基于PSCAD的SVPWM變流器閉環控制仿真研究

郭亞森

【摘 要】介紹了d-q坐標系下的前饋解耦控制策略，并在分析SVPWM控制策略與控制算法的基礎上，基于PSCAD仿真軟件對三相電壓型SVPWM整流器進行了仿真分析。結果表明此方法可以實現整流功能，證明了仿真的正確性。

【關鍵詞】SVPWM；閉環控制；控制算法；PSCAD；整流器

Simulation of SVPWM Closed-loop Converter Control System Based on PSCAD

GUO Ya-sen

（Southeast University college of Electrical Engineering， Nanjing Jiangsu 211189， China）

【Abstract】This paper analyzes the feed forward decoupling control strategy under d-q coordinates at first. Then bases on the further analyzing of SVPWM control strategy and control algorithm， it has carried on the simulation analysis of three-phase voltage type SVPWM rectifier based on PSCAD simulation software. The simulation process has also been introduced detailed. Finally， the simulation results show that this method can realize the rectifier function and prove the validity of experiment.

【Key words】SVPWM；Closed-loop control；Control algorithm；PSCAD；Rectifie

0 引言

經濟的飛速發展為電力事業帶來了嶄新的機遇，微處理器技術不斷推崇出新，涌現出了多種新型的整流器控制技術。SVPWM整流控制技術相比較于傳統的PWM整流技術具有諸多優點，可以實現功率因數的可調、能量的雙向流動。隨著技術研究的不斷深入，現已廣泛應用于變頻調速、新能源發電等領域[1-3]。

SVPWM的全稱為空間矢量脈寬調制技術，首先選定以交流側三相對稱電壓所產生的旋轉磁場圓作為參考標準，然后令不同的開關模式下所產生的實際磁通對參考圓形磁鏈進行追蹤，從而形成PWM波形。在分析整流器基本拓撲模型的基礎上，選取適當的目標參數，結合比例積分調節原理，運用同步相位角的控制方法，可以得到基于空間矢量的SVPWM整流控制策略[4-5]。

本文的主要內容為，簡述d-q坐標系下的前饋解耦控制策略，并將其融入到三相電壓型SVPWM的整流系統中，最后通過PSCAD仿真軟件對其進行了仿真分析研究。

1 SVPWM的控制策略

1.1 d-q坐標系下前饋解耦控制

本文采用的控制策略基于d-q坐標系，其相對于a-b-c坐標系下具有更高的動靜態性能，具體對比研究本文不在贅述。主要針對電壓型整流器開展研究，將這種整流器簡稱為VSR（Voltage Source Rectifier）。對三相VSR的控制系統進行分析發現，雙閉環控制系統在其中可以起到良好的控制作用，主要包括電壓外環控制與電流內環控制。電壓外環所起到的主要作用為控制直流側的電壓，電流內環則根據電壓外環輸出所得到的反饋電流進行進一步的電流控制。

三相VSR的d-q模型可以描述為：

由上式（3）可得，若將v'與vq'作為等等效控制變量，d軸與q軸不受相互影響，可實現獨立控制，降低了控制的復雜性。通過引入電流狀態反饋參量（ωLi、ωLi）和電網電壓參量（e、eq），可以實現輸入電流解耦，提高系統的動態性能，此種方法即為前饋解耦的控制策略。

v'與vq'作為等效的控制變量，可由電流內環的PI調節器進行輸出，如下所示：

由此，可以畫出如下圖1所示的控制結構[6-8]。

對圖1控制結構進行簡化，可以分別得到d軸與q軸的等效簡化控制結構。以d軸為例，進行簡化計算，可以得到如下圖2所示的d軸簡化控制結構。

1.2 基本空間電壓矢量

如下圖3所示為三相VSR的主電路圖。ek（t）（k=a，b，c）為電網電動勢瞬時值；L為交流側電感；R為交流側等效電阻；C為直流電容；vdc為直流電壓；idc、iL為直流側輸入與輸出電流；Sk，S'k（k=a，b，c）為全控型開關器件；RL為直流側負載；eL為直流側電動勢；N為參考地。

上圖3中每一相橋臂相對應的兩個開關以“互補”的方式進行工作。在某一時刻，若上側管導通，則與之相對應的下側管需斷開。此時，為了統計計算方便，可以將每相橋臂的工作狀態分為上側導通與下側導通兩種。由于每相有兩種開關模式，共分為三相，很容易計算出三相PWM整流器共有23=8種模式，可以如下式所示定義開關函數：

Sk=1上通， 下斷0下通， 上斷（k=a，b，c）

對三相VSR交流側相電壓進行轉換至復平面中，可以進一步得到下圖4所示的SVPWM空間矢量圖。

三相VSR交流側的電壓值均可以由上圖4中的8個電壓矢量合成表示出。這8個電壓矢量包括6個非零矢量與2個零矢量，其中非零矢量的幅值為2Udc/3，U0（000），U7（111）由于模為零定義為零矢量。當用這8個電壓矢量去向電壓圓逼近時，可以在輸入端獲得一相應的三相正弦電壓波。由此分析得出，任一電壓矢量均可以由相對應的開關組合進行表示。

計算分析所得電壓空間矢量如下：

若假設交流側電壓u，u，u分別為對稱的正弦電壓，且角頻率為ω。此時，從上式可以明顯的看出，空間電壓矢量的模值是交流側正弦電壓相電壓峰值，沿逆時針方向勻速旋轉，角頻率為ω。

1.3 空間電壓矢量的合成

通過8條空間電壓矢量的合成，可以得到復平面上的任一矢量，合成方法有多種，本文所采用的方法為雙三角形法。如圖5所示，在矢量V的中點位置處插入零矢量V7，兩空間矢量在中點相交從而形成兩個三角形。

若假設矢量在I處，則V*可由V1，V2，V07合成，通過三角關系計算可以得到：

其中，T1，T2，T07為矢量V1，V2，V07的作用時間；T為PWM周期；m為SVPWM調制系數。

2 SVPWM控制算法的實現

通過a-b-c與d-q坐標系之間的變換，可將u，u，u三個正弦電壓量變換到兩相靜止的坐標系α-β中。由圖4可以看出，u*β值的正負表征著V位于扇區的上半部分還是下半部分。為計算方便，本文中設置了三個電壓參量A、B、C，如下所示：

判斷扇區時，只需知道A、B、C三個參量的正負即可，因此，當A、B、C大于零時，取值為1；當小于零時，取值為0。SECTOR為中間計算值，N為實際的扇區號。可以得到如下表1所示的扇區判斷表。判斷分析電壓參量A、B、C的正負即可知道電壓指令V所在扇區。

確定V所在扇區后，下一步我們進一步計算兩空間矢量所作用的時間，為方便起見，令ts=0.5T，同時設X、Y、Z三個參量，如下式所示：

進一步通過中間參量X，Y，Z便可得到如下表2所示的V在各個扇區作用時間t1、t2：

t1、t2按表2取值后，還要進行飽和判斷：

若t1+t2>T（T為系統PWM周期），則令t1=t1T/（t1+t2），t2=t2T/（t1+t2）。

為令開關次數較低，本文發送每個扇區的各個矢量時采用七段式空間矢量合成規則。這種方法指得是，在矢量空間的每個扇區，零矢量都要以 作為開始，且以作為結束，中間的零矢量全部為。

確定了所在扇區與發送順序后，下一步對空間電壓矢量投放的切換點進行計算。此時定義：

VSR中開關V1、V3、V5在每個周期上導通的時刻可以由下表4-4得到，對應的關斷時刻為T-Tcmx.

3 仿真實驗

取如下作為仿真參數：系統電網的三相電壓有效值為220V，頻率為50Hz，選取直流側電壓vdc為0.8kV，仿真負載電阻RL為100Ω，SVPWM載波頻率為3kHz，載波周期為3ms，L為4mH，Cdc為2mF。調節后的PI參數分別取為：

將SVPWM仿真控制算法總結為以下三個部分：

（1）判斷矢量V*所在扇區。上文為方便扇區判斷與計算，設置了三個電壓參量A、B、C，此時進一步用N=A+2B+4C計算方法來確定扇區號：

表5 N與扇區號對應表

（2）計算矢量在各扇區的作用時間。

（3）確定空間電壓矢量投放切換點Tcm1、Tcm2、Tcm3。

如下各圖即為搭建的SVPWM主要仿真模型與部分仿真結果：

4 結論

本文對三相電壓型SVPWM整流器的控制策略進行了分析研究，介紹了閉環控制下的SVPWM矢量控制算法的基本結構。首先判斷參考矢量所在扇區，計算各扇區中矢量的作用時間，根據時間分配表確定開關狀態，實現了SVPWM控制基于PSCAD平臺的仿真分析。通過分析仿真實驗結果驗證了此種整流控制方法的正確性。

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[責任編輯：劉展]