三電平PWM整流器定頻直接功率控制的研究

張 豪，邵國慶

（中國礦業大學信電學院，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

（中國礦業大學信電學院，徐州 221116）

以三電平電壓型 PWM 整流器的數學模型為基礎，結合瞬時功率理論，本文提出了一種基于空間電壓矢量脈寬調制的三電平 PWM 整流器定頻直接功率控制策略。其控制結構是由電壓外環、功率內環組成的雙閉環控制系統。該系統一方面采用功率前饋解耦控制，實現了動態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制，固定了開關頻率，從而簡化了濾波器的設計。仿真結果表明：該控制策略實現了單位功率因數運行、中點電位平衡、電流諧波小的良好動、靜態性能。

三電平；PWM整流器；瞬時功率；直接功率控制；固定開關頻率；前饋解耦

前言

傳統的不控整流器（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、深控時網側功率因數低、網側諧波電流對電網產生諧波“污染”、閉環控制時動態響應相對較慢等，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、風能等可再生能源的并網發電等領域，PWM整流器必然會得到越來越多的應用。與此同時，應用三電平技術的 PWM 整流器會產生許多獨特的優勢，如網側電流諧波畸變率低、開關頻率低、器件承壓低、輸出du/dt小等。因此，三電平PWM整流器在高壓、大功率領域具有廣闊的應用前景[1]。

目前，有關 PWM 整流的研究大多是基于兩電平拓撲，其高性能的控制策略有兩種：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、缺點。VOC控制是通過旋轉變換將交流測電流解耦成有功分量和無功分量，從而分別構成有功電流和無功電流的閉環控制，穩態性能較好，但結構和算法復雜。而傳統的DPC不需要旋轉坐標變換，它是通過預存的開關表直接選擇合適的電壓矢量實現對有功和無功的bang-bang控制，它算法簡單、動態響應快。但是也存在缺點，如開關頻率不固定、開關損耗大、需要較高的采樣頻率等。

因此，針對傳統的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制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）的固定開關頻率的三電平PWM整流器DPC控制策略。該策略與VOC相比，不需要電流的旋轉坐標變換，簡化了算法。與傳統的DPC相比，一方面固定了開關頻率，簡化了濾波器的優化設計；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轉化器的要求。最后通過在matlab環境下的仿真分析，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運行、能量雙向流動、輸入電流正弦度好等諸多優點，真正實現了“綠色電能變換”。因此，它在高壓、大功率領域具有廣闊的應用前景。

1.1 三電平PWM整流器的主電路

中點箝位型三電平 PWM 整流器的主電路拓撲結構如下圖1所示。

圖1 三電平PWM整流器的拓撲結構

圖1中，Ua、Ub、Uc為三相電網電壓，Usa、Usb、Usc為整流橋交流側電壓，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為負載電流；P、N、O為直流母線正端、負端和電流中點電位。

1.2 三電平PWM整流器的數學模型

結合圖1三電平PWM整流器的拓撲結構及文獻[6]中給出的電路數學模型，可以得到三電平PWM整流器交流側d-q坐標系下的等效電路如圖2所示。

由圖2可以得到三電平PWM整流器交流側在d-q坐標系下的數學模型[6]式（1）：

圖2 d-q坐標系下三電平PWM整流器交流側等效電路

2 三電平PWM整流器定頻DPC控制原理

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

2.1 瞬時功率理論

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

其中：P — 電網瞬時有功功率；

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

2.2 定頻DPC控制系統設計

在三相電壓對稱的情況下，選取 d-q坐標系的初始電角度和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：系統的有功功率P和無功功率q相互耦合，給控制器的設計帶來了一定的難度。由于q在穩態時近似為0，所以可以采用一個簡化的設計思路：認為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態效果，但是這種近似使得系統的動態響應難以得到保障。為了提高控制性能，本文采用前饋解耦控制策略，把 PI調節器作為功率內環控制器時，由式（5）可以得到系統的控制方程如下:

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了功率內環有功功率和無功功率的解耦控制[9]，因此，根據式（6）可以得到系統的控制框圖如圖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控制系統是由電壓外環、功率內環組成的雙閉環系統。一方面通過對交流側三相電壓、電流信號的采樣，經過計算后，可以得到瞬時有功功率P、無功功率q和網側電壓的相位信息；另一方面，通過對直流側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的誤差經過 PI調節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單位功率因數控制，可以把其參考量 q 設為 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過PI調節器的輸出量，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網側電壓的相位信號進行反旋轉變換，便可得到整流橋交流側的控制量Usα和Usβ，然后進行三電平SVPWM調制，便可以實現對三電平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撲在應用中需要關注的問題，如不考慮中點電壓的控制，注入電網的電流諧波分量將顯著增加，而且電壓偏離嚴重時，可能導致開關器件及直流側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系，在系統運行過程中，若直流母線上下電容電壓出現不平衡現象時，可以通過檢測交流側電流判斷出中點電流方向，并根據中點電位的偏移方向重新分配正、負小矢量的作用時間，即可有效抑制中點電位的波動[11,12]。

3 仿真結果及分析

基于Matlab中的Simulink仿真環境，對前文分析的三電平 PWM 整流器定頻直接功率控制系統搭建仿真模型，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如下：三相交流對稱電壓幅值均為 311V、頻率 f=50Hz, 交流側等效電阻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，開關頻率為2kHz；直流側負載RL=30?，且在0.5s時又并入一個等值負載后，等效負載變為15?。

圖4 三電平PWM整流器定頻DPC系統仿真模型

其中三電平PWM整流器定頻DPC控制系統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 網側電流諧波畸變率

從圖6可以發現：整流器網側的a相電壓與電流同相位，實現了單位功率因數控制，并且在0.5s并入一個等值負載后電流也能快速進入穩定狀態；從圖7可以發現：直流母線電壓的動態響應快，穩態時波動小，近似恒定；從圖8可以發現：網側電流的諧波畸變率為 1.19%；從圖 9可以發現：穩態時P近似不變，q近似為0，實現了有功和無功功率的解耦獨立控制；仿真結果表明該控制系統實現了單位功率因數控制、電流諧波小、具有良好的動態和穩態性能。

圖9 有功、無功功率波形

5 結論

三電平 PWM 整流器在中高壓、大功率領域將有越來越廣泛的應用，而DPC作為一種性能優良的控制策略，具有算法簡單、動態響應快等優點；因此，本文提出了一種固定開關頻率的三電平 PWM 整流器DPC控制策略，該策略基于空間電壓矢量脈寬調制，實現了單位功率因數控制、電流諧波小的良好動態和穩態性能；相對于傳統的開關表bang-bang控制方式的DPC，該控制策略不僅能夠實現系統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頻率，簡化了濾波器的設計；仿真結果驗證了該控制策略的正確性及可行性。

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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，新能源風力發電方向。