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1、电力电子与电力传动 1163 新颖的大功率PWM整流器控制策略研究 吴轩钦 1，2 谭国俊1，2 韩耀飞1，2 1中国矿业大学 江苏 徐州 221008 2江苏省电力传动与自动控制工程研究中心 江苏 徐州 221008 【摘 要】 PWM 整流器控制中采用交流电机磁链观测的思想来构造一个虚拟电网磁链作为定向矢量 的方法，可以对谐波和干扰有良好的抑制作用。然而传统的虚拟电网磁链采用低通滤波器 代替纯积分器用以克服直流偏移，但会造成一定的幅值和相角误差，同时采用传统的虚拟 电网磁链控制策略具有初始定向角的不确定性，从而导致网侧过大的冲击电流。本文采用 两个一阶低通滤波器代替纯积分环节的虚拟电网磁链
2、观测器可使得观测磁链幅值无差，无 相移，同时采用类似于交流电机初始角估计的方法来得到准确的初始定向角。仿真结果验 证了本文采用的观测器的可靠性和所提出的控制方案良好的动静态特性。 【关键词】 PWM 整流器 虚拟电网磁链观测器 低通滤波器 初始角估计 Study on a Novel Control Strategy of High Power PWM Rectifier Wu Xuanqi1 ，2 Tan Guojun1，2 Han Yaofei1，2 1China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，Jiangsu，China
3、 2Jiangsu Engineering Research Center for Electrical Drive and Control，Xuzhou 221008，Jiangsu，China Abstract：Using a method alike AC motor flux-linkage observe，PWM rectifier constructs by virtual line- flux-linkage to restrain harmonic and interference effectively. However low-pass filter adopted in
4、conventional virtual line-flux-linkage substituted for purely integrator to least the DC drift would leads to error of amplitude and phase angle，meanwhile due to the initial angle is uncertain ，impulse current is too large in the grid. As discussion in this thesis ，a virtual line-flux-linkage observ
5、er using two one-stage low- pass filter instead of purely integrator steady the phase and amplitude，and using a method alike AC motor initial angle estimate to obtain accurate initial orientation angle. Its reliability and favourable dynamic and static characteristic are proved by simulations. Key w
6、ords：PWM rectifier；Virtual line-flux-linkage observer； Low-pass filter ；Initial angle estimate PWM 整流对电网不产生谐波污染，因而是一种真正意义上的绿色环保电力电子装置。在中大功 率场合特别是需要能量双向传递的场合中，PWM 整流电路具有非常广泛的应用前景。而随着 IGBT 等 新型电力半导体开关器件的出现和 PWM 调制技术的发展，极大地促进了 PWM 整流电路的发展，目 前已经应用于有源滤波器、超导储能、交流传动、高压直流输电以及统一潮流控制等方面1 2。 基金项目：江苏省普通高校研究生科研创
7、新计划资助项目：基于 HV-IGBT 的大功率双三电平矢量控制系统的研究（项目 编号：CX07B_101Z） 作者简介：吴轩钦（1983） ，男，博士，研究方向为大功率传动数字控制和新能源。电话：0516-83995557，E-mail： wuxuanqin 通信作者：谭国俊（1962） ，男，博士，教授，研究方向为研究方向为大功率传动数字控制和新能源。电话：0516- 83995557 E-mail：gjtan 1164 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 电网电压定向双闭环 PWM 整流器矢量控制中，需要检测电网电压用以获得定向角3 4，但未考 虑在谐波电流导致电网电压畸变情况下定
8、向角的准确性；传统的虚拟电网磁链控制策略理论上可以省 去电网电压传感器而不影响 PWM 整流器的控制性能5，但其初始定向角的不确定性，从而导致过大 的冲击电流，尤其在大功率应用场合其危害性将会很严重。本文提出的具有准确初始定向角定位的虚 拟电网磁链定向控制策略，结合了两者的优点，可以对谐波和干扰有良好的抑制作用，在大功率应用 场合更具有实用价值。 1 基于虚拟电网磁链定向三相 VSR 数学模型 三相 VSR 的主电路如图 1 所示，可将 PWM 整流器的网侧电压等效由逆变器供电、以同步速恒 速运行的、定子电阻和漏感分别为 R 和 L 的同步电机。网侧电压相当于交流电机的气隙磁场在定子绕 组中产
9、生的感应电势，它们之间满足de t= ? 。因此电网电压矢量超前于虚拟电网磁链矢量90，可 得虚拟电网磁链定向下三相VSR的数学模型及稳态矢量图67 0 0 0 d3 () d2 d d d d ddq qL q qqqd d ddq v Ci si si t i Lev sRiLi t i Lv sRiLi t =+ = = + （1） 图 1 三相 VSR 的拓扑图 Fig.1 Topology of 3-phase VSR 若忽略进线电抗器和线路电阻R。则两相静止坐标系下的三相VSR的电压方程为8 d d d d i eLv t i eLv t =+ =+ （2） 式中， 0 0 21
10、() 32 3 () 3 abc bc vvsss vv ss =+ = 为三相VSR交流侧三相电压的、分量。 电力电子与电力传动 1165 将上式的方程两边同时积分可得9 d dd d d dd d i etLvt t i etLvt t =+ =+ （3） 令， d d et et = = ，于是有 d d vtLi vtLi =+ =+ （4） 式中 ， 分别为虚拟电网磁链的、分量。 虚拟磁链定向的核心是图2中虚拟电网磁链矢量 ? 的空间位置角的观测。可得 22 22 sin cos =+ =+ （5） 这样角的观测转化为对坐标系中虚拟磁链的、分量的估算。 d q ? e i e i E
11、 ? V ? I ? I L ? q i d i 图 2 虚拟电网磁链定向的三相 VSR 稳态矢量图 Fig.2 Vector Diagram of the Virtual-flux Oriented System 2 基于新颖虚拟电网磁链观测器的 PWM 整流器矢量控制系统 由以上分析可知采用整流器交流侧电压积分的方法可估计磁链，但是纯积分器观测方法存在积分 初值问题，由于交流侧电压给定不一定为最大值，采用纯积分器的方法必然造成观测磁链的偏差。同 时纯积分器方法对输入信号中直流分量没有抑制作用，即使很小的直流分量也将造成积分器饱和现象 10。这样就会导致 坐标系中的磁链轨迹将会是一个以相应的
12、直流偏置为圆心的圆。如果以此磁链 轨迹得到的空间角度进行坐标变换，则会造成虚拟磁链定向不准确，影响电流反馈的真实性和电压空 间矢量施加的准确性，严重恶化PWM整流器的性能，导致三相VSR在启动过程中冲击电流过大、甚 至无法启动。因此，必须采用消除积分初值影响的措施，以达到准确估计磁链的目的。图 3 为传统的 虚拟电网磁链定向的无电网电压传感器三相VSR矢量控制系统。 1166 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 图 3 传统虚拟电网磁链定向的 PWM 整流器矢量控制框图 Fig.3 Conventional Virtual Line Flux Oriented Vector Contr
13、ol Diagram of the PWM Rectifier 传统的虚拟电网磁链采用低通滤波器代替纯积分器用以克服直流偏移，但会造成一定的幅值和相 角误差。本文采用两个一阶低通滤波器代替纯积分环节的新颖虚拟电网磁链观测器可使得幅值无差， 同时无相移11。如右式所示： s cc NN W ss = + ，要代替纯积分环节首先要使幅值无差，同时还要无 相移（即要等于纯积分环节相移 90） 。根据这两个条件可得到：2N=， c =。新颖的虚拟电网 磁链观测器以及三种虚拟电网磁链观测器性能比较如图4、图5所示。 v v i i cc s N s N + + cc s N s N + + 图 4 新颖
14、虚拟电网磁链观测器 Fig.4 Novel Virtual Line Flux Observer 图 5 三种虚拟电网磁链观测器性能比较 Fig.5 Comparation between the There Observers 传统的方法在近似纯积分和衰减直流分量之间存在矛盾：要衰减直流分量必须使 c 保持一定值， 电力电子与电力传动 1167 而要近似积分环节则又要使 c 远小于，因此我们在用一阶惯性环节时对 c 的选取采用了一个折中 原则，即10 c %。但是衰减需要时间，所以从图中明显可以看出新颖算法比传统方式反应更快。 电网电压定向和虚拟电网磁链定向的区别主要是对定向时角的求取 arctan e e e = （6） arctan = （7） 从式（6）和式（7）中可以看出 e 受e、e的影响。而式（7）中 受e、e的影响较小，由 于积分的低通特性，n次谐波被消减了1/n倍，同时高频的开关谐波也被消减了，所以采用虚拟磁链 定向的控制方式可以对谐波和干扰有良好的抑制作用。 然而正如前所述传统的虚拟电网磁链控制策
