1、SHIP ENGINEERINGVOl.37 Supplement 1 2015電壓型PWM整流器橋臂側(cè)功率平衡的控制策略萬鵬，章建峰，鮑陳磊(中國船舶重工集團第704研究所，上海200031)摘要：分析了不平衡電網(wǎng)電壓條件下三相電壓磐WM整流器的控制策略，研究了基于功率平衡 的控制策略，以消除直流電壓二次諧波。船舶電網(wǎng)不平衡時，線路阻抗的功率不平衡，當電網(wǎng)不平衡功 率完全被線路阻抗吸收時，整流器橋側(cè)的功率則恒定平衡，這給消除直流電壓二次諧波帶來便利。最后 進行了仿真及原理樣機驗證，試驗結(jié)果與理論分析一致。關(guān)鍵詞：PWM整流器；不平衡電網(wǎng)；功率平衡中圖分類號：TM743文獻標志碼：A【DOI】

2、 10.13788/ki.cbgc.2015.S1.001The Control Strategy of Power Balance at the Arm Side for Voltage Source PWM RectifierWAN Peng, ZHANG Jian-feng, BAO Chen-lei(Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China)Abstract: The control strategy in unbalanced power grid for three-phase volt

3、age source PWM rectifier is investigated in the paper. The control strategy based on power balance is researched to eliminate the second harmonic of DC voltage. The power of the transmission line impedance is unbalanced when the power grid is unbalanced. And the power at the arm side for PWM rectifi

4、er keeps balance when the unbalanced power in grid is absorbed completely by the transmission line impedance. Thus the effective measures can be obtained to eliminate the second harmonic of DC voltage. Finally, the simulation and the test of prototype are implemented, and the experimental results ag

5、ree with theoretic analyses.Key words: PWM rectifier; unbalanced power grid; power balance0引言整流器廣泛應(yīng)用于船舶電力電子變流裝置中，為 變頻傳動、不間斷電源和功率因數(shù)校正等裝置提供穩(wěn) 定可靠的直流電壓1。傳統(tǒng)的整流裝置有二極管整流 器和晶閘管相控整流器，這些整流器工作時網(wǎng)側(cè)交流 電流含有大量諧波電流將在線路阻抗上產(chǎn)生諧波電 壓，造成電網(wǎng)電壓波形畸變，從而會影響其他并聯(lián)在 電網(wǎng)中的負載正常工作乳當船舶電網(wǎng)電壓不平衡時，電網(wǎng)負序電壓分量在 PWM整流器的交流側(cè)產(chǎn)生幅值較大的負序電流分 量，負序電網(wǎng)電動勢和

6、負序交流電流共同作用，使得 三相PWM整流器將從電網(wǎng)吸收不平衡的瞬時功率， 導致直流側(cè)電壓波動。1999年Hong-seok Song和 Kwanghee Nam3提出了三相不平衡條件下雙dq旋轉(zhuǎn) 坐標系下對正負序電流獨立控制策略，該方案采用網(wǎng) 側(cè)輸入功率平衡求取正負序電流控制指令，保證了整 流器從網(wǎng)側(cè)吸收平衡的瞬時功率，直流母線電壓的二 次脈動也要小得多，接著Hong-seok Song在文獻1 的基礎(chǔ)上，考慮三相不平衡條件下整流器交流側(cè)濾波 電感上壓降的不對稱性，指出雖然網(wǎng)側(cè)輸入瞬時功率 平衡，但實際輸入整流器直流側(cè)的瞬時功率仍為不平 衡，這樣就不能完全消除直流側(cè)母線電壓的二次諧波， 因此

7、提出了基于整流器橋臂側(cè)功率平衡的電流控制策 略囹，從而完全消除了直流電壓的二次諧波，但其獲 取電流指令算法過于復雜，在線運算工作量巨大。為 此，本文在其基礎(chǔ)上簡化了電流控制指令求取算法， 基于整流器橋臂側(cè)功率平衡實現(xiàn)直流電壓恒定和功率 因數(shù)可調(diào)。1不平衡電網(wǎng)條件下電流指令求取收稿日期：2015-05-16修回日期：2015-05-21作者簡介：萬鵬（1988-），男，碩士研究生。研究方向：電力電MWM整流技術(shù)。P* 0 0 0TT，把各個功率系Pp*UPUpUnUn工TdqdqQT03UP-UpUn-Un=qdqdP02Un-Un-UpUpTc 2qdqdP0UnUnUpUpTs 2_Jdqd

8、qIp* dIp*qIn * dIn *q（3）三相電壓型PWM整流器的最終控制目標是對整 流器輸入的有功功率和無功功率進行控制。對整流器 功率控制轉(zhuǎn)換成了有功電流和無功電流的獨立控制。 因此，首先要對不平衡電網(wǎng)條件下瞬時功率進行計算， 再根據(jù)瞬時有功和無功功率與電流正負序分量的關(guān)系 確定不同控制策略下電流控制指令。假設(shè)整流橋側(cè)的瞬時有功、無功功率分別為 PT（t）、QT（t），整流器橋臂中點與負母線間的相電壓分 別為U、Ub、U。在兩相靜止坐標系必中，整流橋 側(cè)電壓矢量復U；可以寫成dq旋轉(zhuǎn)坐標系下正、負序 復矢量Up、U，線性疊加的形式： TOC o 1-5 h z U = ej3*Up

9、+ e-jstUN（1）根據(jù)瞬時功率定義方法5，可以寫出不平衡條件 下整流橋側(cè)瞬時功率表達式：PR）=篁。2 cos（2st） + P 2 sin（2st）（ 2）Q （t） = Q + Q cos（2st） + Q sin（2st）k T _ T Tc 2Ts 2式中，PT、qt分別為整流橋側(cè)有功功率平均值、 無功功率平均值;PT2、PT2分別為整流橋側(cè)2次余弦、 正弦項有功功率幅值；Q；2、Qt2分別為整流橋側(cè)2次 余弦、正弦項無功功率幅值。為了控制整流器的輸入功率因數(shù)為1，基于整流 橋側(cè)功率平衡控制策略時，控制L PT QT Pc 2 P 2 J數(shù)寫成矩陣的形式可以得到:其中，P*為整流

10、橋側(cè)平均有功功率，其值為電壓 T外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出與電壓給定值的乘積，通過式（）進一步可以求得電流控制指令為：Ip*dUpUpUnUn-1p*UpdqdqTdIp*2Up-UpUn-Un02 P*Upqqdqd= TqIn *3Un-Un-U pUp03D-UndqdqdqTI n *UnUnUpUp0-Undqdqd（4）式中 D = （Up）2 + （Up）2 -（Un）2 + （Un） TOC o 1-5 h z ， =（Up）2 - （Un）2。設(shè)正序電壓、電流矢量為UP、iP*，負序電壓、電流 UN、iN*，則：如如ip* = kUp如如iN * = -kU n（5）ip*iN * U

11、p Un式中，k = 2P*/3D。T由式（5）即可以計算出正負序電流控制指令，然 而整流器側(cè)的各相橋臂中點電壓含有大量開關(guān)噪聲諧 波較大，難于采樣。而不平衡整流器控制系統(tǒng)由于采 用雙dq坐標系的電流控制，必須用到三相網(wǎng)側(cè)輸入電 壓進行鎖相以及前饋補償，所以可以用網(wǎng)側(cè)輸入電壓 來代替式式（5）中的整流器橋臂中點電壓，經(jīng)計算最 后給出正負序dq軸電流指令值如下：i p* = ip cosQp = k - Ep + k2sL - Ep TOC o 1-5 h z i p* = ip sin0p = k - Ep 一 k2sL - Ep（）iN* = iN cos0 n = -k - En 一 k2

12、sL - Endi2 d 1qiN* = -iN sin0N = -k - En + k2SL - En結(jié)合式（5）與式（6）可以知道ki與k2的關(guān)系：k2 =- 4s2Lk2,2s2L（7）12求取了各電流指令，可以得到基于整流橋側(cè)功率 平衡控制策略系統(tǒng)框圖如圖1所示。q圖1不平衡電網(wǎng)條件下基于整流橋側(cè)功率平衡控制框圖Ep -E :JEn_ta.式（6-33）電 流控制指令ip*、，-*、i n*、qin*計算萬鵬等，電壓型PWM整流器橋臂側(cè)功率平衡的控制策略2仿真驗證圖2為基于整流橋側(cè)功率平衡控制策略仿真波 形。圖2(a)說明了基于功率平衡控制時，為了消除直 流側(cè)直流電壓二次諧波分量網(wǎng)側(cè)電

13、流必然為不平衡。 圖2(b)給出了輸入瞬時功率與輸出功率波形，從圖中 可以看出，功率平衡控制時目標是維持橋側(cè)有功功率 平衡，從而保證輸出有功功率恒定平衡，從圖中可以 看出其網(wǎng)側(cè)瞬時有功功率脈動較大，但輸出有功功率 幾乎沒有脈動，如圖6所示，從而控制了直流母線電 壓的二次諧波電壓被完全消除。從圖)可以看出直流 電壓幾乎不含有二次諧波。3樣機實驗驗證電網(wǎng)不平衡條件下三相PWM整流器控制研究的 實驗驗證是在一臺1.6kW原理樣機上完成的。圖3為 不平衡條件下基于整流橋臂側(cè)功率平衡控制的整流器 相關(guān)波形。由圖3(a)可知，基于整流橋側(cè)功率平衡控制基本 完全消除了直流電壓中的二次諧波，說明所提出的控 制

14、策略符合理論分析。同時3(b)給出了基于整流橋側(cè) 功率平衡控制的A相電壓與A相電流波形，可見輸出 功率僅含有較小的無功功率，系統(tǒng)可近似認為工作在 單位功率因數(shù)下。P(t):j00W/di，lAAAA/lAAAA/lAAAA/AAAA/MAMMWUIIH刪刪ttVTv Vt nif rrriVVVVlQ(t):l500Var/(tivTime:50ms/di11580.P:2W/dh，d/ L T T Jj._Time:50ms/dv16001590(c)直流側(cè)功率圖2不平衡條件下基于整流橋側(cè)功率平衡控制策略仿真波形(b) A相電壓與A相電流圖3不平衡條件下PWM整流器控制系統(tǒng)實驗波形4結(jié)論本文

15、分析了抑制直流側(cè)電壓二次諧波分量的功率 平衡控制策略。船舶電網(wǎng)不平衡時，線路阻抗的功率 不平衡，當電網(wǎng)不平衡功率完全被線路阻抗吸收時， 整流器橋側(cè)的功率則恒定平衡，對消除直流電壓的二 次諧波電壓更加有利，仿真和實驗結(jié)果表明基于整流 橋臂側(cè)功率平衡控制策略基本能完全消除直流電壓的二次脈動。參考文獻：1趙振波，許伯強李和明.高功率因數(shù)PWM整流器綜 述J.華北電力大學學報2002, 29(4): 508-515.2張崇巍，張興.PWM整流器及其控制M.北京：機械 工業(yè)出版社2012.Hong-seok song, Kwanghee Nam. Dual Current Control Scheme for PWM Converter under Unbalanced Input Voltage Conditions J. IEEE Transactions on Industrial Electronic, 1999, 46(5): 953-959.Yongsug Suh, Tijeras, V, Lipo, T.A. A Nonlinear Control of the Instantaneous Po