基于PWM整流器直接功率控制策略的研究

馮澤文

（貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550008）

0 引 言

三相電壓型PWM整流器因具有高功率因數、能量雙向流動、輸入測電流諧波小等優點，在很多領域得到了廣泛應用，如靜止無功補償、有源電力濾波以及高鐵動車牽引系統等方面。同時，有很多關于三相電壓型PWM整流器的控制算法，如直接電流控制、直接功率控制、預測功率控制以及滑模功率控制等[1-3]。

直接功率控制（DPC）采用電壓外環、功率作為內環的雙環控制，用開關表實現PWM整流器輸入側高功率因數運行，輸出側直流電壓穩定輸出[4-5]。和直接電流控制相比，直接功率控制具有不受坐標變換影響、算法簡單、易實現、動態性能良好的特點。

本文采用三狀態開關滯環比較器，重新劃分扇區，設計出新的開關表進行控制。與傳統DPC控制方法相比，本文研究的控制方法改善了交流側電流諧波和系統的動態特性，解決了無功功率失控區的問題。

1 PWM整流器直接功率控制系統

根據瞬時功率理論，u為電壓空間矢量，i為電流矢量，q為無功分量，p為有功分量。將u和i用復數表示為：

由于在PWM整流器的DCP系統中u和d軸重合，所以由式（1）可得有功功率和無功功率：

傳統的開關表采用兩狀態的滯環比較器。設定P滯環的閾值Hp，Δp=pref-p，0＜Δp＜Hp，SP=1，有功功率向增加的方向調節，直到Δp＜-Hp、SP=0，有功功率才會向減少的方向調節。在-Hp＜Δp＜Hp，SP不變，沒有調節功能。在傳統開關表中SP=1時，使用零矢量（U0（000）、U1（111）），導致無功功率存在失控區[6]。由于存在失控區，系統的交流側交流電流諧波含量會很大。

2 三狀態開關表的DPC系統

為了解決無功功率失控區，本文研究三狀態開關表的DPC策略。新的開關表結構如圖1所示。

本文采用有功功率的三狀態滯環比較器進行控制，輸出如下：

圖1 三狀態開關表的DPC策略結構框圖

式中，當Δp＜-Hp即有功功率大于給定功率時，需要對有功功率向減小的方向調節；當-Hp＜Δp＜Hp時，有功功率與給定功率之間相差一定的范圍，可以對有功功率向減少或增加的方向調節；當Δp＞Hp時，有功功率向增加的方向調節，解決無功功率的失控區，減小系統交流側交流電流的諧波含量。

開關矢量的選擇如圖2所示。

圖2 開關矢量的選擇

如圖2所示，設電壓矢量u與id軸同向。u-Ui矢量在id軸或iq軸的分量與Δp或Δq相關。由式（2）和Δp=pref-p、Δq=qref-q可知：若在id軸分量大，則說明Δp減小，反之則Δp增大；若在id軸分量大，則說明Δq減小，反之則Δq增大。根據上述分析可知，U1（100）、U6（101）都使Δp增大，有功功率減小；U2（110）、U3（010）、U4（011）、U5（001）都使Δp減小，有功功率在增加；U1（100）、U2（110）、U3（010）都使Δq增加，無功功率增加；U4（011）、U5（001）、U6（101）都使Δq減小，無功功率減小。以第一扇區為例，Δq減小，無功功率減小，就要選擇U4（011）；Δq增加，無功功率增加，就要選擇U3（010）。新的開關表如表1所示。

3 仿真結果及對比分析

仿真參數：輸出電壓UDC=300 V，負載RL=60 Ω，輸入電壓幅值Um=100 V、頻率f=50 Hz，輸入電阻R=0.3 Ω，電感L=0.003 H，電容C=1 000 e-6F。外環的PI參數：比例系數Kp=0.3，積分系數Ki=30。

由圖3、圖4可知，采用三狀態開關的DPC系統輸入電壓和電流同相位，波形的正弦度更好；由圖5、圖6可知，解決了無功功率的失控區，系統的無功功率波形得到明顯改善，有功功率波形也改善明顯。

表1 三狀態開關表

圖3 傳統DPC系統的輸入電壓電流波形

圖4 三狀態開關下系統的輸入電流THD波形

圖5 傳統DPC系統的有功功率和無功功率波形

4 結 論

通過理論分析，傳統的三相電壓型PWM整流器的直接功率控制采用兩狀態開關的滯環比較器，無功功率存在失控區，輸入端電流諧波含量大。采用三狀態開關的滯環比較器，通過理論分析和仿真驗證，解決了無功功率的失控區的存在，減少了輸入端電流的諧波含量，同時改善了系統的動態特性。仿真實驗驗證了三狀態開關的DPC控制方案的正確性。