三相电压型PWM整流器直接功率控制策略研究

邱瑞生

摘要：针对传统电压定向型直接功率控制（VO-DPC）系统关频率不固定、控制滞后等问题提出了一种基于模型预测的直接功率控制（MP-DPC）策略，这种控制策略使用模型预测控制器来代替滞环比较器，提高了系统响应，这种控制策略还与空间矢量调制技术（Space Vector Pulse Modula-tion，SVPWM）结合使用，以电源电压的平均电压矢量作为整个控制过程的基矢量，进行电压空间矢量调制控制，同时，这种方法使DPC系统的结构更加简单，降低了设计难度，最后通过仿真实验进行对比分析，验证本文所提方法的可行性和有效性。

关键词：PWM整理器；直接功率控制；模型预测控制；Space Vector Pulse Modulation

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.017

中图分类号：TM461

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2016）06-0090-05

0.引言

整流器作为电力电子装置中交一直流变换的重要组成部分，在各个领域都具有广泛的应用，从20世纪80开始，国内外很多研究人员针对PWM整流器不同的控制策略做出很多的努力，但是较为成熟而且应用最广泛的控制策略是电网电压控制和直接功率控制，一般情况下，PWM整流器主要有两个控制方向：①保证输出直流输出电压与系统给定的参考一致，并且不受外界影响；②确保PWM整流器在单位因数下运行，为了确保得到相应的输出电压，几乎在所有的PWM整流器控制策略中，都采用电压外环控制，与此同时根据不同的控制策略还会采用相应的内环控制，由此构成了一个双闭环控制系统.PWM整流器控制策略中的内环控制主要是由被控对象决定，根据被控对象的不同，可以把控制策略分为电压矢量定向和虚拟磁链矢量定向控制两大类。

随着对PWM整流器结构研究的不断深入，世界各国学者针对不同问题相继提出一系列的控制策略，Lee为了简化信号检测所提出的无电网电动势传感器控制策略，Green利用PWM整流器的输出电流对逆变器的网侧电流进行重构，这种方法为无交流电流传感器的PWM整流器研究奠定了基础，Hasan等为了解决PWM整流器在大范围内的稳定性问题，利用整流器系统中电感和电容的关系，建立了Lyapunov函数，Moran等认为PWM整流器交流侧电流的畸变是由电网的负序分量引起的，并提出了在三相电网不平衡条件下的交流侧电流和直流侧电压的时域表达式，Vincenti等提出一种正序dq旋转坐标系下的前馈控制策略，由于系统所采用的PI控制无法实现无静差控制，会使负序分量重出现2次谐波，所以这种控制策略无法完全消除负序分量的影响，Song等针对这种情况，对Vincenti所提出的方案进行改善，提出一种基于同步旋转dq坐标系下的正序和负序两套独立的控制方案，这样就可以通过PI控制器实现无静差控制，因此这是理论完善的控制方案，数学模型的搭建是PWM整流器控制策略研究的重要理论基础，Green所提出的PWM整流器坐标变换数学模型，降低了建立控制策略数学建模的难度，Rim等人搭建了PWM整理器坐标变换的低频等效模型，Mao H在前人学者研究的基础上提出了一种降阶小信号数学模型，简化了PWM整流器的数学模型和特性分析过程，我国学者史伟伟等建立了基于状态空间平均法的PWM整流器主电路等效数学模型，为系统设计提供了重要的理论依据，本文针对三相电压型PWM整流器的控制策略，提出了一种基于模型预测的直接功率控制策略。

1.传统VO-DPC控制系统

采用VO-DPC系统的三相电压型PWM整流器的系统结构如图l所示。

图1中的控制系统包括直流电压外环和功率内环，主电路包括：交流电压电流检测电路、滤波电感、功率开关管、直流侧电容和负载组成，工作原理：系统通过交流侧的电压电流检测电路检测出电流电压U_{a、Ub、Uc。和交流电流ia、ib、ic让后将这6个变量经坐标变换变换到两相静止αβ坐标系或两相旋转dq坐標系下的变量Uα、Uβ、iα、iβ或者Ud、Uq、id、iq然后得到该坐标系下的瞬时有功功率p和瞬时无功功率q，然后将瞬时功率送到滞环比较器中，通过与系统给定的瞬时功率参考值作比较，得到相应的输出量Sn。和Sq，与电源电压矢量位置划分θn共同确定开关矢量表中相应的开关信号Sa、Sb、Sc，通过对功率开关管的导通与关断时间的控制对瞬时功率与直流输出电压进行控制.其中，瞬时有功功率由直流电压外环的PI控制器输出与直流电压确定，瞬时功率设定为O。}

2.模型预测控制算法研究

基于模型预测直接功率控制系统的三相电压型PWM整流器系统结构框图，如图2所示。

3.实验验证

本文在matlab/simulink中搭建三相电压型PWM整流器VO-DPC策略系统与MP-DPC策略系统的仿真模型，通过对仿真结果进行对比分析，来证明本文所提出方法的可行性以及有效性。

3.1系统稳态时交流侧电压电流波形

两种方法的系统仿真模型的输入均为220V交流电压，输出为700V直流电压，图3为直流输出侧稳定后交流侧A相电压和电流。

图3可见，这两种控制方法电压和电流的相位均相同.因此，这两种方法均可以达到在单位功率因数下运行的目标，由于VO-DPC策略系统开关频率不固定，导致电流谐波形范围增大，波形波动较大，图4为两种控制策略的傅里叶分析，从图中可以看出，采用电压定向型直接功率控制策略的PWM整流器的电流畸变率高达35.96%，而采用MP-DPC策略的PWM整流器电流畸变率只有5.67%，电流波形得到了很好的改善。

3.2系统稳态时瞬时功率波形

本文针对PWM整流器的两种DPC策略进行研究，这两种策略都是以瞬时有功功率和瞬时无功功率作为控制目标，因此有必要针对功率进行仿真分析，图5为系统稳态时两种策略瞬时功率波形，从图中可以看出，瞬时有功功率与无功功率均在系统所给定参考功率附近波动，有功功率在12kW附近波动，无功功率在0附近波动.通过比较可知，采用MP-DPC策略的功率波形波动较小，稳定性更好。

3.3系统稳态时直流电压波形

两种控制策略的直流输出电压参考值都为700V，图6为两种控制策略的直流电压输出波形，从图中可以看出，两种控制策略都具有较好的电压跟踪效果，但是采用模型预测直接功率控制策略的输出电压的偏差较小，波形的波动更小一些，因此电压跟踪效果更好。

4.结语

通过本节仿真分析可知，两种控制策略均可以达到单位功率因数运行的目标，且电压跟踪效果良好，但是与VO-DPC相比，MP-DPC策略不但能够固定系统开关频率，输入交流电流畸变率低，而且系统仿真波形波动较小，稳定性能良好。