單相PWM整流器虛擬矢量控制策略
2019-8-29 10:23:29??????點擊：
單相PWM整流器虛擬矢量控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)電流有功分量和無功分量的獨立控制，受到國內(nèi)外學者的廣泛研究。但是傳統(tǒng)的構(gòu)建虛擬矢量（OSG）會影響系統(tǒng)的動態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)性能，且鮮有文獻推導耦合項對系統(tǒng)性能的影響。
本文提出一種考慮耦合項的單相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，并簡單介紹單相PWM整流器虛擬矢量控制策略的工作原理，推導出單相PWM整流器虛擬矢量控制策略在靜止坐標系中的等效模型，將虛擬矢量控制策略與比例諧振控制策略進行比較分析，并基于該模型對不同OSG方法和解耦方式對系統(tǒng)性能的影響進行深入的對比分析，最后搭建基于Matlab/Simulink的單相PWM整流器仿真模型和實驗平臺，對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行對比分析，驗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行、諧波性能良好的優(yōu)勢，在許多工業(yè)應用場合受到了極大的關注。單相PWM整流器的性能與其控制策略密切相關，已有大量的文獻對單相PWM整流器的控制策略進行了研究。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，實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行。
由于內(nèi)環(huán)的電流參考值為正弦交流信號，常用的PI控制器難以實現(xiàn)對交流量的無靜差跟蹤，因此學者們針對電流的無靜差跟蹤采用預測控制、重復控制、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)過坐標變換可得到相互耦合的有功分量和無功分量，經(jīng)過解耦后能夠利用PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對電流的有功分量和無功分量進行獨立控制。但是在單相PWM整流器中，只有一個自由度，不能直接通過坐標變換來實現(xiàn)有功電流和無功電流的解耦控制，需要構(gòu)建一個額外的虛擬自由度進行坐標變換實現(xiàn)矢量控制。
許多學者就虛擬正交信號（Orthogonal Signals Generators, OSG）的構(gòu)建提出了不同的方法，包括延時法、全通濾波器法、狀態(tài)觀測器法和微分法等，這些方法都能夠構(gòu)建出一相滯后電流信號的正交信號，使得單相PWM整流器能夠進行虛擬矢量控制。但是這些OSG方法的使用對系統(tǒng)控制的動態(tài)和諧波性能都有一定的削弱，但鮮有文獻進行分析。文獻[14]推導了單相PWM整流器虛擬矢量控制策略在靜態(tài)坐標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對系統(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虛擬正交分量的影響，改善系統(tǒng)的諧波性能，并在文獻[14]的基礎上推導了一種考慮耦合項的單相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、前饋解耦等方式對系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)諧波性能的影響。并通過搭建Matlab/Simulink仿真模型和搭建實驗平臺驗證了本文對單相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，推導了虛擬矢量控制策略在靜止坐標系下的等效模型，分析了不同QSG方法和解耦方式對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)諧波性能和動態(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)有功與無功的單獨控制，可OSG方法的引入會影響系統(tǒng)的控制性能，設計控制器參數(shù)時需要考慮OSG方法對系統(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引入3次諧波，穩(wěn)態(tài)諧波性能會較差。
3）系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)諧波性能與系統(tǒng)解耦方式有關。前饋解耦時，電流質(zhì)量受到OSG方法影響較小，反饋解耦時，電網(wǎng)電流的質(zhì)量受到OSG的方法影響較大，尤其是部分對諧波比較敏感的OSG方法，例如，DIF法和Observer法會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，并簡單介紹單相PWM整流器虛擬矢量控制策略的工作原理，推導出單相PWM整流器虛擬矢量控制策略在靜止坐標系中的等效模型，將虛擬矢量控制策略與比例諧振控制策略進行比較分析，并基于該模型對不同OSG方法和解耦方式對系統(tǒng)性能的影響進行深入的對比分析，最后搭建基于Matlab/Simulink的單相PWM整流器仿真模型和實驗平臺，對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行對比分析，驗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行、諧波性能良好的優(yōu)勢，在許多工業(yè)應用場合受到了極大的關注。單相PWM整流器的性能與其控制策略密切相關，已有大量的文獻對單相PWM整流器的控制策略進行了研究。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，實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行。
由于內(nèi)環(huán)的電流參考值為正弦交流信號，常用的PI控制器難以實現(xiàn)對交流量的無靜差跟蹤，因此學者們針對電流的無靜差跟蹤采用預測控制、重復控制、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)過坐標變換可得到相互耦合的有功分量和無功分量，經(jīng)過解耦后能夠利用PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對電流的有功分量和無功分量進行獨立控制。但是在單相PWM整流器中，只有一個自由度，不能直接通過坐標變換來實現(xiàn)有功電流和無功電流的解耦控制，需要構(gòu)建一個額外的虛擬自由度進行坐標變換實現(xiàn)矢量控制。
許多學者就虛擬正交信號（Orthogonal Signals Generators, OSG）的構(gòu)建提出了不同的方法，包括延時法、全通濾波器法、狀態(tài)觀測器法和微分法等，這些方法都能夠構(gòu)建出一相滯后電流信號的正交信號，使得單相PWM整流器能夠進行虛擬矢量控制。但是這些OSG方法的使用對系統(tǒng)控制的動態(tài)和諧波性能都有一定的削弱，但鮮有文獻進行分析。文獻[14]推導了單相PWM整流器虛擬矢量控制策略在靜態(tài)坐標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對系統(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虛擬正交分量的影響，改善系統(tǒng)的諧波性能，并在文獻[14]的基礎上推導了一種考慮耦合項的單相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、前饋解耦等方式對系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)諧波性能的影響。并通過搭建Matlab/Simulink仿真模型和搭建實驗平臺驗證了本文對單相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，推導了虛擬矢量控制策略在靜止坐標系下的等效模型，分析了不同QSG方法和解耦方式對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)諧波性能和動態(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)有功與無功的單獨控制，可OSG方法的引入會影響系統(tǒng)的控制性能，設計控制器參數(shù)時需要考慮OSG方法對系統(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引入3次諧波，穩(wěn)態(tài)諧波性能會較差。
3）系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)諧波性能與系統(tǒng)解耦方式有關。前饋解耦時，電流質(zhì)量受到OSG方法影響較小，反饋解耦時，電網(wǎng)電流的質(zhì)量受到OSG的方法影響較大，尤其是部分對諧波比較敏感的OSG方法，例如，DIF法和Observer法會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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