基于负载功率前馈一体化控制的双PWM变频调速系统的仿真.pdf

第 卷 第 期 年 月南昌工程学院学报 收稿日期：基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目（）作者简介：李瑾（），女，硕士，副教授，文章编号：（）基于负载功率前馈一体化控制的双 变频调速系统的仿真李瑾，王翠（南昌工程学院 电气工程学院，江西 南昌 ）摘要：针对双 变频器整流侧与逆变侧独立控制时，直流侧必须利用大电容稳压，导致系统成本增加且寿命缩短的问题，提出一种整流侧采用引入新型开关矢量表的直接功率控制（，）方案。该方案逆变侧采用转子磁场定向矢量控制，并采用负载功率前馈控制策略，以实现双 变频器的协调控制。仿真实验结果表明，相比独立控制的双 变频调速系统，采用该一体化协调控制策略的双 变频调速系统，不仅能减小网侧电流的谐波，还可较好地抑制负载突变时直流电压的波动，加快整流侧和逆变侧的动态响应，大大提高系统的抗扰能力，从而减小电容体积并降低成本。关键词：变频调速；双 ；直接功率控制；负载功率前馈；一体化控制中图分类号：文献标志码：，（，）：（），：；近年来变频调速技术已成为实现节能降耗的重要措施，双脉宽调制技术（，）可实现能量双向流动，输出谐波含量小，功率因数近于 ，直流电压可调，被广泛用于电机变频调速系统 。常规的双 是独立控制整流器和逆变器，直流侧需加入昂贵的大电容用于稳压，使系统成本增加且寿命缩短 。文献 中网侧 变流器采用电压电流双闭环的直接电流矢量控制，虽然响应速度快，但结构较复杂，当负载功率突变时响应慢。直接功率控制（，）可实现有功无功功率的解耦控制，跟复杂的电流解耦控制相比其动态响应更快 ，文献 采用了 控制策略，在功率内环用 调节器来实现无功功率为零，由于无需复杂的旋转坐标变换而使有功无功功率的计算量大大减小，另外由于不再有传统的电流内环也使系统的设计大大简化。然而文献 中的 控制是独立控制网侧整流器，尽管像直接转矩控制那样有较快的动态响应，但未考虑对整流器和逆变器的协调控制。文献 中系统内环用模型预测算法来代替 调节器，尽管模型预测算法简化了系统结构且使系统的设计更简单，但往往存在难以消除的静差，且对系统参数较为敏感。本文中双 变频调速系统整流侧采用具有三电平有功功率滞环比较器的新型开关矢量表的 控制，以抑制无功功率的脉动，减小交流侧电流谐波并降低开关频率 。逆变侧采用引入 技术的转子磁场定向矢量控制，且引入将机侧瞬时有功功率前馈至网侧的负载功率前馈策略，来实现整个系统的一体化协调控制，通过对常规独立控制与协调控制的仿真实验结果的比较，验证了所用负载功率前馈一体化控制策略的优越性。网侧 变频器数学模型双 变频调速系统中的网侧和机侧的 整流器都引入 技术，变频器再生能量可回馈至电网并能方便地实现电机的四象限运行 。图 是其中网侧的电压型 整流器（，），图中、为三相电网电动势，和 分别是网侧的等效电阻和滤波电感，为直流侧稳压电容，和 分别是直流侧的负载电阻和反电动势。图 三相电压型 整流器（）电路 在同步 坐标系中的数学模型如下 ：（），（）式中：、为三相电网电动势、经 坐标变换后得到的 、轴分量；、为三相电流、经 坐标变换所得的 、轴分量；开关函数 或 取 时表示上桥臂开通，下桥臂关断，取 则反之。网侧 变频器控制策略 控制系统结构图和工作原理 整流器 控制系统如图 ，由交流电源、滤波电感、整流器、直流电容 和负载 构成其主电路。其控制部分包括：电压电流检测及功率瞬时值的计算模块，扇区判断模块，有功、无功功率滞环比较器，开关矢量表。图 整流器 控制系统根据瞬时功率理论，坐标系中三相 的有功功率 和无功功率 为，（）设网侧电压矢量跟 轴重合，有 ，则，（）由式（），不变时通过改变 可实现对有功功率 的控制，无功功率可作类似分析，这也是开关表中开关矢量选择的依据。图 中采用电压外环功率内环的双闭环控制，直流电压给定值与实际值之差送到电压 调节器，其输出与直流电压给定值相乘得到有功功率给定值，无功功率给定值设为零，以使功率因数为 。和 的给定值分别与其实际值（通过检测网侧电压和电流后计算得到）比较后作为滞环比较器的输入，由滞环比较器的输出和扇区判断模块输出的（对应网侧电压矢量所在的扇区号）就可从开关矢量表中选择合适的电压矢量，用以控制功率开关器件。（）（），（）开关矢量表开关矢量选择是 的核心，传统开关表的滞环比较器只有 和 两种输出，在 时，不变，没有调节功能 ，且 时零第 期李瑾，等：基于负载功率前馈一体化控制的双 变频调速系统的仿真矢量的选用会使无功功率存在失控区，造成有功功率脉动大，网侧电流谐波增大及直流侧电压的不稳定 。这里采用三电平有功功率滞环比较器，当 时，仍对无功功率进行控制以抑制其脉动并减小开关频率 。有功和无功功率滞环比较器的输出、的表达式如下：，（），（）本文采用表 所示的新型开关矢量表，其中 对应扇区 。表 新型开关矢量表 负载功率前馈控制策略稳态时双 变频调速系统中直流侧电压 不变，当忽略电路损耗时网侧与机侧的输入功率相等 ，即：，（）式中：为机侧输入有功功率，、分别为电机定子三相电压，、分别为三相定子电流，这 个量都为瞬时值。当 和 变化时，根据功率平衡有 ，（）式（）中 为直流电容的瞬时功率。可见要稳定，必须使 和 保持动态平衡。本文采用将机侧有功功率前馈至网侧有功功率给定值的负载功率前馈策略，使网侧有功功率不再经电压外环间接调节而使调节过程更快。负载功率前馈控制框图如图，其中电压 调节器在系统启动时有重要作用，正常运行后它可补偿由各部分损耗引起的少量功率不匹配。仿真实验按照图 左下的虚线框搭建采用新型开关矢量表的直接功率控制的 整流器的 仿真模型，其中扇区判断和有功功率滞环比较器这两个子系统用 语言编写程序来实现，开关矢量表子系统通过两个二维表实现。仿真参数如下：电源线电压 ，网侧电阻 ，电感 ，滤波电容 ，直流侧电压 给定值为 ，电压环 ，滞环环宽 。按照图 右下的虚线框搭建异步电机矢量控制系统的仿真模型，其中由转子磁链的电流模型计算转子磁链角 用于坐标变换。所用异步电机参数：，极，。电机角速度调节器的 ，转矩调节器的 ，磁链调节器的 ，。和 调节器的参数设置相同，都是 ，。然后将这两个仿真模型如图 负载功率前馈控制策略框图南昌工程学院学报 年图 所示，将直流侧电容与 桥直接相连接（即不加负载功率前馈）构成独立控制的双 变频调速系统，电机空载起动，角速度给定初值为 ，在 时，角速度给定值 突变为 ；当 时突加负载 ，所得到的仿真波形如图 中的（）图。将上述两个仿真模型按图 中上面的虚线框那样相连接，即引入负载功率前馈策略，仿真参数不变，所得到的引入负载功率前馈一体化协调控制的双 变频调速系统的仿真波形如图 中的（）图（为了看起来更清晰，将图 中的电流波形放大 倍显示且电压波形缩小两倍显示）。图 网侧 相电压和电流波形图 直流侧电压波形在 时，由 突变为 后，电机电磁转矩反向而进入制动状态，网侧 整流器变为逆变状态，图 中约在 ，网侧 相的电压电流由原来的同相（）变为反相（），之后约在 时，网侧 相的电压电流才恢复为同相关系；当 ，突加负载 ，电机电磁转矩增大，转速下降，图 中电流增大且网侧 相的电压电流始终同相，可见网侧功率因数会随着逆变侧所带电机负载运行状态的变化而变化，且始终保持单位功率因数运行。比较图 （）（）两图可看出，引入负载功率前馈之后，网侧电流的谐波明显减小。图 （）中，时，突降后直流侧电压 增大，经约 重新回到给定值 ；时，突变为 后 减小，之后经约 恢复到给定值 ，此过程中 的最大波动值约 。图 （）中，由于引入了负载功率前馈控制，能量不再在直流侧电容“中转”，的最大波动值只有约 。比较图 的（）（）两图可见，引入负载功率前馈控制后，的波动明显减小，响应速度也更快。图 有功功率波形当 时，突降，电机进入制动状态，图中有功功率 由约 减小到 后增大，当电机回到电动状态之后，又回到正值，由于减小了，因此重新达到稳态后，值减小到约 ，时，突增后，迅速增大至约 。可见当电机在电动与制动状态之间转换时，电能的传递方向也随之变化，即该双 变频调速系统可实现能量的双向流动。由于引入了负载功率前馈控制，与图 （）相比，图 （）中 的脉动峰峰值更小。图 中在 突降和 突增时，无功第 期李瑾，等：基于负载功率前馈一体化控制的双 变频调速系统的仿真功率 始终近似等于零，也就是实现了 和 的解耦控制。另外由于引入了负载功率前馈控制，使图（）比图 （）中 的脉动更小。图 无功功率波形 结论本文给出了一个双 变频调速系统，其整流侧采用引入新型开关矢量表的直接功率控制，以减小瞬时无功功率的脉动，并降低器件的开关频率；逆变侧采用引入 技术的转子磁场定向矢量控制，且引入了将机侧有功功率前馈至网侧有功功率给定值的负载功率前馈策略，以实现整流侧和逆变侧的一体化协调控制。从对常规独立控制与功率前馈补偿控制的仿真结果比较可看出，通过引入负载功率前馈策略实现双 变频器的协调控制，不仅能减小网侧电流的谐波，还可较好地抑制负载突变时直流电压的波动，加快整流侧和逆变侧的动态响应，明显增强系统的抗扰能力，从而减小电容体积并降低成本。参考文献：蒋文娟，涂宏庆 基于模型预测的 整流器直接功率控制 电气传动，（）：姚绪梁，罗兴鸿，马赫，等 小电容双 调速系统直流母线电压波动抑制策略 电工技术学报，（）：赵振民，王铮 三相电压型 整流器的双闭环控制研究 电子测试，（）：张志恒 三相电压型 整流器设计与研究 南昌：南昌大学，：苏晓东，焦姣 基于瞬时功率理论的电压型 整流器研究 电力电子技术，（）：，（）：冯绍家，张扬，杨小品，等 链式 载波移相调制开关频率的优化方法 南昌工程学院学报，（）：张兴，张崇巍 整流器及其控制 北京：机械工业出版社，：郝正赫 基于改进型负载功率前馈控制的双 模型预测控制策略研究 天津：河北工业大学，：陈国定，周凯，宋迪，等 市电平衡式光伏发电系统双 变流器的研究 浙江工业大学学报，（）：冯泽文 基于 整流器直接功率控制策略的研究 通信电源技术，（）：柏睿，王辉，李晟 基于模型预测的双 的一体化协调控制 电力科学与工程，（）：董砚，张丹 基于负载功率前馈双 协调控制的研究 微电机，（）：张丹，基于改进型负载功率前馈双 一体化控制策略的研究 天津：河北工业大学，：丁博文，范波，廖志明，等 基于能量流动双 协调控制 计算机测量与控制，（）：南昌工程学院学报 年