一种充电设备整流电路新型控制策略的研究

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摘 要:在此将三相PWM整流电路应用于充电设备主电路,以达到充电设备输出长期稳定、可靠性好、输出纹波小、传递效率高的要求。在整流器控制策略上采用基于电压定向的的矢量控制,对电压定向原则进行了分析,并推导了dq轴电流解耦方式。仿真结果表明采用该方案整流器能快速跟踪给定,具有直接电流控制的动态响应快、稳态性能好的特点。由于采用了网侧电流闭环控制也使网侧电流变化对系统参数不敏感,从而增强了电流控制系统的鲁棒性。关键词:充电设备; 矢量控制; 电压定向控制; PWM整流器

中图分类号:TN919-34文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)22-0191-02

Study on a New Control Strategy of PWM Rectifier in Charging Device

ZHANG Ming-lian, HAN Gu-yong, ZHAO Xu-cheng, WANG Hui

(Department of Aviation Four Stations, Xuzhou Air Force College, Xuzhou 221000, China)

Abstract: PWM rectifier technology is introduced to the main power circuit of the charger to enhance the charging efficiency, improve its long term reliability and save its life. A new strategy of space vector control based on voltage oriented is used in PWM rectifier. It simplifies voltage oriented principle and the method of decoupling control for both axis quantities of the input current. The simulation results show that it can realize unit power factor and small current harmonic with excellent dynamic-static performance. The input current changes become insensitive against the system parameter since it adopted the current closed loop control method, and the robustness of the current controlling system can be enhanced. Keywords: charging device; vector control; voltage oriented control; PWM rectifier

0 引 言

充电设备主电路的作用是将380 V/50 Hz三相交流电转换成用于蓄电池充电的直流电能。由于PWM整流器输入电流非常接近正弦波,可以和输入电压同相位,并且可以实现能量的双向流动[1],因此有较多的学者将PWM整流器引入到充电设备中,不仅可以改善功率因数,而且可以实现蓄电池的充电和放电。在PWM整流器控制技术方面,目前主要有2种控制方式:矢量控制和直接功率控制[2-5]。20世纪70年代初,西德 F.Blasschke等发明了感应电机磁场定向的矢量控制系统,根据磁场等效[6]的基本原理,三相静止坐标、两相静止坐标和两相旋转坐标系之间可以进行相互转换,这样就可以把对交流量的控制转变成对直流量的控制,实现了感应电机磁通与转矩的解耦控制,简化了控制要求,使系统得到较好的动静态性能。与感应电机磁场定向的矢量控制相似,电压定向控制(voltage oriented control,VOC)[7-8]和虚拟磁链定向控制(virtual flux oriented control,VFOC)[9-10] 也是通过引入坐标变换以实现整流器dq轴电流解耦控制和单位功率因数运行,本文采用了前者控制策略,通过原理分析和仿真验证,该策略是可行的。

1 VOC策略

充电设备主电路采用三相电压型PWM整流电路。VOC是目前PWM整流器广泛采用的一种控制策略。图1给出这种基于电压定向原理的矢量图,图1中:整流器的交流输入侧的电压和电流矢量,在三相静止坐标系中表示为va,vb,vc,ia,ib,ic,在两相坐标系下表示为vLα,vLβ、iLα,iLβ,在两相旋转坐标系中表示为vLd,vLq、iLd,iLq。由磁场等效的基本原理,就可以把对交流量的va,vb,vc,ia,ib,ic的控制转变为对直流量vLd,vLq,iLd,iLq的控制。

根据Park变换原理,在静止坐标系上的三相正弦电压va,vb,vc,在空间上可以等效成为一按正弦角频率ω旋转的空间电压矢量vL,Park矢量变换关系为:

vL=23(va+avb+a2vc)=Vmejωt(1)

Е=ej2π3,为旋转因子;Vm为三相正弦电压va,vb,vc的幅值。所谓电压定向即令电压空间矢量vL在t=0时刻与d轴重合,则有Vm=vLd,vLq=0,也称为基于dq坐标变换的矢量控制。控制框图见图2,采用的是直流电压外环和电流内环的双闭环控制方式,其中电压外环保证稳定的直流输出,电流内环迫使网侧电流跟踪电源电压,提高系统的动态响应性能和实现限流保护。电压调节器输出有功电流给定i*Ld,为使整流器达到单位功率因数,设定无功电流给定i*Lq=0。

图1 电压定向控制(VOC)参考坐标系和各矢量关系

图2 电压定向控制(VOC)系统框图

2 仿真分析

仿真主电路参数为相电压幅值Vm=250 V,等值电阻为R=0.1 Ω,电感为L=10 mH,直流侧电容为C=1 000 μF,负载R=50 Ω。直流电压给定:V*dc=550V。系统采样频率:fN=5 kHz,开关频率:f=5 kHz。VOC系统在理想正弦电源电压输入时的稳态运行波形仿真波形如图3所示。

控制系统稳态运行时输出直流电压为550 V,输入电压与输入电流同相位,功率因数近似为1,因此这种控制系统整流器的稳态运行性能较理想。

3 结 语

本文对充电设备PWM整流电路基于电压定向的矢量控制进行了研究,分析了电压定向原则,推导了dq轴电流解耦方式,仿真结果表明采用该方案整流器能快速跟踪给定,具有直接电流控制的动态响应快、稳态性能好的特点。由于采用了网侧电流闭环控制也使网侧电流控制对系统参数不敏感,从而增强了电流控制系统的鲁棒性。

图3 正弦电源电压输入VOC系统稳态运行波形

参考文献

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