【文章內(nèi)容簡介】 夠控制的正弦電壓，并使該電壓與電網(wǎng)電壓通過對電感的作用，形成幅值和相位也能夠控制的正弦基波電流，從而達到控制電流的目的。盡管間接電流控制的動態(tài)性能欠佳，但因其控制簡單、成本低廉，在對PWM整流器動態(tài)性能要求不高的場合，間接電流控制仍然有一定的應(yīng)用前景。應(yīng)用SPWM技術(shù)，通過對調(diào)制電壓的控制就可以實現(xiàn)對整流器輸入電壓相位和幅值的調(diào)節(jié)。為了穩(wěn)定輸出電壓，間接電流控制需要引入電壓閉環(huán)反饋。間接電流控制原理框圖如圖31。 圖31 間接電流控制原理框圖當(dāng)整流器負載波動時，通過調(diào)節(jié)輸入電壓的幅值和相位按一定的軌跡移動，可以使整流器重新達到穩(wěn)態(tài)且輸入功率因數(shù)保持不變。實際上，間接控制策略的目標就是根據(jù)檢測到的輸出電壓和電網(wǎng)電壓信號，控制整流器輸入電壓矢量按需要的軌跡移動。間接電流控制雖有一定的應(yīng)用空間，但其缺點卻是不可忽略的。其缺點如下：（a） 系統(tǒng)動態(tài)性能不佳，整流器的輸入電感具有較大時間常數(shù)，而幅相控制沒有采取任何措施補償電感的時滯作用；（b） 動態(tài)過程中存在直流電流偏移和很大的電流過沖，而控制器本身沒有限流功能，因而需要有過流保護；（c） 控制信號的運算過程中乃至電路的參數(shù)，控制信號對系統(tǒng)參數(shù)的波動較為敏感。 針對上述缺點，有一些改進的辦法，比如引入電流微分或動態(tài)解耦的串聯(lián)補償，利用零極點對消的原理可心改善整流器的電流響應(yīng)特性，在間接電流控制基礎(chǔ)上增加功率因數(shù)角閉環(huán)，通過模糊控制器對交流側(cè)電壓幅值和相位進行前饋補償，可心使PWM整流器在電網(wǎng)電壓波動或電路參數(shù)變化等擾動下保護單位功率因數(shù)和穩(wěn)定的直流輸出電壓。這些改進方案的提出，可以促進間接電流控制實用化。VSR直接電流控制是針對VSR間接電流控制的不足(動態(tài)響應(yīng)慢、對參數(shù)敏感)而提出來的。這種直接電流控制與間接電流控制在結(jié)構(gòu)上的主要差別在于，前者具有網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制，而后者則無網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制，同時也使網(wǎng)側(cè)電流控制對系統(tǒng)參數(shù)不敏感，從而增強了電流控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對網(wǎng)壓而言，電流內(nèi)環(huán)實質(zhì)起到前饋作用；控制電路具有限流保護能力，由于系統(tǒng)在每一個載波周期都對電流進行比較，因此故障情況下過電流保護迅速，可靠性高。直接電流控制方案物理意義清晰，控制電路簡單，控制效果良好。直接電流控制中雙閉環(huán)控制是目前應(yīng)用最廣泛，最實用化的控制方式，其中電壓外環(huán)是控制直流側(cè)電壓的，并給電流內(nèi)環(huán)提供指令電流；電流內(nèi)環(huán)則根據(jù)指令電流進行電流快速跟蹤控制。由于VSR電流內(nèi)環(huán)性能不僅影響直流側(cè)電壓響應(yīng)，而且當(dāng)VSR應(yīng)用于諸如有源電力濾波器(APF)等領(lǐng)域時，其網(wǎng)側(cè)電流的控制性能便決定了系統(tǒng)性能指標的優(yōu)劣，因而VSR直接電流控制策略的研究引起了學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注，先后提出了固定開關(guān)頻率PWM電流控制、滯環(huán)PWM電流控制等。其中，固定開關(guān)頻率PWM電流控制其算法簡便，物理意義清晰，且實現(xiàn)較方便。另外，由于開關(guān)頻率固定，因而網(wǎng)側(cè)變壓器及濾波電感設(shè)計較容易，并且有利于限制功率開關(guān)損耗。但該方案的主要缺點是，在開關(guān)頻率不高條件下，電流動態(tài)響應(yīng)相對較慢，且電流動態(tài)偏差隨電流變化率而相應(yīng)變化。相比之下，滯環(huán)PWM電流控制則具有較快的電流響應(yīng)，且電流跟蹤動態(tài)偏差由滯環(huán)寬度確定，而不隨電流變化率變化而變動。但該方案主要不足就是，開關(guān)頻率隨電流變化率變化而波動，造成網(wǎng)側(cè)濾波電感設(shè)計困難，功率模塊應(yīng)力及開關(guān)損耗增大，因而在大功率變流領(lǐng)域難以應(yīng)用，為此提出了基于固定開關(guān)頻率的滯環(huán)PWM電流控制策略。1固定開關(guān)頻率PWM電流控制基本原理及控制算法 所謂固定開關(guān)頻率PWM電流控制，一般是指PWM載波(如三角波)頻率固定不變，而以電流偏差調(diào)節(jié)信號作為調(diào)制波的PWM控制方法，其電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖32所示。 圖32固定開關(guān)頻率PWM電流控制閉環(huán)結(jié)構(gòu)2滯環(huán)PWM電流控制 當(dāng)開關(guān)頻率人按一定規(guī)律變化時，電流跟蹤性能將得以改善，電流偏差將在某一限定值內(nèi)基本不變，這對要求電流跟蹤精度較高的控制系統(tǒng)十分重要。而滯環(huán)PWM電流控制則可以實現(xiàn)上述要求。這種電流控制結(jié)構(gòu)中無傳統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器(如P,PI調(diào)節(jié)器等)，取而代之的是一非線性環(huán)節(jié)—滯環(huán)。當(dāng)電流偏差超越滯環(huán)寬度時，主電路開關(guān)切換，并迫使電流偏差減小，顯然這是一種典型的非線性控制。研究表明，滯環(huán)PWM電流控制具有較好的穩(wěn)定性和快速性。 在三相VSR控制系統(tǒng)設(shè)計中，一般采用雙閉環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中的電壓外環(huán)是為了控制穩(wěn)定直流側(cè)電壓，根據(jù)電壓的大小調(diào)整整流器工作的狀態(tài)，并給電流內(nèi)環(huán)輸出給定值；電流內(nèi)環(huán)是使檢測的輸入電流能夠跟蹤給定電流，實現(xiàn)單位功率因數(shù)的整流或逆變。在前面分析整流器數(shù)學(xué)模型中，在三相靜止 abc坐標系下難以設(shè)計控制系統(tǒng)，而且對系統(tǒng)控制做不到無靜差，所以，雙閉環(huán)控制建立在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系下數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的。而在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，d 軸和q軸變量之間相互耦合，那么，在dq 坐標系耦合狀態(tài)下進行解耦，希望一個變量僅受另一個變量控制，系統(tǒng)解耦方法一般采用串聯(lián)補償解耦和前饋補償解耦，本文研究的系統(tǒng)主要采用前饋補償解耦控制的方法。 其控制結(jié)構(gòu)圖如下： 圖33 整流器控制結(jié)構(gòu)圖 電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 由前面敘述可以知道，三相VSR的dq模型可以描述為 （31）式中，、——電網(wǎng)電動勢矢量的、分量； 、——三相VSR交流側(cè)電壓矢量的、分量； 、——三相VSR交流側(cè)電流矢量的的、分量。 從三相VSR的dq模型方程式可以看出，由于VSR的d、q軸變量相互耦合，給控制器的設(shè)計造成一定困難。為此，可以采用前饋解耦控制策略，當(dāng)電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器時，則、的控制方程如下： （32） 式中，、——電流內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)增益和積分調(diào)節(jié)增益； 、——和的電流指令值。將式（32）帶入式（31），并化簡可得 （33） 顯然，式（33）表明：基于前饋的控制算式（32）使VSC電流內(nèi)環(huán)（，）實現(xiàn)了解耦控制。 由此可以畫出電流內(nèi)環(huán)的解耦控制結(jié)構(gòu)，如下圖： 圖34 三相VSR電流內(nèi)環(huán)解耦控制結(jié)構(gòu) 由于兩電流內(nèi)環(huán)的對稱性，因而下面以控制為例討論電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計。考慮電流內(nèi)環(huán)信號采樣的延遲和PWM的小慣性特性，取為電流內(nèi)環(huán)電流采樣周期（即為PWM開關(guān)周期），為橋路PWM等效增益。已解耦的電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖35所示。 圖35 電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu) 將PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)改寫成零極點形式，即 （34）將小時間常數(shù)、合并，得到簡化后電流環(huán)結(jié)構(gòu)如圖36所示。 圖36 電流內(nèi)環(huán)簡化結(jié)構(gòu) 由此可以按照典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，從圖36得到電流內(nèi)環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為 (35) 為了盡量提高電流響應(yīng)的快速性，對典型Ⅱ型系統(tǒng)而言，可設(shè)計適當(dāng)?shù)闹蓄l寬，工程上常取。按照典型Ⅱ型系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計關(guān)系有 (36)解得: (37) 電壓外環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 三相VSR的電壓環(huán)簡化結(jié)構(gòu)如下圖所示。 圖37三相VSR電壓環(huán)簡化結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) ，—電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)。由于電壓外環(huán)的主要控制作用是穩(wěn)定三相VSR直流電壓，故其控制系統(tǒng)整定時，應(yīng)著重考慮電壓環(huán)的抗擾性能。Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計對恒值給定可以實現(xiàn)無靜差跟蹤，顯然，同樣可按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計電壓調(diào)節(jié)器，由圖37得電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為 (38)由此，得電壓環(huán)中頻寬為 (39)由典型Ⅱ型系統(tǒng)控制器參數(shù)整定關(guān)系，得 (310)綜合考慮電壓環(huán)控制系統(tǒng)的抗擾性和跟隨性，取，計算出電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為 (311) 交流側(cè)電感的設(shè)計 在VSR系統(tǒng)設(shè)計中，交流側(cè)電感的設(shè)計至關(guān)重要。這是因為VSR交流側(cè)電感的取值不僅影響到電流環(huán)的動、靜態(tài)響應(yīng)，而且還制約著VSR輸出功率、功率因數(shù)以及直流電壓。VSR交流側(cè)電感的作用歸結(jié)如下：(1)隔離電網(wǎng)電動勢與VSR交流側(cè)電壓。通過VSR交流側(cè)電壓幅值、相位的PWM控制，或通過VSR交流側(cè)電流幅值、相位的PWM控制都可實現(xiàn)VSR四象限運行。(2)慮除VSR交流側(cè)PWM諧波電流，從而實現(xiàn)VSR交流側(cè)正弦波電流或一定頻帶范圍內(nèi)的任意電流波形控制。(3)使VSR獲得良好電流波形的同時，還可向電網(wǎng)傳輸無功功率，甚至實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)純電感、純電容運行特性。(4)使VSR控制系統(tǒng)獲得了一定的阻尼特性，從而有利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。(5)使VSR具有Boost型PWM AC/DC 變換性能以及直流側(cè)受控電流源特性?？梢姡琕SR交流側(cè)電感對VSR系統(tǒng)的影響和作用是綜合的。以下將從穩(wěn)態(tài)條件下滿足VSR輸出有功(無功)功率以及電流波形品質(zhì)指標兩方面討論VSR交流側(cè)電感的設(shè)計。1 滿足功率指標時電感的設(shè)計穩(wěn)態(tài)條件下，VSR交流側(cè)矢量關(guān)系如圖38，圖中忽略了VSR交流側(cè)電阻R,且只討論基波正弦電量。由圖38看出：當(dāng)不變，且一定條件下，通過控制VSR交流側(cè)電壓V的幅值、相位，即可實現(xiàn)VSR四象限運行，且矢量V端點軌跡是以為半徑的圓。由于，因此VSR交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系體現(xiàn)了對其交流側(cè)電感L的約束。E——交流電網(wǎng)電動勢 V——VSR交流側(cè)相電壓 I——交流側(cè)相電流 ——交流側(cè)電感電壓 圖38 VSR穩(wěn)態(tài)交流側(cè)矢量關(guān)系圖38中，B、D點為VSR單位功率因數(shù)整流、逆變狀態(tài)運行點，A、C點為VSR純電感、純電容特性運行點，并且通過α、β坐標軸將VSR運行狀態(tài)分為四個運行象限。當(dāng)VSR直流側(cè)電壓確定后，VSR交流側(cè)電壓最大峰值也得以確定，既： （312） M——PWM相電壓最大利用率為使VSR獲得四象限運行特性，F(xiàn)點應(yīng)可處于圓軌跡上任一點，為此必須確保VSR能輸出足夠大的。但由于，因此必須限制VSR交流側(cè)電感，使足夠小，才能使VSR四象限運行，且可以輸出足夠大的交流電流。VSR交流側(cè)功率因數(shù)角φ，利用余弦定理得 （313）將代入式（313），化簡得 （314）求解上式得 （315）式中 Em——電網(wǎng)相電動勢峰值； Im——VSR交流側(cè)相電流基波峰值； Vm——VSR交流側(cè)相電壓基波峰值。由上面可得： （316）將式（316）代入（315）得 （317）顯然式（317）中的分子大于零，所以 （318）式（318）體現(xiàn)了實現(xiàn)VSR四象限運行時直流側(cè)電壓取值的下限。 對于三相VSR，若采用SPWM控制則M=1/2，而采用空間矢量(SVPWM) 控制時，則。 所以，在該仿真系統(tǒng)中有以上的參數(shù)可得： （319） 則：