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基于PSCAD的三相电压型 PWM 整流器研究与仿真

http://www.bpq.hc360.com2014年12月23日10:21T|T

  摘要:分析了电压型 PWM 整流器的双闭环解耦控制原理。针对 PI 控制条件下电网扰动与负载扰动对直流侧电压动态波形影响较大的特点,引入了带负载电流前馈的控制方案,有效的提高了系统抗干扰性能。最后,在 PSCAD 仿真环境下,建立了系统的仿真模型,进行了仿真分析和研究,验证了方案的正确性和可行性。

  1. 引言

  随着电力电子技术的发展, PWM 整流器技术已经日趋成熟,相较于二极管不可控整流与晶闸管的半控整流,电压型 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,日益引起人们的关注。现已开始被广泛应用于单位功率因数整流、工业直流电源、交流传动等工业领域,又由于其网侧呈现为电流源特性,故还常常被扩展到电能质量与可再生能源发电方面等方面[1]。

  然而在 PWM 整流器的应用过程中,负载变化一般较为剧烈,电网有时也会发生电压波动,这都会影响到直流侧电压,使其动态过程发生较大偏差,不利于系统稳定运行。文中在原有的电压电流双闭环的基础上添加了负载电流前馈控制技术,并在 PSCAD/EMTDC环境下进行了仿真研究,结果证明整流器的抗负载和电网电压扰动能力有了很好的改善。

  2. 三相 PWM 整流器的数学模型

  为描述能量的双向传输,直流侧负载通常由 RL和直流电动势 eL串联表示。为分析方便,首先定义单极性二值开关函数 Sk(k=a,b,c),当 Sk=1 时,表示上桥臂导通,下桥臂关断,当 Sk=0 时表示下桥臂导通,上桥臂关断,由 VSR 拓扑可得:

  3. 负载侧电流前馈控制

  令 m 为 SPWM 调制比,结合式(3) 、 (4)可知电压环结构图为图 5 所示,当 iL出现变化时,首先会使 udc偏离于给定值, 然后系统才开始调节, 且 PI 环节具有滞后性,会导致 udc动态过程出现较大偏差。为了提高直流母线抗干扰能力, 就需要加入负载电流前馈补偿,使得整流器交直流侧输入输出功率达到平衡[2,3,4]。忽略线路损耗和开关损耗,有:

  4. 主电路参数设计

  4.1 直流侧母线电压

  由 PWM 整流器原理可知,PWM 整流器交流输入侧线电压为幅值与直流侧电压相等的 PWM 波,为保证交流侧不含有低次谐波,直流母线侧电压必须大于输入侧线电压基波的峰值[5]。文中采用 SPWM 调制方式,

  4.2 交流侧电感计算

  电感的选取对交流侧电流影响非常大。交流侧电感如果选取偏小,虽然可以提高响应速度,但会增加交流侧电流高次谐波的含量,如果选取过大,则会降低电流动态响应速度,而且对直流侧电容要求增加。由电流跟踪信号分别在电压峰值附近,和过零点附近变化率都小于限定值推导出电感的取值范围为[1]:

  为验证本文提出的带负载电流前馈控制的抗扰动效果,分别对两种控制策略下的负载扰动和电网扰动的效果进行了仿真对比和分析。 图 10 为负载突变时网侧和直流侧相关波形, 在 2.0s 时负载断开, 为空载运行, 在 2.3s 时负载又由空载变为满载。 通过对比可以看出,加入负载电流前馈后电压动态响应更迅速,且超调更小。

  6. 结论

  由实验结果可知:本文所采用的 PWM 整流器设计方法能够达到很好的效果,达到单位功率因数运行,且直流侧输出电压稳定。加入负载电流前馈后,可明显改善其抗干扰能力,在负载扰动和电网扰动的情况下,直流侧电压波动佷小,所需恢复时间非常短,且交流侧始终保持同相位。

  参考文献

  [1]张崇巍,张兴.PWM 整流器及其控制[M].北京: 机械工业出版社,2003.

  [2]李剑林,田联房,王孝洪,王安国.PWM 整流器负载电流前馈控制策略研究[J].电力电子技术,2011,45(11):58-60.

  [3]郎永强,徐殿国,HADIANAMREISR,马洪飞.三相电压型PWM 整流器的一种改进前馈控制策略[J].电机与控制学报,2006,10(2):160-163.

  [4]赵仁德,贺益康,刘其辉.提高PWM整流器抗负载扰动性能研究[J].电工技术学报,2004,19(8):67-72.

  [5]王晓东.双向PWM整流器设计与研究[D].武汉: 武汉理工大学自动化学院.2007

  [6]秦静,李世光,蒋正友.三相电压型PWM整流器的解耦与控制研究[J].电气传动,2011,41(4):22-27.

  [7]黄志玲,柴济民,李钢.PSCAD/EMTDC 与直流控制模型接口研究[J].江苏电机工程,2008(5).

  作者简介:

  郑诗程(1972-) ,男,博士,教授,安徽工业大学电气工程系主任, 主要研究方向为新能源发电技术、电力电子功率变换技术等。黄加虎(1989-) ,男,检测技术及其自动化专业硕士研究生。

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责任编辑:蔡亚微

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