现代电力传动理论与技术——第三讲

1信息科学与工程学院现代电力传动理论与技术二O一五年三月2第3章广义负载的电流控制本章主要考虑单相和三相电压源变换器电流控制技术3.1单相负载的电流控制3.1.1滞环电流控制首先结合图3.1定义所谓的滞环概念Fig3.1通用滞环模型和传递函数图3.1通用滞环模型输入为x，输出为y。输出y有两种状态：-1和13Fig3.1通用滞环模型和传递函数滞环用于描述一个非奇异过渡过程。若输出状态，则当满足条件时，输出变为；反之，若输出状态，则当满足条件时，输出变为变量用来定义过程中表现出的滞环程度1y2/x1y1y2/x1y第3章广义负载的电流控制4结合2.2节中的半桥变换器，通过增加一个电流控制器模块和一个电流检测器，则该变换器结构可适用于滞环电流控制，如图3.2所示第3章广义负载的电流控制5Fig3.3滞环电流控制器的通用结构根据通用表示，可以得到滞环电流控制器的一个实现例程如图3.3所示该模块结构包括两个比较器：比较器A和比较器B比较器A为标准滞环比较器，双极性输出。其输出通过一个增益模块反馈到输入。因此，其输出状态由决定。比较器B用于产生两个开关的逻辑信号。其中对应于一个闭合的上开关和关断的下开关(见图3.2)。反之，对应于闭合的下开关和关断的上开关。12/i2/*iiiwS1wSwtSwbS0wS控制器的基本动作是保持负载电流位于限幅值之间，其中和为用户自定义参数2/*iii*i第3章广义负载的电流控制6Fig3.4单相滞环电流控制示例仿真结果该电流控制器产生的典型波形如图3.4所示图3.4(a)中可清楚看到负载电流（蓝色）波形和参考电流（绿色）波形，证明控制器具有保持电流在一定滞环带宽内的能力第3章广义负载的电流控制图3.4(b)给出了负载电压和假设感应电动势ue的波形图(c)和(d)可看到对应的细节7Fig3.5单相滞环电流控制示例仿真结果基于模型的控制是指假设负载（此处指电机）特性已知的控制方法。如图3.5所示3.1.2基于模型的电流控制图中控制器的基本任务是在采样间隔初始点tk处计算所需的采样电压，该电压用于使得电流误差在采样间隔结束处为零83.1.2基于模型的电流控制Fig3.6基于模型的电流控制结合图3.6讨论控制思想的本质。图中给出了采样参考电流i*(t)和变换器电流i(t)，这些电流由控制器在0,t1,t2,….时刻进行采样。在t=t1时刻，采样参考电流和变换器电流之间存在误差i*(t1)-i(t1)控制方法的目标是确定使上述电流误差快速为零而所需的平均电压参考值。由此得到条件i*(t1)=i(t2)在每个采样间隔使电流误差为零的控制目标可表示为下式93.1.2基于模型的电流控制调制器控制变换器开关的方式应满足下式的条件skkttskdttuTtU1*)(1)(3-2式中u为负载Z（由电阻R、电感L和电机的反电动势电压ue串联组成）两端的电压，可以表示eudtdiLRiu3-3)()(*ksktiTti3-110根据式3-2和3-3，参考平均电压可表示为：skkskkskkTttesTtitisTttskdttuTdiTLdttiTRtU)(1)()()()(*3-4)()()(2)()(**kekkskktutitiRTLtRitU3-5实际应用中，为了数字实现，需要对上式进行离散化。采用一阶近似法可得：3.1.2基于模型的电流控制1110*))()(()(kijijijijktititi3-6)()()(2)()()(*10**kekkskijijijijktutitiRTLtitiRtU3-7理想情况下（每次采样电流误差为零时），电流i(t3)可表示为，该误差之和可表示为：)0())()(())()(()(*11*22*3itititititi其中t0=0,i(0)=0。由式3-5和3-6可得3.1.2基于模型的电流控制12对应于式3-7的通用结构如图3.7所示，包括一个PI控制器和扰动解耦项ue(tk)的形式：3.1.2基于模型的电流控制13在本例中，离散控制器中的比例系数Kp和积分Ki形定义为：3.1.2基于模型的电流控制2RTLKsp3-8asiTRK3-8b实际应用中，当达到系统极限时，比例积分控制器容易产生积分饱和对于本例来讲，当比例积分控制器的参考平均电压超过变换器的最大值时会发生积分饱和。此时，在控制器输入端会产生电流误差，由此造成积分器的输出斜率进一步增大或减小14图3.8给出了一个基于模型的电流控制仿真结果示例3.1.2基于模型的电流控制153.1.3基于增强模型的电流控制上节中，在比例积分控制器中增加扰动解耦项ue，并采用基于模型的控制方法来推导其增益。下图给出一种基于负载离散模型的改进方法，称为基于增强模型的控制方法该模型输入为采样参考电流i*和负载电压ue，输出为平均参考电压)(*kMtU)()()(2)()(****kekkskkMtutitiRTLtRitU3-916对于电压源变换器，通常依靠空间矢量来扩展到三相电流控制。该方法是建立在三相电流之和为零的基础上，此时控制电流的自由度降为2。图中的负载电压矢量为，磁通矢量为，在恒定矢量转速下，磁通矢量的幅值为3.2三相负载的电流控制Fig3.10三相电流控制的同步参考坐标系eueeeeu/dq坐标系中的直轴（d轴）上为磁通矢量，与静止参考坐标系的α轴相差角度ρe。正交轴（q轴）与负载电压矢量相关，用户定义的电流参考矢量分别由d轴和q轴上的参考电流分量和表示eu*i*di*qi173.2三相负载的电流控制此时的变换器与三相广义负载相连（见图2.9）。每相负载包括电阻R、电感L和负载相电压。三相负载以空间矢量形式表示，相应的负载电流可由端电压方程求得，其空间矢量形式为:)3,2,1(iuie在讨论常用电流控制策略之前，先考虑电流控制过程的基本原理。分析时先从给出的8个可能的变换器电压矢量的图2.15开始，这可由三相电压源变换器实现。},,{cwbwawSSSu183.2三相负载的电流控制eSuiRdtidLucwbwaw}{,,3-10上式的一阶近似形式为eSSuuLTucwbwawcwbwaw}{}{,,,,3-11式中，为的有效时间间隔。T},,{cwbwawSSSu式3-11表明具有瞬时电流矢量的方向和幅值在时间间隔内电流矢量变化（）可能性的离散集合。Tiii193.2三相负载的电流控制对于该类型的控制，所需的电流控制模块如图3.12所示。其中以测量电流矢量、参考电流矢量和负载电压矢量为输入。eui*i3.2.1三相滞环电流控制负载模块由星形连接的三相负载组成（电阻电感网络和负载电压ue表示）控制单元输出3个变换器开关信号Swa、Swb和Swc203.2三相负载的电流控制上述变换器开关信号实际上是用于确定电压矢量及其所需的有效时间，从而使得测量电流矢量和参考电流矢量之间的误差最小。},,{cwbwawSSSuT目前已有多种滞环电流控制算法，这里采用的方法是方框法，其控制思想的通用表示如图3.13所示该方法是利用同步参考坐标下的电流误差矢量(见图3.14)i213.2三相负载的电流控制将测量电流矢量经坐标转换到同步参考坐标系，该坐标系的方向是在负载电压矢量和坐标转换模块下实现的。ieu坐标转换模块用于确定与静止参考坐标系的瞬时角度。同步坐标系控制器的虚轴与电压矢量对准，因此在通用模块中具有移相角-π/2，以达到同步参考坐标系中直轴所需的参考角度eeu223.2三相负载的电流控制i图3.13中的方框规则模块用于产生所需变换器矢量（即所需的变换器开关状态Swa、Swb和Swc），这是在分别定义和的直轴电流误差和正交电流误差的基础上。},,{cwbwawSSSu*ddii*qqii图3.14给出了8个变换器电压矢量以及任意选择的电压矢量，该电压矢量又与磁通矢量相关与电流参考矢量相关的是一个包含编号1~4的矩形区域，这些边表示瞬时测量电流矢量由控制器决定的边界。eue233.2三相负载的电流控制图3.14矩形方框的坐标相对于同步参考系，可见方框中的直轴和正交轴d轴和q轴分别与矢量和的方向一致。方框法的重要性在于考虑了电流误差矢量的矢量端点相对于在方框中的位置，其大小由变量决定。euei*i243.2三相负载的电流控制如果电流误差矢量端点位于方框内，则控制器没有作用。如果端点达到或超过方框4个边界之一，则控制器有相应动作，即eu①边界1：检查当前有效矢量是否滞后于矢量。如果滞后，按逆时针选择下一个有效矢量。例如，若矢量为当前有效矢量，当误差矢量端点达到边界1时，控制器将切换到矢量②边界2：检查当前有效矢量，并切换到最邻近（切换次数最少）零矢量。例如，若矢量为有效矢量，当误差矢量端点达到边界2时，控制器将切换到零矢量③边界3：检查当前有效矢量是否超前于矢量。如果超前，按顺时针选择下一个有效矢量。例如，若矢量为活动矢量，当误差矢量端点达到边界3时，控制器将切换到矢量},,{cwbwawSSSu}010{u}011{u},,{cwbwawSSSu}010{u}000{u},,{cwbwawSSSueu}011{u}010{u253.2三相负载的电流控制④边界4：检查当前有效矢量是否是最后一个有效矢量，并重新激活该矢量。例如，若矢量在切换为零矢量之前为有效矢量，当误差矢量端点达到边界4时，则控制器将切换到矢量},,{cwbwawSSSu}010{u}010{u}000{uii方框规则的目的可理解为当选择一个有效矢量或零变换器矢量时，所产生的电流轨迹。由图3.11可知，增量电流矢量与矢量成正比，这意味着采用有效矢量（见图3.14）将会导致电流矢量朝边界1运动。当到达边界1，电流方向必须改变，若，则有效变换器矢量为。这就是方框边界规则1所产生的准确动作。对于该规则，只要当前有效变换器矢量存在滞后，就会发生动作。原因在于滞后矢量能产生一个朝向边界1的增量电流矢量方向。},,{cwbwawSSSu{,,}()aaaSSSeuu}010{u0e{011}u3.3.3节中的实例教程展示了该电流控制方法。一个仿真结果如图3.15所示。263.2三相负载的电流控制*ieu在该例中，直轴和正交参考电流分别设为，，而误差参考值设为4.4A。因此，参考电流矢量与电压矢量方向一致。设电压矢量的幅值恒定，并以3000r/min的转速旋转。图3.15给出了工作周期为20ms内的电流轨迹和参考电流轨迹（红线）。由图3.15可知电流控制器可保持电流位于方框内。()it*0diA*i*15qiAeu*()it在数字实现中，误差矢量可超过方框限制，因为在每次采样过程中，轨迹只变化一次。另外，测量电流轨迹由一组具有特定方向的子轨迹形式（见图3.11）。对于同步参考系下的本实例（图3.14中的方框），可以考虑电流误差矢量。图3.16给出了工作周期为20ms的电流误差矢量轨迹（绿线），273.2三相负载的电流控制i同时给出了该轨迹的某一段（红线），并用数字标注以表明控制器的动作顺序283.2三相负载的电流控制误差参考值为4.4A，决定了方框的大小。测量电流轨迹保持在方框内，控制动作与前述的方框规则一致。尽管如此，还需研究标号轨迹的某些细节。在电流轨迹的过程1中，选择一个有效矢量使得误差矢量达到上边框（见图3.14中的边界2）。当达到该边框时，激活零矢量，进入电流轨迹过程2。*ii达到下边框（图3.14中的边界4），控制器向后切换到上一个有效矢量，即