四象限变流器控制策略研究与仿真概要.docx
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四象限变流器控制策略研究与仿真概要
四象限变流器控制策略研究与仿真
宋文胜,刘志敏,冯晓云
(西南交通大学电气工程学院,四川成都
610031
摘
要:
在建立基于理想开关函数的单相四象限变流器数学模型的基础上,对四象限变流器常用的5种控制策略进
行研究,并通过计算机仿真对各种控制策略的控制性能进行对比分析。
仿真结果表明,预测电流控制和瞬态电流控制可以达到直流侧电压稳定、网侧电流谐波小、网侧单位功率因数等控制目标。
关键词:
四象限变流器;控制策略;仿真中图分类号:
U264.3+7;TM461
文献标识码:
A
文章编号:
1672-1187(200702-0034-04
Researchandsimulationonthecontrolstrategyof4-quadrantconverter
SONGWen-sheng,LIUZhi-min,FENGXiao-yun
(CollegeofElectricalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China
Abstract:
Basedonthemathematicmodelofidealswitchfunctionforasingle-phase4-quadrantconverter,fivekindsofcontrolstrategyarestudied,andanalysisismadeforeachstrategybycomputersimulation.Resultsshowthatthepredictedcurrentcontrolandtransientcurrentcontrolcanreachthecontrolaims,suchasvoltagestabilizationofDC-link,lowharmonicdistortionofthelinecurrentandunitypowerfactor.
Keywords:
4-quadrantconverter;controlstrategy;simulation
电力机车与城轨车辆
ElectricLocomotives&MassTransitVehicles
研究开发
第30卷第2期2007年3月20日
Vol.30No.2Mar.20th,2007
收稿日期:
2006-10-20
作者简介:
宋文胜,在读硕士研究生,主要研究方向为电力电子与电传动。
◆
◆
交流传动技术是我国铁路牵引动力今后发展的主要方向。
对于单相供电的牵引主变流器来说,电源侧四象限变流器是整个牵引系统的一个重要组成部分,它对电网的功率因数和电网电流中的高次谐波含量有着决定性的影响。
对它的控制必须达到两个目的[1-2]:
当电网电压或负载发生变化时,能维持中间回路直流电压恒定;使网侧电流波形接近正弦,电网功率因数接近于1,且电网电流的高次谐波含量尽量小。
目前有很多控制方法,并且还在不断研究发展中。
本文在单相电压型四象限变流器数学模型的基础上,介绍间接电流控制、滞环直接电流控制、定时瞬时值电流控制、瞬态直接电流控制[3]、预测直接电流控制[4]等5种控制策略,并采用Matlab/Simulink进行计算机仿真,对这5种控制策略的网侧电流谐波和直流侧电压的波动进行分析比较。
1单相电压型四象限变流器的工作原理及数
学模型
单相四象限变流器主电路图及其开关等效电路图如图1所示。
(a主电路图
(b开关等效电路图
图1
单相四象限变流器主电路图与开关等效图
定义理想开关Si函数为:
Si=
1表示开关闭合,处于导通状态0
表示开关打开,处于关断状!
态
由于上桥臂与下桥臂不能够出现直通,则Si与Si'不能同时导通,驱动信号应该互补,Si'=1-Si;变流器输入端电压uab(t取值有uab(t,0,-uab(t3种电平,有效的开关组合有22种,即S1S2=00,01,10,11四种逻辑,则变流器输入端电压uab(t有如下关系:
uab
(t=(S1-S2Udc(1
由式(1得出系统的瞬时等值电路如图2所示,四象限变流器的控制原理就是通过不同的控制方法,
适当调
34
宋文胜等・四象限变流器控制策略研究与仿真・2007年第2期
节uab(t有效值的大小,控制输入电流的相位以控制系统功率因数;调节uab
(t的相位,控制输入电流的大小以控制传入功率变换的能量,也就控制了直流侧输出电压。
因此,通常采用电压外环和电流内环相结合的双闭环控制方式。
此等值电路
的电压矢量平衡方程为:
U!
N=Ldi"+Ri
"N+U!
ab(2
单相四象限变流器主电路数学模型如式(3所示:
LdiN+iNR=uN-(S1-S2Udc
CddUdc=(S1-S2iN-Udc-eLL-i2
L2di=Udc-Uc2
C2dU=i2
#%%%%%%%%%$%%%%%%%%%&
(3
2电压型四象限变流器的5种控制策略
2.1间接电流控制
间接电流控制又称“幅相控制”,间接电流控制具体的数学公式如式(4所示。
IN*=Kp(Uref*
-Udc
+1/Ti’
(Uref*-Udcdtuab(t=uN(t-IN
*Rsinω
t-ωIN
*Lcosω(
t(4
式中:
Kp和Ti为PI调节器的参数;U
ref
*为中间直流侧电
压给定值;IN
*为网侧电流的给定值;ω为网侧电压角频率。
将调制信号uab
(t与三角载波相比较,即可得到所需的PWM脉冲信号来控制开关管。
2.2滞环直接电流控制
滞环直接电流控制方案是将网侧实际电流iN
(t与网侧给定电流IN
*
sinωt之差△i经滞环比较,直接产生主电
路开关通断所需的PWM信号。
其数学公式如式(5所示。
△i=IN
*
sinωt-iN(t
Sk=S!
k(-ε<△i(t<ε
Sk=1(△i(t>εSk=0(△i(t<-ε
*
%%%%%$%%%%%&
(k=1,2(5
式中:
S!
k为PWM脉冲信号Sk上一时刻的值,2ε为滞环的环宽。
即当网侧给定电流与网侧实际电流之差的绝对值△i(t<ε
时,PWM脉冲信号保持不变;当△i(t<-ε时,PWM信号输出为低电平,对应开关管关断;当△i(t>ε时,PWM信号输出为高电平,对应开关管导通。
这种控制方法的不足之处是开关频率不固定。
2.3定时瞬时值电流控制
针对滞环电流控制策略开关频率不固定的缺点,采
用定时瞬时值电流控制。
其原理就是在滞环电流控制的基础上,对滞环控制产生的PWM信号的开关频率进行限制,使PWM信号开关频率fs满足fs≤fmax*,其中fmax*为设定的开关频率上限。
在实际控制电路中,只需在滞环电流控制的PWM信号端加入一个D触发器,其时钟信号的频率为最高限制开关频率fmax*。
2.4瞬态直接电流控制
根据四象限变流器的控制原理,采用瞬态直接电流控制方案,可以对四象限变流器进行控制,其具体的数学公式如式(6所示。
IN1*=Kp(Uref*
-Udc
+1/Ti’
(Uref*-UdcdtIN2*=IdcUdc/UNIN*=IN1*+IN2*uab(t=uN(t-(IN*Rsinωt+ωLIN*cosωt-K[IN*sinωt-iN(t*
%%%%%%$%%%%%%&
]
式中:
K为比例放大系数;Idc为中间直流环节电流。
为了减轻中间直流环节电压PI调节器的负荷,改善
PI调节器的动态响应,用中间直流环节的电流Idc来计算给定电流的有效分量IN2*并将它和IN1*相加,共同作为网侧电流的给定值IN*。
将式(6与式(4相比较,可看出:
瞬态电流控制需要反馈网侧电感电流iN
(t,多了一个K[IN*sinωt-iN
(t]环节,这样可以弥补间接电流控制中直流侧电压稳定慢、动态响应差、对系统参数变化不能很快作出调整等缺点。
2.5预测直接电流控制
其控制策略为经过一个PWM开关周期Ts,使实际电流与指令电流相等。
即在任一PWM开关周期(tn,tn+Ts内,电流必须满足式(7。
iN(tn+Ts=iN*(tn或△iN(tn
=△iN*
(tn(7
如忽略电阻R的大小,其具体的数学表达式如式(8所示。
IN*=Kp(Uref*
-Udc
+1/Ti’
(Uref*-Udcdtuab(t=uN(t-Ls
[IN*sinωt-iN(t]*%%%%$%%%%&
(8
3仿真结果
为了便于比较,系统参数统一设定为:
网侧电压的有
效值UN=1471V;网侧电感L=2.3mH;变压器二次侧漏电阻R=0.2Ω;直流侧稳压电容Cd=8800μF;二次滤波电容C2=3000μF;二次滤波电感L2=0.84mH;负载电阻RL=20Ω。
采用Matlab/Simulink对上述的5种控制策略进计算机仿真,得到5种控制策略所对应的仿真结果;并采用Simulink中的Powergui模块中的FFT工具对5种控制策略对应的网侧电流iN(t进行谐波分析,其波形如图3 ̄图7所示。
由图3 ̄图7可以看出,以上5
种控制策略都实现了
图2
瞬时等值模型
(6
35
电力机车与城轨车辆・2007年第2期
网侧电压uN(t和网侧电流iN(t的同相位,即实现了变流器单位功率因数运行;实现了直流侧输出电压稳定在
2700V,且偏差在允许范围之内,达到了四象限变流器的
基本要求。
由图3可得,间接电流控制策略网侧电流iN
(t谐波和直流分量较大;直流侧电压Udc的波动最大,原因在于
图3
开关频率fs=1kHz,间接电流控制的仿真波形
图4环宽为30
的直接电流控制的仿真波形
图5最高开关频率为10kHz,环宽为30的定时值电流控制仿真波形
36
间接电流控制没有引入网侧电流反馈,而是只通过控制网侧电压基波幅值、相位,进而间接控制其网侧电流。
如图4所示,滞环电流控制具有网侧电流iN(t的谐波分量小、直流侧电压波动小等优点。
但其缺点是开关频率不固定,而且网侧电流谐波和直流侧电压纹波都与滞环环宽有关,环宽越大,谐波分量越大,直流侧电压波动越大,所以不太适合实际应用。
如图5所示,定时值电流控制网侧电流iN(t的谐波分量很大,畸变率较高,原因是此控制策略是在滞环的基础上,使高于最高开关频率的PWM信号脉冲丢失。
根据面积等效原理,PWM脉冲不能等效为完整的正弦波,所以正弦信号电流iN(t出现较大畸变。
如图6和图7所示,瞬态电流控制和预测电流控制不仅具有滞环控制策略下直流侧电压波动小,网侧电流谐波分量小等优点,并且解决了滞环开关频率不固定的缺点,是两种较佳的控制策略。
4结论
本文在建立单相四象限变流器的数学模型的基础上,给出了间接电流控制、滞环电流控制、定时瞬时值电流控制、瞬态电流控制、预测电流控制共5种控制策略的数学模型,并在Matlab/Simulink环境下进行了计算机仿真分析比较。
仿真结果表明预测电流控制和瞬态电流控制是两种较佳的控制策略,更适合于实际工程中应用。
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]王挺泽.1000kW交直地面试验系统四象限变流器的主电路及控制电路[J].机车电传动,1993(6.
[3]邹仁.四象限变流器瞬态电流控制的仿真研究[J].机车电传动,2003(6.
[4]李伟,张黎.交—直—交传动系统网侧变流器预测电流控制方法的计算机仿真及实现[J].中国铁道科学,2002,23(6.
[5]李波.四象限变流器PWM双闭环控制系统的计算机仿真[J].机车电传动,2000(3.
图6开关频率fs=1kHz
瞬态直接电流控制的仿真波形
图7开关频率fs=1kHz预测直接电流控制的仿真波形
宋文胜等・四象限变流器控制策略研究与仿真・2007年第2期
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