电网不平衡下基于滑模变结构的三相电压型PWM整流器恒频控制.pdf

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电网不平衡下基于滑模变结构的三相电压型PWM整流器恒频控制1 电网不平衡下基于滑模变结构的三相电压型PWM整流器恒频控制2 电网不平衡下基于滑模变结构的三相电压型PWM整流器恒频控制3 电网不平衡下基于滑模变结构的三相电压型PWM整流器恒频控制4 电网不平衡下基于滑模变结构的三相电压型PWM整流器恒频控制5 电网不平衡下基于滑模变结构的三相电压型PWM整流器恒频控制6 电网不平衡下基于滑模变结构的三相电压型PWM整流器恒频控制7 电网不平衡下基于滑模变结构的三相电压型PWM整流器恒频控制8

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第4l卷第10期2013年5月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVO1.4lNO.10May16,2013电网不平衡下基于滑模变结构的三相电压型PWM整流器恒频控制郭旭刚,金新民,马添翼,童亦斌(北京交通大学电气工程学院,北京100044)——摘要:基于滑模变结构的控制算法只需在nD坐标系下完成控制目标无需进行复杂的dq坐标系变化,且实现了恒频控制。当电网电压不平衡时,通过设置三个控制目标来对系统进行控制,即消除负序电流、消除有功功率波动、消除无功功率波动。为了提高控制精度,通过采用T/4延时法只提取正序电流分量和负序电压分量,无需提取负序电流分量,针对设置的三个控制目标进行不同的功率项补偿,进而达到控制目标的要求理论推导和仿真实验结果证明了该控制策略的正确性和有效性。关键词:PWM整流器;直接功率控制;瞬时功率;滑模变控制;定频控制;r/4延时;电网不平衡—ConstantfrequencycontrolforthreephasevoltagePWMrectifierunderunbalancedgridvoltageconditionsbasedonslidingmodecontrol———GUOXugang,JINXinmin,MATianyi,TONGYi-bin(SchoolofElec ̄icalEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Bering100044,China)Abstract:Directpowercontrolbasedonslidingmodecontrol(SMC-PDC)Callachieveitscontrolpurposeandconstantswitchingf—requencycontrolsimplyunderGtpcoordinatesystemwithoutthecomplexd-qtransformation.Whenthegridvoltageisunbalanced,thispapersetsthreecontrolobjectivestocontrolsystem,namelyeliminatingnegativesequencecurrent,eliminatingactivepowerfluctuationandeliminatingreactivepowerfluctuation.Inordertoimprovecontrolaccuracy,T/4一shiftmethodisadoptedtoextractonlypositivesequencecurrentcomponentandnegativesequencevoltagecomponentandthereisnoneedtoextractnegativesequencecurrentcomponent.Sodifferentcontrolcommandscanbeachievedthroughcorrespondingpowercomponentcompensation’ofthreecontrolobjectivessetbefore.ThesimulationandexperimentalresultsverifythestrategyScorrectnessandeffectiveness.Keywords:PWMrectifier;directpowercontrol;instantaneouspower;slidingmodecontrol;constantswitchfrequency;T/4shift;unbalancedvoltagecondition中图分类号:TM461文献标识码:A文章编号:1674-3415(2013)10.0126.080引言由于PWM整流器具有低谐波输入电流、能量双向流动、小容量滤波器、恒定直流电压控制及高功率因数的优点,故被广泛应用于有源滤波及无功补偿、单位功率因数整流、交流传动等变流控制中。直接功率控制(DPC)与常用的电流控制相比具有结构和算法简单、高功率因数、低谐波、动静态性能良好等优点IJJ。然而传统查询开关表的直接功率控制开关频率不固定,需要的采样频率较高,为数字化实现及滤波电感的设计带来很大困难。为了实现定频控制,文献[2.5]采用了预测功率的算法,但基金项目:国家科技支撑项目(2009BAA22B03)是需要实时计算矢量作用时间,计算量较大。文献[6]采用了滑模变结构控制,对永磁同步电机进行直接转矩控制,有效地改善了系统的动、静态运行性能。本文将采用滑模变控制算法来实现定频控制,控制简单,并且无需知道电网相位信息,鲁棒性较好,保持了传统直接功率的优良特性。电网不平衡下,文献[7]采用虚拟导纳控制法实现对整流器的控制。文献[8】通过提取正负序分量得到较好控制。文献[9]提出了基于LCL滤波器的不平衡电流指令算法,有效降低低次谐波含量,实现正负序电流的无差跟踪控制。文献[10]通过正负序电流独立控制实现不平衡电网下整流器的控制。文献[11]通过设计电流补偿控制器对不平衡情况进行补偿,获得较好的电能质量。文献[12]在双旋转坐标系下完成控制要郭旭刚,等电网不平衡下基于滑模变结构的三相电压型PWM整流器恒频控制.127.求。文献[13]通过改善控制器来实现无静差控制。本文通过设置三个控制目标来对系统进行控制,通过采用T/4延时法[H来提取正序电流分量和负序电压分量,针对设置的三个控制目标进行功率项的补偿,进而达到电网不平衡下控制目标的要求。1滑模变结构控制理论[]1.1PWM整流器的功率模型—三相电压型PWM整流器在ap坐标系下的简化数学模型如图1。L‘DR图1网侧变流器简化数学模型—Fig.1Simplifiedmathematicalmodelofnetworksideconverter由瞬时功率理论从网侧估算,三相PWM整流器的总的瞬时有功JF)和瞬时无功Q在a一13坐标系下可表示为一,IEi ̄]㈩其中,、Up、i、ip分别为c【一p坐标系下PWM整流器网侧三相电压和电流的分量。对式(3)进行求导,可得到瞬时有功和无功功率的变化率『=一(警+鲁+誓+誓]4】dt=2dt+dt+dt盟dt]JIJ电网瞬时电压可以表示为n((5)l甜p一[Elcos( ̄)其中,IEl为电网电压的幅值。那么对式(5)、zfR求导得『警数学模型为昙[耄]=([:]一[]一[]]将式(6)、式(7)带入式(4)得(7)詈=一3[()—)]~RJPcoQ詈=一3E卸)RQ+coP(8)1.2滑模变结构下的功率环设计滑模结构的控制可迫使系统在规定的状态做小幅高频的运动。通过对切换函数来改变系统结构,使得系统能沿着预定切换面S=O运动。现定义功率环切换函数:Il,且有L2_Jff.I1=P+PIdt{,lz+QJdtL0其中,=P木一P,=Q弩一Q分别表示有功功率、无功功率误差。当=0,=0则表示瞬时有功功率、无功功率准确跟踪指令值,并且沿着滑模面运动,即=Is(甜)=一(6)即=coEsin(cot)=—又因电压型PWM整流器在在np坐标系下=一警㈤=一dQ+Ke(Q)将式(8)带入式(10)可得到_dS:+DB(11)dt其中:r]F:—3(uo ̄+—u/)+—RP—+晓】Q+Ke(P*-P)2LL~一+Ke(QQ)『、3l——=一l“2lp本文采用等速趋近率设计滑模变结构控制器,一e ̄sign()鲁一g电力系统保护与控制=一。{[乏]+[儿Issiiggnn(S1)1c3f1if(S ̄>)1≤式中:sign(-l,z{/,if(SiI)};l一1if(S<一)】~D、P、K。均为正的控制参数。1.3滑模变结构下的电压环设计’同1.2节,定义切换函数S=Sd。且有S。=。+Kd。I。,其中。=。术一。表示直流电压的误差。当So。=0则表示直流电压准确跟踪指令值,并且沿着滑模面运动,即:一…孥+Kd(水一))出采用等速趋近率设计滑模变结构控制器,即:1sign(Sdc))由于式(14)、式(15)两式相等,则可得到警sign(Sdc)+Vdc*m)直流侧有功功率指令值可估算为:一c。…)将式(16)带入式(17)得Pf=一C。[Kd。(。一。)一+Kd。1sign(Sd。)]其中:sign(Sd。)设计同1.2节;Kd。、/L。1均为正的控制参数。1.4滑模变结构控制系统稳定性和鲁棒性证明1.4.1系统稳定性证明定义李雅普诺夫函数如式(19)W:TS(19)2对式(19)进行求导,可以得到一dW=Srus:『-Ke0]sign()]dtdtlJl0一KoJLsign(s0J如果水sign(&)>0、木sign(S2)>0,那么dW/dt<0恒成立,由李雅普诺夫第二方法可知系统渐进稳定。所以,通过设置适当的开关函数,可使得系统渐进稳定。1.4.2系统鲁棒性证明系统实际运行时会因为系统参数变化以及外界干扰而影响开关函数,现加入干扰项重新定义如式(21)dS=F+D+G(21)I-G],其中,G=ll表示系统的所有干扰。L_J那么式(20)加入干扰后可写为dW铷+oIsii删gn(Si)]}(2-2由式(22)可以看出,只要满足1>lGll和K,>lGl,则dW/dt<0还恒成立。所以通过设置不同的控制参数,可以使得系统有较强的鲁棒性。2电网不平衡下功率传输特性电网不平衡下,任意一个空间矢量可以表示为负序一和正序分量之和,即V=V+V一(23)负序一和正序分量你别以一和速度旋转,如图2所示。本文采用T/4延时法来提取正负序分量。图2电网不平衡下正负序分量Fig.2Positiveandnegativecomponentunderunbalancedgrid—在ap坐标系下,电压和电流可以表示为(ua+-+-b/-)+j(Ztf ̄++u[3-)(24)【p=(+一)+j(+一)郭旭刚,等电网不平衡下基于滑模变结构的三相电压型PWM整流器恒频控制一129一f=1Ic。s(+),p=1lCOS(f+)——l甜:=lIcos(一f一),一=lIcos(一一)=I,lcos(f+),=l,Icos(f+)I=I厂Icos(-o ̄t一),一=l,一lcos(一cqt一)Il、U_l、l,+l、l厂l为电网电压和电流的正负序分量的幅值。、、、为电网电压和电流的正负序分量的初始相位。根据复功率定义,则系统瞬时有功功率和瞬时无功功率可表示为+jg=×将式(24)带入式(25)得到q=(p一zf)=U+sin(2一)‘26+一・十、g2。pz一甜J一U一sin(2+)‘’26其中:0、0一分别为正序电压与电流夹角和负序电压与电流夹角;P、qo为功率稳态分量;P1、q1为负序电流产生的功率2倍波动成分;P2、g2为序电流产生的功率2倍波动成分。(25)—3电网不平衡下PDPC控制策略:(。+++芒+一+UI ̄-P++=(p+芒+一++“+一芒+p一)g=(。一m ̄lez-+一+一“+一一一)电l网不平衡时,系统中瞬时有功和尢功功率口J表示为三种功率之和fP=P0+1+21q=q。+g1+g2(26)其中各功率分量表达式可表示为。=(or ̄l+71-Uo.-+一)=——‘(f£厂+I+lc。s++UIfc。s一)26一p=(+)=一I~l(2一)6:=(一+一)=一3lU一cos(2+)26g。=(一--lg-+。一)=一.‘—3(u+Il,+lsin++J【,一lJ~Jin一)264当电网电压出现不平衡时,网侧有功功率中会出现频率为2倍工频的震荡功率,继而影响直流母线出现2倍工频的震荡电压。由PI调节器的特性可知,其只可对直流信号实现无差调节,而对于交流信号有一定放大作用但无法实现无静差控制。放大的2倍工频信号继而对电压给定产生影响,使网侧变流器输出电流中含有大量的三次谐波,电流正弦度差。因此本文首先对电流信号进行带通滤波,来消除三次谐波电流所形成的功率中波动分量,其次采用T/4延时法提取正负序分量再进行功率计算作为参考信号进行控制。控制框图如图3。图3电网不平衡下基于滑模变结构的DPC控制框图—Fig.3DiagramofSMCDPCsystemunderunbalancedgrid由于电网电流、瞬时有功功率、瞬时无功功率三者之间有着一定的矛盾关系,所以需要设置不同.130.电力系统保护与控制的控制目标,添加不同的功率补偿项来达到控制要求。目标1:获得正弦的、对称的电网电流若想达到目标1,则必须消除负序电流产生的波动成分,即=0、=0、P1=0、q1=0。同时,为了得到恒定的功率指令,则必须在原来功率指令中加入功率补偿项式(27)作为新的功率指令来对系统进行控制。rlP。=(一f=+p一舌){专7)Ig。。=(一一一苦)目标2:消除无功的100Hz波动若想达到目标2,则有q1=0、q2=0,此时允许系统中存在负序电流分量,为了得到恒定的功率指令,则必须在原来功率指令中加入功率补偿项P1+p2式(28)作为新的功率指令来对系统进行控制。rPcomp主(+a+a一+Zl ̄-)(28)Iqco唧=0目标3:消除有功的100Hz波动若想达到目标3,则有P1=0、P2=0,此时允许系统中还存在负序电流分量,为了得到恒定的功率指令,则必须在原来功率指令中加入功率补偿项gl+g2式(29)作为新的功率指令来对系统进行控制。IP。p=0{(29)Iq。。p=(p1一一一+一)I。。pp一dzp一+pzJ由于负序电流分量的值较小,且要求精确提取,否则影响控制精度,为了克服此情况,本文采取无需提取负序电流分量就可以完成3个目标的方法。目标2中要求q14-q2=0即—÷I己,II,一lsin(2cqt-0一)一I£,一ll,lsin(2cqf+0)=0则有—』}【,l1I=I己,一lIl3。l-0一:0—将式(30)带入式(262)和式(26.3)得:PP目标2中功率补偿项变为式(31),这样用P,代替P无需提取负序电流。Pcomp=3(Uo- ̄+一)(31)Ig。。p=0同理目标3中要求P1+P2=0即一-—詈l己,l1一lc。s(2cq一一)一UI11l・cos(2c_qt+0、=0则有—I£,Il,一I=IUlII7【一0一=(32)—将式(32)带入式(26.5)和式(266)得g2目标3中功率补偿项变为式(33),这样用q,代替无需提取负序电流。IP。。mp=0lq。p=3(u ̄-一一)在新的功率补偿项式(27)、式(31)、式(33)下只需提取正序电流分量和负序电压分量对系统进行控制。4仿真与实验验证分析4.1仿真验证分析仿真参数:相间电压幅值:380V,.产50Hz,L=2mH,C=3mF,=1100V,R,=30Q,q=0,t----0.25~0.35S时A相电压幅值跌落40%。从图4可以看出,传统的SMC.DPC在电网不平衡下,未添加功率补偿项,虽然可以获得较为平稳的有功和无功波形,但是电流畸变较为严重。图5可以看出,通过设置目标1消除负序电流,获得了正弦对称的电流波形,但是有功和无功二倍频波动较为明显。0_芷400[02O02202402602803003203403603804Os—图4传统SMCDPC不平衡下仿真波形—Fig.4ConventionalSMCDPCsimulationwaveform郭旭刚,等电网不平衡下基于滑模变结构的--*H电压型PWM整流器恒频控制-133一—ZHANGHong-jie,ZHANGJi,SUNZuming.Studyofcontrolstrategybasedthree.phasePWMrectifierunderunbalancedinputvoltagecondition[J].PowerSystemProtectionandContro1.2009,37(22):13一l6.[11]刘勇,杨仁刚,冯小明.三相不平衡电流补偿控制器的设计[J】.电力系统保护与控制,2009,37(4):70-72.—LIUYong,YANGRengang,FENGXiao-ming.Designofunbalancedcurrentcompensationcontroller[J].Power—Sy ̄emProtectionandControl,2009,37(4):7072.[12]耿强,夏长亮,阎彦,等.电网电压不平衡情况下PWM整流器恒频直接功率控 ̄JJEJ].中国电机工程学—报,2ol0,30(36):7985.—GENGQiang,X1AChangliang,YANYan,eta1.DirectpowercontrolinconstantswitchingfrequencyforPWMrectifierunderunbalancedgridvoltageconditions[J].—ProceedingsoftheCSEE,2010,30(36):7985.—[13]XIAOLei,HUANGShoudao,TINGLiu,eta1.Anovel——SVMDPCcontrolmethodforgridconnectedACDCconvertersunderasymmetricalfault[C】//Proceedingsofthe201lInternationalConferenceonPowerEngineering,EnergyandElectricalDrives.2011:215-221.[14]GiuseppeSaccomando,JanSvensson.Transientoperationofgrid-connectedvoltagesourceconvenerunderunbalancedvoltageconditions[J].IEEE,200l:—24192424.[15]马皓,韩思亮.新型功率放大器时变滑模控制方案研—究『J].中国电机工程学报,2005,25(11):5559.—MAHao,HANSi-liang.TimedependentslidingsurfacefornovelACpoweramplifier[J].ProceedingsoftheCSEE,2005,25(11):55-59.[16]倪雨,许建平.准滑模控制开关DC.DC变换器分析IJJ.中国电机工程学报,2008,28(21):1-6.——NIYu,XUJianping.Quasi-slidingmodeswitchingcontrolforDC-DCconverters[J].Proceedingsofthe—CSEE,2008,28(21):16.收稿日期:2012-07-06;—修回日期:2012-0927作者简介:郭旭刚(1986一),男,硕士,研究方向为电力电子与—电力传动。Email:xgguo@bjtu.edu.cn
周大爷
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