改进型SPWM调制下的整流器参数设计与仿真研究.pdf

2 0 2 3年 第3 7卷 第4期测 试 技 术 学 报V o l.3 7 N o.4 2 0 2 3(总第1 6 0期)J O U R N A L O F T E S T A N D M E A S U R E M E N T T E C H N O L O G Y(S u m N o.1 6 0)文章编号:1 6 7 1-7 4 4 9(2 0 2 3)0 4-0 3 1 0-0 6 改进型S PWM调制下的整流器参数设计与仿真研究胡春龙(陕西国防工业职业技术学院 智能制造学院,陕西 西安 7 1 0 3 0 0)摘 要:针对整流器在电网谐波补偿上受主参数影响变化较大,且在调制过程中易产生高次谐波和非线性等问题,以三相电压型P WM整流器为研究对象,提出了一种按照抑制电流谐波要求设计交流电感和依据直流电压对跟随性、抗扰性要求设计直流电容的方法,并对整定后的电感、电容参数在影响补偿性能方面进行了讨论。在整流器的控制策略上提出了一种动态调节的改进型S P WM算法,在S P WM算法中针对调制度的变化量对采样到的信号进行变换,通过D S P实现脉冲的动态调制。在M a t l a b/S i m u l i n k中对系统进行了仿真研究,结果表明系统参数设计和调制方法稳定可靠,动静态性能良好。关键词:P WM整流器;谐波补偿;主参数;S P WM算法中图分类号:TM 4 6 1 文献标识码:A d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 6 7 1-7 4 4 9.2 0 2 3.0 4.0 0 6P a r a m e t e r D e s i g n a n d S i m u l a t i o n o f R e c t i f i e r U n d e r I m p r o v e d S PWM M o d u l a t i o nHU C h u n l o n g(C o l l e g e o f I n t e l l i g e n t M a n u f a c t u r i n g,S h a a n x i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y,X ia n 7 1 0 3 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n g a t t h e p r o b l e m s t h a t t h e r e c t i f i e r i s g r e a t l y a f f e c t e d b y t h e m a i n p a r a m e t e r s i n t h e p o w e r g r i d h a r m o n i c c o m p e n s a t i o n,a n d i t i s e a s y t o p r o d u c e h i g h-o r d e r h a r m o n i c s a n d n o n l i n e a r i t y i n t h e m o d u l a t i o n p r o c e s s,t a k i n g t h e t h r e e-p h a s e v o l t a g e s o u r c e PWM r e c t i f i e r a s t h e r e s e a r c h o b j e c t,a m e t h o d o f d e s i g n i n g A C i n d u c t a n c e a c c o r d i n g t o t h e r e q u i r e m e n t s o f r e s t r a i n i n g c u r r e n t h a r m o n i c s a n d D C c a p a c i t a n c e a c c o r d i n g t o t h e r e q u i r e m e n t s o f D C v o l t a g e o n f o l l o w-u p a n d i mm u n i t y i s p r o p o s e d.T h e i n f l u e n c e o f c a p a c i t a n c e p a r a m e t e r s o n c o m p e n s a t i o n p e r f o r m a n c e i s d i s c u s s e d.I n t h e c o n t r o l s t r a t e g y o f t h e r e c t i f i e r,a n i m p r o v e d S PWM a l g o r i t h m w i t h d y n a m i c r e g u l a t i o n i s p r o p o s e d.I n t h e S PWM a l g o-r i t h m,t h e s a m p l e d s i g n a l i s t r a n s f o r m e d a c c o r d i n g t o t h e c h a n g e i n m o d u l a t i o n s y s t e m,a n d t h e d y n a m-i c m o d u l a t i o n o f p u l s e i s r e a l i z e d b y D S P.T h e s y s t e m i s s i m u l a t e d i n M a t l a b/S i m u l i n k.T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m p a r a m e t e r d e s i g n a n d m o d u l a t i o n m e t h o d a r e s t a b l e a n d r e l i a b l e,a n d t h e d y n a m i c a n d s t a t i c p e r f o r m a n c e i s g o o d.K e y w o r d s:PWM r e c t i f i e r;h a r m o n i c c o m p e n s a t i o n;m a i n p a r a m e t e r s;S PWM a l g o r i t h m0 引 言随着电力电子技术的快速发展,功率开关器件的大面积应用使得电网面临大量的谐波污染,严重影响电网的运行安全。三相电压型PWM整流器(V o l t a g e S o u r c e PWM R e c t i f i e r,V S R)作为电力电能变换装置的核心器件,因具有单位功率因数、双向电流流动、直流侧电压输出恒定,输入收稿日期:2 0 2 2-0 5-1 6 基金项目:陕西国防工业职业技术学院2 0 2 3年度科研计划资助项目(G f y 2 3-3 4)作者简介:胡春龙(1 9 8 8-),男,讲师,硕士,主要从事机电一体化技术研究。E-m a i l:x k_h u m a t 1 6 3.c o m。电流谐波含量低等优点,被广泛应用于电网电能质量治理中1。但V S R对谐波的补偿性能却与主参数的设定关系密切,主要包括交流侧电感、直流侧电容和电压等参数,它直接关乎着V S R装置的硬件选型和补偿效果,所以,如何准确选取V S R主参数意义重大2。同时,V S R运行的可靠性和稳定性又与其控制方法的先进性密不可分,其中,正弦脉冲宽度调制(S i n u s o i d a l PWM,S PWM)相对于其他采样方法在V S R的控制过程中可以产生较少的谐波污染且功率因数高,但V S R在电网单位周期内的瞬时电流变化较大,从而使功率管的占空比发生突变而产生畸变电流3。本文提出了一种动态调节的改进型S PWM算法,在V S R整定的参数基础上通过D S P实现脉冲的动态调制,在S PWM算法中针对调制度的变化量对采样到的信号进行反变换,得到双极性下的正弦值与载波比较后做S PWM处理,实现对V S R功率器件的调制。1 三相V S R拓扑结构三相V S R拓扑结构如图 1 所示,图中uk,ik(k=a,b,c)分别为交流网侧三相电压和三相电流,R为线路等效电阻,L为网侧滤波电感,S1S6为功率开关器件,由此组成三相全控整流器;C为直流侧滤波电容,Ud c为直流母线电压,RL为直流侧负载电阻,iL为负载电流4。图 1 三相V S R拓扑结构F i g.1 T h r e e p h a s e V S R t o p o l o g y根据图 1,在开关函数的基础上搭建三相V S R的数学模型。由基尔霍夫电压、电流定律列出各回路电压方程和节点电流方程,整理后可得三相V S R在a,b,c三相对称静止坐标系下的数学模型为Ldiadt=ua-R ia+Sb+Sc-2Sa3Ud c,Ldibdt=ub-R ib+Sa+Sc-2Sb3Ud c,Ldicdt=uc-R ic+Sa+Sb-2Sc3Ud c,CdUd cdt=Saia+Sbib+Scic-iL,(1)式中:Sk(k=a,b,c)为逻辑二值开关函数,其中,Sk=0表示下桥臂导通、上桥臂断开;Sk=1表示上桥臂导通、下桥臂断开。根据等功率变换原则,对式(1)进行C l a r k-P a r k同步变换到d q旋转坐标系下的数学模型为Ldiddt=ud-R id+L iq-SdUd c,Ldiqdt=uq-R iq+L id-SqUd c,CdUd cdt=32(Said+Sqiq)-iL,(2)式中:ud,uq为电压在d q坐标系下的分量;id,iq为电流在d q坐标系下的分量;Sd,Sq为d q坐标系下的开关函数5。2 三相V S R主参数设计2.1 交流侧电感设计图 2 所示为三相V S R在交流侧的矢量稳态关系,图中矢量E为电动势,矢量V为相电压,矢量VL为电感电压,矢量I为相电流。在I幅值一定的条件下,若保持|E|恒定,则可通过控制矢量V的相位角和幅值来实现V S R的四象限运行,且矢量V将沿半径为|VL|的圆轨迹进行变化,而由|VL|=L|I|可知,交流侧电感L直接受到矢量稳态关系的约束。图 2 V S R交流侧矢量稳态关系F i g.2 V S R A C s i d e v e c t o r s t e a d y s t a t e r e l a t i o n s h i p当直流侧电压Vd c给定后,V S R交流侧电压峰值|V|m a x即可确定,且两者关系为Vm a x=MVd c,(3)式中:M为三相V S R调制度。当Vd c一定时,在S PWM的调制下,|V|m a x为一恒定值。为了保证V S R的四象限运行特性,图1中点F应可在圆轨迹上的任意位置进行移动,所以,V S R需要有足够大的|V|输出,又由于|V|MVd c,故交流侧电感L必须加以限制6。113(总第1 6 0期)改进型S P WM调制下的整流器参数设计与仿真研究(胡春龙)2.1.1 电感上限值设计对电感上限的设计,需要一个不等式来确定电感上限的取值范围。通过式(3)发现,最大电压利用率下交流侧电压最大值为MVd c,那么就可依据直流电压利用率指标要求找到这个不等式,即VmMVd c。(4)又由V S R交流侧矢量稳态几何关系和余弦定理可知L=Ems i n+E2ms i n2+V2m-E2m Im,(5)式中:Em为电动势峰值;Im为基波相电流峰值;Vm为基波相电压峰值。将式(