功率補償電壓型PWM整流器在直流電網中的應用

摘 要：電能高效無污染的利用，是全球長期追求的指標之一，變流裝置綠色化尤為重要。ABB公司創新設計船載直流電網，將船舶能效提升20%左右，并將電氣設備的占地面積和重量減少30%左右，所產生的電力直接饋入或通過整流器將電能分配給船上用電設備的公共直流匯流排。此系統可用于高達20MW的船舶電氣應用并運行在額定電壓1000VDC，直流側穩定性。本課題建立整流器VF-DPC模型，引進了虛擬磁鏈觀測的方法和SVPWM控制，利用智能控制在線尋優，實現了電網能量的雙向傳輸、單功率因數、諧波濾波和直流電網交流側電流正弦化。

關鍵詞：整流器VF-DPC模型；虛擬磁鏈觀測；SVPWM控制；智能控制

1 直流電網的發展現狀

直流電網較交流電網具有以下幾個優點：減少燃油損耗；磨損更小；簡單省時；快速響應，系統無需同步；噪聲更輕，震動更小；更加環保。

直流電網較交流電網具有以下幾個缺點：直流電網價格高；斷路器的設計要求高；無功補償量大；維護費用高；諧波干擾，需要較好的濾波器。

因此現階段直流電網被應用于船載直流電網，某些小型的供電系統，具體大電網應用直流電網還需要一定的技術發展。文章研究能量雙向流動的VF-DPC電壓型整流器，確保了直流側電壓的穩定性，確保了交流側電流正弦化，同時虛擬磁鏈有效的抑制了諧波，對直流電網的發展有著重要意義。

2 電壓型PWM整流器的拓撲結構

圖1為三相電壓型主電路拓撲結構，是半橋電路。而三相全橋會比三相半橋更適應于電網不平衡的條件，硬件成本高。但是由于本課題在電網平衡條件下研究，所以采用三相半橋電路。這里用IGBT，原因：第一，二極管整流，對電網造成了“污染”；第二，諧波大，對于晶閘管。

3 三相電壓型PWM整流器的工作原理

整流器交流側輸入認為是三相正弦電流。而直流側的電容起到穩壓作用輸出呈直流電壓源特性。其單相交流側等效電路如圖2所示。

功率開關管橋路以及直流回路組成當不計功率開關管橋路損耗時，由交、直流側功率平衡關系：

由于所加載的電阻R較小，則基本可以忽略，則

方程（2）中e是由電網電壓決定的，VL恒定相位超前電流iA的相位？仔/2。

PWM整流器的四象限運行，可以用來控制交流側電壓和交流側的電流，通過反饋控制來網側電流。

4 三相電壓型PWM整流器的直接功率控制

直接功率控制主要是控制有功功率和無功功率，VOC，電流矢量的幅值以及相位，間接控制有功無功功率，從而控制輸出端電壓。

DPC與VOC的區別：DPC是基于電機直接轉矩控制的方法轉換而來，并非是把功率換算成電流去實現電流內環控制，而是PWM整流器輸出的瞬時有功無功功率作為控制量實現的直接功率閉環控制。文章主要研究比較先進的VF-DPC系統。利用坐標變換將3S/2S電壓電流瞬時值變換成兩相正交坐標系。其中的clark、park和ipark坐標變換這里不作過多介紹。

瞬時功率理論與仿真模型如下：

從式3中可以看出來，瞬時有功功率和瞬時無功功率的變化與交流側電感能量有著密切的關系。在從式3中觀察，可發現無功功率與d沒有關系，也就是與直流側能量不傳遞，但是可以看出來有功功率在整流器的交直流側進行雙向能量流動，形成了功率環，確保了直流側電壓的穩定性，體現了整流器的非線性控制優越性。

虛擬磁鏈的瞬時功率估算模型，利用虛擬磁鏈估算模塊省去了電壓傳感器。其中的SA，SB，SC是開關矢量表開關函數信號，其中的Udc是由電壓傳感器直接測量而得。電流則是由電流傳感器測量而得，經過clark變換成？琢？茁坐標系而得。虛擬磁鏈的輸出為瞬時有功功率和瞬時無功功率的觀測值也即為實際值。

5 仿真模型和仿真結果

電壓型PWM整流器VF-DPC系統框圖可以在參考文獻中查閱，不再附圖。根據系統框圖在simulink中建立模型。并在直流電網模型中運行該模型，其直流側電壓仿真結果如下：

從圖3可以得出，在剛啟動空載時波形有了大的超調量但是能夠保持電壓的穩定性，在0.2s突加負載的時候直流側電壓在負載的沖擊下突然減小，隨后繼續保持穩定在1000V。

從圖4可以得出，當加入100電阻時，啟動瞬間整流器處于整流狀態，瞬時有功功率和無功功率同時減小，無功功率轉化為有功功率，同時向直流側傳輸，在0.05S的時候達到穩定。

利用神經網絡工具箱，粒子群算法，BP算法和模糊專家控制對數據參數進行在線優化，可以優化波形的超調量和響應時間。

6 結束語

文章驗證了電壓型PWM整流器VF-DPC系統在直流電網中的仿真應用，并用神經網絡進行分析在線尋優，參數得到了優化。此綠色整流器符合預期，利用智能控制對直流電網工業應用有著重要的意義。

參考文獻

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