基于PWM整流器直接功率控制策略的研究

馮澤文

（貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008）

0 引 言

三相電壓型PWM整流器因具有高功率因數(shù)、能量雙向流動(dòng)、輸入測(cè)電流諧波小等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如靜止無(wú)功補(bǔ)償、有源電力濾波以及高鐵動(dòng)車牽引系統(tǒng)等方面。同時(shí)，有很多關(guān)于三相電壓型PWM整流器的控制算法，如直接電流控制、直接功率控制、預(yù)測(cè)功率控制以及滑模功率控制等[1-3]。

直接功率控制（DPC）采用電壓外環(huán)、功率作為內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制，用開(kāi)關(guān)表實(shí)現(xiàn)PWM整流器輸入側(cè)高功率因數(shù)運(yùn)行，輸出側(cè)直流電壓穩(wěn)定輸出[4-5]。和直接電流控制相比，直接功率控制具有不受坐標(biāo)變換影響、算法簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、動(dòng)態(tài)性能良好的特點(diǎn)。

本文采用三狀態(tài)開(kāi)關(guān)滯環(huán)比較器，重新劃分扇區(qū)，設(shè)計(jì)出新的開(kāi)關(guān)表進(jìn)行控制。與傳統(tǒng)DPC控制方法相比，本文研究的控制方法改善了交流側(cè)電流諧波和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，解決了無(wú)功功率失控區(qū)的問(wèn)題。

1 PWM整流器直接功率控制系統(tǒng)

根據(jù)瞬時(shí)功率理論，u為電壓空間矢量，i為電流矢量，q為無(wú)功分量，p為有功分量。將u和i用復(fù)數(shù)表示為：

由于在PWM整流器的DCP系統(tǒng)中u和d軸重合，所以由式（1）可得有功功率和無(wú)功功率：

傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)表采用兩狀態(tài)的滯環(huán)比較器。設(shè)定P滯環(huán)的閾值Hp，Δp=pref-p，0＜Δp＜Hp，SP=1，有功功率向增加的方向調(diào)節(jié)，直到Δp＜-Hp、SP=0，有功功率才會(huì)向減少的方向調(diào)節(jié)。在-Hp＜Δp＜Hp，SP不變，沒(méi)有調(diào)節(jié)功能。在傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表中SP=1時(shí)，使用零矢量（U0（000）、U1（111）），導(dǎo)致無(wú)功功率存在失控區(qū)[6]。由于存在失控區(qū)，系統(tǒng)的交流側(cè)交流電流諧波含量會(huì)很大。

2 三狀態(tài)開(kāi)關(guān)表的DPC系統(tǒng)

為了解決無(wú)功功率失控區(qū)，本文研究三狀態(tài)開(kāi)關(guān)表的DPC策略。新的開(kāi)關(guān)表結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文采用有功功率的三狀態(tài)滯環(huán)比較器進(jìn)行控制，輸出如下：

圖1 三狀態(tài)開(kāi)關(guān)表的DPC策略結(jié)構(gòu)框圖

式中，當(dāng)Δp＜-Hp即有功功率大于給定功率時(shí)，需要對(duì)有功功率向減小的方向調(diào)節(jié)；當(dāng)-Hp＜Δp＜Hp時(shí)，有功功率與給定功率之間相差一定的范圍，可以對(duì)有功功率向減少或增加的方向調(diào)節(jié)；當(dāng)Δp＞Hp時(shí)，有功功率向增加的方向調(diào)節(jié)，解決無(wú)功功率的失控區(qū)，減小系統(tǒng)交流側(cè)交流電流的諧波含量。

開(kāi)關(guān)矢量的選擇如圖2所示。

圖2 開(kāi)關(guān)矢量的選擇

如圖2所示，設(shè)電壓矢量u與id軸同向。u-Ui矢量在id軸或iq軸的分量與Δp或Δq相關(guān)。由式（2）和Δp=pref-p、Δq=qref-q可知：若在id軸分量大，則說(shuō)明Δp減小，反之則Δp增大；若在id軸分量大，則說(shuō)明Δq減小，反之則Δq增大。根據(jù)上述分析可知，U1（100）、U6（101）都使Δp增大，有功功率減??；U2（110）、U3（010）、U4（011）、U5（001）都使Δp減小，有功功率在增加；U1（100）、U2（110）、U3（010）都使Δq增加，無(wú)功功率增加；U4（011）、U5（001）、U6（101）都使Δq減小，無(wú)功功率減小。以第一扇區(qū)為例，Δq減小，無(wú)功功率減小，就要選擇U4（011）；Δq增加，無(wú)功功率增加，就要選擇U3（010）。新的開(kāi)關(guān)表如表1所示。

3 仿真結(jié)果及對(duì)比分析

仿真參數(shù)：輸出電壓UDC=300 V，負(fù)載RL=60 Ω，輸入電壓幅值Um=100 V、頻率f=50 Hz，輸入電阻R=0.3 Ω，電感L=0.003 H，電容C=1 000 e-6F。外環(huán)的PI參數(shù)：比例系數(shù)Kp=0.3，積分系數(shù)Ki=30。

由圖3、圖4可知，采用三狀態(tài)開(kāi)關(guān)的DPC系統(tǒng)輸入電壓和電流同相位，波形的正弦度更好；由圖5、圖6可知，解決了無(wú)功功率的失控區(qū)，系統(tǒng)的無(wú)功功率波形得到明顯改善，有功功率波形也改善明顯。

表1 三狀態(tài)開(kāi)關(guān)表

圖3 傳統(tǒng)DPC系統(tǒng)的輸入電壓電流波形

圖4 三狀態(tài)開(kāi)關(guān)下系統(tǒng)的輸入電流THD波形

圖5 傳統(tǒng)DPC系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率波形

4 結(jié) 論

通過(guò)理論分析，傳統(tǒng)的三相電壓型PWM整流器的直接功率控制采用兩狀態(tài)開(kāi)關(guān)的滯環(huán)比較器，無(wú)功功率存在失控區(qū)，輸入端電流諧波含量大。采用三狀態(tài)開(kāi)關(guān)的滯環(huán)比較器，通過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證，解決了無(wú)功功率的失控區(qū)的存在，減少了輸入端電流的諧波含量，同時(shí)改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了三狀態(tài)開(kāi)關(guān)的DPC控制方案的正確性。