一種改進PWM型整流器直接功率控制

趙 輝，王 彪，王紅君，岳有軍

(天津理工大學天津市復雜控制理論與應用重點實驗室，天津300384)

一種改進PWM型整流器直接功率控制

趙 輝，王 彪，王紅君，岳有軍

(天津理工大學天津市復雜控制理論與應用重點實驗室，天津300384)

主要研究了一種新的基于SVPWM的三相電壓型整流器預測直接功率控制。這種預測直接功率控制以虛擬磁鏈為核心，省去了交流側電壓傳感器，同時解決了傳統的開關直接功率控制開關頻率不固定的缺點，繼承了傳統直接功率控制無需旋轉坐標變換，控制方案簡單明確的特點。并且與其他改進方案相比，也不需要加入PI環節或是電壓矢量定向環節。通過RT-LAB進行仿真，并與傳統的控制方案進行對比，突出新控制方案在改善THD和控制功率波動方面的優越性。

三相電壓型PWM整流器；虛擬磁鏈；預測直接功率控制；恒定開關頻率；RT-LAB

PWM型電力變換器因其諸多優點而越來越多得到了廣泛應用，如電機變頻調速，新能源發電并網等方面。PWM可實現功率雙向流動，電流諧波畸變率，高功率因數[1]。隨著研究的不斷深入，PWM必將成為一種廣泛應用的控制技術。

最近PWM有很多新的控制策略，盡管實現的主要目標大致相同，但是方式不同，它們的不同主要可從控制方案是用電流環還是功率環來區分。矢量控制(VC)是最常見的采用電流環控制的方法，性能穩定。但是矢量控制需要較為復雜的坐標旋轉變換，增加了系統的復雜程度，而且系統的動、靜態性能需要很大程度上依賴PI控制器的參數整定的準確性[2]。因此，近年來基于瞬時有功無功理論的直接功率控制(DPC)逐漸進入了人們的視野[3-4],在DPC中，沒有電流環，只是通過開關表直接進行功率調節，所以具有優異的功率控制性能。然而傳統的開關表直接功率控制(LUT-DPC)有開關頻率不固定的缺點。為了克服這一缺點文獻[5-8]提出了一系列的改進方案，文獻[5]提出了變結構滑模直接功率控制策略，通過變結構滑模控制器對功率誤差進行控制，再用SVPWM技術進行調制輸出期望的電壓。文獻[6]提出了功率前饋解耦的直接功率控制，實現了有關無功的解耦控制，但是引入這樣系統的動、靜態特性就依賴于PI環節的參數設置。文獻[7]提出了基于SVPWM的PI模糊直接功率控制，用模糊PI環節代替原來的PI環節，取得了一定的進步。文獻[8]提出了基于模型的預測直接功率控制(P-DPC),采用離散化的預測模型，設定一個指標函數，在下一個周期選擇使指標函數最小的開關狀態，不采用調制器，相對簡便，但是開關頻率只是限制在一定范圍內，還不能實現完全定頻。

本文研究了一種基于SVPWM技術的虛擬磁鏈預測直接功率控制，這種以虛擬磁鏈為核心的P-DPC可以實現固定開關頻率的直接功率控制。首先對三相電壓型PWM整流器進行建模，重點分析基于虛擬磁鏈的整流器數學模型，然后對基于此模型的預測直接功率控制原理進行推導，最后通過RT-LAB進行了對比仿真研究。

1 系統的數學模型

圖1為三相PWM整流器的拓撲結構。

圖1 三相PWM整流器的拓撲結構

圖2為兩相靜止坐標系中三相電壓型整流器向量形式的等效電路。圖2中為電網電壓矢量，為整流器交流側電壓矢量，為交流側電流矢量，為進線電抗器電感，為線路電阻，為直流側電抗。

圖2 兩相靜止坐標系下的等效結構

圖1的等效結構如圖2所示[9]，整流器的等效電壓方程可以寫成：

把式(1)通過等功率3/2坐標變換，變成兩相靜止坐標系下公式：

1.2 基于虛擬磁鏈數學模型

為了減少電網側交流電壓傳感器，可通過電網虛擬磁鏈來估計瞬時有功和無功功率，可提出基于虛擬電網磁鏈的三相PWM整流器的直接控制策略，虛擬磁鏈的概念由虛擬電機引出,可將電網側電源看作一個虛擬的交流電機[9]。其中,R和L可分別視為虛擬電機的定子電阻與定子漏感。如圖3是虛擬磁鏈與電網電壓的關系。虛擬磁鏈滿足，如果在穩態狀態下，并且忽略微分的部分，于是式(3)可以寫成：

虛擬磁鏈的估算滿足下面的估算公式：

其中：

圖3 虛擬磁鏈和電壓的關系

2 基于SVPWM的P-DPC的推導

對于式(2)所示PWM的數學模型如果忽略電阻的影響，可表達為：

采用離散化的表達式為：

把式(9)帶入式(7)中得到：

由于控制目標是：在下一個采樣周期讓有功無功等于設定的目標有功無功，則式(10)中下一個周期的功率可以被代替成為：

把式(11)帶入式(10)并作變形可得到：

由式(13)可得到式(12)可推導成為：

在將簡化后的式(4)式(5)帶入式(14)有：

圖4 RT-LAB系統分割圖

圖5 RT-LAB觀測系統結構圖

圖6 RT-LAB控制系統結構圖

3 基于RT-LAB的仿真結果分析

本次使用的 RT-LAB實驗平臺主要由HIL BOX和FPGA5142板組成，HILBOX主要模擬被控對象和控制方案，FPGA5142負責輸入輸出。首先在Matlab下建立離線仿真模型，然后按照RT-LAB的規則分割并封裝子系統，如圖4所示，添加了OpComm模塊的觀測系統如圖5所示，模型的主控制系統如圖6所示。RT-LAB會將Matlab模型自動編譯生成C代碼并下載到仿真器中。仿真的主要參數如下：電源電壓幅值為200 V，頻率為 50 Hz，交流側電感4 mH，直流側電容為4 700μF，直流側電阻為40 Ω，直流側給定電壓為500 V，開關頻率5 kHz。圖7為磁鏈形狀，磁鏈在短時波動后，穩態情況下磁鏈形狀為圓形，基本滿足要求；圖8是傳統的LUT-DPC控制策略的A相電流波形，分析結果為7.11%，圖9是改進P-DPC的A相電流波形，分析結果為1.67%，通過對比可知改進P-DPC的較小，其對電流的控制更好；圖10為P-DPC的直流側電壓輸出，在0.05 s后電壓穩定控制在500 V。

圖7 虛擬磁鏈圖形

圖8 LUT-DPC的A相電流

圖9 改進DPC的A相電流波形

圖10 改進DPC直流側電壓波形

4 結論

我們主要研究了一種基于SVPWM技術的虛擬磁鏈預測直接功率控制，這種預測控制以虛擬磁鏈為核心，省去了網側電壓傳感器，并且通過應用SVPWM技術改進了傳統直接功率控制中開關頻率不固定的缺點，與傳統方法(LUT-DPC)或是其他改進方法相比，無需旋轉坐標變換，也不需要加入PI環節或是電壓矢量定向環節。通過對比仿真研究，得出新方法在直流側電壓控制和輸出功率控制方面的表現都很優秀，從其優異的表現上看，這種直接功率控制技術將有著光明的工程應用前景和更深入的研究價值。

參考文獻：

[1]伍小杰，羅悅華，喬樹通.三相電壓型PWM整流器控制技術綜述[J].電工技術學報，2005，20(12)：7-12．

[2]AHMED I．Vector control of current regulated inverter connected to grid for wind energy applications[J]．International Journal of Renewable Energy Technology，2009，1(1)：17-28．

[3]MALINOWSKI M，JASINSKI M，KAZMIERKOWSKI M P.Simple direct power control of three-phase PWM rectifier using space-vector modulation[J].IEEE Trans on Industrial Electronics，2004，51 (2)：447-454．

[4] 王久和，李華德，李正熙．電壓型PWM整流器直接功率控制技術[J]．電工電能新技術，2004，23(3)：64-67．

[5]尚磊，孫丹，賀益康，等．三相電壓型逆變器變結構滑模直接功率控制策略[J].電力系統自動化，2010，34(14)：79-83.

[6]王久和，楊薇，李華德.功率前饋電壓型PWM整流器直接功率解耦控制[J].遼寧工程技術大學學報，26(2)：238-241.

[7]蘇宏升，景利學，袁超，等．基于模糊PI控制的SVPWM整流器直接功率控制研究[J].電源技術，2012，36(10)：1524-1526．

[8]CORTéS P，RODRíGUEZ J，ANTONIEWICZ P，et al.Direct power control of an AFE using predictive control[J].IEEE Trans on Power Electronics，2008，23(5)：2516-2523．

[9]趙振波，李和明，許伯強．基于虛擬磁鏈的PWM整流器數序模型及仿真[J]．華北電力大學學報，2003，30(1)：5-9．

A modified direct power control of PWM rectifiers

ZHAO Hui,WANG Biao,WANG Hong-jun,YUE You-jun

A novel predictive direct power control scheme of three-phase voltage rectifier based on SVPWM was presented.The predictive direct power control based on virtual flux can obtain a fixed switch frequency instead of variable switching frequency in conventional look-up table direct power control without AC voltage sensors,and it is still simple and clear implemented in the stationary reference frame directly. It does not need PI controllers or voltage-oriented controllers compared to other developed control schemes. The simulations using RT-LAB was made.The results show the excellence of the improving the current THD and controlling the power fluctuation of the novel scheme compared to the traditional control schemes.

three-phase voltage PWM rectifier;virtual flux;predictive direct power control;fixed switching frequency; RT-LAB

TM 422

A

1002-087 X(2015)04-0818-04

2014-09-10

天津市自然科學基金(10JCZDJC23100)

趙輝（1963—），男，天津市人，教授，主要研究方向為智能控制理論與應用，電力電子技術。