一種改進PWM型整流器直接功率控制

趙 輝，王 彪，王紅君，岳有軍

(天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點實驗室，天津300384)

一種改進PWM型整流器直接功率控制

趙 輝，王 彪，王紅君，岳有軍

(天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點實驗室，天津300384)

主要研究了一種新的基于SVPWM的三相電壓型整流器預(yù)測直接功率控制。這種預(yù)測直接功率控制以虛擬磁鏈為核心，省去了交流側(cè)電壓傳感器，同時解決了傳統(tǒng)的開關(guān)直接功率控制開關(guān)頻率不固定的缺點，繼承了傳統(tǒng)直接功率控制無需旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，控制方案簡單明確的特點。并且與其他改進方案相比，也不需要加入PI環(huán)節(jié)或是電壓矢量定向環(huán)節(jié)。通過RT-LAB進行仿真，并與傳統(tǒng)的控制方案進行對比，突出新控制方案在改善THD和控制功率波動方面的優(yōu)越性。

三相電壓型PWM整流器；虛擬磁鏈；預(yù)測直接功率控制；恒定開關(guān)頻率；RT-LAB

PWM型電力變換器因其諸多優(yōu)點而越來越多得到了廣泛應(yīng)用，如電機變頻調(diào)速，新能源發(fā)電并網(wǎng)等方面。PWM可實現(xiàn)功率雙向流動，電流諧波畸變率，高功率因數(shù)[1]。隨著研究的不斷深入，PWM必將成為一種廣泛應(yīng)用的控制技術(shù)。

最近PWM有很多新的控制策略，盡管實現(xiàn)的主要目標(biāo)大致相同，但是方式不同，它們的不同主要可從控制方案是用電流環(huán)還是功率環(huán)來區(qū)分。矢量控制(VC)是最常見的采用電流環(huán)控制的方法，性能穩(wěn)定。但是矢量控制需要較為復(fù)雜的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能需要很大程度上依賴PI控制器的參數(shù)整定的準(zhǔn)確性[2]。因此，近年來基于瞬時有功無功理論的直接功率控制(DPC)逐漸進入了人們的視野[3-4],在DPC中，沒有電流環(huán)，只是通過開關(guān)表直接進行功率調(diào)節(jié)，所以具有優(yōu)異的功率控制性能。然而傳統(tǒng)的開關(guān)表直接功率控制(LUT-DPC)有開關(guān)頻率不固定的缺點。為了克服這一缺點文獻[5-8]提出了一系列的改進方案，文獻[5]提出了變結(jié)構(gòu)滑模直接功率控制策略，通過變結(jié)構(gòu)滑模控制器對功率誤差進行控制，再用SVPWM技術(shù)進行調(diào)制輸出期望的電壓。文獻[6]提出了功率前饋解耦的直接功率控制，實現(xiàn)了有關(guān)無功的解耦控制，但是引入這樣系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性就依賴于PI環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置。文獻[7]提出了基于SVPWM的PI模糊直接功率控制，用模糊PI環(huán)節(jié)代替原來的PI環(huán)節(jié)，取得了一定的進步。文獻[8]提出了基于模型的預(yù)測直接功率控制(P-DPC),采用離散化的預(yù)測模型，設(shè)定一個指標(biāo)函數(shù)，在下一個周期選擇使指標(biāo)函數(shù)最小的開關(guān)狀態(tài)，不采用調(diào)制器，相對簡便，但是開關(guān)頻率只是限制在一定范圍內(nèi)，還不能實現(xiàn)完全定頻。

本文研究了一種基于SVPWM技術(shù)的虛擬磁鏈預(yù)測直接功率控制，這種以虛擬磁鏈為核心的P-DPC可以實現(xiàn)固定開關(guān)頻率的直接功率控制。首先對三相電壓型PWM整流器進行建模，重點分析基于虛擬磁鏈的整流器數(shù)學(xué)模型，然后對基于此模型的預(yù)測直接功率控制原理進行推導(dǎo)，最后通過RT-LAB進行了對比仿真研究。

1 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

圖1為三相PWM整流器的拓撲結(jié)構(gòu)。

圖1 三相PWM整流器的拓撲結(jié)構(gòu)

圖2為兩相靜止坐標(biāo)系中三相電壓型整流器向量形式的等效電路。圖2中為電網(wǎng)電壓矢量，為整流器交流側(cè)電壓矢量，為交流側(cè)電流矢量，為進線電抗器電感，為線路電阻，為直流側(cè)電抗。

圖2 兩相靜止坐標(biāo)系下的等效結(jié)構(gòu)

圖1的等效結(jié)構(gòu)如圖2所示[9]，整流器的等效電壓方程可以寫成：

把式(1)通過等功率3/2坐標(biāo)變換，變成兩相靜止坐標(biāo)系下公式：

1.2 基于虛擬磁鏈數(shù)學(xué)模型

為了減少電網(wǎng)側(cè)交流電壓傳感器，可通過電網(wǎng)虛擬磁鏈來估計瞬時有功和無功功率，可提出基于虛擬電網(wǎng)磁鏈的三相PWM整流器的直接控制策略，虛擬磁鏈的概念由虛擬電機引出,可將電網(wǎng)側(cè)電源看作一個虛擬的交流電機[9]。其中,R和L可分別視為虛擬電機的定子電阻與定子漏感。如圖3是虛擬磁鏈與電網(wǎng)電壓的關(guān)系。虛擬磁鏈滿足，如果在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，并且忽略微分的部分，于是式(3)可以寫成：

虛擬磁鏈的估算滿足下面的估算公式：

其中：

圖3 虛擬磁鏈和電壓的關(guān)系

2 基于SVPWM的P-DPC的推導(dǎo)

對于式(2)所示PWM的數(shù)學(xué)模型如果忽略電阻的影響，可表達為：

采用離散化的表達式為：

把式(9)帶入式(7)中得到：

由于控制目標(biāo)是：在下一個采樣周期讓有功無功等于設(shè)定的目標(biāo)有功無功，則式(10)中下一個周期的功率可以被代替成為：

把式(11)帶入式(10)并作變形可得到：

由式(13)可得到式(12)可推導(dǎo)成為：

在將簡化后的式(4)式(5)帶入式(14)有：

圖4 RT-LAB系統(tǒng)分割圖

圖5 RT-LAB觀測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 RT-LAB控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 基于RT-LAB的仿真結(jié)果分析

本次使用的 RT-LAB實驗平臺主要由HIL BOX和FPGA5142板組成，HILBOX主要模擬被控對象和控制方案，F(xiàn)PGA5142負責(zé)輸入輸出。首先在Matlab下建立離線仿真模型，然后按照RT-LAB的規(guī)則分割并封裝子系統(tǒng)，如圖4所示，添加了OpComm模塊的觀測系統(tǒng)如圖5所示，模型的主控制系統(tǒng)如圖6所示。RT-LAB會將Matlab模型自動編譯生成C代碼并下載到仿真器中。仿真的主要參數(shù)如下：電源電壓幅值為200 V，頻率為 50 Hz，交流側(cè)電感4 mH，直流側(cè)電容為4 700μF，直流側(cè)電阻為40 Ω，直流側(cè)給定電壓為500 V，開關(guān)頻率5 kHz。圖7為磁鏈形狀，磁鏈在短時波動后，穩(wěn)態(tài)情況下磁鏈形狀為圓形，基本滿足要求；圖8是傳統(tǒng)的LUT-DPC控制策略的A相電流波形，分析結(jié)果為7.11%，圖9是改進P-DPC的A相電流波形，分析結(jié)果為1.67%，通過對比可知改進P-DPC的較小，其對電流的控制更好；圖10為P-DPC的直流側(cè)電壓輸出，在0.05 s后電壓穩(wěn)定控制在500 V。

圖7 虛擬磁鏈圖形

圖8 LUT-DPC的A相電流

圖9 改進DPC的A相電流波形

圖10 改進DPC直流側(cè)電壓波形

4 結(jié)論

我們主要研究了一種基于SVPWM技術(shù)的虛擬磁鏈預(yù)測直接功率控制，這種預(yù)測控制以虛擬磁鏈為核心，省去了網(wǎng)側(cè)電壓傳感器，并且通過應(yīng)用SVPWM技術(shù)改進了傳統(tǒng)直接功率控制中開關(guān)頻率不固定的缺點，與傳統(tǒng)方法(LUT-DPC)或是其他改進方法相比，無需旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，也不需要加入PI環(huán)節(jié)或是電壓矢量定向環(huán)節(jié)。通過對比仿真研究，得出新方法在直流側(cè)電壓控制和輸出功率控制方面的表現(xiàn)都很優(yōu)秀，從其優(yōu)異的表現(xiàn)上看，這種直接功率控制技術(shù)將有著光明的工程應(yīng)用前景和更深入的研究價值。

參考文獻：

[1]伍小杰，羅悅?cè)A，喬樹通.三相電壓型PWM整流器控制技術(shù)綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報，2005，20(12)：7-12．

[2]AHMED I．Vector control of current regulated inverter connected to grid for wind energy applications[J]．International Journal of Renewable Energy Technology，2009，1(1)：17-28．

[3]MALINOWSKI M，JASINSKI M，KAZMIERKOWSKI M P.Simple direct power control of three-phase PWM rectifier using space-vector modulation[J].IEEE Trans on Industrial Electronics，2004，51 (2)：447-454．

[4] 王久和，李華德，李正熙．電壓型PWM整流器直接功率控制技術(shù)[J]．電工電能新技術(shù)，2004，23(3)：64-67．

[5]尚磊，孫丹，賀益康，等．三相電壓型逆變器變結(jié)構(gòu)滑模直接功率控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34(14)：79-83.

[6]王久和，楊薇，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，26(2)：238-241.

[7]蘇宏升，景利學(xué)，袁超，等．基于模糊PI控制的SVPWM整流器直接功率控制研究[J].電源技術(shù)，2012，36(10)：1524-1526．

[8]CORTéS P，RODRíGUEZ J，ANTONIEWICZ P，et al.Direct power control of an AFE using predictive control[J].IEEE Trans on Power Electronics，2008，23(5)：2516-2523．

[9]趙振波，李和明，許伯強．基于虛擬磁鏈的PWM整流器數(shù)序模型及仿真[J]．華北電力大學(xué)學(xué)報，2003，30(1)：5-9．

A modified direct power control of PWM rectifiers

ZHAO Hui,WANG Biao,WANG Hong-jun,YUE You-jun

A novel predictive direct power control scheme of three-phase voltage rectifier based on SVPWM was presented.The predictive direct power control based on virtual flux can obtain a fixed switch frequency instead of variable switching frequency in conventional look-up table direct power control without AC voltage sensors,and it is still simple and clear implemented in the stationary reference frame directly. It does not need PI controllers or voltage-oriented controllers compared to other developed control schemes. The simulations using RT-LAB was made.The results show the excellence of the improving the current THD and controlling the power fluctuation of the novel scheme compared to the traditional control schemes.

three-phase voltage PWM rectifier;virtual flux;predictive direct power control;fixed switching frequency; RT-LAB

TM 422

A

1002-087 X(2015)04-0818-04

2014-09-10

天津市自然科學(xué)基金(10JCZDJC23100)

趙輝（1963—），男，天津市人，教授，主要研究方向為智能控制理論與應(yīng)用，電力電子技術(shù)。