三相電壓型PWM整流器VOC與DPC比較研究

景利學

（甘肅省建筑設計研究院有限公司，甘肅蘭州730030）

1 引言

PWM整流器因具有單位或可調(diào)的功率因數(shù)、電能雙向流動、能有效抑制諧波等優(yōu)點而被稱為真正意義上的“綠色變流”裝置［1－2］。PWM 整流器在無功補償、有源濾波、統(tǒng)一潮流控制、超導儲能、高壓直流輸電、電氣傳動以及新型能源并網(wǎng)等領域有著廣闊的應用前景［3］。PWM整流器VOC是通過電網(wǎng)電壓矢量定向確定參考坐標系，控制交流側(cè)電流矢量與電網(wǎng)電壓同步旋轉(zhuǎn)，使其相位一致，以實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行［4］。DPC是通過分析整流器瞬時功率流向，對瞬時有功功率和瞬時無功功率進行實時跟蹤，以實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行［5］。本文對PWM整流器VOC和DPC算法進行綜合比較研究，得出了一些有參考價值的結(jié)論。

2 電壓型PWM整流器模型

2.1 電壓型PWM整流器VOC模型

電壓型PWM整流器主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電壓型PWM整流器主電路拓撲結(jié)構(gòu)

圖中 ea、eb、ec為三相對稱電源電壓；ia、ib、ic為三相線電流；Sa、Sb、Sc為整流器的開關函數(shù)，Sj定義為單極性二值邏輯開關函數(shù)。Sj（j＝a、b、c）＝1（上橋臂開關導通，下橋臂開關關斷），Sj（j＝a、b、c）＝0（下橋臂開關導通，上橋臂開關關斷）；Udc為直流電壓；R、L為濾波電抗器的電阻和電感；C為直流側(cè)電容；RL為負載；ura、urb、urc為整流器的交流側(cè)電壓；iL為負載電流。

三相PWM整流器在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的數(shù)學模型為［6］：

式中，urd＝SdUdc，urq＝SqUqc，urd和 urq是整流器交流側(cè)輸入電壓矢量在d、q軸上的分量。Sd、Sq分別為開關函數(shù)在d、q軸上的分量。

基于PWM整流器在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的數(shù)學模型，利用雙閉環(huán)解耦結(jié)構(gòu)，構(gòu)建VOC系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 電壓型PWM整流器VOC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 電壓型PWM整流器DPC模型

根據(jù)式（1）和式（2）可得整流器 DPC數(shù)學模型為［7］：

電壓型PWM整流器DPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由主電路和控制電路構(gòu)成。主電路包括交流電源、濾波電抗器、整流器、直流側(cè)電容和負載；控制電路包括交流側(cè)電壓電流測量和功率計算單元、扇區(qū)判斷單元、功率滯環(huán)比較器、直流電壓PI控制器和開關表。

圖3 電壓型PWM整流器DPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 電壓型PWM整流器系統(tǒng)仿真

3.1 電壓型PWM整流器VOC仿真

仿真中所取系統(tǒng)參數(shù)為：電源相電壓Um＝311V，直流側(cè)參考電壓Udcref＝650V，交流側(cè)電感L＝8mH，直流側(cè)電容 C＝500μF，額定輸出功率 PN＝15kW，開關頻率 f＝5kHz，濾波系數(shù) Tc＝0.0002；電壓環(huán) PI控制器參數(shù) KPU＝0.114，KIU＝15.126；電流環(huán) PI控制器參數(shù) KPI＝106.6，KII＝284.4。按上述參數(shù)在 Simulink環(huán)境下構(gòu)建PWM整流器VOC系統(tǒng)的仿真模型，所得仿真曲線如圖4所示。負載電流在0.08s反向，Udc出現(xiàn)較大的超調(diào)，0.1s后恢復至給定值，調(diào)節(jié)過程很快，約一個工頻周期。交流側(cè)電壓與電流相位相反，d軸電流id由正變負，而q軸電流iq仍保持為0，此時交流側(cè)功率因數(shù)為－1，系統(tǒng)工作于能量回饋模式。

圖4 電壓型PWM整流器VOC系統(tǒng)仿真曲線圖

3.2 電壓型PWM整流器DPC仿真

仿真中所取系統(tǒng)參數(shù)為：電源相電壓Um＝311V，直流側(cè)參考電壓 Udcref＝650，交流側(cè)電感 L＝8mH，直流側(cè)電容 C＝500μF，額定輸出功率 PN＝15kW，平均開關頻率 fav＝5kHz，濾波系數(shù) Tc＝0.0002，電壓環(huán) PI控制器參數(shù) KPU＝0.114，KIU＝15.126，瞬時有功功率滯寬Hp＝400W，瞬時無功功率滯寬Hq＝400Var。按上述參數(shù)在Simulink環(huán)境下構(gòu)建PWM整流器DPC系統(tǒng)的仿真模型，系統(tǒng)的仿真曲線如圖5所示。負載電流在0.1s反向，Udc出現(xiàn)較大的超調(diào)，0.1s后恢復至給定值。交流側(cè)電壓與電流相位相反，瞬時有功功率p由正變負，而瞬時無功功率q保持為0，此時交流側(cè)功率因數(shù)為－1，系統(tǒng)工作于能量回饋模式。

圖5 電壓型PWM整流器DPC系統(tǒng)仿真曲線圖

4 電壓型PWM整流器VOC與DPC比較

以仿真得到的波形數(shù)據(jù)為基礎，對電壓型PWM整流器VOC與DPC進行詳細的比較。

4.1 啟動過程

啟動過程實際上是交流側(cè)向直流側(cè)電容充電的過程，此時系統(tǒng)的各個物理量的變化都很劇烈，超調(diào)較大。對于VOC系統(tǒng)，充電過程的響應速度取決于對有功電流和無功電流的控制。由仿真波形可以看出，有功電流能夠快速地跟隨給定值，而無功電流的響應速度較慢，經(jīng)過3個周波才達到給定值。出現(xiàn)這個現(xiàn)象的原因是因為有功電流的給定值是直流電壓外環(huán)的輸出，為達到外環(huán)的控制效果，內(nèi)環(huán)的計算給定輸出變化范圍大，這樣使得有功電流的調(diào)節(jié)速度較快。無功電流的給定設置始終在0位，使得無功電流的響應速度較慢。由表1可知，兩種方案中對直流電壓的超調(diào)相差4%，VOC超調(diào)稍大，相反的，DPC系統(tǒng)有功功率和無功功率的超調(diào)均較大，且均大于VOC系統(tǒng)有功電流與無功電流。

表1 啟動超調(diào)量比較

4.2 直流側(cè)電壓紋波

DPC系統(tǒng)中滯環(huán)調(diào)節(jié)器類似比例調(diào)節(jié)器。當環(huán)寬足夠小時，其對有功和無功的控制精度高，對內(nèi)環(huán)的響應速度很快，反映在電壓外環(huán)上，其使穩(wěn)態(tài)下直流電壓仍然有波動。VOC系統(tǒng)采用坐標變換技術，使得交流量的控制轉(zhuǎn)換為直流量的控制，因此，直流電壓的紋波含量很少，電壓質(zhì)量較DPC系統(tǒng)高。

4.3 交流側(cè)電流諧波

交流側(cè)電流波形的正弦化程度是衡量控制策略優(yōu)劣的一項重要指標，這里選擇VOC與DPC運行于穩(wěn)態(tài)下的電流波形做FFT分析。由圖6可知，VOC系統(tǒng)交流電流諧波含量為 THD5＝0.21%，THD11＝0.19%，THD17＝0.097%，總電流畸變系數(shù)為THD＝0.38%，正弦化程度較高。DPC系統(tǒng)交流電流諧 波 THD5＝6.12% ，THD7＝5.61% ，THD11＝1.02，THD13＝0.87%，總電流畸變系數(shù)為 THD＝8.55%。由此可見，在穩(wěn)態(tài)情況下交流側(cè)的電流波形畸變方面，VOC系統(tǒng)諧波含量較小，優(yōu)于DPC系統(tǒng)。

圖6 電壓型PWM整流器VOC和DPC的FFT分析

4.4 跟蹤與抗擾性

VOC跟隨給定過程迅速，過渡過程大概有2個工頻周期，有功電流響應曲線也良好，且精度較高，而無功電流始終保持為0。DPC系統(tǒng)對給定也呈現(xiàn)良好的跟隨性，但隨著給定值的增大，直流電壓紋波也增大，波形變得粗糙，在一定程度上限制了其調(diào)節(jié)范圍。對于擾動，兩個系統(tǒng)都呈現(xiàn)良好的抗擾性。

5 結(jié)束語

通過對PWM整流器VOC和DPC算法進行綜合比較研究，得出了有一定參考價值的結(jié)論。電壓型PWM整流器VOC控制策略具有開關頻率固定、調(diào)制方案靈活、采樣速率要求較低等優(yōu)點，同時它具有坐標變換計算復雜、解耦算法計算量大、控制器參數(shù)依賴于電路參數(shù)等不足。DPC控制策略具有無特殊PWM算法、無電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)、棒棒控制、動態(tài)性能好、魯棒性強、靜止坐標變換等優(yōu)點，同時具有開關頻率不固定、直流電壓紋波大、需要較高采樣頻率才能使得交流電流波形正弦化等不足。