设计应用

基于SVM的不平衡电网下VIENNA整流器性能优化

0 引言

    随着开关器件的发展,供电系统的电能质量问题日益突出。为了满足国际组织起草的谐波标准,高性能的VIENNA整流器得到了广泛的应用。对功率密度和电压应力要求较高的电信系统、航空航天和电动汽车等领域已成为这类整流器的潜在用户。

    VIENNA整流器由于其单向潮流特性,在不平衡电网下,直流侧引入二次谐波纹波,交流侧引入低阶奇次谐波[1]。传统的控制策略使输入相电流跟踪输入差分电压分量,从而保持输入电流和输入电压的同步,这种控制策略可以在任何不平衡条件下工作,并且易于实现,但它不能消除输入功率纹波[2]。文献[3]提出了一种基于自然坐标系的控制器,取消了乘法器和输入电压传感器,然而,需要将载波信号和预控制信号的幅度调整为电压传输比,实现较为困难。文献[4]利用DDSM直接导出正/负序分量参数,在abc坐标系中产生电流参考值,既不需要空间矢量调制,也不需要双dq变换,大大降低了计算量;然而当网侧输入严重不平衡时,输入电流与输入电压矢量之间存在较大角度差,提出的方案失去调制效果。

    本文分析了恒功率控制下的稳态运行区域,在SVM的基础上采用改进型直接同步解耦方法计算的正/负序分量参数,加入功率补偿以改善不平衡输入下工作区域。电流内环加入死区控制,选择最佳占空比,在最短时间内跟踪所需的参考电流,改善电压过零点时出现的畸变现象。

1 不平衡电网下VIENNA整流器数学建模

    三电平VIENNA整流器的拓扑结构如图1所示,整流器输入电压由相应的开关状态和输入电流的极性决定。

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    根据输入电压电平的不同组合,可以在α-β平面上产生25个不同的电压矢量。以区域Ⅰ为例,如图2所示。

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    基于以上分析,如果整流器输入电压矢量超过六边形区域,整流器将无法工作。在α-β平面中,维也纳整流器电压方程通过Clark变化可写为:

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其中,ua、ub、uc为三相静止坐标系下网侧电压,uα、uβ为两相静止坐标系下网侧电压。

    VIENNA整流器在交流侧的动态模型可用以下等式表示:

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    根据图2(b)中几何关系,可以得到维也纳整流器所需满足的条件如下:

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    根据对称分量法,不平衡电网电压包含正序、负序和零序对称分量。零序分量对三线系统没有影响,可以忽略。故三相不平衡电压可表示如下:

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    由上述分析可知,若要消除不平衡电网下直流侧电压中的低频纹波,令Ps、Pc均为0即可。

2 基于SVM的改进型同步网格控制法

    传统的同步网格控制方法利用EPLL对正、负序电压分量进行解耦,从输入信号中产生同相和正交相波形,同时可以生成不平衡控制方案中所需的诸如振幅Ap、An和频率。本文采用改进型同步网格控制法,直接从三相电压中提取正负序电压分量,避免了复杂的旋转坐标变换和锁相环,大大简化了控制系统结构和算法,控制策略如图3所示。文献[5]提出了一种提取α-β坐标系中正负分量的滤波算法,并采用该算法计算出正序同步旋转坐标系中的一阶高通滤波器传递函数:

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    前一状态功率参考值为:Sref=P+Q,由第1节分析可知,为了实现单位功率运行,一般令Q=0,故:

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3 死区控制

    传统的PI控制速度慢,本文在电流内环中采用死区控制,通过预测下一个状态电流来推导最佳占空比,降低了因不平衡电网导致的电流波形畸变。

    最佳占空比可通过下一个状态电流和电感电流的斜率推导得出。为了方便分析,假设开关管均为理想器件,电感电流斜率计算如下:

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4 仿真分析

    为了验证提出的控制策略在不平衡电网下的有效性,本文在Saber环境下搭建了VIENNA整流器仿真模型,同时加入死区控制调节占空比。

    图4为加入死区控制和改进型同步网格控制下直流侧电压电流波形。0.15 s时加入网侧扰动,从图中可以看出,利用所提出的控制策略可以获得相对较好的电流质量和较小的输出电压纹波。

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5 实验验证

    根据上述理论推导及分析结果搭建了一台5 kW的实验样机,具体参数如下:输入电压Uin=380 V,输出电流I0=10 A,开关频率fsw=25 kHz,采样频率fr=25 kHz,谐振电容dy2-5-x1.gif=2 820 nF,滤波电感L=360 μH,数字控制器采用STM32f407。

    如图5所示,与传统的控制方式相比,采用死区控制可以消除轻微不平衡条件下的输入功率和输出直流母线电压的波动,通过比较图5(a)和图5(b),输入电流的幅值略微增加,并且负相移补偿了输入有功功率。从图6中可以看出,所提出的控制方案对电网不平衡的响应非常快,可以根据工作环境调整控制方案,适应不同程度的不平衡电网,实现了在不平衡电网下的稳定运行。

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6 结论

    本文采用改进的同步网格控制法分离正、负序分量,同时加入功率补偿,扩大不平衡输入下稳态运行区域。电流内环采用死区控制,使得系统可以获得更快的动态响应。所提出的控制方案显著降低了总算法复杂度,并有助于减少直流无功分量和总损耗。5 kW的实验样机验证了该控制策略可以在不同程度不平衡电网下稳定运行。

参考文献

[1] ZHANG M,HANG L,YAO W,et al.A novel strategy for three-phase/switch/level(Vienna) rectifier under severe unbalanced grids[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(10):4243-4252.

[2] MINIBOCK J,KOLAR J W.Novel concept for mains voltage proportional input current shaping of a VIENNA rectifier eliminating controller multipliers[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2005,52(1):162-170.

[3] MINIBOCK J,STOGERER F,KOLAR J W.A novel concept for mains voltage proportional input current shaping of a VIENNA rectifier eliminating controller multipliers. I. Basic theoretical considerations and experimental verification[C].Applied Power Electronics Conference and Exposition,2001.Apec 2001.Sixteenth IEEE,2001,1:582-586.

[4] HANG L,ZHANG H,LIU S,et al.A novel control strategy based on natural frame for vienna-type rectifier under light unbalanced-grid conditions[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62(3):1353-1362.

[5] NEWMAN M J,ZMOOD D N,HOLMES D G.Stationary frame harmonic reference generation for active filter systems[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2002,38(6):1591-1599.



作者信息:

王  达,邵如平,董飞驹

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院,江苏 南京211816)

VIENNA整流器 直接同步解耦方法 不平衡电网 死区控制 功率因数校正