三相電壓型PWM整流器直接功率控制策略研究

邱瑞生

摘要：針對傳統(tǒng)電壓定向型直接功率控制（VO-DPC）系統(tǒng)關(guān)頻率不固定、控制滯后等問題提出了一種基于模型預(yù)測的直接功率控制（MP-DPC）策略，這種控制策略使用模型預(yù)測控制器來代替滯環(huán)比較器，提高了系統(tǒng)響應(yīng)，這種控制策略還與空間矢量調(diào)制技術(shù)（Space Vector Pulse Modula-tion，SVPWM）結(jié)合使用，以電源電壓的平均電壓矢量作為整個控制過程的基矢量，進(jìn)行電壓空間矢量調(diào)制控制，同時，這種方法使DPC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡單，降低了設(shè)計(jì)難度，最后通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證本文所提方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：PWM整理器；直接功率控制；模型預(yù)測控制；Space Vector Pulse Modulation

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.017

中圖分類號：TM461

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683（2016）06-0090-05

0.引言

整流器作為電力電子裝置中交一直流變換的重要組成部分，在各個領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用，從20世紀(jì)80開始，國內(nèi)外很多研究人員針對PWM整流器不同的控制策略做出很多的努力，但是較為成熟而且應(yīng)用最廣泛的控制策略是電網(wǎng)電壓控制和直接功率控制，一般情況下，PWM整流器主要有兩個控制方向：①保證輸出直流輸出電壓與系統(tǒng)給定的參考一致，并且不受外界影響；②確保PWM整流器在單位因數(shù)下運(yùn)行，為了確保得到相應(yīng)的輸出電壓，幾乎在所有的PWM整流器控制策略中，都采用電壓外環(huán)控制，與此同時根據(jù)不同的控制策略還會采用相應(yīng)的內(nèi)環(huán)控制，由此構(gòu)成了一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng).PWM整流器控制策略中的內(nèi)環(huán)控制主要是由被控對象決定，根據(jù)被控對象的不同，可以把控制策略分為電壓矢量定向和虛擬磁鏈?zhǔn)噶慷ㄏ蚩刂苾纱箢悺?/p>

隨著對PWM整流器結(jié)構(gòu)研究的不斷深入，世界各國學(xué)者針對不同問題相繼提出一系列的控制策略，Lee為了簡化信號檢測所提出的無電網(wǎng)電動勢傳感器控制策略，Green利用PWM整流器的輸出電流對逆變器的網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行重構(gòu)，這種方法為無交流電流傳感器的PWM整流器研究奠定了基礎(chǔ)，Hasan等為了解決PWM整流器在大范圍內(nèi)的穩(wěn)定性問題，利用整流器系統(tǒng)中電感和電容的關(guān)系，建立了Lyapunov函數(shù)，Moran等認(rèn)為PWM整流器交流側(cè)電流的畸變是由電網(wǎng)的負(fù)序分量引起的，并提出了在三相電網(wǎng)不平衡條件下的交流側(cè)電流和直流側(cè)電壓的時域表達(dá)式，Vincenti等提出一種正序dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的前饋控制策略，由于系統(tǒng)所采用的PI控制無法實(shí)現(xiàn)無靜差控制，會使負(fù)序分量重出現(xiàn)2次諧波，所以這種控制策略無法完全消除負(fù)序分量的影響，Song等針對這種情況，對Vincenti所提出的方案進(jìn)行改善，提出一種基于同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的正序和負(fù)序兩套獨(dú)立的控制方案，這樣就可以通過PI控制器實(shí)現(xiàn)無靜差控制，因此這是理論完善的控制方案，數(shù)學(xué)模型的搭建是PWM整流器控制策略研究的重要理論基礎(chǔ)，Green所提出的PWM整流器坐標(biāo)變換數(shù)學(xué)模型，降低了建立控制策略數(shù)學(xué)建模的難度，Rim等人搭建了PWM整理器坐標(biāo)變換的低頻等效模型，Mao H在前人學(xué)者研究的基礎(chǔ)上提出了一種降階小信號數(shù)學(xué)模型，簡化了PWM整流器的數(shù)學(xué)模型和特性分析過程，我國學(xué)者史偉偉等建立了基于狀態(tài)空間平均法的PWM整流器主電路等效數(shù)學(xué)模型，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)，本文針對三相電壓型PWM整流器的控制策略，提出了一種基于模型預(yù)測的直接功率控制策略。

1.傳統(tǒng)VO-DPC控制系統(tǒng)

采用VO-DPC系統(tǒng)的三相電壓型PWM整流器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示。

圖1中的控制系統(tǒng)包括直流電壓外環(huán)和功率內(nèi)環(huán)，主電路包括：交流電壓電流檢測電路、濾波電感、功率開關(guān)管、直流側(cè)電容和負(fù)載組成，工作原理：系統(tǒng)通過交流側(cè)的電壓電流檢測電路檢測出電流電壓U_{a、Ub、Uc。和交流電流ia、ib、ic讓后將這6個變量經(jīng)坐標(biāo)變換變換到兩相靜止αβ坐標(biāo)系或兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的變量Uα、Uβ、iα、iβ或者Ud、Uq、id、iq然后得到該坐標(biāo)系下的瞬時有功功率p和瞬時無功功率q，然后將瞬時功率送到滯環(huán)比較器中，通過與系統(tǒng)給定的瞬時功率參考值作比較，得到相應(yīng)的輸出量Sn。和Sq，與電源電壓矢量位置劃分θn共同確定開關(guān)矢量表中相應(yīng)的開關(guān)信號Sa、Sb、Sc，通過對功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷時間的控制對瞬時功率與直流輸出電壓進(jìn)行控制.其中，瞬時有功功率由直流電壓外環(huán)的PI控制器輸出與直流電壓確定，瞬時功率設(shè)定為O。}

2.模型預(yù)測控制算法研究

基于模型預(yù)測直接功率控制系統(tǒng)的三相電壓型PWM整流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。

3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文在matlab/simulink中搭建三相電壓型PWM整流器VO-DPC策略系統(tǒng)與MP-DPC策略系統(tǒng)的仿真模型，通過對仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，來證明本文所提出方法的可行性以及有效性。

3.1系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時交流側(cè)電壓電流波形

兩種方法的系統(tǒng)仿真模型的輸入均為220V交流電壓，輸出為700V直流電壓，圖3為直流輸出側(cè)穩(wěn)定后交流側(cè)A相電壓和電流。

圖3可見，這兩種控制方法電壓和電流的相位均相同.因此，這兩種方法均可以達(dá)到在單位功率因數(shù)下運(yùn)行的目標(biāo)，由于VO-DPC策略系統(tǒng)開關(guān)頻率不固定，導(dǎo)致電流諧波形范圍增大，波形波動較大，圖4為兩種控制策略的傅里葉分析，從圖中可以看出，采用電壓定向型直接功率控制策略的PWM整流器的電流畸變率高達(dá)35.96%，而采用MP-DPC策略的PWM整流器電流畸變率只有5.67%，電流波形得到了很好的改善。

3.2系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時瞬時功率波形

本文針對PWM整流器的兩種DPC策略進(jìn)行研究，這兩種策略都是以瞬時有功功率和瞬時無功功率作為控制目標(biāo)，因此有必要針對功率進(jìn)行仿真分析，圖5為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時兩種策略瞬時功率波形，從圖中可以看出，瞬時有功功率與無功功率均在系統(tǒng)所給定參考功率附近波動，有功功率在12kW附近波動，無功功率在0附近波動.通過比較可知，采用MP-DPC策略的功率波形波動較小，穩(wěn)定性更好。

3.3系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時直流電壓波形

兩種控制策略的直流輸出電壓參考值都為700V，圖6為兩種控制策略的直流電壓輸出波形，從圖中可以看出，兩種控制策略都具有較好的電壓跟蹤效果，但是采用模型預(yù)測直接功率控制策略的輸出電壓的偏差較小，波形的波動更小一些，因此電壓跟蹤效果更好。

4.結(jié)語

通過本節(jié)仿真分析可知，兩種控制策略均可以達(dá)到單位功率因數(shù)運(yùn)行的目標(biāo)，且電壓跟蹤效果良好，但是與VO-DPC相比，MP-DPC策略不但能夠固定系統(tǒng)開關(guān)頻率，輸入交流電流畸變率低，而且系統(tǒng)仿真波形波動較小，穩(wěn)定性能良好。