兩種PWM控制算法的比較研究

肖立志，廖萍，邱大強

(1.國網四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610000;2.國網四川省電力公司，四川 成都61000)

1 引言

PWM換流技術作為電能變換的核心技術之一，該技術廣泛應用于風電和分布式電源等可再生能源并網和滿足工業技術要求、節約能源為目的電源變換［1］。為了更好的實現高效、大功率的電能變換，大多數學者分別從換流系統主電路結構和換流控制算法兩個方面對其進行深入的研究。當前換流元件受耐壓、絕緣和散熱等限制而無法做到較高電壓和大電流，許多高電壓、大容量換流器均采用多個換流元件的串聯和并聯來實現的，因此而對于這些多個換流元件的控制研究就顯得尤為重要。目前用于換流控制的算法較多，其控制原理和方法各不相同、控制效果差別較大，因此，如何選擇最佳的控制算法來滿足自身系統的換流控制已經顯得尤為重要。

目前研究PWM換流系統的控制算法主要可以分為兩類:一類是基于電壓幅值和相位的間接電流控制，它根據電源輸入的電壓幅值和相位與換流系統輸出的基波電壓的關系來控制有功功率的傳輸，而無功功率需采取附加措施來調節，該控制算法不能實現有功和無功的獨立控制，具有交流側電流動態響應慢、對系統參數變化靈敏等缺點［2－5］。另一類是基于同步旋轉坐標系下的直接電流控制，其普遍采用內環電流反饋和外環電壓前饋的解耦控制，這種控制器采用PI調節方式實現，然而控制器的電路參數對PI參數設計影響較大，而 PI參數準確度對決定了控制器的響應［6－10］。目前有學者提出從功率控制的角度出發來完成換流系統的控制，這種算法采用功率外環、電流內環的方法，并且只使用一個PI控制器，簡化了換流控制系統的結構，參數選擇也更加容易。

針對換流控制算法選擇的復雜性，本文主要研究了雙閉環直接電流控制和直接功率控制的基本原理與結構，并通過仿真比較了兩種控制算法的各項性能指標，為換流控制系統設計提供重要的參考。

2 PWM換流系統模型

電壓型PWM換流器是由可關斷器件(如:IGBT、IGCT)、換流電抗器、直流電容器等器件組成，其主電路結構如圖1所示，其中換流電抗器是電源與換流系統之間功率傳輸的紐帶，并起到抑制換流器輸出電壓、電流中高次諧波的作用。直流電容為負載提供電壓支撐，并具有抑制直流電壓波動的作用。

圖1 電壓型換流器電路圖

圖1中，uj和ij(j=a、b、c)分別為電源的電壓和電流;L為換流電抗器，C為直流電容，RL為負載。假設電源三相平衡，根據換流系統結構可得三相靜止坐標系下的數學模型［11］:

式中:Sd=urd=Sdudc;urq=Squdc。通過式(2)可以看出，通過dq變換就能將的穩態正弦電流變成了直流量，然后在通過PI調節器的直流增益為無窮大，就可以實現電流的無差跟蹤控制。

3 兩種控制算法原理比較

3.1 雙閉環直接電流控制

雙閉環直接電流控制算法的原理是電壓外環根據直流電壓udc的實時測量值與u*dc期望值進行比較，然后將其差值信號轉化為內環的電流參考信號，再將該電流引入內環并采用前饋解耦的方式消除dq軸電流的耦合關系。電流內環的引入使得系統的動態調整性能較好，電流跟蹤速度較快，實現單位功率因數或者功率因數可變。

由式(2)可知，三相PWM換流系統在兩相同步旋轉坐標系中，其dq模型可描述為:

式中 ud，uq是電源的 d、q 分量;urd，urq換流系統交流側電壓d、q分量;id，iq換流系統交流側電流d、q分量;s為微分算子。從式(4)可以看出，有功電流和無功電流相互耦合，任何一軸方向上電流的變化都會引起另外一軸方向電流的變化。所以一般的PI調節很難達到理想的控制效果，為此將檢測到的實際電流補償兩相電流間的禍合，從而消除電流之間的相互影響，實現電流的解耦控制則urd，urq的控制算法為:

式(5)中Kip，KiI為電流調節器的P、I參數。有功電流指令值i*d與負載電流成正比，其值為電壓調節器的輸出:

式(6)中，Kvq，KvI為電壓調節器的 P、I參數。根據以上分析就可以得到PWM換流系統雙閉環直接電流算法的控制結構圖，如圖2所示。

3.2 直接功率控制

根據瞬時無功功率理論可得，換流系統有功功率與無功功率可分表示為:

圖2 雙閉環直接電流控制結構圖

根據式(1)的第四式可得，將等式兩邊同乘以ucd經等效變換后即可得:

由d、q坐標下瞬時復功率的定義為:

取電源a相的矢量方向作為d軸，q軸超前其90°。設電源為理想電源，則有uq=0可得:其中ψ*

dq為電感磁鏈。由此可見，通過控制電感磁鏈的各分量即可控制有功功率和無功功率的增量。由式(10)可得:

對式(11)在一個采樣周期內進行積分，由于采樣頻率 f較高，在一個采樣周期內 ud，uq，urd，urq保持不變，得

其中，Tk為K時刻采樣，從而有

最后在通過在將其變換三相靜止坐標系下控制開關器件導通即可實現控制［13］。

通過上文對兩種控制原理的分析可以看出，兩種方法的電壓外環都是通過實際采樣值與期望值相減后經過PI控制器分別轉換為內環參考電流或內環參考功率;雙閉環直接電流再通過將實際的輸入電流追蹤參考電流從而實現電壓的控制，而直接功率則是調整輸入功率從而實現系統控制。通過比較圖2和圖3可以看到，雙閉環直接電流采用了3個PI控制器，直接功率控制則僅采用了一個PI控制器，由于PI控制器對系統參數較為敏感，因此在系統參數改變時雙閉環直接電流控制系統參數調試比較麻煩。

圖3 直接功率控制結構圖

4 兩種控制算法仿真結果比較

為了比較兩種控制算法的實際控制效果，本文利用Matlab軟件分別對其進行了多次仿真，系統仿真的結構如圖1所示，其主要參數如表1所示。

表1 換流系統參數

換流控制系統的控制性能的比較主要是從控制系統在換流系統啟動過程中的上升速度、超調量和負載突變時的抗擾動控制來評估其控制效果，圖4和圖5分別是利用兩種控制算法控制所得到的仿真結果。

圖4 雙閉環直接電流控制仿真結果

圖5 直接功率控制仿真結果

通過對比圖4和圖5可知，在換流系統最開始建立直流電壓的過程中，兩種控制算法的穩態所需要的建立時間基本相同，均為0.2s左右，但是雙閉環直接電流控制的超調量比直接功率控制要大很多。同時，當系統在0.5s時負載突變，雙閉環直接電流控制的直流電壓有一個明顯的下跌和恢復過程，直接功率控制算法對于這個擾動的抗干擾性則明顯優于雙閉環直接電流控制算法。

5 結論

本文首先簡單介紹了PWM換流系統的基本數學模型，在此基礎之上詳細的分析了雙閉環直接電流控制和直接功率控制的基本原理和控制系統結構，并利用對這兩種控制算法設計了各自相應的控制器，最后利用Matlab軟件對這兩個控制算法進行了仿真。文章通過從原理分析和仿真得出以下結論:

(1)雙閉環直接電流控制算法設計的換流系統控制器總共需要三個PI調節器而直接功率控制算法說設計的控制器僅需要一個PI調節器，由于PI調節器對系統參數較為敏感，因此，采用直接功率控制算法設計控制器相對比較容易。

(2)通過Matlab軟件對換流系統進行了模擬仿真，仿真結果表明直接功率控制在系統啟動過程中的超調控制和抗擾動能力明顯優于雙閉環直接電流控制。

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