1、SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.37 Supplement 1 2015 总第 37 卷， 2015 年增刊 1 1 电压型 PWM 整流器桥臂侧功率平衡 的 控制策略 万 鹏 ，章建峰 ，鲍陈磊 （中国船舶重工集团 第 704 研究所 ， 上海 200031） 摘 要： 分析 了 不平衡电网电压条件下三相电压型 PWM 整流器 的 控制 策略 ，研究了基于功率平衡的控制策略 ，以消除直流电压二次谐波 。 船舶 电网不平衡时，线路阻抗的功率不平衡，当电网不平衡功率完全被线路阻抗吸收时，整流器桥侧的功率则恒定平衡， 这 给消除直流电压 二次谐波 带来便利 。 最后进行了
2、仿真及原理样机验证， 试验结果与理论分析一致。 关键词： PWM 整流器 ； 不平衡电网 ； 功率平衡 中图分类号： TM743 文献标志码： A 【 DOI】 10.13788/ki.cbgc.2015.S1.001 The Control Strategy of Power Balance at the Arm Side for Voltage Source PWM Rectifier WAN Peng, ZHANG Jian-feng, BAO Chen-lei (Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031,
3、 China) Abstract: The control strategy in unbalanced power grid for three-phase voltage 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 unbalan
4、ced when the power grid is unbalanced. And the power at the arm side for PWM rectifier 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 s
5、imulation and the test of prototype are implemented, and the experimental results agree with theoretic analyses. Key words: PWM rectifier; unbalanced power grid; power balance 0 引言 整流器广泛应用于船舶电力电子变流装置中 ，为变频传动、不间断电源和功率因数 校 正等装置提供稳定可靠的直流电压 1。传统的整流装置有二极管整流器和晶闸管相控整流器， 这些整流器工作时网侧交流电流含有大量谐波电流将在线路阻抗上产生谐波电压，
6、造成电网电压波形畸变，从而会影响其他并联在电网中的负载正常工作 2。 当 船舶 电网电压不平衡时，电网负序电压分量在PWM 整流器的交流侧产生幅值较大的负序电流分量，负序电网电动势和负序交流电流共同作用，使得三相 PWM 整流器将从电网吸收不平衡的瞬时功率，导致直流侧电压波动。 1999 年 Hong-seok Song 和Kwanghee Nam3提出了三相不平衡条件下双 dq 旋转坐标系下对正负序电流独立控制策略，该方案采用网侧输入功率平衡求取正负序电流控制指令，保证了整流器从网侧吸收平衡的瞬时功率，直流母线电压的二次脉动也要小得多，接着 Hong-seok Song 在文献 1的基础上，
7、考虑三相不平衡条件下整流器交流侧滤波电感上压降的不对称性，指出虽然网侧输入瞬时功率平衡，但实际输入整流器直流侧的瞬时功率仍为不平衡，这样就不能完全消除直流侧母线电压的二次谐波，因此提出 了 基于整流器桥臂侧功 率平衡的电流控制策略 4，从而完全消除了直流电压的二次谐波，但其获取电流指令算法过于复杂，在线运算工作量巨大。为此，本文在其基础上简化了电流控制指令求取算法，基于整流器桥臂侧功率平衡实现直流电压恒定和功率因数可调。 1 不平衡电网条件下 电流指令求取 收稿日期： 2015-05-16； 修回日期： 2015-05-21 作者简介： 万鹏 （ 1988-） ，男，硕士研究生 。 研究方向
8、： 电力电子 PWM 整流技术。 船舶 电气、导航与自动化控制 2 三相电压型 PWM 整流器 的 最终控制目标是对整流器输入的有功功率和无功功率 进行 控制。对整流器功率控制转换 成了有功电流和无功电流的独立控制。因此，首先要对不平衡电网条件下瞬时功率进行计算，再根据瞬时有功和无功功率与电流正负序分量的关系确定不同控制策略下电流控制指令。 假设整流桥侧的瞬时有功、无功功率分别为PT(t)、 QT(t)，整流器桥臂中点与负母线间的相电压分别为 Ua、 Ub、 Uc。在两相静止坐标系 中，整流桥侧电压矢量复 U 可以写成 dq 旋转坐标系下正、负序复矢量 PdqU 、 NdqU 线性叠加的形式：
9、 j t P j t Nd q d qU e U e U （ 1） 根据瞬时功率定义方法 5，可以写出不平衡条件下整流桥侧瞬时功率表达式： 22( ) c o s ( 2 ) s i n ( 2 )( ) c o s ( 2 ) s i n ( 2 )T T T c T sT T T c T sP t P P t P tQ t Q Q t Q t （ 2） 式中 ， TP 、 TQ 分别为整流桥侧有功功率平均值、无功功率平均值； PTc2、 PTs 2 分别为整流桥侧 2 次余弦、正弦项有功功率幅值； QTc 2、 QTs 2 分别为整流桥侧 2 次余弦、正弦项无功功率幅值。 为了 控制整流器
10、的输入功率因数为 1，基于整流桥 侧 功 率 平 衡 控 制 策 略 时 ， 控 制*22 000T TT T T c T s TP Q P P P ， 把各个功率系数写成矩阵的形式可以得到： *2*20 3200PP P N NdT d q d qTPP P N Nqq d q dTN N P P Nq d q d dTcN N P P Nd q d qTs qIP U U U UPIU U U UQU U U U IPU U U UP I （ 3） 其中， *TP 为整流桥侧平均有功功率，其值为电压外环调节器的输出与电压给定值的乘积，通过式（ 4）进一步可以求得电流控制指令为： 1 *20
11、233 00P P P N N Pd d q d q dTP P P N N Pq q d q d qTN N P P NNq d q d qdN N P P NNd q d q dqI U U U U UPI U U U U UPU U U U D UIU U U U UI （ 4） 式中， 2 2 2 222( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )P P N Nd q d qPND U U U UUU 。 设正序电压、电流矢量为 UP、 iP*，负序电压、电流 UN、 iN*， 则 ： *PPNNPNPNi kUi kUiikUU（ 5） 式中 ， *2 /3Tk P D 。 由式（
12、5）即可以计算出正负序电流控制指令，然而整流器侧的各相桥臂中点电压含有大量开关噪声谐波较大，难于采样。而不平衡整流器控制系统由于采用双 dq 坐标系的电流控制，必须用到三相网侧输入电压进行锁相以及前馈补偿，所以可以用网侧输入电压来代替式 式 （ 5）中 的整流器桥臂中点电压，经计算最后给出正负序 dq 轴电流指令值如下： *2212121*221c ossi nc ossi nP P P P Pd i d qP P P P Pq i q dN N N N Nd i d qN N N N Nq i q di i k E k L Ei i k E k L Ei i k E k L Ei i k E
13、 k L E （ 6） 结合式（ 5）与式（ 6）可 以 知道 k1与 k2 的关系： 2 2 2 2 2 2121 1 4 / 2k L k L （ 7） 求取了各电流指令，可以得到基于整流桥侧功率平衡控制策略系统框图如图 1 所示。 图 1 不平衡电网条件下基于整流桥侧功率平衡控制框图 PI*dcudcuLLPIP*sduP*squPqiPdiPqiNdEPdE*Pdiaibiciae be ce*0PSVPWMCRLLLsRsRsR*dci 乘法PILLPIN*sduN*squN*qiNdiNqiNqEN*diPIdqdqPdqNdqII检测PdIPqINdINqIaibiciabebc
14、eabebceEEPdqNdq检测PEdPEqNEdNEqPEqPuNuu+T-T式 （ 6 - 33 ） 电流控制指令* * N*PPdqdiii、 、 、N*qi 计算万鹏 等， 电压型 PWM 整流器桥臂侧功率平衡 的 控制策略 3 2 仿真 验证 图 2 为基于整流桥侧功率平衡控制策略仿真波形。图 2(a)说明了基于功率平衡控制时，为了消除直流侧直流电压二次谐波分量，网侧电流必然为不平衡。图 2(b)给出了输入瞬时功率与输出功率波形，从图中可以看出，功率平衡控制时目标是维持桥侧有功功率平衡，从而保证输出有功功率恒定平衡，从图中可以看出其网侧瞬时有功功率脉动较大，但输出有功功率几乎没有脉
15、动，如图 (c)所示，从而控制了直流母线电压的二次谐波电压被完全消除。从 图 (d)可以看出直流电压几乎不含有二次谐波 。 3 样机实验验证 电网不平衡条件下三相 PWM 整流器控制研究的实验验证是在一台 1.6kW 原理样机上完成的。图 3 为不 平衡条件下基于整流桥臂侧功率平衡控制的整流器相关波形。 由图 3(a)可知，基于整流桥侧功率平衡控制基本完全消除了直流电压中的二次谐波 ， 说明所提出的控制策略符合理论分析。同时 3(b)给出了基于整流桥侧功率平衡控制的 A 相电压与 A 相电流波形，可见输出功率仅含有较小的无功功率，系统可近似认为工作在单位功率因数下。 图 2 不平衡条件下 基于
16、整流桥侧 功率平衡控制策略仿真波形 图 3 不平衡条件下 PWM 整流器控制系统实验波形 4 结论 本 文 分析了 抑制直流侧 电压二次谐波分量的功率平衡控制策略 。 船舶 电网不平衡时，线路阻抗的功率不平衡，当电网不平衡功率完全被线路阻抗吸收时，整 流器桥侧的功率则恒定平衡，对消除直流电压的二次谐波电压更加有利， 仿真和实验结果表明基于整流桥臂侧功率平衡控制策略基本 能 完全消除直流电压的二次脉动。 参考文献 ： 1 赵振波 , 许伯强 , 李和明 . 高功率因数 PWM 整流器综述 J. 华北电力大学学报 , 2002, 29(4): 508-515. 2 张崇巍 , 张兴 . PWM 整
17、流器及其控制 M. 北京 : 机械工业出版社 , 2012. 0 ia、 ib、 ic:5A/div Time:10ms/div P(t):500W/div Q(t):500Var/div Time:50ms/div 0 (a) 网侧输入电流 (b) 网侧输入瞬时有功、无功功率 345 350 355 udc:1V/div Time:20ms/div 1580 1590 1600 Pdc:2W/div Time:50ms/div (c) 直流侧功率 (d) 直流母线电压 0 Time:10ms/div ia、 ib、 ic:10A/div udc:100V/div 0 ea:100V/div
18、ia:10A/div Time:10ms/div (a) 三相网侧电流与直流电压 (b) A 相电压与 A相电流 船舶 电气、导航与自动化控制 4 3 Hong-seok song, Kwanghee Nam. Dual Current Control Scheme for PWM Converter under Unbalanced Input Voltage Conditions J. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1999, 46(5): 953-959. 4 Yongsug Suh, Tijeras, V., Lipo, T.
19、A. A Nonlinear Control of the Instantaneous Power in dq Synchronous Frame for PWM AC/DC Converter under Generalized Unbalanced Operating Conditions C/ Proc. Industry Applications Conference, 2002. 5 Akagi Hirofumi, Edson Hirokazu Watanabe, Mauricio Aredes.瞬时功率理论及其在电力调节中的应用 M. 徐政 , 译 . 北京 : 机械工业出版社 , 2009.
