《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于數(shù)控電感的PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流改善研究
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第6期
張 嶺,趙錦成,邵天章,馬瑞平
(軍械工程學(xué)院電氣工程系,河北 石家莊050003)
摘要: 基于PSCAD軟件建立了的仿真模型,提出了利用數(shù)控電感替代傳統(tǒng)的電感線圈,使得電感值在線可調(diào)。仿真結(jié)果表明,合理地選擇數(shù)控電感參數(shù)范圍和調(diào)整增量后,既可以較好地實(shí)現(xiàn)電流過(guò)零點(diǎn)的快速跟蹤,又可以達(dá)到抑制電流峰值點(diǎn)時(shí)諧波電流的目的。該方法在改善電能質(zhì)量方面具有一定的實(shí)用價(jià)值。
中圖分類號(hào): TM743
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)06-0074-03
Study on improving AC-side current of PWM rectifier based on programmable inductor
Zhang Ling,Zhao Jincheng,Shao Tianzhang,Ma Ruiping
(Department of Electrical Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003,China
Abstract: Its simulation model is built up based on PSCAD software. Inductor coil can be substituted for Programmable inductor. Simulation results show it is necessary that inductor and its increment should be in reasonable range, and not only fast transient response of current crossing zero, but also inhibiting harmonic peak current. The method possesses some practical values at the aspect of improving power quality.
Key words : programmable inductor;PWM rectifier;PSCAD software;power quality


    隨著對(duì)用電設(shè)備的諧波標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格,PWM整流器的應(yīng)用日益廣泛。在PWM整流器的控制中,目前研究最多、應(yīng)用最廣且性能較為優(yōu)良的方法是在d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直接電流控制。為了實(shí)現(xiàn)電流的無(wú)靜差調(diào)節(jié),該方法采用坐標(biāo)變換將三相交流量變換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量進(jìn)行控制,PI調(diào)節(jié)器積分環(huán)節(jié)的直流增益為無(wú)窮大,因此電流控制的穩(wěn)態(tài)誤差為零。在控制結(jié)構(gòu)上,通常采用雙閉環(huán)控制,即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制。其中電壓外環(huán)用于控制整流器的輸出電壓,電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的波形和相位控制。
    在通常的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的PI控制中,僅保證了期望的穩(wěn)態(tài)性能,但不能保證在動(dòng)態(tài)過(guò)程中電流的快速跟蹤,因此提出了大量改進(jìn)控制方案。參考文獻(xiàn)[1]通過(guò)對(duì)影響電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度因素進(jìn)行分析,提出了利用動(dòng)態(tài)過(guò)程中的無(wú)功電流來(lái)提高有功電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的方法。
    本文對(duì)PWM整流器在d-q同步坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型及控制方法進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,基于PSCAD軟件建立了其仿真模型,通過(guò)對(duì)交流側(cè)電感的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,提出利用數(shù)字電感器取代傳統(tǒng)的電感線圈,使得電感參數(shù)在運(yùn)行過(guò)程中可調(diào),從而既可以實(shí)現(xiàn)電流的快速跟蹤,又可以達(dá)到抑制諧波電流的目的。
1 PWM整流器在d-q坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型及控制方法
    三相電壓型PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。主電路采用IGBT與二極管反并聯(lián)方式,Ls和Rs為電感的等效參數(shù),C為直流濾波電容,RL為直流側(cè)負(fù)載,uca、ucb、ucc為整流橋三相控制電壓。通過(guò)坐標(biāo)變換在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下PWM整流器的方程為[1-2]:

 

 


    isq*=0
    綜上理論分析,利用Mannitoba HVDC研究中心的PSCAD/EMTDC工具,可以建立采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)的PWM整流器仿真模型。
2 數(shù)字電感器原理及仿真實(shí)現(xiàn)
    在電壓型三相橋式PWM整流器中,交流側(cè)電感的設(shè)計(jì)既要實(shí)現(xiàn)快速電流跟蹤的指標(biāo),又要抑制諧波電流。以正弦波控制為例,當(dāng)電流過(guò)零時(shí),其電流變化率最大,為滿足快速跟蹤電流要求,此時(shí)電感應(yīng)該足夠小;而在正弦波電流峰值處,諧波電流脈動(dòng)最嚴(yán)重,為滿足抑制諧波電流的要求,此時(shí)電感應(yīng)該足夠大。隨著新型數(shù)字化元器件的出現(xiàn),使得電感的在線調(diào)整成為現(xiàn)實(shí)。
2.1 數(shù)字電感器原理
    以往電感參數(shù)的確定是在滿足有功、無(wú)功要求和電流波形品質(zhì)指標(biāo)的前提下,綜合考慮電感的成本和體積,在滿足性能要求的同時(shí),使其數(shù)值盡量的小[3]。數(shù)字化元件采用帶總線接口進(jìn)行數(shù)控方式調(diào)節(jié),可通過(guò)單片機(jī)或邏輯電路進(jìn)行編程,實(shí)現(xiàn)了“把模擬器件放到總線上”的全新設(shè)計(jì)理念[4]。
    目前MAXIM公司生產(chǎn)的MAX1474(6.4 pF~13.3 pF,增量0.22 pF)和Intersil公司生產(chǎn)的X90100(7.5 pF~14.5 pF,增量0.23 pF)兩款數(shù)字電容器,可以在5 ?滋s內(nèi)快速調(diào)整。在低頻情況下,可以使用高增益集成運(yùn)算放大器來(lái)組成回轉(zhuǎn)器,實(shí)現(xiàn)從電容到電感的映射,制作數(shù)字化模擬電感。

    取可變電感參數(shù)變化范圍分別為7.25 mH~50.09 mH和7.25 mH~14.01 mH,與取值為8 mH的不變參數(shù)電感進(jìn)行對(duì)比分析。
    為了便于對(duì)不變電感和數(shù)字電感的波形進(jìn)行分析,仿真時(shí)間設(shè)置為10 s,前5 s電感保持定值為8 mH,5 s~10 s電感按照設(shè)置的要求變化。當(dāng)電流過(guò)零點(diǎn)時(shí),取最小值;當(dāng)電流到達(dá)峰值時(shí),取最大值。
3 仿真結(jié)果與分析
    PSCAD軟件仿真電源上升時(shí)間為0.05 s,取穩(wěn)態(tài)時(shí)間在4.96 s~5.04 s范圍內(nèi),電感變化前后的a相電流波形進(jìn)行分析。
3.1 電感參數(shù)在7.25 mH~50.09 mH范圍內(nèi)變化
    (1)取可調(diào)所有32個(gè)檔位,a相電流波形如圖2所示。


 

    由圖2、圖3可見,電感參數(shù)的變化范圍不宜過(guò)大,檔位增量調(diào)整較小為好。
3.2 電感參數(shù)在7.25 mH~14.01 mH范圍內(nèi)變化
    考慮到數(shù)字電容的變化范圍并且按照電感取值盡可能小的原則,取可變電感參數(shù)變化范圍為7.25 mH~14.01 mH,與取值為8 mH的不變參數(shù)電感進(jìn)行對(duì)比分析。
    (1)取可調(diào)所有32個(gè)檔位,a相電流波形如圖4所示。

    由圖4波形可見,峰值時(shí)的諧波電流明顯減少。
    (2)電感變化前后畸變因數(shù)分析。
    輸入電流畸變因數(shù)隨時(shí)間的變化如圖5所示。由圖5可明顯看出,在調(diào)整為可變參數(shù)電感后,輸入電流峰值時(shí)的畸變因數(shù)明顯小于固定參數(shù)電感。
    (3)電感變化前后輸入電流的快速響應(yīng)分析。
    對(duì)a相輸入電流求導(dǎo)后列出部分過(guò)零點(diǎn)電流導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

    由表中數(shù)據(jù)可見,電感參數(shù)可調(diào)后電流的快速跟蹤性能得到了改善。
    使用PSCAD軟件,建立了基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直接電流控制方法和雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)的電壓型PWM整流器的仿真模型。提出了利用數(shù)控電感替代傳統(tǒng)的電感線圈,使得電感可在線調(diào)整來(lái)改善電流環(huán)的動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)。仿真結(jié)果表明,采用新元件后,既可以較好地實(shí)現(xiàn)電流過(guò)零點(diǎn)的快速跟蹤,又可以達(dá)到抑制電流峰值點(diǎn)時(shí)諧波電流的目的,在改善電能質(zhì)量方面具有一定的實(shí)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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