一種三相整流器的自然切換電流峰值控制策略

馬伏軍 匡德興 田雄 朱真 王逸超 王立娜

摘要：給出了T型三電平整流器的直流側(cè)電壓與交流側(cè)電流的自然開關(guān)軌跡.基于該軌跡，將直接功率控制理論與自然開關(guān)軌跡理論結(jié)合，給出了自然切換控制方法.在該控制方法下，負(fù)載擾動時(shí)，輸出電流超調(diào)嚴(yán)重，系統(tǒng)動態(tài)過程不平滑.針對該現(xiàn)象，依據(jù)直流變換器中電流峰值控制的思想，提出了適用于自然切換控制方法的電流峰值控制策略，即在原有自然開關(guān)軌跡上增加第三運(yùn)行軌跡，對輸出電流直接限幅控制，使得系統(tǒng)動態(tài)過程更為平滑.并在Matlab2019a仿真環(huán)境中進(jìn)行了驗(yàn)證.

關(guān)鍵詞：T型三電平;瞬時(shí)功率理論;直接功率控制;自然開關(guān)軌跡;電流限幅;PWM整流器

中圖分類號：TM46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著各行業(yè)對電能質(zhì)量的要求提高和電力電子技術(shù)的發(fā)展，在許多應(yīng)用場合中，PWM整流器因功率因數(shù)可控、網(wǎng)側(cè)電流諧波小、能量可雙向流動等特點(diǎn)，逐漸取代傳統(tǒng)二極管和相控整流器[1-2].

T型三電平（Three-level T-type NPC，TNPC）整流器是中點(diǎn)箝位型整流器的改進(jìn)拓?fù)洌琓NPC結(jié)合了兩電平整流器的優(yōu)點(diǎn)，如低導(dǎo)通損耗、器件數(shù)目少和工作原理簡單，以及三電平變換器的優(yōu)點(diǎn)，如低開關(guān)損耗和較高輸出電壓質(zhì)量[3-6].TNPC具有輸出諧波低、效率高等特點(diǎn)，在諸如儲能等領(lǐng)域應(yīng)用越來越多.TNPC控制策略復(fù)雜，對TNPC整流器的控制研究主要是一些傳統(tǒng)控制方法.TNPC整流器目前高性能的控制策略有電壓定向矢量控制（Voltage Ori?ented Control，VOC）和直接功率控制（Direct Power Control，DPC）[1-3，7].與VOC相比，DPC無需對電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相，控制更為簡單.且由于是對輸出功率直接控制，控制對象包含交流側(cè)電流及網(wǎng)側(cè)電壓信號，控制的動態(tài)性能更佳.

一個(gè)性能要求較高的系統(tǒng)，在負(fù)載發(fā)生改變時(shí)，應(yīng)當(dāng)具有快速的動態(tài)響應(yīng)，以減輕動態(tài)響應(yīng)過程中可能出現(xiàn)的輸出電壓不可控等問題.針對電壓型PWM整流器，文獻(xiàn)[8]提出了利用動態(tài)過程中的無功電流來提高有功電流動態(tài)響應(yīng)速度的一種新的控制方法，控制效果較好.文獻(xiàn)[9-11]給出了一種自然切換方法控制直流變換器，系統(tǒng)響應(yīng)速度快、控制精確度高.文獻(xiàn)[12]提出了自然開關(guān)軌跡（Natural Switching Surface，NSS）在兩電平整流器中的應(yīng)用，相較傳統(tǒng)兩電平控制方法，自然切換方法響應(yīng)速度更快，但沒有解決電流超調(diào)嚴(yán)重的問題.

考慮三電平與兩電平整流器的差異性，如交直流側(cè)能量流動問題，電容中點(diǎn)電壓平衡問題，開關(guān)矢量選擇的復(fù)雜性等[13-18]，本文將研究T型三電平整流器的一種基于自然開關(guān)軌跡和直接功率控制的自然切換控制方法（NSS-DPC）.相較傳統(tǒng)的DPC，NSS-DPC控制方法無需電壓外環(huán)控制，有更好的動態(tài)性能.針對該方法電流超調(diào)嚴(yán)重這一問題，根據(jù)直流變換器中電流峰值控制的思想，文中提出一種電流限幅控制策略，在原有自然切換軌跡圖上新加第三運(yùn)行軌跡，有效實(shí)現(xiàn)了電流峰值的控制效果.

1TNPC整流器

1.1主電路及數(shù)學(xué)模型

T型三電平整流器結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖中，Ls和Rs為交流側(cè)電感和電阻值，C1，C2為直流側(cè)電容，ea～ec為電網(wǎng)電壓，ia～ic為網(wǎng)側(cè)電流，idc為直流側(cè)電流，udc1和udc2為兩電容兩端電壓.

可得T型三電平在dq坐標(biāo)系下整流器交流側(cè)的數(shù)學(xué)模型：

式中，ed和eq，id和iq，ud和uq分別為dq坐標(biāo)系下網(wǎng)壓、網(wǎng)側(cè)電流、整流器交流側(cè)電壓.

假設(shè)開關(guān)管為理想器件，在換相過程中沒有功率損失和能量儲存，根據(jù)參考文獻(xiàn)得出整流器直流側(cè)數(shù)學(xué)模型[14]：

1.2DPC控制1.2.1控制原理

三電平PWM整流器DPC控制原理如圖2所示，圖中Sp、Sq、Sn分別為有功、無功和中點(diǎn)電壓平衡的開關(guān)表選擇信號.通過各采樣信息得到中點(diǎn)電壓和母線電壓，與給定參考值比較后，通過控制器得到參考有功功率，文中給定參考無功功率為零.交流側(cè)采樣得到瞬時(shí)有功和無功功率，將有功功率和無功功率與參考的差值及中點(diǎn)電壓偏差輸入至滯環(huán)比較器中，給出開關(guān)表選擇信號Sp、Sq、Sn，開關(guān)矢量表輸出各開關(guān)管動作指令，實(shí)現(xiàn)對三電平PWM整流器的控制.

1.2.2開關(guān)矢量表

如圖3所示，TNPC整流器的電壓空間矢量有27個(gè)（V25/26/27為零矢量），空間矢量圖劃分為12個(gè)扇區(qū).

根據(jù)矢量在不同扇區(qū)對有功和無功功率的作用效果不同，可在不同扇區(qū)選擇合適矢量實(shí)現(xiàn)功率控制，開關(guān)表性能的好壞將直接影響輸出效果.

在選擇輸出矢量時(shí)，應(yīng)保證矢量切換不會引起線、相電壓的高幅值的跳變，以防單管承受過大的dv/dt[1-2].而矢量切換發(fā)生在相鄰矢量間時(shí)，可達(dá)到以上目的.根據(jù)這一原則設(shè)計(jì)開關(guān)表，如表1所示.

表中，k∈[1，2，3，4，5]，θ-θ對應(yīng)圖3中標(biāo)注112的1-12個(gè)扇區(qū)，V1-V24對應(yīng)24個(gè)非零矢量.1.2.3中點(diǎn)電壓平衡控制直流側(cè)兩電容電壓大小偏差過大，將導(dǎo)致中點(diǎn)電壓不平衡，使整流器輸出較多諧波分量，需對中點(diǎn)電壓平衡控制.由表1可以看出，當(dāng)Sp=1時(shí)，即有功功率輸出需要增大，正負(fù)小矢量對輸出有功的作用[1-3，19]相同，但兩種矢量對中點(diǎn)電壓的作用相反.根據(jù)電容偏差滯環(huán)比較器輸出的開關(guān)表選擇信號Sn，以及交流側(cè)電流方向判斷正負(fù)小矢量對中點(diǎn)電壓升高或降低的影響，確定待選擇的冗余矢量，使電容電壓動態(tài)平衡.

2自然開關(guān)軌跡

2.1標(biāo)幺化

為取得單位功率因數(shù)，文中將無功功率參考值設(shè)為0，即令交流側(cè)電流q軸分量為0，同時(shí)忽略交流側(cè)電阻，給定兩電容值大小均為C.化簡式（1）和式（2），得出TNPC數(shù)學(xué)模型如式（3）：

交流側(cè)電感電流與直流側(cè)電壓的關(guān)系隨著整流器交流側(cè)輸出電壓變化而變化，兩者之間的關(guān)系稱為自然開關(guān)軌跡.文中從電感電流增大和減小兩方面來分析該軌跡.在dq坐標(biāo)系下，整流器交流側(cè)電壓矢量有如下關(guān)系：

為得到一個(gè)規(guī)范化的表示方法，選取參考電壓Vr，對系統(tǒng)中電壓和電流等量做出如下標(biāo)幺化處理：

（2πLC）;vx，ix為實(shí)際電壓電流值

2.2自然開關(guān)軌跡

當(dāng)id電流減小時(shí)，即有功功率減小，由式（4），令ud=2/3udc.則式（3）可化為：

根據(jù)式（5）將式（6）標(biāo)幺化后得：

則有：

在參考運(yùn)行點(diǎn)，idn_ref為目標(biāo)點(diǎn)電流，不考慮整流器自身損耗，有，

根據(jù)式（6）-（10），可得出自然軌跡入1為：

觀察式（11）并將其改寫為：

從式（12）可以看出，整流器在id電流減小時(shí)的自然軌跡是一個(gè)以標(biāo)幺化交流d軸網(wǎng)壓分量和標(biāo)幺化直流側(cè)電流為中心的圓.

同理，當(dāng)id電流增大，即有功功率增大，由于式（4），取ud=-2/3udc.可得出自然軌跡λ2：

觀察該式并將其改寫為：

令iLdn=3/2idn，在負(fù)載突變時(shí)，兩條自然軌跡繪圖如圖4所示.圖4中，A點(diǎn)為初始運(yùn)行點(diǎn)，B點(diǎn)為自然軌跡切換點(diǎn)，C點(diǎn)為目標(biāo)運(yùn)行點(diǎn).

3自然切換控制律

直流側(cè)電壓udc受有功影響，而瞬時(shí)有功的變化即為id的變化.根據(jù)上文中得到的自然軌跡圖4，在負(fù)載突變時(shí)，可通過選擇不同的開關(guān)矢量來改變瞬時(shí)有功功率，使u與i運(yùn)行在預(yù)設(shè)的軌跡上.

根據(jù)T型三電平PWM整流器的自然軌跡與目標(biāo)工作點(diǎn)的交點(diǎn)定義控制律.當(dāng)直流側(cè)電壓小于參考電壓時(shí)，根據(jù)自然軌跡λ1定義控制律，定義為σ1.當(dāng)直流側(cè)電壓大于參考電壓時(shí)，根據(jù)自然軌跡λ2定義控制律，定義為σ2.

控制律如下：

當(dāng)udcn<1時(shí)：

如σ1<0，Sp=1，否則Sp=0當(dāng)udcn>1時(shí)：

如σ2>0，Sp=0，否則Sp=1其中：

Sq和Sn與圖2所示傳統(tǒng)三電平直接功率控制方法相同.直流側(cè)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，idn的值發(fā)生變化，控制律將改變整流器開關(guān)狀態(tài)，輸出的Sp和Sq發(fā)生相應(yīng)改變，使得idn運(yùn)行在上述增大（減?。┑淖匀卉壽E上，直至兩自然軌跡的交點(diǎn)，而后在減?。ㄔ龃螅┑淖匀卉壽E上運(yùn)行至目標(biāo)點(diǎn).

4第三切換軌跡修正

4.1電流峰值控制

采用電流峰值控制使得DC/DC變換器具備限流保護(hù)功能，提高了可靠性[20].DC/DC變換器中采用直接對輸出電流波形反饋限幅的峰值控制方法，對限幅電流的輸出動態(tài)效果較好、調(diào)節(jié)迅速.而在交流變換器中一般采用控制環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)器限幅的方法，使得調(diào)節(jié)器的輸出固定在一定范圍內(nèi)，間接限制輸出電流.相較于直接控制的方法，間接限制方法調(diào)節(jié)過程較長，不利于對限幅電流的快速控制.文中依據(jù)DC/DC變換器電流峰值控制的思想，在T型三電平變換器的自然切換控制中提出電流峰值控制的方法，直接對輸出電流進(jìn)行限制.

4.2控制律修正依照上述電流峰值控制思想，對控制律進(jìn)行修

正.根據(jù)圖4所示負(fù)載突變時(shí)的自然軌跡圖可看出，在負(fù)載突變時(shí)按照文中所述自然切換控制法對變換器進(jìn)行控制，由于是按照最大自然軌跡切換進(jìn)行控制，會使得電流id比傳統(tǒng)DPC控制方法超調(diào)現(xiàn)象更嚴(yán)重.為了抑制電流的超調(diào)，可對切換面進(jìn)行一定的改進(jìn)，即在電流達(dá)到限幅值Ith時(shí)，讓其運(yùn)行在新的軌道上，該條軌跡為第三切換軌跡.

如圖5負(fù)載突增電流限幅圖所示，在λ2軌跡上，此時(shí)udcn<1，圖中S點(diǎn)為電流運(yùn)行的限幅點(diǎn)，電流小于該限幅值Ith時(shí)，按照原控制率運(yùn)行;電流超過該限幅值時(shí)，強(qiáng)制改變控制率，使得Sp=0，選擇相應(yīng)的控制矢量，使得系統(tǒng)運(yùn)行在第三軌跡上，抑制電流繼續(xù)增大;直至運(yùn)行至λ1軌跡，重新按照所述控制率運(yùn)行至穩(wěn)態(tài)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電流限幅控制.

即此時(shí)有第三軌跡σ3表達(dá)式：

σ3=id-Ith（19）

在此軌跡上控制律修改為（其余開關(guān)表選擇信號控制律不變）：

當(dāng)σ3>0，Sp=0，否則Sp=1.

圖6為依照限幅控制的自然切換控制原理圖，與傳統(tǒng)DPC控制不同的是，無需外環(huán)電壓控制，且通過自然切換控制來實(shí)現(xiàn)開關(guān)矢量選擇信號.

5仿真驗(yàn)證

根據(jù)上文所述，對T型三電平傳統(tǒng)DPC控制與自然切換控制法分別進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn).根據(jù)文獻(xiàn)[2]中對直流母線電壓、交流側(cè)電感及直流側(cè)電容等約束條件，仿真取電網(wǎng)側(cè)三相交流電壓380V，給定參考直流母線電壓750V，Rs=0.005Ω，Ls=2.2mH，電容值為C1=C2=400μF.初始時(shí)刻直流側(cè)電阻為50Ω，在0.1s時(shí)突變?yōu)?5Ω.仿真在Matlab/Simu?link2019a的環(huán)境下進(jìn)行，得到仿真波形圖如圖7至圖9所示，tf為響應(yīng)時(shí)間.

如果電流采取限幅輸出，對電流id限幅50A，對應(yīng)有iLd=3/2id.在0.1s投入擾動負(fù)荷后，得到限幅輸出波形及自然軌跡圖如圖9所示.

圖7和圖8為傳統(tǒng)DPC控制方法和NSS控制方法下的仿真結(jié)果及軌跡圖.圖7（a）（b）波形圖從上到下依次為：直流側(cè)電壓，d軸電流，交流側(cè)三相電流，電容C1電壓.可以看出，在負(fù)載突變后，相較于傳統(tǒng)方法，NSS方法下電壓電流響應(yīng)速度大幅提升，由0.05s提升至0.003s左右;且直流側(cè)電壓降落更小，由8V降低至4V.圖8（a）（b）為兩種方法下的自然軌跡圖，可清晰看出，NSS方法下的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)過程更好，直流側(cè)電壓波動更小.同時(shí)，根據(jù)圖9可看出，針對電流超調(diào)嚴(yán)重的情況，應(yīng)用文中提出的限幅方法后，電流id被限幅控制，超調(diào)下降，動態(tài)響應(yīng)時(shí)間變?yōu)?.005s，略有變長，但響應(yīng)過程平滑，與理論分析一致，系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)過第三軌跡，驗(yàn)證了電流限幅控制的有效性.

6結(jié)語

文中提出了一種T型三電平整流器的自然切換及其電流峰值控制策略，相對傳統(tǒng)直接功率控制，該方法無需電壓外環(huán)控制，可以有效提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，輸出電壓和電流響應(yīng)均比傳統(tǒng)控制方法效果理想.針對電流超調(diào)現(xiàn)象嚴(yán)重的情況，文中對切換控制律進(jìn)行限幅修正，提出第三軌跡運(yùn)行方案，通過仿真驗(yàn)證，對切換控制律修正的限幅方法有效實(shí)現(xiàn)了電流峰值控制，輸出波形效果更為平滑.

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