22KW高性能三相电压型PWM整流器的研究(5)

2.2.2 电压外环控制系统设计

三相VSR的电压环简化结构如下图所示。

*?Udc?KV(1?TVs)TVs0.75Tevs?11sCUdc

图3-7三相VSR电压环简化结构结构

Kv，Tv—电压外环PI调节器参数;

由于电压外环的主要控制作用是稳定三相VSR直流电压，故其控制系统整定时，应着重考虑电压环的抗扰性能。Ⅱ型系统设计对恒值给定可以实现无静差跟踪，显然，同样可按典型Ⅱ型系统设计电压调节器，由图3-7得电压环开环传递函数为 Wov(s)?由此，得电压环中频宽hv为 hv?0.75Kv(Tvs?1) (3-8)

CTvs2(Tevs?1)Tv (3-9) Tev由典型Ⅱ型系统控制器参数整定关系，得

0.75Kvhv?1?22 (3-10) CTv2hvTev综合考虑电压环控制系统的抗扰性和跟随性，取hv?Tv/Tev?5，计算出电压环PI调节器参数为

?Tv?5Tev?5(?v?3Ts)?4C4C ? (3-11) Kv???5Tev5(?v?3Ts)?2.2三相PWM整流器参数的设计

2.2.1 交流侧电感的设计

在VSR系统设计中，交流侧电感的设计至关重要。这是因为VSR交流侧电感的取值

不仅影响到电流环的动、静态响应，而且还制约着VSR输出功率、功率因数以及直流电压。VSR交流侧电感的作用归结如下：

(1)隔离电网电动势与VSR交流侧电压。通过VSR交流侧电压幅值、相位的PWM控制，或通过VSR交流侧电流幅值、相位的PWM控制都可实现VSR四象限运行。

(2)虑除VSR交流侧PWM谐波电流，从而实现VSR交流侧正弦波电流或一定频带范围内的任意电流波形控制。

(3)使VSR获得良好电流波形的同时，还可向电网传输无功功率，甚至实现网侧纯电感、纯电容运行特性。

(4)使VSR控制系统获得了一定的阻尼特性，从而有利于控制系统的稳定运行。 (5)使VSR具有Boost型PWM AC/DC 变换性能以及直流侧受控电流源特性。 可见，VSR交流侧电感对VSR系统的影响和作用是综合的。以下将从稳态条件下满足VSR输出有功(无功)功率以及电流波形品质指标两方面讨论VSR交流侧电感的设计。

1 满足功率指标时电感的设计

稳态条件下，VSR交流侧矢量关系如图3-8，图中忽略了VSR交流侧电阻R,且只讨论基波正弦电量。

由图3-8看出：当E不变，且I一定条件下，通过控制VSR交流侧电压V的幅值、相位，即可实现VSR四象限运行，且矢量V端点轨迹是以VL为半径的圆。由于VL??LI，因此VSR交流侧稳态矢量关系体现了对其交流侧电感L的约束。

E——交流电网电动势

βDV——VSR交流侧相电压

VL——交流侧电感电压

I——交流侧相电流

VAEθφIBVLCα

图3-8 VSR稳态交流侧矢量关系

图3-8中，B、D点为VSR单位功率因数整流、逆变状态运行点，A、C点为VSR纯电感、纯电容特性运行点，并且通过α、β坐标轴将VSR运行状态分为四个运行象限。当VSR直流侧电压Vdc确定后，VSR交流侧电压最大峰值也得以确定，既：

Vmax ?Mvdc （3-12）

M——PWM相电压最大利用率

为使VSR获得四象限运行特性，F点应可处于圆轨迹上任一点，为此必须确保VSR能输出足够大的V。但由于V?Mvdc，因此必须限制VSR交流侧电感，使VL足够小，才能使VSR四象限运行，且可以输出足够大的交流电流。

VSR交流侧功率因数角φ，??90??，利用余弦定理得

s V?E?VL?2EVLco?222 ?E?VL?2EVLsin? （3-13）

22将VL??LI代入式（3-13），化简得

??L2I?2EIsin??E?V? 0 （3-14）

222求解上式得

L?Esin??E2s2in??V2?E2??

2Emsin??Emsi2n??Vm2?Em2 ? （3-15）

?Im式中 Em——电网相电动势峰值；

Im——VSR交流侧相电流基波峰值； Vm——VSR交流侧相电压基波峰值。

由上面可得：

Vm?Mv d c （3-16）将式（3-16）代入（3-15）得

22Emsin??Emsi2n??M2v2dc?Em L? （3-17）

?Im显然式（3-17）中的分子大于零，所以

Em Vdc? （3-18）

M式（3-18）体现了实现VSR四象限运行时直流侧电压Vdc取值的下限。

对于三相VSR，若采用SPWM控制则M=1/2，而采用空间矢量(SVPWM) 控制时，则

M?3/3。 所以，在该仿真系统中有以上的参数可得：

Vdc?

200 （3-19） 33

则： Vdc?346.V4 本文选取直流侧电压值为：400V。

设三相VSR采用SVPWM控制，且忽略VSR损耗，则

3 p?EmImcos ? （3-20）

23 q?EmImsi? （3-21） n

2

M?3/3

式中 p——三相VSR交流侧有功功率;

q——三相VSR交流侧无功功率。 将式（3-19）代入（3-17）得：

1E2msin?cos??Emcos?Em2sin2??V2dc?Em23 （3-22） L?2p?12002*0.141*0.99?200*0.992002*(0.141)2?*3802?20023L?

100*?*3000

L?0.0305H

2 满足瞬态电流跟踪指标时的电感设计

电感的设计还需要考虑满足VSR瞬态电流跟踪指标要求，即要快速电流跟踪，又要

抑制谐波电流。以VSR正弦波电流控制为例，当电流过零时，其电流变化率最大，此时电感应足够小，以满足快速跟踪电流要求;另一方面，在正弦波电流峰值处，谐波电流脉动最严重，此时电感应足够大，以满足抑制谐波电流要求。为进一步简化分析，以下讨论只考虑VSR正弦波电流控制。

对于三相VSR，a相电压方程：

diavdc?Ria?ea?[vdcsa?(sa?sb?sc)] （3-23） Ldt3vdc若忽略VSR交流侧电阻R,且令vsa?ea?(sa?sb?sc)，则上式简化为

3

Ldia ?vsa?vdcsa （3-24）

dt仍考虑三相VSR单位功率因数正弦波电流控制，并讨论满足瞬态电流跟踪要求时的电感设计。首先分析满足快速电流跟踪要求时的电感设计。考虑电流过零处附近一个PWM开关周期Ts中的电流跟踪瞬态过程。

稳态条件下，当0?t?T1时，sa?0,ea?0

?i1vdc?vsa?savdc?(sb?sc) （3-25） T13当T1?t?TS时，sa?1，T1?T2?TS

?i2vdc?vsa?savdc?(?2?sb?sc) （3-26） L T23 L若满足快速电流跟踪要求，则必须满足

?i1??i2Imsin?Ts??Im? TsTs （3-27）

sa?sb?1结合式（3-25）到式（3-26）得

2T1vdc L? （3-28）

3Im?Ts当T1?TS时，将取得最大电流变化率，且

2vdc L? （3-29）

3Im? 以下分析抑制谐波电流时电感得设计。考虑电流峰值处附近一个PWM开关周期Ts中的电流跟踪瞬态过程。

稳态条件下，当0?t?T1时，sa?0，ea?Em

?i1vdc?vsa?savdc?(sb?sc) LT13 （3-30）

当T1?t?T2时，sa?1 ?i2vdc?vsa?savdc?(?2?sb?sc) （3-31） L T232vdc?3Em峰值附近设?i1??i2?0，sb?sc?0，所以T1?

2vdc(2vdc?3Em)EmTs L? （3-32）

2vdc?imax式中 ?imax——最大允许谐波电流脉动量。本文选取?imax?20%*10A?2A 有上式可得到L的最小值，即： L?0.0021H

因此满足电流瞬态跟踪指标时，三相VSR电感取值范围为： 2.1mH?L?30.5mH

（3-33）

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