基于等效空間矢量的三電平PWM整流器直接功率控制

雷健升，劉洋

基于等效空間矢量的三電平PWM整流器直接功率控制

雷健升，劉洋

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文在分析三相電壓型PWM整流器直接功率控制(DPC)的基本原理時，指出了其開關頻率高、開關頻率不固定的這一缺點，在此基礎上提出了將DPC與三電平電壓空間矢量脈寬調制(SVPWM)相結合的方法，降低和固定了其開關頻率。其中針對傳統SVPWM算法控制復雜，計算繁瑣的缺點，提出了一種雙載波調制的等效三電平SVPWM算法。同時，在坐標下，對傳統的DPC進行了功率前饋解耦控制，實現了有功、無功的動態解耦。通過MATLAB/SIMULINK仿真，驗證了該控制方法的可行性。

直接功率控制 空間矢量脈寬調制 雙載波調制 固定開關頻率

0 引言

PWM整流器以其功率雙向流動、電網側單位功率因數運行、輸入電流正弦度好等諸多優點，在交流調速、不間斷電源(UPS)、新能源等領域獲得了廣泛的應用[1]。而三電平PWM整流器與兩電平相比，具有更好的輸出性能，電流諧波含量低，器件承壓低，能量密度更高，在大功率領域具有更好的應用前景[2]

PWM整流器的直接功率控制(DPC)具有功率因數高、較低的THD、算法及系統結構簡單等優點，因此得到了國內外學者的研究和關注[3]。兩電平的DPC控制已經較成熟，而三電平拓撲由于其特殊性，矢量繁多，起開關表的構造存在困難，且傳統的DPC開關頻率高，需要快速的處理器和AD轉換芯片，并且由于其開關頻率不固定，濾波器設計復雜。為此，本文將空間電壓矢量脈寬調制(SVPWM)與直接功率控制相結合，固定了開關頻率，簡化了濾波器的設計。

對于三電平SVPWM算法，國內外學者進行了很多研究[4-5]，也提出了很多簡化算法。文獻[4]將三電平SVPWM算法很大程度上簡化到兩電平SVPWM的水平，文獻[5]提出了采用60°坐標系的三電平SVPWM算法。但這些算法都需要進行扇區判斷、矢量選擇和時間計算等一系列工作，計算繁瑣，控制復雜。本文提出了一種雙載波調制的等效三電平SVPWM算法，通過在三相調制波中加入零序分量，實現了與傳統SVPWM相同的控制效果，從而省去了繁瑣的計算。仿真分析了該算法與SVPWM的等效性。

1 三電平PWM整流器的數學模型

2 等效三電平空間矢量的雙載波調制算法

對三電平變換器一般采用PWM調制，主要的PWM調制有載波調制SPWM和空間矢量調制SVPWM?？臻g矢量調制SVPWM由于其直流電壓利用率高，諧波抑制能力好，在用電、發電等各種工業場合有著廣泛的應用。而載波調制SPWM雖然控制效果不及SVPWM，但對于一般的工業應用場合，其控制效果還是能達到要求的，因而也具有一定的應用，同時，由于SPWM直接由載波與調制波進行比較得出開關信號，因此其算法非常簡單，可大大節省控制系統硬件空間。

本文通過對三電平SVPWM和載波調制的對比分析[6]，得出了一種與三電平SVPWM等效的載波調制算法，該算法通過在調制波中加入零序分量，得到了與SVPWM相同的控制效果，同時簡化了運算，節省了運算時間。

載波調制一般采用三角載波與調制波進行比較，而在三電平變換器中，由于變換器輸出三種電平狀態，因此，需用兩個載波與調制波進行比較，得到輸出狀態，稱為正負雙載波，由圖2可得

負三角載波表達式為

由圖2可得出

同理，由線電壓合成公式可得

再將式(11)~(13)代入式(8)~(10)可得

由上式可看出，SVPWM調制波實際上是由載波調制中三相正弦調制波施加上零序分量形成的。

因此，對零序分量的求取便成為了基于載波調制的SVPWM算法的關鍵。為此，我們根據電壓矢量相位及幅值關系，對參考電壓分類，劃分不同的區域，在各區域內，電壓矢量的極性保持不變。由此，三相參考電壓可劃分為：

當某相參考電壓為正時，其比較值不變；當參考電壓值為負時，則這相參考電壓加上1作為比較值；按上述方法比較出大小順序后，再各帶入原值，即可確定各相矢量的大小順序。同時，根據各相矢量的極性，可得出各種情況下的零序分量的計算公式如下：

3 三電平空間矢量直接功率控制

式(1)的三電平PWM整流器的數學模型僅包含電壓、電流，不直接包含功率信息，因此，有必要對三電平PWM整流器的數學模型進行轉化，使其含有網側有功功率和無功功率。下面首先研究一下瞬時功率理論。

將式(26)代入式(25)，整理得到:

式(27)中，上式只包含有功、下式只包含無功，可見，通過補償控制，有功、無功實現了解耦，結合前面的瞬時功率計算及SVPWM算法，得到系統控制原理框圖，如圖4所示。

采用電網電壓定向，定向角由三相電網電壓得到。直流電壓的控制是通過電壓外環控制，達到直流電壓的穩定。電流控制則是通過功率內環實現的，通過瞬時無功功率理論可計算出有功和無功，再將其分別與有功、無功給定值比較，通過功率環的作用，再加上補償控制，便可得到控制電壓，控制電壓再經過SVPWM調制，得到整流器的脈沖輸出，從而實現變換器的控制。

4 仿真分析

本文對雙載波調制的三電平等效空間矢量算法進行了仿真研究。下圖為在不同調制度下零序分量、疊加零序分量的調制波、輸出相電壓和相電流仿真波形。

由圖5可知，進行等效空間矢量的載波調制時，所施加的零序分量及參考調制波隨調制度的變化而變化。且在不同的調制度下，都能實現空間矢量三電平的效果。同時，和空間矢量算法相比，該算法基于SPWM，只需載波與調制波的比較就可得到開關狀態，調制波中的零序分量的注入也相對簡單，無需進行坐標變換、三角函數計算等復雜的過程。因此，在實際應用中，可簡化算法，降低硬件成本，具有較好的實用價值。

5 結語

本文在傳統觀的PWM整流直接功率控制（DPC）的基礎上，與三電平電壓空間矢量（SVPWM）相結合，提出了一種新的開關頻率可固定的直接功率控制方法，其中，針對傳統三電平SVPWM計算繁瑣，控制復雜的缺點，提出了一種等效三電平空間矢量的雙載波調制算法，仿真驗證了該算法與三電平SVPWM的等效性。DPC-SVPWM的控制策略動、靜態性能好，單位功率因數運行，諧波畸變率小，有功、無功解耦，開關頻率固定。通過仿真分析驗證了該控制方法的有效可行。

[1] 賈俊川，李衛國. 三相電壓型PWM整流器控制特性[J]. 電力自動化設備，2010,30(4): 63-65.

[2] 張穎超，趙爭鳴，袁立強. 三電平PWM整流器直接功率控制[J]. 電工技術學報，2008, 23(5): 62-68.

[3] Mariusz Malinowski, Marian P. Kazmierkowski, Steffan Hansen, et al. Virtual-flux- based direct power control of three-phase PWM rectifiers[J]. IEEE Trans Industry Applications. 2001,37(4): 1019-1027.

[4] Seo J H, Choi H C, Hyun D S. A new simplified space-vector PWM method for three level inverters[J]. IEEE Transaction on Power Electronics, 2001, 16(4): 545-550.

[5] Pou J, Boroyevich D, Pindado R. New feedforward space-vector PWM method to obtain balanced AC output voltages in a three-level neutral-point-clamped converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2002, 49(5): 1026-1034.

[6] 周衛平，吳正國，唐勁松等. SVPWM的等效算法及SVPWM與SPWM的本質聯系[J]. 中國電機工程學報，2006, 26(2): 133-137.

Direct Power Control of Three-level PWM Rectifier Based on Equivalent Space Vector

Lei Jiansheng, Liu Yang

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM461

A

1003-4862（2014）11-0014-05

2014-07-15

雷健升（1986-），男，助理工程師。研究方向：船舶電力推進。