现代电力传动理论与技术——第三讲

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
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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 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1
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Fig3.1 通用滞环模型和传递函数
wa
,S
wb
,S
} wc
（即所需的变
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 ue ，该电 压矢量又与磁通矢量 e 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 i 由控制器决定
的边界。
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3.2 三相负载的电流控制
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
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3.1.2 基于模型的电流控制
图3.8给出了一个基于模型的电流控制仿真结果示例
电压ue表示）
控制单元输出3个 变换器开关信号Swa、 Swb和Swc
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3.2 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 u{S
目前已有多种滞环
wa
,S
wb
,S
} wc
及其所需的有效
时间 T ，从而使得测量电流矢量和参考电流矢量之间的误差最小。
电流控制算法，这里
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 e

和 ue 的方向一致。
方框法的重要性在于考 虑了电流误差矢量 i 的矢 量端点相对于在方框中的 位置，其大小由变量 i * 决定。
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3.2 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 u ① 边界1：检查当前有效矢量 u{S , S , S } 是否滞后于矢量 e。如果滞后，按 wa wb wc 逆时针选择下一个有效矢量。例如，若矢量u{010} 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 u{011} ② 边界2：检查当前有效矢量u{S a , S b , S c } ，并切换到最邻近（切换次数最少 w w w ）零矢量。例如，若矢量 u{010} 为有效矢量，当误差矢量端点达到边界2时， u{000} 控制器将切换到零矢量 u ③ 边界3：检查当前有效矢量 {S wa , S wb , S wc } 是否超前于矢量 ue。如果超前，按 顺时针选择下一个有效矢量。例如，若矢量 u{011} 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 u{010}
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
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Fig3.6 基于模型的电流控制
3.1.2 基于模型的电流控制
i (t k Ts ) i * (t k )
调制器控制变换器开关的方式应满足下式的条件


3-7
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3.1.2 基于模型的电流控制
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：
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3.1.2 基于模型的电流控制
在本例中，离散控制器中的比例系数Kp 和积分Ki形定义为：
L R Kp Ts 2
3-8a 3-8b
R Ki Ts
持电流在一定滞环
带宽内的能力
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
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Fig3.4 单相滞环电流控制示例仿真结果
3.1.2 基于模型的 电流控制
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 图中控制器的基 本任务是在采样间
3-1
1 U (t k ) Ts
*

t k 1s
tk
u (t )dt
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
di u Ri L ue dt
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3-3
3.1.2 基于模型的电流控制
根据式3-2和3-3，参考平均电压可表示为：
R U (t k ) Ts
比较器A为标准滞环比较器，双极性输出 1 。其输出通过一个 i / 2
* 增益模块反馈到输入。因此，其输出状态由 i i i / 2 决定。
比较器B用于产生两个开关的逻辑信号 S w 。其中S w 1 对应于一个闭合的
S w 0 对应于闭合的下开关 上开关 S wt 和关断的下开关 S wb (见图3.2)。反之，
i (t k )
* ( i (tij ) i(tij ))
3-6
其中t0=0, i(0)=0。由式3-5和3-6可得
U * (t k ) R
ij k 1 ij 0
i (t
*
ij
) i (tij )

L R * T 2 i (t k ) i (t k ) ue (t k ) s
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
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3.2 三相负载的电流控制
u 图3.13中的方框规则模块用于产生所需变换器矢量 {S
误差和正交电流误差的基础上。
* * 换器开关状态 Swa、 Swb和Swc ），这是在分别定义id id 和 iq iq 的直轴电流
*


3-5
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3.1.2 基于模型的电流控制
理想情况下（每次采样电流误差为零时），电流i(t3)可表示为
i (t3 ) (i * (t 2 ) i (t 2 )) (i * (t1 ) i (t1 )) i * (0)
ij k 1 ij 0
，该误差之和可表示为 ：
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3.2 三相负载的电流控制
④ 边界4：检查当前有效矢量 u{S wa , S wb , S wc } 是否是最后一个有效矢量 ，并重 u u 新激活该矢量。例如，若矢量 {010} 在切换为零矢量 {000} 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 u{010} u 方框规则的目的可理解为当选择一个有效矢量 {S wa , S wb , S wc } 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 i 与矢量 (u{S a , S a , S a } ue ) 成正比，这意味着 采用有效矢量 u{010 （见图 3.14 ）将会导致电流矢量 i 朝边界1运动。 }
（ i i i ）可能性的离散集合。
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3.2 三相负载的电流控制
3.2.1 三相滞环电流控制
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 * u 量 i 、参考电流矢量 i 和负载电压矢量 e 为输入。
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
w w w
电压源变换器实现。
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 i 载相电压 ue (i 1,2,3)。 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:
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3.2 三相负载的电流控制
u{S
} wa ,wb ,wc
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3.1.3 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
* (t k ) 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 U M
L R * * * UM (t k ) Ri * (t k ) i ( t ) i (t k ) ue (t k ) k T s 2
第3章 广义负载的电流控制
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
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第3章 广义负载的电流控制
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


3-9
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3.2 三相负载的电流控制
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 ue ，磁通矢量为 e ，在恒定矢量转速 e 下，磁通 矢量的幅值为 ue / e 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 ue 相关，用户定义的电 * 流参考矢量 i 分别由d轴和q * * 轴上的参考电流分量 id 和 iq 表示
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Fig3.10 三相电流控制的同步参考坐标系
3.2 三相负载的电流控制
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 u{S a , S b , S c } 的图2.15开始，这可由三相