一种改进PWM型整流器直接功率控制

赵 辉，王 彪，王红君，岳有军

(天津理工大学天津市复杂控制理论与应用重点实验室，天津300384)

一种改进PWM型整流器直接功率控制

赵 辉，王 彪，王红君，岳有军

(天津理工大学天津市复杂控制理论与应用重点实验室，天津300384)

主要研究了一种新的基于SVPWM的三相电压型整流器预测直接功率控制。这种预测直接功率控制以虚拟磁链为核心，省去了交流侧电压传感器，同时解决了传统的开关直接功率控制开关频率不固定的缺点，继承了传统直接功率控制无需旋转坐标变换，控制方案简单明确的特点。并且与其他改进方案相比，也不需要加入PI环节或是电压矢量定向环节。通过RT-LAB进行仿真，并与传统的控制方案进行对比，突出新控制方案在改善THD和控制功率波动方面的优越性。

三相电压型PWM整流器；虚拟磁链；预测直接功率控制；恒定开关频率；RT-LAB

PWM型电力变换器因其诸多优点而越来越多得到了广泛应用，如电机变频调速，新能源发电并网等方面。PWM可实现功率双向流动，电流谐波畸变率，高功率因数[1]。随着研究的不断深入，PWM必将成为一种广泛应用的控制技术。

最近PWM有很多新的控制策略，尽管实现的主要目标大致相同，但是方式不同，它们的不同主要可从控制方案是用电流环还是功率环来区分。矢量控制(VC)是最常见的采用电流环控制的方法，性能稳定。但是矢量控制需要较为复杂的坐标旋转变换，增加了系统的复杂程度，而且系统的动、静态性能需要很大程度上依赖PI控制器的参数整定的准确性[2]。因此，近年来基于瞬时有功无功理论的直接功率控制(DPC)逐渐进入了人们的视野[3-4],在DPC中，没有电流环，只是通过开关表直接进行功率调节，所以具有优异的功率控制性能。然而传统的开关表直接功率控制(LUT-DPC)有开关频率不固定的缺点。为了克服这一缺点文献[5-8]提出了一系列的改进方案，文献[5]提出了变结构滑模直接功率控制策略，通过变结构滑模控制器对功率误差进行控制，再用SVPWM技术进行调制输出期望的电压。文献[6]提出了功率前馈解耦的直接功率控制，实现了有关无功的解耦控制，但是引入这样系统的动、静态特性就依赖于PI环节的参数设置。文献[7]提出了基于SVPWM的PI模糊直接功率控制，用模糊PI环节代替原来的PI环节，取得了一定的进步。文献[8]提出了基于模型的预测直接功率控制(P-DPC),采用离散化的预测模型，设定一个指标函数，在下一个周期选择使指标函数最小的开关状态，不采用调制器，相对简便，但是开关频率只是限制在一定范围内，还不能实现完全定频。

本文研究了一种基于SVPWM技术的虚拟磁链预测直接功率控制，这种以虚拟磁链为核心的P-DPC可以实现固定开关频率的直接功率控制。首先对三相电压型PWM整流器进行建模，重点分析基于虚拟磁链的整流器数学模型，然后对基于此模型的预测直接功率控制原理进行推导，最后通过RT-LAB进行了对比仿真研究。

1 系统的数学模型

图1为三相PWM整流器的拓扑结构。

图1 三相PWM整流器的拓扑结构

图2为两相静止坐标系中三相电压型整流器向量形式的等效电路。图2中为电网电压矢量，为整流器交流侧电压矢量，为交流侧电流矢量，为进线电抗器电感，为线路电阻，为直流侧电抗。

图2 两相静止坐标系下的等效结构

图1的等效结构如图2所示[9]，整流器的等效电压方程可以写成：

把式(1)通过等功率3/2坐标变换，变成两相静止坐标系下公式：

1.2 基于虚拟磁链数学模型

为了减少电网侧交流电压传感器，可通过电网虚拟磁链来估计瞬时有功和无功功率，可提出基于虚拟电网磁链的三相PWM整流器的直接控制策略，虚拟磁链的概念由虚拟电机引出,可将电网侧电源看作一个虚拟的交流电机[9]。其中,R和L可分别视为虚拟电机的定子电阻与定子漏感。如图3是虚拟磁链与电网电压的关系。虚拟磁链满足，如果在稳态状态下，并且忽略微分的部分，于是式(3)可以写成：

虚拟磁链的估算满足下面的估算公式：

其中：

图3 虚拟磁链和电压的关系

2 基于SVPWM的P-DPC的推导

对于式(2)所示PWM的数学模型如果忽略电阻的影响，可表达为：

采用离散化的表达式为：

把式(9)带入式(7)中得到：

由于控制目标是：在下一个采样周期让有功无功等于设定的目标有功无功，则式(10)中下一个周期的功率可以被代替成为：

把式(11)带入式(10)并作变形可得到：

由式(13)可得到式(12)可推导成为：

在将简化后的式(4)式(5)带入式(14)有：

图4 RT-LAB系统分割图

图5 RT-LAB观测系统结构图

图6 RT-LAB控制系统结构图

3 基于RT-LAB的仿真结果分析

本次使用的 RT-LAB实验平台主要由HIL BOX和FPGA5142板组成，HILBOX主要模拟被控对象和控制方案，FPGA5142负责输入输出。首先在Matlab下建立离线仿真模型，然后按照RT-LAB的规则分割并封装子系统，如图4所示，添加了OpComm模块的观测系统如图5所示，模型的主控制系统如图6所示。RT-LAB会将Matlab模型自动编译生成C代码并下载到仿真器中。仿真的主要参数如下：电源电压幅值为200 V，频率为 50 Hz，交流侧电感4 mH，直流侧电容为4 700µF，直流侧电阻为40 Ω，直流侧给定电压为500 V，开关频率5 kHz。图7为磁链形状，磁链在短时波动后，稳态情况下磁链形状为圆形，基本满足要求；图8是传统的LUT-DPC控制策略的A相电流波形，分析结果为7.11%，图9是改进P-DPC的A相电流波形，分析结果为1.67%，通过对比可知改进P-DPC的较小，其对电流的控制更好；图10为P-DPC的直流侧电压输出，在0.05 s后电压稳定控制在500 V。

图7 虚拟磁链图形

图8 LUT-DPC的A相电流

图9 改进DPC的A相电流波形

图10 改进DPC直流侧电压波形

4 结论

我们主要研究了一种基于SVPWM技术的虚拟磁链预测直接功率控制，这种预测控制以虚拟磁链为核心，省去了网侧电压传感器，并且通过应用SVPWM技术改进了传统直接功率控制中开关频率不固定的缺点，与传统方法(LUT-DPC)或是其他改进方法相比，无需旋转坐标变换，也不需要加入PI环节或是电压矢量定向环节。通过对比仿真研究，得出新方法在直流侧电压控制和输出功率控制方面的表现都很优秀，从其优异的表现上看，这种直接功率控制技术将有着光明的工程应用前景和更深入的研究价值。

参考文献：

[1]伍小杰，罗悦华，乔树通.三相电压型PWM整流器控制技术综述[J].电工技术学报，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，李华德，李正熙．电压型PWM整流器直接功率控制技术[J]．电工电能新技术，2004，23(3)：64-67．

[5]尚磊，孙丹，贺益康，等．三相电压型逆变器变结构滑模直接功率控制策略[J].电力系统自动化，2010，34(14)：79-83.

[6]王久和，杨薇，李华德.功率前馈电压型PWM整流器直接功率解耦控制[J].辽宁工程技术大学学报，26(2)：238-241.

[7]苏宏升，景利学，袁超，等．基于模糊PI控制的SVPWM整流器直接功率控制研究[J].电源技术，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]赵振波，李和明，许伯强．基于虚拟磁链的PWM整流器数序模型及仿真[J]．华北电力大学学报，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

天津市自然科学基金(10JCZDJC23100)

赵辉（1963—），男，天津市人，教授，主要研究方向为智能控制理论与应用，电力电子技术。