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    不平衡電網(wǎng)電壓下VIENNA 整流器的多目標(biāo)控制?

    2022-07-10 02:15:54周靜超王君瑞代麗王
    電子器件 2022年2期
    關(guān)鍵詞:負(fù)序倍頻整流器

    周靜超王君瑞代 麗王 闖

    (北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

    VIENNA 整流器具有功率開關(guān)器件少且應(yīng)力小、沒有死區(qū)、無橋臂直通危險等優(yōu)點。目前在各種工業(yè)領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用,特別是在航空電源、電動汽車充電機、風(fēng)力發(fā)電、不間斷電源、變頻器、有源電力濾波器等領(lǐng)域正在逐步替代傳統(tǒng)整流器的作用[1-6]。目前,對于VIENNA 整流器的研究主要涉及平衡電網(wǎng)下的控制策略、調(diào)制策略等方面。但是,在其實際的運行過程中,可能出現(xiàn)電網(wǎng)電壓不平衡現(xiàn)象,電網(wǎng)電壓不平衡,會產(chǎn)生負(fù)序分量,導(dǎo)致電流波形畸變,干擾設(shè)備的正??刂?,如繼續(xù)使用平衡電網(wǎng)下的算法,將會影響整流器正常工作。

    關(guān)于VIENNA 整流器在不平衡電網(wǎng)下的控制策略中,文獻[7]針對不平衡輸入條件下的VIENNA 整流器,提出一種基于abc 自然坐標(biāo)系的電流控制回路,減小了控制復(fù)雜度,降低了總損耗,但在間接計算中仍涉及坐標(biāo)變換。文獻[8]使用優(yōu)化預(yù)測控制策略,提升了系統(tǒng)抗擾性和平穩(wěn)性。文獻[9]基于αβ坐標(biāo)軸,提出了內(nèi)環(huán)采用模型預(yù)測直接功率控制(Model Predictive Direct Power Control,MPDPC),外環(huán)采用滑??刂?Sliding Mode Control,SMC)的雙閉環(huán)控制策略。文獻[10]基于dq 坐標(biāo)軸,分析了恒功率控制方法的理論工作區(qū)域,通過注入少量的輸入功率紋波,平衡了工作區(qū)與直流電壓紋波的性能。文獻[11]提出了一種外環(huán)采用線性自抗擾控制,內(nèi)環(huán)采用新型有限集預(yù)測直接功率控制的電網(wǎng)不平衡的三相VIENNA 整流器雙閉環(huán)控制策略,提升系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度和抗干擾能力。從目前的研究現(xiàn)狀來看,針對VIENNA 整流器大多采用αβ 坐標(biāo)系下的控制策略。

    滑模控制是一種特殊的非線性控制,可保證系統(tǒng)的魯棒性及快速響應(yīng),且結(jié)構(gòu)簡單、易于改造[12-13]。對此,本文基于dq 坐標(biāo)系,從電流角度出發(fā),設(shè)定三個控制目標(biāo),分別是抑制負(fù)序電流分量、抑制有功二倍頻分量、抑制無功二倍頻分量。針對VIENNA 整流器電網(wǎng)電壓三相不平衡的情況,本文提出了一種正負(fù)序電流環(huán)獨立控制的方法,對各種控制目標(biāo)下三相電流的正、負(fù)序分量直接控制,并搭建Simulink 模型對上述控制策略進行了仿真驗證。

    1 電網(wǎng)不平衡下VIENNA 整流器數(shù)學(xué)模型

    當(dāng)電網(wǎng)電壓處于不平衡的運行條件下,三相電網(wǎng)電壓存在正序、負(fù)序、零序三種分量,三相電網(wǎng)電壓可表示為[14]:

    式中:、、分別為正序、負(fù)序、零序基波電動勢峰值;αP、αN、α0分別為正序、負(fù)序、零序電動勢的初始相位角。受網(wǎng)側(cè)電壓不平衡的影響,在不考慮零序電動勢分量三相三線制結(jié)構(gòu)中,將網(wǎng)側(cè)電壓、網(wǎng)側(cè)電流、VIENNA 整流器側(cè)電壓使用對稱分量法將三相靜止坐標(biāo)系下變量變換至兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,得到三相電網(wǎng)基波電動勢的正負(fù)序分量在dq 軸上的分量、三相電流在dq 軸上的正負(fù)序分量以及交流側(cè)電壓側(cè)正負(fù)序分量,正負(fù)序分量有如下關(guān)系:

    假設(shè)三相進線電抗器的電感及等效阻抗都相等,則VIENNA 整流器dq 坐標(biāo)系下交流側(cè)數(shù)學(xué)模型為:

    式中:L為VIENNA 整流器濾波電感,R為VIENNA整流器網(wǎng)側(cè)等效內(nèi)阻,ω為三相電網(wǎng)角頻率。

    2 電網(wǎng)不平衡下VIENNA 整流器功率分析

    電網(wǎng)不平衡下,三相VIENNA 整流器的視在復(fù)功率S為:

    聯(lián)立式(2)、(4)可以得到:

    式中:p0、q0為有功、無功功率的平均值;pc2、qc2為2次有功余弦、正弦項諧波分量峰值;ps2、qs2為2 次無功余弦、正弦項諧波分量峰值,其中:

    從式(5)可以看出,VIENNA 拓?fù)涞木W(wǎng)側(cè)有功功率、無功功率中均含有2 次余弦分量和正弦分量。根據(jù)功率平衡理論,有功功率的2 次諧波將使得直流輸出電壓中產(chǎn)生2 倍頻的電壓紋波,影響輸出電壓的穩(wěn)定,繼而又導(dǎo)致交流電流產(chǎn)生諧波,而無功功率會影響整流器的單位功率因數(shù)運行。

    根據(jù)電網(wǎng)電壓定向原則,=0,可將(6)式化簡得:

    3 不平衡電網(wǎng)下VIENNA 整流器控制策略

    3.1 VIENNA 整流器正負(fù)序電壓電流分離策略

    單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)(Single Synchronous Reference Frame Soft Wave Phase Lock Loop,SSRFSPLL)在電網(wǎng)電壓不平衡時,無法精確鎖相,因此本文采用基于雙同步坐標(biāo)系的解耦鎖相環(huán)(Decoupled Double Synchronous Reference Frame Phase Lock Loop,DDSRF-SPLL),這種鎖相環(huán)由于采用了正負(fù)序解耦算法,因此有效地克服了頻率變化對于鎖相環(huán)性能帶來的影響。

    VIENNA 整流器不平衡電網(wǎng)電壓控制下,首先需將電壓電流正負(fù)序分量準(zhǔn)確分離。對于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的正負(fù)序分量,當(dāng)處于正轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中,負(fù)序分量會對其產(chǎn)生二倍頻分量,處于反轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中,正序分量會對其產(chǎn)生二倍頻分量。為提取精確的正負(fù)序分量,需用陷波器將二倍頻分量濾除,二次諧波濾除法如圖1 所示。

    圖1 電壓電流正負(fù)序分解

    3.2 基于SMC 控制的正負(fù)序電流控制策略

    針對電網(wǎng)不平衡條件下的VIENNA 整流器,在dq坐標(biāo)系下只對正序電流控制難以取得良好的控制效果,電流畸變較嚴(yán)重,因此本文采用了正序電流和負(fù)序電流分別設(shè)置電流環(huán)的獨立控制方法。根據(jù)坐標(biāo)變換原理,將VIENNA 整流器在αβ、dq 坐標(biāo)系下的正序電流和負(fù)序電流表示為:

    SMC 控制器設(shè)計如下:

    (1)選取控制變量

    (2)對控制變量選取指數(shù)趨近率型滑模控制率函數(shù)

    (3)根據(jù)式(10)、式(11)求得SMC 控制模型

    (4)SMC 控制模型穩(wěn)定性分析

    設(shè)Lyapunov 函數(shù)

    有功無功功率計算是正負(fù)序指令電流解算的重要過程。設(shè)、為網(wǎng)側(cè)平均有功功率、無功功率的參考值。為求得正序電流參考值,可通過電壓控制器輸出得到指令電壓,再與指令電壓的乘積得到有功功率指令值。功率指令如下:

    式中:Kvp、Kvi分別為電壓環(huán)調(diào)節(jié)器的比例常數(shù)和積分常數(shù),為平均瞬時有功功率指令,為平均瞬時無功功率指令,為VIENNA 整流器直流電壓指令,Udc為VIENNA 整流器直流電壓測得實際值,s為積分因子。

    不平衡電網(wǎng)下VIENNA 整流器正負(fù)序電流控制框圖如圖2 所示,通過建立基于SMC 控制的正負(fù)序電流獨立控制模型,為不平衡電網(wǎng)電壓下多目標(biāo)控制策略的研究奠定了基礎(chǔ)。.

    圖2 VIENNA 整流器SMC 正負(fù)序電流獨立控制模型

    3.3 不平衡電網(wǎng)下VIENNA 整流器多目標(biāo)控制策略

    (1)抑制VIENNA 整流器交流負(fù)序電流的控制策略

    為抑制VIENNA 整流器交流負(fù)序電流對控制的影響和保持單位功率因數(shù)運行,可令電流指令為

    并將式(16)代入式(7),并忽略2 次有功、無功余弦、正弦項諧波的影響,求得

    由式(17),可以得到正序電流指令表達(dá)式為

    當(dāng)VIENNA 整流器處于不平衡電網(wǎng)條件下時,抑制負(fù)序電流的同時會產(chǎn)生有功功率和無功功率二倍頻諧波分量。根據(jù)式(17),抑制VIENNA 整流器交流負(fù)序電流時,有功功率和無功功率二倍頻諧波分量的理論值為:

    (2)抑制VIENNA 整流器有功功率二倍頻的控制策略

    對于控制性能要求高的場合,必須對基波的2次有功余弦項諧波分量pc2、正弦項諧波分量ps2進行抑制,以保證直流輸出電壓穩(wěn)定,同時實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行。

    根據(jù)式(6),瞬時功率分量與正負(fù)序指令電流間具有以下關(guān)系:

    將式(20)代入式(21),并對式(21)進行變換,得到抑制有功二倍頻分量控制目標(biāo)下電流控制指令:

    式中:x1、x2、x3、x4分別為:

    正負(fù)序電流只有4 個控制量,故不能在p0受控的情況下同時滿足ps2=pc2=qs2=qc2=0 的控制要求。這種控制方法,可以抑制VIENNA 有功功率的2 次諧波分量,但會產(chǎn)生負(fù)序電流,瞬時無功功率也會存在2 次諧波分量。

    (3)抑制VIENNA 整流器無功功率二倍頻的控制策略

    對于為消除無功功率產(chǎn)生的二次諧波分量的場合,可對VIENNA 整流器網(wǎng)側(cè)基波的二倍頻有功余弦項諧波分量pc2、正弦項諧波分量qs2進行抑制,同時實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行

    根據(jù)式(17),二次有功諧波分量與正負(fù)序指令電流有以下關(guān)系:

    對式(25)變換,可得到三相VIENNA 整流器無功功率二倍頻分量抑制時的電流控制指令為:

    同理,將指令值分別代入(12)式,即可實現(xiàn)其控制目標(biāo)。

    4 仿真驗證

    4.1 VIENNA 整流器正負(fù)序電壓電流分離策略仿真

    為對不平衡電網(wǎng)下的VIENNA 整流器所設(shè)控制目標(biāo)進行驗證,利用MATLAB/Simulink 仿真平臺搭建系統(tǒng)模型。平衡電網(wǎng)下參數(shù)設(shè)計:三相交流相電壓100 V,電網(wǎng)頻率為f=50 Hz,VIENNA 整流器開關(guān)頻率為20 kHz,交流側(cè)電感L=3 mH,交流側(cè)等效電抗0.1 Ω,直流側(cè)上下電容為440 μF,負(fù)載電阻25 Ω,設(shè)定直流側(cè)期望電壓Udc=200 V。為驗證不平衡電網(wǎng)下所設(shè)控制目標(biāo)相應(yīng)的控制策略有效性,其他條件不變,設(shè)三相不平衡電壓Ua=60 V,Ub=100 V,Uc=100 V。

    圖3 為dq 坐標(biāo)軸上電壓電流正負(fù)序分離變量波形圖??梢钥闯?,電壓正負(fù)序分量與電流正負(fù)序分量能夠精準(zhǔn)分離,為實現(xiàn)控制目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

    圖3 dq 軸電壓電流正負(fù)序分量

    4.2 控制目標(biāo)仿真分析

    基于SMC 控制的正負(fù)序電流控制策略,搭建如圖4 所示VIENNA 整流器多目標(biāo)控制模型,仿真結(jié)果與電流內(nèi)環(huán)采用PI 控制器結(jié)果對比如圖5 所示。圖5 結(jié)果表明,系統(tǒng)引入SMC 控制器能夠有效提高電流內(nèi)環(huán)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

    圖4 VIENNA 整流器多目標(biāo)控制Simulink 仿真圖

    圖5 PI 控制與SMC 控制下dq 軸正負(fù)序電流對比圖

    (1)抑制VIENNA 整流器負(fù)序電流的控制策略

    在不平衡電網(wǎng)下,設(shè)置直流側(cè)輸出電壓目標(biāo)為200 V,電壓環(huán)設(shè)計參數(shù)一致,電網(wǎng)電壓條件與前述相同,保持40%的不平衡度。圖6 為僅采用基于SMC 控制的VIENNA 整流器電流正序控制策略和切換為抑制VIENNA 整流器交流負(fù)序電流的控制策略系統(tǒng)仿真結(jié)果。

    圖6 抑制VIENNA 整流器負(fù)序電流的控制策略仿真圖

    在仿真0.1 s~0.2 s 期間,VIENNA 整流器輸入三相電流保持平衡,各相電流幅值為11 A。0.2 s~0.4 s 期間,a 相電壓由100 V 跌落至60 V,電流發(fā)生畸變,有功功率P與無功功率Q產(chǎn)生波動。在0.4 s加入抑制負(fù)序電流的控制策略后,經(jīng)過0.12 s 過渡,三相電流趨于平衡,負(fù)序電流得到抑制,但存在無功功率及有功功率和無功功率的二倍頻分量。

    (2)抑制VIENNA 整流器有功功率二倍頻分量的控制策略

    在其他條件不變的情況下抑制有功功率二倍頻分量,仿真結(jié)果如圖7 所示。0.1 s~0.2 s 期間,三相電壓平衡,0.2 s~0.4 s 期間,a 相電壓由100 V 跌落至60 V,電流發(fā)生畸變,有功功率P與無功功率Q產(chǎn)生波動。在0.4 s 加入抑制有功功率的控制策略后,經(jīng)過0.1 s 的過渡,有功功率波動得到抑制,但此時無法保證三相電流繼續(xù)維持在平衡狀態(tài),且存在無功功率二倍頻分量。

    圖7 抑制有功功率二倍頻分量仿真圖

    (3)抑制VIENNA 整流器無功功率二倍頻分量的控制策略

    如圖8 所示,0.1 s~0.2 s 期間,電流保持三相平衡,有功功率P和無功功率Q均無波動。0.2 s~0.4 s 期間a 相電壓由100 V 跌落至60 V,電流發(fā)生畸變,有功功率P與無功功率Q產(chǎn)生波動。在0.4 s加入抑制無功功率的控制策略后,經(jīng)過0.15 s 的過渡,無功功率二倍頻分量波動得到抑制,但此時同樣無法保證三相電流繼續(xù)維持在平衡狀態(tài),有功功率有一定波動。

    圖8 抑制無功功率二倍頻分量仿真圖

    綜上所述,基于電壓外環(huán)采用PI 控制器、電流內(nèi)環(huán)采用正負(fù)序分離的SMC 控制器,其控制策略能分別實現(xiàn)抑制負(fù)序電流、抑制有功功率二倍頻分量、抑制無功功率二倍頻分量三種控制目標(biāo),并同時維持母線電壓平衡,符合VIENNA 整流器系統(tǒng)的運行需求。

    5 結(jié)論

    本文采用了基于SMC 的VIENNA 整流器在dq坐標(biāo)系下的正負(fù)序電流控制策略,與基于傳統(tǒng)PI 控制的正負(fù)序電流控制策略進行對比,在MATLAB/Simulink 搭建仿真模型,驗證了SMC 控制的優(yōu)越性。并基于研究的電流控制策略,針對不同的運行要求設(shè)置了三個控制目標(biāo):抑制負(fù)序電流、抑制有功功率二倍頻分量、抑制無功功率二倍頻分量,分別搭建了MATLAB/Simulink 模型,驗證在電網(wǎng)不平衡狀態(tài)下各個控制目標(biāo)與相應(yīng)控制策略的有效性。該研究一定程度上拓寬了VIENNA 整流器不平衡研究的思路,有利于將dq 軸坐標(biāo)系下的各種非線性控制策略的引入,對于VIENNA 整流器不平衡控制方面的研究具有參考意義。

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