基于空间矢量的定频直接功率控制系统研究

李欣哲，林明耀，付兴贺，韩愚拙

(1．东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心，江苏南京210096; 2．苏州工业园区设计院股份有限公司，江苏苏州215021)

基于空间矢量的定频直接功率控制系统研究

李欣哲1，林明耀1，付兴贺1，韩愚拙2

(1．东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心，江苏南京210096; 2．苏州工业园区设计院股份有限公司，江苏苏州215021)

直接功率控制是三相电压型PWM整流器的一种有效控制策略，开关表作为直接功率控制的功率内环，根据瞬时功率差值变化决定开关状态。为了克服基于开关表的传统直接功率控制开关频率不固定、有功功率和无功功率解耦效果不理想的缺点，本文在分析PWM整流器模型和瞬时功率基础上提出了一种基于空间矢量调制的电压型PWM整流器直接功率控制方法。该控制结构由PI调节器和空间矢量调制模块组成，除了具有传统直接功率控制结构简单、功率因数高、动态响应好和电流畸变小的优点外，通过空间矢量调制，还具有开关频率固定、便于滤波电感设计的优点。通过Matlab/Simulink软件仿真和实验结果验证了控制方法的正确性和可行性。

PWM整流器;直接功率控制;空间矢量调制

1 引言

随着电力电子技术的发展，各种变流装置在工业领域得到了广泛应用。三相PWM整流器具有网侧电流正弦化、运行于单位功率因数以及实现能量双向传输［1，2］的特点，已成为变流器领域研究的重点。针对三相PWM整流器，为实现交流侧电流正弦、高功率因数，许多学者提出了多种电路拓扑结构和控制算法。目前，对于三相PWM整流器的控制方法按控制对象可以分为电流控制和直接功率控制(DPC)。直接功率控制具有功率因数高、动态响应快以及结构简单等优点，已成为国内外学者的研究热点。

传统的直接功率控制系统由电压外环、以开关表为核心的功率内环组成，结构简单，动态响应快。直接功率控制的思想是:计算整流器输出的瞬时有功功率和无功功率，将其与给定的瞬时功率进行比较，差值送入功率内环，按照开关表规定的顺序驱动开关管动作。但是，传统的开关表作为直接功率控制的功率内环存在着一些明显的不足。一方面，由于采用单一的开关表控制，开关表难以同时对有功功率和无功功率进行比较理想的控制，导致整流器对于有功功率和无功功率的解耦效果不是很理想;另一方面，开关表中采用了大量的零矢量，使得每个周期内存在无功失控区域。另外，基于开关表的控制本质上是一种滞环控制，整流器的开关频率不固定，给滤波器的设计造成了困难［3］。为了克服上述不足，许多学者进行了改进，文献［4-6］提出了无电网电压传感器的基于虚拟磁链定向的直接功率控制(VF-DPC)，提高了整流器在电网电压存在谐波、畸变和不平衡等情况下的控制效果，但是核心的开关表并没有得到改进。文献［7］提出了基于双开关表的控制，即通过两张开关表分别控制有功功率和无功功率，但是双开关表控制的本质是分别用一张开关表控制有功功率和无功功率，导致系统的稳态控制效果并不理想。文献［8］提出一种基于三状态开关表的直接功率控制策略，即在传统两状态开关表中增加一个开关信号，使得开关动作更准确地跟踪功率变化。以上控制方法都是基于对开关表的改进，对于使用开关表带来的开关频率不固定以及有功功率和无功功率控制能力不足等问题没有得到根本上的消除。

为了解决上述问题，本文提出一种开关频率固定的基于空间矢量调制的直接功率控制(SVM-DPC)策略。相较于传统的直接功率控制方法，该控制系统功率内环取消了开关表，由PI调节器和空间矢量调制模块组成，具有采样频率低、有功功率和无功功率控制效果好、固定开关频率的特点。本文建立了三相PWM整流器的数学模型，阐述了SVMDPC的工作原理，并对SVM-DPC进行了仿真和实验验证。

2 PWM整流器模型和瞬时功率理论

2.1 PWM整流器模型

三相电压型PWM整流器主电路结构如图1所示。图1中ea、eb、ec为对称三相电压源;ia、ib、ic为流入整流器的三相电流;R、L分别为滤波电抗器的电阻和电感;C为滤波电容;RL为负载电阻;udc为直流侧电压;iL为负载电流;Si(i=a，b，c)为表征开关器件状态的函数，可以表示为:

图1 PWM整流器主电路结构图Fig．1Main circuit of PWM rectifier

以A相为例，根据基尔霍夫方程得:

同理，可得B相和C相方程:

理想条件下三相三线系统满足:

联立式(2)～(5)可得:

由基尔霍夫电流定律可以得到P点电流方程:

综合式(2)～(8)，可得三相电压型PWM整流器在三相静止坐标系下数学模型:

2.2 瞬时功率计算

定义三相电压和电流的瞬时值分别为ua、ub、uc和ia、ib、ic，电压合成矢量u和电流合成矢量i之间的夹角为θ。按照瞬时功率定义，电流矢量沿电压矢量方向的分量为有功分量，沿电压矢量切线方向的分量为无功分量。由此得到三相静止坐标系下瞬时有功功率和无功功率分别为:

根据上述定义和计算，在控制系统中对电压和电流采样，实时计算PWM整流器上传递的有功和无功功率。

3 SVM-DPC工作原理

采用SVM-DPC控制的三相电压型PWM整流器控制系统如图2所示，控制系统由直流母线电压外环和功率内环组成。为了在固定开关频率的同时，提高系统有功功率和无功功率的控制解耦能力，功率内环使用d-q坐标系下的PI控制器，采用空间矢量调制策略。

3.1 瞬时功率计算

由瞬时功率理论可得，瞬时功率在d-q坐标系下的计算表达式为:

对式(9)进行dq变换(忽略电感电阻)，得到三相电压型整流器在d-q坐标系下的数学模型:

图2 SVM-DPC框图Fig．2Block scheme of SVM-DPC

式中，id、iq、ed、eq、urd、urq分别为三相整流器输入电流、三相网侧电压、三相整流器交流侧电压在d-q坐标系下的分量。当三相电源对称时，eq=0，将式(11)代入到式(12)可得到三相电压型整流器在d-q坐标系下的功率方程:

3.2 功率前馈解耦控制

由式(13)可知，整流器的有功功率和无功功率不仅受控制量urd和urq的影响，还受到耦合项ωLq、ωLp、ed和eq的影响。由于存在耦合项，若仅对功率进行负反馈控制，其控制效果并不理想［9，10］。为了达到解耦的目的，本文在整流器输出量urd和urq中添加解耦项。令

式中，u'rd和u'rq为添加了解耦项后的整流器输出电压。式(15)说明瞬时有功功率和无功功率是单独控制的，达到了解耦目的。

4 仿真及实验结果

为了验证理论分析的正确性，在Matlab/Simulink下建立SVM-DPC仿真模型。仿真参数为:交流侧相电压峰值为25V，直流侧稳态时给定电压70V，动态时直流母线电压在0.5s时由50V突变为70V，网侧滤波电感为7mH，直流侧电容C=3000μF。仿真结果如图3所示。图3(a)、图3(b)分别为直流母线电压和交流侧A相电流动态响应波形。图3 (b)说明，电流较快达到稳态，电流和电压同相位，整流器处于单位功率因数状态。图3(c)所示为瞬时有功功率和无功功率特性，其动态响应迅速。

图3 仿真波形Fig．3Simulation results

为了验证SVM-DPC效果，按照仿真参数，搭建了基于TI公司TMS320F2812的实验平台。为了更好地观测整流器的动态过程，观测仪器选用横河公司的高速录波仪DL850。实验结果如图4所示。图4(a)显示了直流母线电压和A相相电流的动态响应过程，可以看出直流母线电压响应快速，电压能够迅速跟上指令的变化。图4(b)为直流母线电压为70V时，A相电流的稳态波形，图示相电流和相电压基本同相位，整流器运行在单位功率因数。图4(c)所示为有功功率和无功功率的动态响应，可以看出有功功率的动态响应迅速，很快达到稳态;无功功率则基本为零，很好实现了功率解耦。

图4 实验波形Fig．4Experimental results

5 结论

本文提出了一种基于空间矢量调制的直接功率控制策略，解决了传统直接功率控制中存在的开关频率不固定，每个周期因采用零矢量带来的无功失控问题。论文建立三相PWM整流器的数学模型，对SVM-DPC进行仿真和实验验证，结果表明，SVMDPC具有动态响应快、稳态控制有功功率和无功功率解耦效果好的优点，由于采用空间矢量调制的方法，开关频率固定，便于滤波电感的设计。所提出的SVM-DPC策略具有良好的应用前景。

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(，cont．on p.60)(，cont．from p.23)

Study on direct power control with constant switching frequency based on space vector

LI Xin-zhe1，LIN Ming-yao1，FU Xing-he1，HAN Yu-zhuo2
(1．Engineering Research Center for Motion Control of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China;2．Suzhou Industrial Park Design＆Research Institute Co．Ltd．，Suzhou 215021，China)

The direct power control(DPC)is a kind of effective control strategy of three-phase voltage-type PWM rectifier，and the power inner of DPC is constituted by a switching table．The switching states are chosen by a switching table depended on instantaneous power errors．In order to overcome the drawbacks of the unstable switch frequency and unsatisfactory decoupling performance of active and reactive power of the traditional direct power control based on switching table，a novel DPC strategy of three-phase voltage-type PWM rectifier using space-vector modulation(SVM)is proposed in this paper．The strategy，which is constituted by PI controllers and a modulation by using SVW，has not only the advantages of simple algorithm，high power factor，rapid dynamic response and low current harmonic compared with the traditional DPC，but also a stable switch frequency and lower sampling frequency．These make the design of filter inductor easier．The simulation and experiment results confirm the validity of this method．

PWM rectifier;direct power control(DPC);space vector modulation

TM351

A

1003-3076(2014)11-0020-04

2013-10-31

李欣哲(1988-)，男，江苏籍，硕士研究生，研究方向为风力发电并网技术;林明耀(1959-)，男，江苏籍，教授/博导，研究方向为太阳能和风力发电技术、电动汽车驱动控制技术等。