三電平PWM整流器定頻直接功率控制的研究

張 豪，邵國慶

（中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院，徐州 221116）

三電平PWM整流器定頻直接功率控制的研究

張 豪，邵國慶

（中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院，徐州 221116）

以三電平電壓型 PWM 整流器的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合瞬時功率理論，本文提出了一種基于空間電壓矢量脈寬調(diào)制的三電平 PWM 整流器定頻直接功率控制策略。其控制結(jié)構(gòu)是由電壓外環(huán)、功率內(nèi)環(huán)組成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面采用功率前饋解耦控制，實現(xiàn)了動態(tài)過程中有功功率和無功功率的解耦直接控制；另一方面采用空間電壓矢量調(diào)制，固定了開關(guān)頻率，從而簡化了濾波器的設(shè)計。仿真結(jié)果表明：該控制策略實現(xiàn)了單位功率因數(shù)運行、中點電位平衡、電流諧波小的良好動、靜態(tài)性能。

三電平；PWM整流器；瞬時功率；直接功率控制；固定開關(guān)頻率；前饋解耦

前言

傳統(tǒng)的不控整流器（二極管整流）或相控整流器（晶閘管整流）存在諸多問題，如能量不能雙向流動、深控時網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低、網(wǎng)側(cè)諧波電流對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波“污染”、閉環(huán)控制時動態(tài)響應(yīng)相對較慢等，這些問題在高壓大容量場合尤為突出。因此，在諸如高壓直流輸電、有源電力濾波、電氣傳動、新型UPS以及太陽能、風(fēng)能等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電等領(lǐng)域，PWM整流器必然會得到越來越多的應(yīng)用。與此同時，應(yīng)用三電平技術(shù)的 PWM 整流器會產(chǎn)生許多獨特的優(yōu)勢，如網(wǎng)側(cè)電流諧波畸變率低、開關(guān)頻率低、器件承壓低、輸出du/dt小等。因此，三電平PWM整流器在高壓、大功率領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

目前，有關(guān) PWM 整流的研究大多是基于兩電平拓?fù)洌涓咝阅艿目刂撇呗杂袃煞N：電壓定向控制（Voltage Oriented Control, VOC）[2]和直接功率控制(Direct Power Control, DPC)[3-5]，兩者各有優(yōu)、缺點。VOC控制是通過旋轉(zhuǎn)變換將交流測電流解耦成有功分量和無功分量，從而分別構(gòu)成有功電流和無功電流的閉環(huán)控制，穩(wěn)態(tài)性能較好，但結(jié)構(gòu)和算法復(fù)雜。而傳統(tǒng)的DPC不需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，它是通過預(yù)存的開關(guān)表直接選擇合適的電壓矢量實現(xiàn)對有功和無功的bang-bang控制，它算法簡單、動態(tài)響應(yīng)快。但是也存在缺點，如開關(guān)頻率不固定、開關(guān)損耗大、需要較高的采樣頻率等。

因此，針對傳統(tǒng)的VOC和DPC中存在的不足，本文提出了一種基于空間電壓矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）的固定開關(guān)頻率的三電平PWM整流器DPC控制策略。該策略與VOC相比，不需要電流的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡化了算法。與傳統(tǒng)的DPC相比，一方面固定了開關(guān)頻率，簡化了濾波器的優(yōu)化設(shè)計；另一方面它不需要較高的采樣頻率，降低了對控制器和A/D轉(zhuǎn)化器的要求。最后通過在matlab環(huán)境下的仿真分析，證實了理論分析的正確性和控制策略的有效性。

1 三電平PWM整流器

三電平 PWM 整流器以其單位功率因數(shù)運行、能量雙向流動、輸入電流正弦度好等諸多優(yōu)點，真正實現(xiàn)了“綠色電能變換”。因此，它在高壓、大功率領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.1 三電平PWM整流器的主電路

中點箝位型三電平 PWM 整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 三電平PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中，Ua、Ub、Uc為三相電網(wǎng)電壓，Usa、Usb、Usc為整流橋交流側(cè)電壓，ia、ib、ic為三相電流，C1、C2為直流母線電容，R、L為濾波電抗器的電阻和電感，Udc為直流母線電壓，iL為負(fù)載電流；P、N、O為直流母線正端、負(fù)端和電流中點電位。

1.2 三電平PWM整流器的數(shù)學(xué)模型

結(jié)合圖1三電平PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及文獻[6]中給出的電路數(shù)學(xué)模型，可以得到三電平PWM整流器交流側(cè)d-q坐標(biāo)系下的等效電路如圖2所示。

由圖2可以得到三電平PWM整流器交流側(cè)在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型[6]式（1）：

圖2 d-q坐標(biāo)系下三電平PWM整流器交流側(cè)等效電路

2 三電平PWM整流器定頻DPC控制原理

固定開關(guān)頻率的三電平PWM整流器DPC控制采用直流電壓外環(huán)、功率內(nèi)環(huán)控制，這種控制策略的關(guān)鍵在于對瞬時有功功率和無功功率的準(zhǔn)確觀測，而瞬時功率理論為此提供了理論基礎(chǔ)。

2.1 瞬時功率理論

20世紀(jì)80年代初期，日本學(xué)者赤木泰文（Akagi H）等人提出了瞬時功率理論[7,8]，在d-q坐標(biāo)系下，瞬時有功和無功可以表示為：

其中：P — 電網(wǎng)瞬時有功功率；

q — 電網(wǎng)瞬時無功功率。顯然，通過檢測電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的瞬時值，可以通過（2）式計算出電網(wǎng)的瞬時有功功率和無功功率。

2.2 定頻DPC控制系統(tǒng)設(shè)計

在三相電壓對稱的情況下，選取 d-q坐標(biāo)系的初始電角度和a相的初始電角度相等，這時d軸與電網(wǎng)電壓矢量重合，有Uq=0，代入（2）式中可以得到：

式（1）兩端同時乘以Ud，可以得到：

令Ls=L/Ud、Rs=R/Ud，將式（3）代入式（4），整理后可得：

由式（5）可以看出：系統(tǒng)的有功功率P和無功功率q相互耦合，給控制器的設(shè)計帶來了一定的難度。由于q在穩(wěn)態(tài)時近似為0，所以可以采用一個簡化的設(shè)計思路：認(rèn)為q始終為0，從而使得有功功率與無功功率的控制相互獨立。這種方法可以得到接近滿意的穩(wěn)態(tài)效果，但是這種近似使得系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)難以得到保障。為了提高控制性能，本文采用前饋解耦控制策略，把 PI調(diào)節(jié)器作為功率內(nèi)環(huán)控制器時，由式（5）可以得到系統(tǒng)的控制方程如下:

將式（6）代入式（5），整理后可得：

顯然，由式（7）可以看出：采用前饋的控制策略實現(xiàn)了功率內(nèi)環(huán)有功功率和無功功率的解耦控制[9]，因此，根據(jù)式（6）可以得到系統(tǒng)的控制框圖如圖3所示。

圖3 三電平PWM整流器定頻DPC控制原理框圖

由圖3可以看出：三電平PWM整流器定頻DPC控制系統(tǒng)是由電壓外環(huán)、功率內(nèi)環(huán)組成的雙閉環(huán)系統(tǒng)。一方面通過對交流側(cè)三相電壓、電流信號的采樣，經(jīng)過計算后，可以得到瞬時有功功率P、無功功率q和網(wǎng)側(cè)電壓的相位信息；另一方面，通過對直流側(cè)上下母線電容電壓的采樣可以得到直流母線電壓 Udc和中點電壓信息，然后 Udc和給定參考 Udc的誤差經(jīng)過 PI調(diào)節(jié)器可以得到有功參考電流 id，它與 Udc的乘積作為有功功率的參考量P ，而無功功率為了實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，可以把其參考量 q 設(shè)為 0；然后有功功率和無功功率的參考給定值與實際值之差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器的輸出量，再加上有功功率和無功功率的前饋解耦補償項，便可得到參考電壓矢量Usd和Usq，把這兩個參考電壓矢量根據(jù)網(wǎng)側(cè)電壓的相位信號進行反旋轉(zhuǎn)變換，便可得到整流橋交流側(cè)的控制量Usα和Usβ，然后進行三電平SVPWM調(diào)制，便可以實現(xiàn)對三電平PWM整流器的定頻DPC控制。

2.3 三電平SVPWM的中點電位平衡控制

中點電位平衡問題是三電平拓?fù)湓趹?yīng)用中需要關(guān)注的問題，如不考慮中點電壓的控制，注入電網(wǎng)的電流諧波分量將顯著增加，而且電壓偏離嚴(yán)重時，可能導(dǎo)致開關(guān)器件及直流側(cè)電容承受過高電壓而損壞[10]。

在中點電位控制方面，由于大矢量和零矢量對中點電位的波動無影響，中矢量對中點電位的影響是不可控的，而正負(fù)冗余小矢量對中點電位的影響是相反的。因此可以利用這一關(guān)系，在系統(tǒng)運行過程中，若直流母線上下電容電壓出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象時，可以通過檢測交流側(cè)電流判斷出中點電流方向，并根據(jù)中點電位的偏移方向重新分配正、負(fù)小矢量的作用時間，即可有效抑制中點電位的波動[11,12]。

3 仿真結(jié)果及分析

基于Matlab中的Simulink仿真環(huán)境，對前文分析的三電平 PWM 整流器定頻直接功率控制系統(tǒng)搭建仿真模型，如圖4所示。其中的直接功率控制模塊如圖5所示。所搭建的仿真模型參數(shù)如下：三相交流對稱電壓幅值均為 311V、頻率 f=50Hz, 交流側(cè)等效電阻R=0.1?，輸入電感 L=8mH，直流母線電容C1=C2=0.005F，直流給定輸出電壓為600V，開關(guān)頻率為2kHz；直流側(cè)負(fù)載RL=30?，且在0.5s時又并入一個等值負(fù)載后，等效負(fù)載變?yōu)?5?。

圖4 三電平PWM整流器定頻DPC系統(tǒng)仿真模型

其中三電平PWM整流器定頻DPC控制系統(tǒng)中的前饋功率解耦控制模塊的仿真模型如下：

圖5 功率前饋解耦仿真模型

得到的仿真波形如下圖6-9所示：

圖6 a相電壓與電流波形

圖7 直流母線電壓波形

圖8 網(wǎng)側(cè)電流諧波畸變率

從圖6可以發(fā)現(xiàn)：整流器網(wǎng)側(cè)的a相電壓與電流同相位，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)控制，并且在0.5s并入一個等值負(fù)載后電流也能快速進入穩(wěn)定狀態(tài)；從圖7可以發(fā)現(xiàn)：直流母線電壓的動態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)時波動小，近似恒定；從圖8可以發(fā)現(xiàn)：網(wǎng)側(cè)電流的諧波畸變率為 1.19%；從圖 9可以發(fā)現(xiàn)：穩(wěn)態(tài)時P近似不變，q近似為0，實現(xiàn)了有功和無功功率的解耦獨立控制；仿真結(jié)果表明該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了單位功率因數(shù)控制、電流諧波小、具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

圖9 有功、無功功率波形

5 結(jié)論

三電平 PWM 整流器在中高壓、大功率領(lǐng)域?qū)⒂性絹碓綇V泛的應(yīng)用，而DPC作為一種性能優(yōu)良的控制策略，具有算法簡單、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點；因此，本文提出了一種固定開關(guān)頻率的三電平 PWM 整流器DPC控制策略，該策略基于空間電壓矢量脈寬調(diào)制，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)控制、電流諧波小的良好動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能；相對于傳統(tǒng)的開關(guān)表bang-bang控制方式的DPC，該控制策略不僅能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)對有功功率和無功功率的直接解耦控制，而且能夠保證固定的開關(guān)頻率，簡化了濾波器的設(shè)計；仿真結(jié)果驗證了該控制策略的正確性及可行性。

[1] 張興. PWM 整流器及其控制策略的研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2003.

[2] 羅悅?cè)A, 伍小杰, 王晶鑫. 三相PWM整流器及其控制策略的現(xiàn)狀及展望[J]. 電氣傳動, 2006, 36(5):3-8.

[3] 張穎超, 趙爭鳴, 袁立強, 等. 三電平 PWM 整流器直接功率控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2008, 23(5):62-68.

[4] Malinowski M, Kazmierkowski M P, Blaabjerg F,etal. Virtual-flux-based direct power control of three-phase PWM rectifiers[J]. IEEE Transactions on Industy Applications, 2001, 37(4): 1019-1027.

[5] 王久和, 李華德, 李正熙. 電壓型 PWM 整流器直接功率控制研究[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2004, 23(5): 658-660.

[6] 詹長江, 秦荃華. 三電平脈寬調(diào)制高頻整流器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及仿真分析[J]. 中國電機工程學(xué)報,1999, 19,(7): 45-48.

[7] Akagi H, Kanazawa Y, Nabae A. Instaneous reactive power compensators comprising switching devices without energy storage components[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1984, 20(3):625-630.

[8] 劉進軍, 王兆安. 瞬時無功功率與傳統(tǒng)功率理論的統(tǒng)一數(shù)學(xué)描述及物理意義[J]. 電工技術(shù)學(xué)報,1998, 13(6): 6-12.

[9] 王久和, 楊微, 李華德. 功率前饋電壓型PWM整流器直接功率解耦控制[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報, 2007, 26(2): 238-241.

[10] 姚為正, 劉普, 鄧祥純, 等. 三電平并網(wǎng)變流器中點電壓平衡控制技術(shù)研究[J]. 電氣自動化,2009, 31(6): 21-23.

[11] Alonso O, Marroyo L, Sanchis P, etal. Analysis of neutral-point voltage balancing problem in three-level neutral-point-clamped inverters with SVPWM modulation[J]. IECON-2002, 2002, 2(1):920-925.

[12] 宋文祥, 陳國呈, 武慧, 等. 一種具有中點電壓平衡控制的三電平空間矢量調(diào)制方法及其實現(xiàn)[J].中國電機工程學(xué)報, 2006, 26(12): 95-100.

審稿人：許善椿

Research on Direct Power Control with Fixed Switching Frequency of Three-level PWM Rectifier

ZHANG Hao, SHAO Guoqing
(School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Based on the mathematical model of the three-level voltage source PWM rectifier and the theory of instantaneous power, in this paper, a Direct Power Control (DPC) scheme for three-level PWM rectifier with constant switching frequency is proposed, which based on Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM). The new control structure is a double closed-loop system which uses closed-loop DC voltage control as outside control and closed-loop power control as internal control.On the one hand, The using of power feed forward decoupling realized the direct decoupling control between active power and reactive power during the dynamic course; On the other hand, the using of Space Vector Pulse Width Modulation made the switching frequency fixed, which simplifies the design of filter. Simulation results show that unity power factor is achieved, and the neutral-point potential is balanced, and harmonic distortion of current is low, and the performances that system obtains are excellent dynamic and steady.

three-level; PWM rectifier; instantaneous power; Direct Power Control(DPC); fixed switching frequency; feed forward decoupling

TM461

A

1000-3983(2013)02-0018-22

2012-02-13

張豪（1987-），在讀研究生，研究方向為電力電子與電力傳動，新能源風(fēng)力發(fā)電方向。