβ，則電網(wǎng)電壓超前于虛擬電網(wǎng)磁鏈，超前角度為π/2。

2 虛擬電網(wǎng)磁鏈的PWM整流器控制方法

結(jié)合上文中的分析，PWM整流器控制數(shù)學(xué)模型在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下包含虛擬電網(wǎng)磁鏈的矢量關(guān)系圖如圖3所示，圖中的角度θ為需要觀測(cè)的物理量。

圖3 虛擬電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)噶繄DFig.3 Virtual grid flux vector

根據(jù)圖中各量關(guān)系，可以得到

進(jìn)而可以計(jì)算得到相位角度為

在完成對(duì)相位角的估計(jì)后，我們就可以按照傳統(tǒng)的PWM整流器控制方法進(jìn)行控制。參照傳統(tǒng)的PWM整流器控制方案，容易得到基于虛擬電網(wǎng)磁鏈的控制方案，控制框圖如圖4所示。

圖4 基于虛擬電網(wǎng)磁鏈的PWM整流器控制框圖Fig.4 Rectifier PWM control block diagram based on virtual grid flux

不難發(fā)現(xiàn)，在虛擬電網(wǎng)磁鏈的觀測(cè)中存在積分環(huán)節(jié)，如果在初值未知的情況下直接采用積分的方式來(lái)計(jì)算，很可能因?yàn)槌踔祹?lái)直流偏置使積分快速飽和，使觀測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏差。角度觀測(cè)結(jié)果的偏差，將直接影響PWM整流器整體的控制效果，甚至使控制系統(tǒng)失效導(dǎo)致整流器故障報(bào)警。

為了解決傳統(tǒng)積分方法存在的弊端，可以借用PID控制器的思想，將PID控制器的抗積分飽和思想移植到虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測(cè)的積分運(yùn)算中。首先需要合理設(shè)置虛擬電網(wǎng)磁鏈的輸出限值，這部分的限值可以根據(jù)實(shí)際的電網(wǎng)側(cè)電壓情況計(jì)算得到，再者積分調(diào)節(jié)器的輸出值要作為反饋量輸入到積分調(diào)節(jié)器，作為抗積分飽和計(jì)算的參考反饋輸入。積分器的具體設(shè)計(jì)可以參照?qǐng)D5中的方法。

圖5 虛擬電網(wǎng)磁鏈積分器Fig.5 Virtual grid flux integrator

3 實(shí)驗(yàn)分析

基于虛擬電網(wǎng)磁鏈的PWM整流器控制方案是基于電網(wǎng)電壓定向的PWM整流器控制方案設(shè)計(jì)的，為了驗(yàn)證上訴方案的可行性以及性能，可以采用當(dāng)前現(xiàn)有的PWM整流器硬件平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證?，F(xiàn)有的硬件平臺(tái)采用圖1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的電網(wǎng)相位檢測(cè)電路和網(wǎng)測(cè)電壓檢測(cè)電路。試驗(yàn)選用30 kW的PWM整流器，網(wǎng)側(cè)電抗器電感為1 mH，電網(wǎng)電壓為400 V AC，直流母線電容容量為2 800 μF，直流母線電壓設(shè)定值為600 V，負(fù)載設(shè)計(jì)為電機(jī)對(duì)拖平臺(tái)。驅(qū)動(dòng)端電源采用虛擬電網(wǎng)磁鏈控制方法，負(fù)載端的電源采用傳統(tǒng)控制方案。該P(yáng)WM整流器采用TI的TMS320F2812為主要控制核心。

PWM整流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)網(wǎng)測(cè)電流正弦度和功率因數(shù)是衡量其性能的一個(gè)重要指標(biāo)。圖6給出了在平穩(wěn)負(fù)載的情況下，PWM整流器A相電流與A相電壓的測(cè)量波形圖。從圖中可以看出，在采用虛擬電網(wǎng)磁鏈的控制方式下，PWM整流器可以穩(wěn)定地運(yùn)行，相電流與相電壓的相位基本不存在差別，近似實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)運(yùn)行，符合了PWM整流器的基本要求。

圖6 PWM整流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)A相電壓與A相電流波形圖Fig.6 PWM rectifier steady-state operation A phase voltage and current waveforms diagram

PWM整流器動(dòng)態(tài)響應(yīng)是衡量其性能的另一重要指標(biāo)。通常的方法是快速改變負(fù)載，測(cè)試PWM整流器的動(dòng)態(tài)跟蹤情況。通過(guò)對(duì)比兩種控制方案在相同的測(cè)試條件下的響應(yīng)情況可以從這方面評(píng)判VFOC方案的性能。圖7、圖8分別給出了在同一時(shí)間對(duì)電機(jī)突加負(fù)載的情況下，作為整流模式的基于虛擬電網(wǎng)磁鏈控制方式的PWM整流器和作為回饋模式下的基于傳統(tǒng)控制方法模式下的PWM整流器相電流及母線電壓的跟蹤情況（調(diào)整負(fù)載變化方向，使電源工作在不同的模式下得到類(lèi)似的響應(yīng)結(jié)果）。兩份圖采用軟件采集，橫坐標(biāo)為采樣次數(shù)，不對(duì)應(yīng)具體時(shí)間單位，故不做單位標(biāo)注；縱坐標(biāo)分別為電流的幅值和電壓的幅值，均采用標(biāo)幺值表示，也不做單位標(biāo)注。從圖中可以看到，在突加負(fù)載時(shí)，處于整流模式下的基于虛擬電網(wǎng)磁鏈的整流器經(jīng)過(guò)短暫的調(diào)整時(shí)間后恢復(fù)穩(wěn)定，與傳統(tǒng)的控制方法保持基本一致的響應(yīng)速度。

圖7 基于虛擬電網(wǎng)磁鏈負(fù)載突變響應(yīng)Fig.7 Mutation load response based on virtual grid flux

圖8 基于傳統(tǒng)方法負(fù)載突變響應(yīng)Fig.8 Mutation load response based on traditional methods

4 結(jié)論

三相電壓型PWM整流器的網(wǎng)側(cè)部分與三相交流電機(jī)有著莫大的相似之處。通過(guò)將三相電壓型PWM整流器中各部分與三相交流電機(jī)做對(duì)比處理，可以將PWM整流器網(wǎng)側(cè)部分等效成受驅(qū)動(dòng)器控制的電機(jī)側(cè)。因此可以類(lèi)比于交流電機(jī)磁鏈觀測(cè)的方法來(lái)觀測(cè)虛擬電網(wǎng)磁鏈。相比電網(wǎng)電壓定向矢量控制方法可以省略電網(wǎng)電壓傳感器，降低了三相PWM整流器的成本。本文分析了虛擬電網(wǎng)磁鏈的觀測(cè)方法，針對(duì)觀測(cè)方法中存在的積分環(huán)節(jié)可能帶來(lái)的直流偏置，設(shè)計(jì)了類(lèi)似于抗飽和積分PID調(diào)節(jié)器方法的抗積分飽和積分器，可以有效地解決積分初值帶來(lái)的問(wèn)題。本文應(yīng)用現(xiàn)有PWM整流器在不增加硬件的情況下，采用基于虛擬電網(wǎng)磁鏈的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明采用這種方案的PWM整流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行良好，并且動(dòng)態(tài)調(diào)整較好，與采用電網(wǎng)電壓定向控制方法的PWM整流器性能相近。但是這種方案仍然有不足之處，需要后續(xù)更多的研究，但是是比較好的一種技術(shù)方案。

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