簡述基于虛擬磁鏈的PWM整流器功率預測控制

許明夏 李賀

摘 要 本文提出一種新型的三相PWM整流器控制方法，使用模型預測控制（MPC）和空間矢量調制（SVM），是直接功率策略的一種改進。同時采用虛擬磁鏈觀測器，無須電壓傳感器的情況下可以進行電網電壓定向，相比于傳統的PI控制算法，模型預測控制算法更為簡單，且無須參數調節，在每個開關周期選擇最佳的開關狀態。在一個典型的三相PWM整流器工作的條件，包括正常電網、電網電壓突變和負載突變，對該方法進行了仿真，表明系統能夠實現單位功率因數運行且具有良好的抗干擾性能。

關鍵詞 PWM整流器;虛擬磁鏈;模型預測控制;直接功率控制

前言

在工業中，整流器得到普遍應用。其中，二極管整流器因價格低廉、結構簡單的特點，得到廣泛應用，同時也存在一些嚴重的缺陷：輸入電流嚴重畸變，有較大功率損耗且直流側電壓波動較大[1]。

針對這些缺點，產生了高頻PWM整流器。相比于其他整流器，具有直流側電壓波動小、交流側電流諧波含量小，并能夠控制有功和無功功率。

PWM整流器發展至今，產生了多種控制策略，如電流控制和直接功率控制（DPC）。相比于電流控制策略，直接功率控制可以更為直接的實現單位功率因數運行控制。然而，傳統的DPC控制策略使用功率滯環控制，需要較高的采樣頻率，而且存在開關頻率不固定的缺點。

本文采用一種改進的無須電網電壓采樣的直接功率控制策略，即基于虛擬磁鏈的模型預測直接功率控制。該方法使用了固定開關頻率的空間矢量調制（SVM），在每個固定的開關周期內，可根據功率和磁鏈估計，計算出下個開關周期最優開關狀態。同時，搭建仿真模型進行驗證。

1 PWM整流器控策略

1.1 虛擬磁鏈觀測器

根據虛擬磁鏈估計公式，可得：

（1）

式中Da、Db、Dc為三組橋臂的導通占空比;Udc為直流側電容兩端電壓，uα、uβ、iα、iβ分別為交流側電壓和電流在α、β軸的分量。

為了克服積分偏差，通常采用低通濾波器（LPF）的

取代積分器，將直流分量降低為原有的。本文采用了改進的虛擬磁鏈觀測器模型，徹底的消除直流分量影響，基本思路是在低通濾波器后級聯高通濾波器（HPF）進行補償，結構如圖1所示。

1.2 基于模型預測的PWM整流器控制

改進的電壓型PWM整流器（VSR）控制系統結構，如圖2所示。

與傳統的虛擬磁鏈定向直接功率控制算法結構相比，使用了基于模型預測的控制器取代PI控制器，無須調節參數，簡化了控制算法。同時，無需對電網電壓進行采樣，通過對相電流、直流側電壓采樣，并根據開關周期內的開關占空比估算虛擬磁鏈和功率。根據系統的虛擬磁鏈和功率估計值經過模型預測算法的計算，得出uα、uβ，再經過SVM模塊得出下一開關周期開關狀態。

由電路關系可以推導，瞬時功率的導數為：

（2）

根據以上方程，對前后兩個采樣周期的相電流、直流電壓的開關狀態進行采樣，可得有功和無功功率導數，進一步簡寫為：

（3）

式中k表示采樣次數。采用一階線性來估計下一開關周期的有功和無功功率，公式如下：

（4）

式中TS表示整流器的開關周期。

本文中選用常用的代價函數[2-3]如下：

（5）

式中pref和qref分別為有功和無功功率設定值。

當預測的有功和無功功率值與設定值無誤差時，代價函數為最小值，系統達到最優狀態。為使函數J為最小，令J對uα和uβ的偏導數為零，可得（uα，uβ）如下：

（6）

通過公式（6），便可在下一開關周期開始之前，就計算出整流器電壓矢量（uα，uβ），繼而通過SVM計算輸出控制開關狀態。

2 實驗結果與分析

搭建了10kVA整流器仿真模型，對基于模型預測直接功率控制方法，進行仿真驗證。平臺參數：功率10kVA，電網相電壓AC220V，整流直流電壓DC600V。

其中，圖3為電網A相的輸入電流，圖4為電流進行諧波分析，圖5為直流側電容電壓波形。

可以看出，輸入電流THD為4.5%，直流側電壓波動小于1V。通過仿真分析，驗證了基于虛擬磁鏈的模型預測直接功率控制PWM整流器具有較好控制性能[4]。

3 結束語

本文提出一種基于改進虛擬磁鏈的模型預測直接功率控制PWM整流器，簡化了控制系統，降低磁鏈估計誤差。通過仿真分析，該控制系統能夠實現PWM整流器單位功率因數運行，具有較好的抗干擾性。

參考文獻

[1] 張崇巍，張興.PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業出版社， 2003：203.

[2] 張星.一種能消除直流偏置和穩態誤差的電壓型磁鏈觀測器[J]，電工電能新技術，2006，25（1）：39-43.

[3] 馬宏偉，李永東，鄭澤東，等.一種PWM整流器的模型預測控制方法[J].電力自動化設備，2013，33（11）：21-25.

[4] Malinowski M，Jasinski M，Kazmierkowski M P. Simple direct power control of three-phase PWM rectifier using space-vector modulation （DPC-SVM） [J]. Industrial Electronics， IEEE Transactions on，2004，51（2）：447-454.