單相PWM整流器虛擬矢量控制策略
2019-8-29 10:23:29??????點(diǎn)擊：
單相PWM整流器虛擬矢量控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)電流有功分量和無(wú)功分量的獨(dú)立控制，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。但是傳統(tǒng)的構(gòu)建虛擬矢量（OSG）會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)性能，且鮮有文獻(xiàn)推導(dǎo)耦合項(xiàng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。
本文提出一種考慮耦合項(xiàng)的單相PWM整流器虛擬矢量構(gòu)建方法，將數(shù)字鎖相環(huán)中廣泛使用的二階廣義積分器（SOGI）引入虛擬矢量控制策略中，并簡(jiǎn)單介紹單相PWM整流器虛擬矢量控制策略的工作原理，推導(dǎo)出單相PWM整流器虛擬矢量控制策略在靜止坐標(biāo)系中的等效模型，將虛擬矢量控制策略與比例諧振控制策略進(jìn)行比較分析，并基于該模型對(duì)不同OSG方法和解耦方式對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行深入的對(duì)比分析，最后搭建基于Matlab/Simulink的單相PWM整流器仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)所提控制策略和其他基于虛擬正交分量的矢量控制策略進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證所提控制策略的正確性和有效性。
單相PWM整流器具有四象限運(yùn)行、諧波性能良好的優(yōu)勢(shì)，在許多工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合受到了極大的關(guān)注。單相PWM整流器的性能與其控制策略密切相關(guān)，已有大量的文獻(xiàn)對(duì)單相PWM整流器的控制策略進(jìn)行了研究。一般情況下，單相PWM整流器采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，電壓外環(huán)控制直流側(cè)電壓的大小和功率流向，電流內(nèi)環(huán)控制網(wǎng)側(cè)電流的幅值與相位，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。
由于內(nèi)環(huán)的電流參考值為正弦交流信號(hào)，常用的PI控制器難以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流量的無(wú)靜差跟蹤，因此學(xué)者們針對(duì)電流的無(wú)靜差跟蹤采用預(yù)測(cè)控制、重復(fù)控制、比例諧振（Proportion Resonant, PR）控制、虛擬矢量控制等多種控制策略。
虛擬矢量控制是類(lèi)比于三相PWM整流器電流控制中采用的矢量控制策略提出的。三相PWM整流器中，三相電流經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換可得到相互耦合的有功分量和無(wú)功分量，經(jīng)過(guò)解耦后能夠利用PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的有功分量和無(wú)功分量進(jìn)行獨(dú)立控制。但是在單相PWM整流器中，只有一個(gè)自由度，不能直接通過(guò)坐標(biāo)變換來(lái)實(shí)現(xiàn)有功電流和無(wú)功電流的解耦控制，需要構(gòu)建一個(gè)額外的虛擬自由度進(jìn)行坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)矢量控制。
許多學(xué)者就虛擬正交信號(hào)（Orthogonal Signals Generators, OSG）的構(gòu)建提出了不同的方法，包括延時(shí)法、全通濾波器法、狀態(tài)觀測(cè)器法和微分法等，這些方法都能夠構(gòu)建出一相滯后電流信號(hào)的正交信號(hào)，使得單相PWM整流器能夠進(jìn)行虛擬矢量控制。但是這些OSG方法的使用對(duì)系統(tǒng)控制的動(dòng)態(tài)和諧波性能都有一定的削弱，但鮮有文獻(xiàn)進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[14]推導(dǎo)了單相PWM整流器虛擬矢量控制策略在靜態(tài)坐標(biāo)系中的等效控制模型，但是忽略了OSG方法與矢量控制中的解耦項(xiàng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。
在數(shù)字鎖相環(huán)中，二階廣義積分器（Second Order Generalized Integrator, SOGI）用于構(gòu)建正交分量，因此本文將SOGI用于單相PWM整流器中虛擬矢量構(gòu)建，利用SOGI的濾波性能減少電流諧波對(duì)虛擬正交分量的影響，改善系統(tǒng)的諧波性能，并在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了一種考慮耦合項(xiàng)的單相PWM整流器虛擬矢量控制策略的等效控制模型，分析和比較了不同OSG方法和常用的反饋解耦、前饋解耦等方式對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)諧波性能的影響。并通過(guò)搭建Matlab/Simulink仿真模型和搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了本文對(duì)單相PWM整流器虛擬矢量控制策略分析的正確性。
圖2 單相PWM整流橋虛擬矢量控制策略控制框圖
總結(jié)
本文介紹了單相PWM整流器虛擬矢量控制策略基本原理，推導(dǎo)了虛擬矢量控制策略在靜止坐標(biāo)系下的等效模型，分析了不同QSG方法和解耦方式對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)諧波性能和動(dòng)態(tài)性能的影響。分析并得出如下結(jié)論：
1）單相PWM橋虛擬矢量控制與PR控制具有相近的控制效果。但是虛擬矢量控制能夠?qū)崿F(xiàn)有功與無(wú)功的單獨(dú)控制，可OSG方法的引入會(huì)影響系統(tǒng)的控制性能，設(shè)計(jì)控制器參數(shù)時(shí)需要考慮OSG方法對(duì)系統(tǒng)增益的影響。
2）與PR控制策略相比，虛擬矢量控制策略的解耦部分會(huì)引入3次諧波，穩(wěn)態(tài)諧波性能會(huì)較差。
3）系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)諧波性能與系統(tǒng)解耦方式有關(guān)。前饋解耦時(shí)，電流質(zhì)量受到OSG方法影響較小，反饋解耦時(shí)，電網(wǎng)電流的質(zhì)量受到OSG的方法影響較大，尤其是部分對(duì)諧波比較敏感的OSG方法，例如，DIF法和Observer法會(huì)放大電流的諧波分量。而幾種OSG方法中，本文提出的SOGI法能很好地抑制除基波以外的其他所有諧波分量。
本文提出一種考慮耦合項(xiàng)的單相PWM整流器虛擬矢量構(gòu)建方法，將數(shù)字鎖相環(huán)中廣泛使用的二階廣義積分器（SOGI）引入虛擬矢量控制策略中，并簡(jiǎn)單介紹單相PWM整流器虛擬矢量控制策略的工作原理，推導(dǎo)出單相PWM整流器虛擬矢量控制策略在靜止坐標(biāo)系中的等效模型，將虛擬矢量控制策略與比例諧振控制策略進(jìn)行比較分析，并基于該模型對(duì)不同OSG方法和解耦方式對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行深入的對(duì)比分析，最后搭建基于Matlab/Simulink的單相PWM整流器仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)所提控制策略和其他基于虛擬正交分量的矢量控制策略進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證所提控制策略的正確性和有效性。
單相PWM整流器具有四象限運(yùn)行、諧波性能良好的優(yōu)勢(shì)，在許多工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合受到了極大的關(guān)注。單相PWM整流器的性能與其控制策略密切相關(guān)，已有大量的文獻(xiàn)對(duì)單相PWM整流器的控制策略進(jìn)行了研究。一般情況下，單相PWM整流器采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，電壓外環(huán)控制直流側(cè)電壓的大小和功率流向，電流內(nèi)環(huán)控制網(wǎng)側(cè)電流的幅值與相位，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。
由于內(nèi)環(huán)的電流參考值為正弦交流信號(hào)，常用的PI控制器難以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流量的無(wú)靜差跟蹤，因此學(xué)者們針對(duì)電流的無(wú)靜差跟蹤采用預(yù)測(cè)控制、重復(fù)控制、比例諧振（Proportion Resonant, PR）控制、虛擬矢量控制等多種控制策略。
虛擬矢量控制是類(lèi)比于三相PWM整流器電流控制中采用的矢量控制策略提出的。三相PWM整流器中，三相電流經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換可得到相互耦合的有功分量和無(wú)功分量，經(jīng)過(guò)解耦后能夠利用PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的有功分量和無(wú)功分量進(jìn)行獨(dú)立控制。但是在單相PWM整流器中，只有一個(gè)自由度，不能直接通過(guò)坐標(biāo)變換來(lái)實(shí)現(xiàn)有功電流和無(wú)功電流的解耦控制，需要構(gòu)建一個(gè)額外的虛擬自由度進(jìn)行坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)矢量控制。
許多學(xué)者就虛擬正交信號(hào)（Orthogonal Signals Generators, OSG）的構(gòu)建提出了不同的方法，包括延時(shí)法、全通濾波器法、狀態(tài)觀測(cè)器法和微分法等，這些方法都能夠構(gòu)建出一相滯后電流信號(hào)的正交信號(hào)，使得單相PWM整流器能夠進(jìn)行虛擬矢量控制。但是這些OSG方法的使用對(duì)系統(tǒng)控制的動(dòng)態(tài)和諧波性能都有一定的削弱，但鮮有文獻(xiàn)進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[14]推導(dǎo)了單相PWM整流器虛擬矢量控制策略在靜態(tài)坐標(biāo)系中的等效控制模型，但是忽略了OSG方法與矢量控制中的解耦項(xiàng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。
在數(shù)字鎖相環(huán)中，二階廣義積分器（Second Order Generalized Integrator, SOGI）用于構(gòu)建正交分量，因此本文將SOGI用于單相PWM整流器中虛擬矢量構(gòu)建，利用SOGI的濾波性能減少電流諧波對(duì)虛擬正交分量的影響，改善系統(tǒng)的諧波性能，并在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了一種考慮耦合項(xiàng)的單相PWM整流器虛擬矢量控制策略的等效控制模型，分析和比較了不同OSG方法和常用的反饋解耦、前饋解耦等方式對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)諧波性能的影響。并通過(guò)搭建Matlab/Simulink仿真模型和搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了本文對(duì)單相PWM整流器虛擬矢量控制策略分析的正確性。
圖2 單相PWM整流橋虛擬矢量控制策略控制框圖
總結(jié)
本文介紹了單相PWM整流器虛擬矢量控制策略基本原理，推導(dǎo)了虛擬矢量控制策略在靜止坐標(biāo)系下的等效模型，分析了不同QSG方法和解耦方式對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)諧波性能和動(dòng)態(tài)性能的影響。分析并得出如下結(jié)論：
1）單相PWM橋虛擬矢量控制與PR控制具有相近的控制效果。但是虛擬矢量控制能夠?qū)崿F(xiàn)有功與無(wú)功的單獨(dú)控制，可OSG方法的引入會(huì)影響系統(tǒng)的控制性能，設(shè)計(jì)控制器參數(shù)時(shí)需要考慮OSG方法對(duì)系統(tǒng)增益的影響。
2）與PR控制策略相比，虛擬矢量控制策略的解耦部分會(huì)引入3次諧波，穩(wěn)態(tài)諧波性能會(huì)較差。
3）系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)諧波性能與系統(tǒng)解耦方式有關(guān)。前饋解耦時(shí)，電流質(zhì)量受到OSG方法影響較小，反饋解耦時(shí)，電網(wǎng)電流的質(zhì)量受到OSG的方法影響較大，尤其是部分對(duì)諧波比較敏感的OSG方法，例如，DIF法和Observer法會(huì)放大電流的諧波分量。而幾種OSG方法中，本文提出的SOGI法能很好地抑制除基波以外的其他所有諧波分量。
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