不对称电压下PWM整流器的控制策略

negative-sequence synchronous coordinate transforms, for PWM rectifier are proposed to eliminate the fluctuating component in power transmission, thus the DC bus voltage can be stabilized while unsymmetrical fault occurs in power network. Based on this control strategy and let negative-sequence input current equals to zero, another control strategy can be obtained to make the input current sinusoidal while asymmetrical fault happens in power network. Results from simulation and experiments prove that the proposed two control strategies are effective. KEY WORDS: asymmetrical voltages; pulse width
ua ub uc
R R R
L L L
ia ib ic
N N ( Id + jI q ) 分别为正负序同步旋转坐标系中电压与
C+ −
Ro
电流向量。 在三相不对称情况下，变流器输出复功率为 3 3 P jωt N − jω t e + U dq e )⋅ S = UI = (U dq 2 2 P jω t N − jω t (4) ( I dq e + I dq e ) = p + jq 分解有功功率 p 和无功功率 q 为
dN−qN 轴分量为
P P ⎧ed = um ⎪ P ⎪ ⎪eq = 0 ⎨ N N ⎪ed = um ⎪ N ⎪ ⎩eq = 0 P N 式中 um 、 um 为正负序电压幅值。
(6)
PI 参数；ω 是电网电压角频率； L 、 R 是输入电感 * 是参考电流； 及电阻； ed 、 eq 是电压前馈补偿； id
* 式中： kup 、 kui 为电流环的 PI 参数； vdc 是直流母
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叶盛等：不对称电压下 PWM 整流器的控制策略
Vol. 34 No. 10
率分量幅值的表达式为
的电压波动。根据以上各式可以得到不对称电网下
基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目(50907020)；高等学 校博士学科点专项科研基金资助项目(200805321038)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50907020); Project Supported by Special Scientific and Research Funds for Doctoral Speciality of Institution of Higher Learning (200805321038)。
0 引言
传统的整流电路一般采用不控整流和相控整 流器。不控整流器输出并联大电容滤波，这种电路 的优点是具有很高的可靠性、简单易用、不需要控 制电路。相控整流可以对输出直流电压进行控制。 但是不控和相控整流电路的谐波污染和功率因数 低下形成了人们常说的电力公害，尤以谐波污染为 甚。大量的谐波会引起电力线路和设备发热增加、 损耗加大，破坏绝缘，影响使用寿命[1-4]。 为改善整流器网侧电流谐波畸变率，提高网侧 输入端功率因数，可以在普通交–直–交电压型逆变 器的三相输入端或直流母线上串接电抗器；也可以 采用功率因数校正装置控制功率因数；还可以在谐 波负载的网侧加装功率因数和谐波补偿装置，但这 些方法会大大增加系统成本，且对功率因素的改善 很有限。改善网侧功率因数最根本的办法是改造整 流装置本身。对于中小容量电力电子装置，采用脉 宽调制(pulse width modulation，PWM)控制的整流 器，使其对电网不产生谐波且基本上不消耗无功功 率，这是技术发展的必然趋势[1,5-8]。 电压电流双闭环控制方式是目前应用最多的 PWM 整流器控制方式。将输入电流和输出电压分 开控制，电压外环输出作为电流指令，电流内环控 制输入电流，因而有良好的动态和稳态性能[9]。 控制方法都建立在电网电压是三相对称的前 提下，但是这一假设并不总成立。配电网三相带不 同负载或有较大容量的单相负载、输电线非全换位
(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan Province, China) ABSTRACT: Traditional control strategy of pulse width modulation (PWM) rectifier possesses good dynamic and steady state performances while voltages of power network are symmetrical, however due to evident harmonic power in asymmetrical power network the quality of output voltage and input current of PWM rectifier are seriously affected. After analyzing the features of asymmetrical power network by symmetrical component method, two vector-oriented control strategies, which respectively voltages orientate under positivepositiveand and negative-sequence 另一控制策略， 以实现在电网发生不对称故障时使输入电流 正弦。仿真及实验结果验证了 2 种控制策略的有效性。 关键词：不对称电压；PWM 整流器；电压定向；正、负序 分量
叶盛，黄守道，黄科元，肖磊
（湖南大学 电气与信息工程学院，湖南省 长沙市 410082）
Control Strategy of Pulse Width Modulation Rectifier Under Asymmetrical Input Voltages
YE Sheng, HUANG Shoudao, HUANG Keyuan, XIAO Lei
modulation (PWM) rectifier; voltage-oriented; positive- and negative-sequence 摘要： 在电网对称情况下，传统的脉宽调制 (pulse width modulation，PWM)整流器控制方式拥有良好的动态和稳态 性能，但在不对称电网下存在显著的谐波功率，严重影响 PWM 整流器输出电压及输入电流品质。通过将不对称电压 与电流进行对称分量法分解， 提出了在正负序同步坐标变换 下， 电网正负序电压分别定向的矢量控制策略， 来消除功率 传输中的波动分量， 以实现在电网发生不对称故障时稳定直 流母线电压。 以此控制策略为基础令负序输入电流为零得到
Udc
Fig. 1
图 1 三相电压型 PWM 整流器结构 The structure of three-phase voltage PWM rectifier
2 传统的 PWM 整流器双闭环控制策略
PWM 整流器可以看作是可控正弦三相电压 源，它和电网电压共同作用于输入电感，产生正弦 电流波形。控制整流器输出电压的幅值和相位，就 可以获得所需大小和相位的输入电流。因为 PWM 整流器交流侧均为时变交流量，因而不利于控制系 统设计。为此可以通过坐标变换将三相对称精致坐 标系(a,b,c)转换成以电网基波频率同步旋转的两相 旋转(d,q)坐标系下的电流和电压为
idc
3 不对称电压下的控制策略
3.1 不对称电网下的电压、电流分解 在三线制电网不对称时，不对称电压及不对称 电流可以看作一个正序旋转的向量和一个负序旋 转的向量之和[14]，如
P N P P jωt N N − jω t ⎧ ⎪U = U + U = (U d + jU q )e + (U d + jU q )e ⎨ − jωt P N P P jω t N N ⎪ ⎩ I = I + I = ( I d + jI q )e + ( I d + jI q )e (3) P P N N P P 式 中 (U d + jU q ) 、 (U d + jU q ) 、 ( I d + jI q ) 、
⎧ p = p0 + p1 cos(2ω t ) + p2 sin(2ω t ) ⎨ ⎩ q = q0 + q1 cos(2ω t ) + q2 sin(2ω t )
(5)
将传统 PWM 整流器双闭环控制策略中的电 网电压定向控制策略引入正负序网络。在正序网 络中，将正序同步旋转坐标系 dP 轴定向于正序电 压向量方向，在负序网络中将负序同步旋转坐标 系 dN 轴定向于负序电压向量的方向。 因此电网电 压 向 量 在 正 负 序 同 步 旋 转 坐 标 系 下 dP−qP 与
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电
网
技
术
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以及不对称故障，都可以造成整流器的电网电压不 平衡。在这种条件下，仍需要 PWM 整流器能提供 恒定的直流电压输出并保证输入电流为正弦，为后 续电路不间断运行提供保障
[1,10-12]
线电压的给定值； vdc 是直流母线反馈电压。 传统的双闭环控制在对称电网下有很好的动 态和稳态性能。但在电网故障下，由于电网中存在 着谐波功率，特别是严重的二次谐波，使得传统的 双闭环不能得到一个恒定的直流侧电压及保持输 入电流正弦，必须改进原来的结构，实现新的控制 策略确保应有的输入、输出特性[13]。
id 是电流反馈。
* ⎧ ⎪id = ( kup + kui / s )( vdc − vdc ) ⎨ ⎪ ⎩iq =wenku.baidu.com0
3.2
控制不对称电压下 PWM 整流器直流电压
(2)
稳定 由式(5)可知， p1 、 p2 是引起二次谐波功率的 主要原因，使 p1 = p2 = 0 。整理式(4)(5)得到了各功
第 34 卷 第 10 期 2010 年 10 月 文章编号：1000-3673（2010）10-0094-05
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 46 文献标志码：A
Vol. 34 No. 10 Oct. 2010 学科代码：470·40
不对称电压下 PWM 整流器的控制策略
* ⎧ ⎪ud = ed − ( kip + kii / s )(id − id ) + ω Liq − Rid (1) ⎨ * ⎪ ⎩uq = eq − ( kip + kii / s )(iq − iq ) − ω Lid − Riq 式中： ud 、 uq 是调制电压； kip 、 kii 是电流内环的
。对此本文首先
分析不对称电网的特点，对传统的双闭环控制做改 进，其次对改进的控制方法进行仿真及实验验证。
1 PWM 整流器的基本结构
图 1 为三相电压型 PWM 整流器拓扑结构。 这 是目前研究最多、应用最广泛的拓扑，具有直流母 线电压可控、交流电流几乎正弦、单位功率因数等 特点，而且主电路与最常用的电压型逆变器结构相 同，可以与电压型逆变器组成背靠背结构的变频 器，是交–直–交变频器理想的整流器。它的母线电 压高于电网电压峰值，以保证对交流电流的控制能 力，可以实现能量的双向流动[12]。