三相電壓型PWM整流器直接功率控制策略研究

邱瑞生

摘要：針對傳統電壓定向型直接功率控制（VO-DPC）系統關頻率不固定、控制滯后等問題提出了一種基于模型預測的直接功率控制（MP-DPC）策略，這種控制策略使用模型預測控制器來代替滯環比較器，提高了系統響應，這種控制策略還與空間矢量調制技術（Space Vector Pulse Modula-tion，SVPWM）結合使用，以電源電壓的平均電壓矢量作為整個控制過程的基矢量，進行電壓空間矢量調制控制，同時，這種方法使DPC系統的結構更加簡單，降低了設計難度，最后通過仿真實驗進行對比分析，驗證本文所提方法的可行性和有效性。

關鍵詞：PWM整理器；直接功率控制；模型預測控制；Space Vector Pulse Modulation

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.017

中圖分類號：TM461

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2016）06-0090-05

0.引言

整流器作為電力電子裝置中交一直流變換的重要組成部分，在各個領域都具有廣泛的應用，從20世紀80開始，國內外很多研究人員針對PWM整流器不同的控制策略做出很多的努力，但是較為成熟而且應用最廣泛的控制策略是電網電壓控制和直接功率控制，一般情況下，PWM整流器主要有兩個控制方向：①保證輸出直流輸出電壓與系統給定的參考一致，并且不受外界影響；②確保PWM整流器在單位因數下運行，為了確保得到相應的輸出電壓，幾乎在所有的PWM整流器控制策略中，都采用電壓外環控制，與此同時根據不同的控制策略還會采用相應的內環控制，由此構成了一個雙閉環控制系統.PWM整流器控制策略中的內環控制主要是由被控對象決定，根據被控對象的不同，可以把控制策略分為電壓矢量定向和虛擬磁鏈矢量定向控制兩大類。

隨著對PWM整流器結構研究的不斷深入，世界各國學者針對不同問題相繼提出一系列的控制策略，Lee為了簡化信號檢測所提出的無電網電動勢傳感器控制策略，Green利用PWM整流器的輸出電流對逆變器的網側電流進行重構，這種方法為無交流電流傳感器的PWM整流器研究奠定了基礎，Hasan等為了解決PWM整流器在大范圍內的穩定性問題，利用整流器系統中電感和電容的關系，建立了Lyapunov函數，Moran等認為PWM整流器交流側電流的畸變是由電網的負序分量引起的，并提出了在三相電網不平衡條件下的交流側電流和直流側電壓的時域表達式，Vincenti等提出一種正序dq旋轉坐標系下的前饋控制策略，由于系統所采用的PI控制無法實現無靜差控制，會使負序分量重出現2次諧波，所以這種控制策略無法完全消除負序分量的影響，Song等針對這種情況，對Vincenti所提出的方案進行改善，提出一種基于同步旋轉dq坐標系下的正序和負序兩套獨立的控制方案，這樣就可以通過PI控制器實現無靜差控制，因此這是理論完善的控制方案，數學模型的搭建是PWM整流器控制策略研究的重要理論基礎，Green所提出的PWM整流器坐標變換數學模型，降低了建立控制策略數學建模的難度，Rim等人搭建了PWM整理器坐標變換的低頻等效模型，Mao H在前人學者研究的基礎上提出了一種降階小信號數學模型，簡化了PWM整流器的數學模型和特性分析過程，我國學者史偉偉等建立了基于狀態空間平均法的PWM整流器主電路等效數學模型，為系統設計提供了重要的理論依據，本文針對三相電壓型PWM整流器的控制策略，提出了一種基于模型預測的直接功率控制策略。

1.傳統VO-DPC控制系統

采用VO-DPC系統的三相電壓型PWM整流器的系統結構如圖l所示。

圖1中的控制系統包括直流電壓外環和功率內環，主電路包括：交流電壓電流檢測電路、濾波電感、功率開關管、直流側電容和負載組成，工作原理：系統通過交流側的電壓電流檢測電路檢測出電流電壓U_{a、Ub、Uc。和交流電流ia、ib、ic讓后將這6個變量經坐標變換變換到兩相靜止αβ坐標系或兩相旋轉dq坐標系下的變量Uα、Uβ、iα、iβ或者Ud、Uq、id、iq然后得到該坐標系下的瞬時有功功率p和瞬時無功功率q，然后將瞬時功率送到滯環比較器中，通過與系統給定的瞬時功率參考值作比較，得到相應的輸出量Sn。和Sq，與電源電壓矢量位置劃分θn共同確定開關矢量表中相應的開關信號Sa、Sb、Sc，通過對功率開關管的導通與關斷時間的控制對瞬時功率與直流輸出電壓進行控制.其中，瞬時有功功率由直流電壓外環的PI控制器輸出與直流電壓確定，瞬時功率設定為O。}

2.模型預測控制算法研究

基于模型預測直接功率控制系統的三相電壓型PWM整流器系統結構框圖，如圖2所示。

3.實驗驗證

本文在matlab/simulink中搭建三相電壓型PWM整流器VO-DPC策略系統與MP-DPC策略系統的仿真模型，通過對仿真結果進行對比分析，來證明本文所提出方法的可行性以及有效性。

3.1系統穩態時交流側電壓電流波形

兩種方法的系統仿真模型的輸入均為220V交流電壓，輸出為700V直流電壓，圖3為直流輸出側穩定后交流側A相電壓和電流。

圖3可見，這兩種控制方法電壓和電流的相位均相同.因此，這兩種方法均可以達到在單位功率因數下運行的目標，由于VO-DPC策略系統開關頻率不固定，導致電流諧波形范圍增大，波形波動較大，圖4為兩種控制策略的傅里葉分析，從圖中可以看出，采用電壓定向型直接功率控制策略的PWM整流器的電流畸變率高達35.96%，而采用MP-DPC策略的PWM整流器電流畸變率只有5.67%，電流波形得到了很好的改善。

3.2系統穩態時瞬時功率波形

本文針對PWM整流器的兩種DPC策略進行研究，這兩種策略都是以瞬時有功功率和瞬時無功功率作為控制目標，因此有必要針對功率進行仿真分析，圖5為系統穩態時兩種策略瞬時功率波形，從圖中可以看出，瞬時有功功率與無功功率均在系統所給定參考功率附近波動，有功功率在12kW附近波動，無功功率在0附近波動.通過比較可知，采用MP-DPC策略的功率波形波動較小，穩定性更好。

3.3系統穩態時直流電壓波形

兩種控制策略的直流輸出電壓參考值都為700V，圖6為兩種控制策略的直流電壓輸出波形，從圖中可以看出，兩種控制策略都具有較好的電壓跟蹤效果，但是采用模型預測直接功率控制策略的輸出電壓的偏差較小，波形的波動更小一些，因此電壓跟蹤效果更好。

4.結語

通過本節仿真分析可知，兩種控制策略均可以達到單位功率因數運行的目標，且電壓跟蹤效果良好，但是與VO-DPC相比，MP-DPC策略不但能夠固定系統開關頻率，輸入交流電流畸變率低，而且系統仿真波形波動較小，穩定性能良好。