電壓型PWM整流器三狀態(tài)直接功率控制策略

韓愚拙 林明耀 郝 立 駱 皓,3

（1. 東南大學(xué)伺服控制技術(shù)教育部工程研究中心 南京 210096 2. 蘇州工業(yè)園區(qū)設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 蘇州 215021 3. 國電南京自動化股份有限公司 南京 210003）

1 引言

隨著電力電子技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，以脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)為基礎(chǔ)的各種變流裝置在工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1]。PWM整流器具有網(wǎng)側(cè)電流正弦、單位功率因數(shù)和方便實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動等優(yōu)點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了電能的“綠色變換”。以正弦波電流為目標(biāo)的各種控制結(jié)構(gòu)和控制算法也被提出。20世紀(jì)90年代初，Tokuo Ohnishi提出一種將瞬時有功功率、無功功率概念用于PWM變換器的控制策略[2]，隨后Toshihiko Noguchi等學(xué)者進(jìn)行了研究并取得了進(jìn)展，提出了直接功率控制（DPC）策略[3]。該方法具有算法結(jié)構(gòu)簡單、功率因數(shù)高、THD低和良好的動態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的DPC策略采用功率內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，將給定與實(shí)際的有功、無功功率相比較，通過查詢開關(guān)表選擇電壓矢量，來控制 PWM整流器的開關(guān)狀態(tài)。由于引入大量零矢量，受到使用一個開關(guān)表同時調(diào)節(jié)有功和無功解耦能力的限制，導(dǎo)致傳統(tǒng) DPC策略的網(wǎng)側(cè)電流仍然具有較高的諧波含量，且在每個周期內(nèi)存在一段時間的無功失控區(qū)域。為了改善 DPC策略的性能，許多學(xué)者進(jìn)行了研究，提出了各種改進(jìn)算法和雙開關(guān)表結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[6-8]采用無交流電壓傳感器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的魯棒性，但沒有改進(jìn)DPC策略的核心開關(guān)表；文獻(xiàn)[9]提出了雙開關(guān)表結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的動態(tài)特性，但所采用的雙開關(guān)表結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)是單獨(dú)控制有功功率和無功功率，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能欠佳。本文在分析DPC系統(tǒng)的各種改進(jìn)方案基礎(chǔ)上，基于雙開關(guān)表結(jié)構(gòu)的思想，提出了一種新型三狀態(tài) DPC策略。該策略通過增加一個標(biāo)示有功功率、無功功率狀態(tài)的變量來細(xì)分開關(guān)表，優(yōu)化了對有功和無功功率的控制，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該算法具有良好的動靜態(tài)特性。

2 PWM整流器模型和瞬時功率理論

2.1 PWM整流器數(shù)學(xué)模型

三相電壓型PWM整流器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，Ua、Ub、Uc為對稱三相電源電壓；ia、ib、ic為流入整流器的三相電流；R、L分別為濾波電抗器的電阻和電感；Ura、Urb、Urc為輸入整流器的三相離散電壓信號；C為濾波電容；RL為負(fù)載電阻；Udc為直流側(cè)電壓；iL為負(fù)載電流；Si(i=a、b、c)為表征開關(guān)器件狀態(tài)的函數(shù)，可以表示為

圖1 PWM整流器主電路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Main curcuit configuration of PWM rectifier

2.2 瞬時功率計(jì)算

定義三相電壓和電流的瞬時值分別為ua、ub、uc和ia、ib、ic，電壓和電流分別構(gòu)成旋轉(zhuǎn)電壓矢量u和旋轉(zhuǎn)電流矢量i，兩個矢量之間的夾角為θ。定義電流矢量i投影在電壓矢量u上的分量為有功分量ip，投影在u法線方向上的分量為無功分量iq。

根據(jù)上述定義和計(jì)算，在DPC系統(tǒng)中對電壓和電流采樣，實(shí)時計(jì)算 PWM整流器上傳遞的有功和無功功率，為DPC策略的實(shí)現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)。

3 三狀態(tài)直接功率控制原理

3.1 三狀態(tài)直接功率控制的實(shí)現(xiàn)

結(jié)合三相PWM整流器數(shù)學(xué)模型搭建如圖2所示的控制系統(tǒng)。在交流側(cè)，采用霍爾傳感器采集兩相電壓和電流信號，實(shí)時計(jì)算輸入整流器的有功功率P和無功功率Q。通過三相電壓信號的正負(fù)和相互之間的大小關(guān)系判斷空間電壓矢量所處的扇區(qū)號Sr(r=0～12)，如圖3所示。

圖2 三狀態(tài)DPC系統(tǒng)框圖Fig.2 Block scheme of triple-sate DPC system

圖3 空間矢量扇區(qū)劃分方法Fig.3 Space vector sector selection

式中，Hp和Hq分別為有功、無功功率偏移給定值的限幅寬度。

將Sp和Sq以及Sr信號送入開關(guān)表，得到PWM整流器的開關(guān)信號。

3.2 三狀態(tài)直接功率控制開關(guān)表的構(gòu)成

根據(jù)上面的分析可知，三狀態(tài)DPC系統(tǒng)的核心在于開關(guān)表的構(gòu)建，將式（4）兩邊積分并忽略電阻的影響得

因此，構(gòu)建開關(guān)表的關(guān)鍵是選擇合適的電壓矢量Ur，由其調(diào)節(jié)電流矢量逼近給定值。Ur的選擇可以根據(jù) PWM 整流器開關(guān)信號Sa、Sb、Sc的取值，SaSbSc=000～111對應(yīng)于Ur(r=0～7)，即U0(000)，U1(100)，U2(110)，U3(010)，U4(011)，U5(001)，U6(101)，U7(111)，其中U0和U7為零矢量，電壓電流矢量和扇區(qū)編號的空間矢量圖如圖4所示。

在圖4中，設(shè)電壓矢量U在S1扇區(qū)。為了實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，給定電流矢量I與U同相位，其幅值取決于有功功率給定Pref。根據(jù)上一節(jié)對Sp、Sq的三狀態(tài)定義，將實(shí)際電流矢量所處的位置劃分為圖4所示的9個區(qū)域。如果實(shí)際的電流矢量處于最中間的區(qū)域(Sp=Sq=0)，說明有功和無功都較好的跟隨了給定，無需進(jìn)行調(diào)節(jié)。現(xiàn)取I1和I2所處的位置分析Ur選取的原則。I1代表Sp和Sq中有一個為零，這時只需調(diào)節(jié)功率狀態(tài)變量不為零的量，I1(Sp=1，Sq=0)表示需要調(diào)節(jié)的是有功功率。根據(jù)式（9）和圖 4可知，選擇U4能使I1沿著U-U4的方向逼近I，且在這一過程中對無功功率影響很小。I2(Sp= -1，Sq= -1)所處的位置代表Sp和Sq都不為零的情況，此時需要同時調(diào)節(jié)有功和無功功率。選擇U1使I2沿著U-U1方向逼近I，使I2的有功和無功分量都得到了有效調(diào)節(jié)。因此，開關(guān)表在Sp=1，Sq=0，Sr=1的位置上選擇U4(011)，而在Sp= -1，Sq= -1，Sr=1的位置上選擇U1(100)。

圖4 三狀態(tài)DPC空間矢量圖Fig.4 Space vector diagram of triple-state DPC

按照上述選擇Ur的思路，得到三狀態(tài)DPC策略開關(guān)表見下表。

表 三狀態(tài)DPC控制策略開關(guān)表Tab. Switch table of the triple-state DPC strategy

4 三狀態(tài)直接功率控制策略仿真與實(shí)驗(yàn)

4.1 仿真結(jié)果與分析

按圖3所示結(jié)構(gòu)，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建仿真模型，系統(tǒng)參數(shù)如下：負(fù)載電阻初始值為RL=22Ω，由5個110 Ω電阻并聯(lián)得到，負(fù)載突變后切去兩個電阻，RL′=110/3Ω；濾波電感L=7mH；濾波電容C=3 000μF；電流內(nèi)環(huán) PI調(diào)節(jié)器比例常數(shù)Kp=0.8，積分常數(shù)Ki=0.2；Hp=4W；Hq=4var。仿真結(jié)果如圖5所示。由圖可知，網(wǎng)側(cè)A相電流波形接近正弦。圖5a所示為BC相線電壓與A相電流，A相電流超前BC相線電壓90°。整流器輸入的有功和無功功率實(shí)現(xiàn)了解耦，無功功率基本為零，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)控制，直流側(cè)電壓穩(wěn)定，負(fù)載突變后系統(tǒng)能夠迅速跟隨，電壓電流超調(diào)較小，減小了對電網(wǎng)和直流側(cè)電容的沖擊。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照圖3和前表所示的結(jié)構(gòu)和參數(shù)搭建實(shí)驗(yàn)平臺，選用功率MOSFET IRF360構(gòu)成三相PWM整流器主電路，主控制器采用TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320F2812，系統(tǒng)其余參數(shù)與仿真參數(shù)一致。三狀態(tài)DPC策略實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示，與圖5的仿真結(jié)果相吻合，證明了控制策略的可行性和有效性。所研究系統(tǒng)采用三相三線制隔離變壓器，圖6a給出了A相電流和BC相線電壓的波形，電流相位超前電壓 90°，從圖中可以清晰地看出電流的過零點(diǎn)與電壓的峰值相對應(yīng)，說明系統(tǒng)運(yùn)行在單位功率因數(shù)。圖 6b給出了負(fù)載突變瞬間A相電流的動態(tài)響應(yīng)，由圖可知電流響應(yīng)迅速，過渡平穩(wěn)，幾乎沒有超調(diào)。直流母線電壓負(fù)載抗擾動波形如圖6d所示，負(fù)載突變時電壓環(huán)跟蹤及時，超調(diào)量小。

圖5 仿真波形Fig.5 Simulation results

圖6 三狀態(tài)DPC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Experimental results of triple-state DPC system

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)DPC系統(tǒng)有功功率、無功功率控制解耦不充分的問題，本文提出了一種新的功率狀態(tài)變量定義方式，以此為基礎(chǔ)給出了三狀態(tài)DPC控制策略，構(gòu)建了三狀態(tài)DPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給出了開關(guān)表的構(gòu)成方法。所建立的DPC控制系統(tǒng)既能在穩(wěn)態(tài)時同時調(diào)節(jié)有功功率和無功功率，又能跟蹤功率給定實(shí)現(xiàn)有功、無功功率的解耦控制。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文提出的DPC策略，網(wǎng)側(cè)電流正弦，有功、無功功率解耦清晰，無功功率基本為零， PWM 整流器實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)運(yùn)行，系統(tǒng)的動靜態(tài)特性好。與傳統(tǒng)DPC策略相比，改進(jìn)后的三狀態(tài)直接功率控制策略網(wǎng)側(cè)電流諧波、功率紋波和直流母線電壓紋波顯著減小。

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