三相電壓型PWM整流器的新型直接功率控制

郭旭剛， 王蘇敬, 孔龍飛， 王志良， 陸　陽

(中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京100081)

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三相電壓型PWM整流器的新型直接功率控制

郭旭剛， 王蘇敬, 孔龍飛， 王志良， 陸陽

(中國鐵道科學研究院機車車輛研究所， 北京100081)

為了改善傳統直接功率控制無功功率不可控和交流側輸入電流畸變的弊端，重新對功率比較誤差細化分析，在Matlab/Simulink環境下，搭建了基于三狀態開關表直接功率控制系統的仿真模型，采用功率PI環代替了傳統滯環比較器。仿真和試驗結果表明，改善后的DPC系統對無功和有功都有良好的控制能力，使電網的輸入電流更接近于正弦波，中間直流電壓及功率紋波系數低，系統的性能得到了有效改善。

開關表； 整流器； 直接功率控制(DPC)

由于PWM整流器具有能量雙向流動、恒定直流電壓控制、低諧波輸入電流、小容量濾波器及高功率因數的優點，故被廣泛應用于高鐵牽引控制系統中。然而直接功率控制(DPC)與傳統的直接電流控制相比具有結構和算法簡單、無PWM調制模塊、高功率因數、低諧波、動靜態性能良好等優點。文獻[1]將滑模控制理論和脈寬調制模塊結合，雖實現定頻控制，但是系統控制參數較多，控制復雜。文獻[2]中進行開關表優化，采用雙開關表進行控制，但是會引入控制開關信號次諧波。本文采用易實現的PI控制器代替滯環比較器，通過對功率比較誤差重新細化分析，構建新的三狀態開關表對系統進行控制。

1　電壓型PWM整流器的直接功率控制

三相電壓型DPC系統結構如圖1所示，主要由主電路和控制電路組成。主電路包括交流回路、整流橋電路以及直流回路；控制電路包括直流電壓外環和功率內環(包括交流電壓電流測量電路、直流電壓檢測電路、3/2 變換、功率估算器、扇形劃分器、功率滯環比較器、開關表)組成。

1.1瞬時功率計算

交流電壓電流測量電路檢測到的ua，ub，uc，ia，ib，ic，經過3/2變換后得到uα，uβ，iα，iβ可由(1)式計算瞬時有功和無功功率的估計值p、q。

(1)

1.2功率滯環比較器

計算瞬時有功和無功功率的估計值p、q與給定值比較后的功率比較誤差信號送入功率滯環比較器，得到開關信號Sp,Sq，如公式(2)；優化的開關表采用三狀態開關信號，如公式(3)。

圖1　傳統開關表直接功率控制框圖

(2)

(3)

1.3扇區的選擇

由uα,uβ通過下式計算可得θn值，并計算得到扇區值[4]：

(4)

1.4改善后系統控制框圖

由于傳統開關表(表1)有很多缺陷，對其進行改善后三相電壓型DPC系統結構圖如圖2所示，與圖1相比不同之處就在于改善后的系統采用三狀態開關表和簡單的PI功率內環，省去滯環比較器，通過編程比較容易實現。

1.5開關表

直流電壓外環PI調節器的輸出與直流電壓的乘積確定pref，為實現單位功率因數，qref設定為0。然后根據確定的Sp、Sq、θn狀態在開關表中選擇所需的Sa、Sb、Sc去驅動主電路開關管[3]。

表1　傳統開關表

圖2　改進后的直接功率控制框圖

2　開關表形成原理

在傳統直接功率控制系統中，為了使系統更為簡單，對形成開關表1[4-5]中功率比較誤差考慮不周全，系統性能欠佳。為了改善此情況，將功率比較誤差重新細分，通過式(3)重新定義Sp、Sq與功率比較誤差之間的關系。

將功率比較誤差細分后會出現9種可能情況，其在扇區內電流合成矢量[6-7]見圖3，假設電壓矢量位于第1扇區。

由三相電壓型PWM整流器數學模型[4]可知，在忽略電阻R的系統模型如下：

(5)

其中i-1，1表示Sp=-1，Sq=1 ，9種可能情況依次類似。以i-1，1為例，表示當前兩功率都偏大，根據Sp，Sq以及矢量所在扇區號，選擇合適電壓矢量對系統進行控制。當電流合成矢量在i-1，1附近時，最理想的電壓矢量選擇圖3中點劃線矢量，但是綜合7種交流側電壓矢量，只有V6矢量更接近理想狀態。以此推導出三狀態開關表，如表2。

圖3　功率比較誤差電流合成矢量圖

3　對比仿真驗證及分析

3.1傳統開關表仿真結果及分析

在傳統開關表1中，當Δp≥HP時，為了減少了開關通斷次數大量選擇了零矢量，由于零矢量的無功調節能力差，則無功調節受到影響。傳統開關表忽略了電感上的壓降，當負載突變時，無功功率失控現象就更為明顯。由圖7可以看出負載突變前后無功q都出現了不可控現象，電流ia波形的正弦度和平滑度較差，負載突變后Udc、ia、p、q波形較差。圖7可以看出負載突變前后a相電流諧波畸變率(THD)由5.09%變為9.03%，電流畸變明顯,突變前諧波主要集中在5，7，11，13次，突變后諧波主要集中在5次和7次，頻率響應幅值(Mag)也由3%左右增大到6%左右。

表2　3狀態開關表

圖4　傳統開關表Udc仿真波形

圖5　傳統開關表a相電壓電流仿真波形

圖6　傳統開關表瞬時有功無功仿真波形

圖7　傳統開關表a相電流諧波分析

3.2三狀態開關信號開關表仿真結果及分析

由圖8～圖11可以看出，與傳統開關表波形相比，優化的三狀態開關表電流ia波形的正弦度和平滑度較好，負載突變前后有功、無功及中間直流電壓不可控也得到改善，功率及中間直流電壓紋波系數明顯低于前者，系統5次和7次諧波頻率響應幅值(Mag)也明顯下降到1%左右。由于有功功率和無功功率是耦合的，有功功率也有明顯的改善。

因為查表式的直接功率控制開關頻率不固定，由圖12可以看出傳統開關表平均開關頻率為6.9 kHz，改善后的三狀態開關表平均開關頻率為5.7 kHz，平均開關頻率有所較低。

4　實驗驗證

為了驗證三狀態開關控制策略的可行性，實驗采用的主要參數：電網線電壓380 V，交流側濾波電感5 mH，直流電壓為600 V，直流側支撐電容3 mF。圖13是穩態時傳統開關表a相電壓電流實驗波形，圖14為穩態時改善開關表a相電壓電流實驗波形。

圖8　三狀態開關表Udc仿真波形

圖9三狀態開關表a相電壓電流仿真波形

圖10　三狀態開關表瞬時有功無功仿真波形

圖11　三狀態開關表a相電流諧波分析

圖12　驅動信號(平均開關頻率)

從上述試驗波形圖13～14可以看出，采用三狀態開關控制策略是可行的，改善前電流THD=10.4%；改善后降低為THD=3.2%，穩態運行時電流畸變率明顯變小，試驗結果與仿真結果相符。

5　結　論

通過對PWM整流器傳統直接功率控制的理論推導，分析研究了直接功率控制系統開關表的形成，研究了三狀態開關控制量的直接功率控制方案。對比仿真結果可以看出此控制方案與傳統直接功率控制方案相比有效改善了無功功率不可控的情況，降低了交流側輸入電流的畸變率，整個系統的性能得到有效改善，同時具有較快的動態響應，仿真和實試結果都驗證了此控制方案的可行性與正確性。

圖13　傳統開關表線電壓、相電流試驗波形

圖14　改善后線電壓、相電流試驗波形

[1]李生民,何歡歡,張玉坤,鄭元.基于滑模變結構的雙饋風力發電機直接功率控制策略研究[J]電網技術: 2013，37(7):2006-2010.

[2]黃晶晶;張愛民;陳曉菊;張杭;王建華. 三相電壓型PWM整流器雙開關表直接功率控制策略[J].電力系統自動化:2012，36(18):128-132.

[3]張興, 張祟巍.PWM 整流器及其控制[M]北京:機械工業出版社,2012.

[4]Toshihiko Noguchi, Hiroaki Tomiki.Direct Power Control of PWM Converter Without Power-Source Voltage Sensors[J]. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIO5S: 1998, 34(3):473-479.

[5]韓愚拙;林明耀;郝立;駱皓.電壓型PWM整流器三狀態直接功率控制策略[J].電工技術學報:2013，28(5):208-212.

[6]陳偉,鄒旭東等.三相電壓型PWM 整流器直接功率控制調制機制[J].中國電機工程學報:2010，30(3):35-41.

[7]刁統山;王秀和. 永磁感應電機直接功率控制[J].電機與控制學報:2013，17(4):12-18.

Modified Direct Power Control System of Three Phase Boost Type PWM Rectifier

GUO Xugang, WANG Sujing, KONG Longfei, WANG Zhiliang, LU Yang

( Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

The study analyzed the traditional direct power control (DPC) strategy, and the uncontrollable reactive power will increase the input current waveform's harmonics. In order to improve the control of the reactive power，in Matlab/Simulink environment，a modified direct power control system simulation model based on switch table with three state is built, and the simple PI control is used in the inner loop instead of the traditional hysteresis comparator in the classical DPC．Simulation and experimental results show that the modified DPC system has a good control capability of the active and reactive power，the input current is more sinusoidal, and the output of DC voltage ripple is lower．

switch table;PWM rectifier,;direct power control(DPC)

1008-7842 (2016) 01-0055-05

??)男，研究實習員(

2015-02-27)

TM461

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.14