雷健升，劉洋

基于等效空間矢量的三電平PWM整流器直接功率控制

雷健升，劉洋

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文在分析三相電壓型PWM整流器直接功率控制(DPC)的基本原理時(shí)，指出了其開關(guān)頻率高、開關(guān)頻率不固定的這一缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了將DPC與三電平電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)相結(jié)合的方法，降低和固定了其開關(guān)頻率。其中針對(duì)傳統(tǒng)SVPWM算法控制復(fù)雜，計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)，提出了一種雙載波調(diào)制的等效三電平SVPWM算法。同時(shí)，在坐標(biāo)下，對(duì)傳統(tǒng)的DPC進(jìn)行了功率前饋解耦控制，實(shí)現(xiàn)了有功、無功的動(dòng)態(tài)解耦。通過MATLAB/SIMULINK仿真，驗(yàn)證了該控制方法的可行性。

直接功率控制 空間矢量脈寬調(diào)制 雙載波調(diào)制 固定開關(guān)頻率

0 引言

PWM整流器以其功率雙向流動(dòng)、電網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)運(yùn)行、輸入電流正弦度好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在交流調(diào)速、不間斷電源(UPS)、新能源等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1]。而三電平PWM整流器與兩電平相比，具有更好的輸出性能，電流諧波含量低，器件承壓低，能量密度更高，在大功率領(lǐng)域具有更好的應(yīng)用前景[2]

PWM整流器的直接功率控制(DPC)具有功率因數(shù)高、較低的THD、算法及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了國內(nèi)外學(xué)者的研究和關(guān)注[3]。兩電平的DPC控制已經(jīng)較成熟，而三電平拓?fù)溆捎谄涮厥庑?，矢量繁多，起開關(guān)表的構(gòu)造存在困難，且傳統(tǒng)的DPC開關(guān)頻率高，需要快速的處理器和AD轉(zhuǎn)換芯片，并且由于其開關(guān)頻率不固定，濾波器設(shè)計(jì)復(fù)雜。為此，本文將空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)與直接功率控制相結(jié)合，固定了開關(guān)頻率，簡化了濾波器的設(shè)計(jì)。

對(duì)于三電平SVPWM算法，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了很多研究[4-5]，也提出了很多簡化算法。文獻(xiàn)[4]將三電平SVPWM算法很大程度上簡化到兩電平SVPWM的水平，文獻(xiàn)[5]提出了采用60°坐標(biāo)系的三電平SVPWM算法。但這些算法都需要進(jìn)行扇區(qū)判斷、矢量選擇和時(shí)間計(jì)算等一系列工作，計(jì)算繁瑣，控制復(fù)雜。本文提出了一種雙載波調(diào)制的等效三電平SVPWM算法，通過在三相調(diào)制波中加入零序分量，實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)SVPWM相同的控制效果，從而省去了繁瑣的計(jì)算。仿真分析了該算法與SVPWM的等效性。

1 三電平PWM整流器的數(shù)學(xué)模型

2 等效三電平空間矢量的雙載波調(diào)制算法

對(duì)三電平變換器一般采用PWM調(diào)制，主要的PWM調(diào)制有載波調(diào)制SPWM和空間矢量調(diào)制SVPWM。空間矢量調(diào)制SVPWM由于其直流電壓利用率高，諧波抑制能力好，在用電、發(fā)電等各種工業(yè)場合有著廣泛的應(yīng)用。而載波調(diào)制SPWM雖然控制效果不及SVPWM，但對(duì)于一般的工業(yè)應(yīng)用場合，其控制效果還是能達(dá)到要求的，因而也具有一定的應(yīng)用，同時(shí)，由于SPWM直接由載波與調(diào)制波進(jìn)行比較得出開關(guān)信號(hào)，因此其算法非常簡單，可大大節(jié)省控制系統(tǒng)硬件空間。

本文通過對(duì)三電平SVPWM和載波調(diào)制的對(duì)比分析[6]，得出了一種與三電平SVPWM等效的載波調(diào)制算法，該算法通過在調(diào)制波中加入零序分量，得到了與SVPWM相同的控制效果，同時(shí)簡化了運(yùn)算，節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間。

載波調(diào)制一般采用三角載波與調(diào)制波進(jìn)行比較，而在三電平變換器中，由于變換器輸出三種電平狀態(tài)，因此，需用兩個(gè)載波與調(diào)制波進(jìn)行比較，得到輸出狀態(tài)，稱為正負(fù)雙載波，由圖2可得

負(fù)三角載波表達(dá)式為

由圖2可得出

同理，由線電壓合成公式可得

再將式(11)~(13)代入式(8)~(10)可得

由上式可看出，SVPWM調(diào)制波實(shí)際上是由載波調(diào)制中三相正弦調(diào)制波施加上零序分量形成的。

因此，對(duì)零序分量的求取便成為了基于載波調(diào)制的SVPWM算法的關(guān)鍵。為此，我們根據(jù)電壓矢量相位及幅值關(guān)系，對(duì)參考電壓分類，劃分不同的區(qū)域，在各區(qū)域內(nèi)，電壓矢量的極性保持不變。由此，三相參考電壓可劃分為：

當(dāng)某相參考電壓為正時(shí)，其比較值不變；當(dāng)參考電壓值為負(fù)時(shí)，則這相參考電壓加上1作為比較值；按上述方法比較出大小順序后，再各帶入原值，即可確定各相矢量的大小順序。同時(shí)，根據(jù)各相矢量的極性，可得出各種情況下的零序分量的計(jì)算公式如下：

3 三電平空間矢量直接功率控制

式(1)的三電平PWM整流器的數(shù)學(xué)模型僅包含電壓、電流，不直接包含功率信息，因此，有必要對(duì)三電平PWM整流器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其含有網(wǎng)側(cè)有功功率和無功功率。下面首先研究一下瞬時(shí)功率理論。

將式(26)代入式(25)，整理得到:

式(27)中，上式只包含有功、下式只包含無功，可見，通過補(bǔ)償控制，有功、無功實(shí)現(xiàn)了解耦，結(jié)合前面的瞬時(shí)功率計(jì)算及SVPWM算法，得到系統(tǒng)控制原理框圖，如圖4所示。

采用電網(wǎng)電壓定向，定向角由三相電網(wǎng)電壓得到。直流電壓的控制是通過電壓外環(huán)控制，達(dá)到直流電壓的穩(wěn)定。電流控制則是通過功率內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)的，通過瞬時(shí)無功功率理論可計(jì)算出有功和無功，再將其分別與有功、無功給定值比較，通過功率環(huán)的作用，再加上補(bǔ)償控制，便可得到控制電壓，控制電壓再經(jīng)過SVPWM調(diào)制，得到整流器的脈沖輸出，從而實(shí)現(xiàn)變換器的控制。

4 仿真分析

本文對(duì)雙載波調(diào)制的三電平等效空間矢量算法進(jìn)行了仿真研究。下圖為在不同調(diào)制度下零序分量、疊加零序分量的調(diào)制波、輸出相電壓和相電流仿真波形。

由圖5可知，進(jìn)行等效空間矢量的載波調(diào)制時(shí)，所施加的零序分量及參考調(diào)制波隨調(diào)制度的變化而變化。且在不同的調(diào)制度下，都能實(shí)現(xiàn)空間矢量三電平的效果。同時(shí)，和空間矢量算法相比，該算法基于SPWM，只需載波與調(diào)制波的比較就可得到開關(guān)狀態(tài)，調(diào)制波中的零序分量的注入也相對(duì)簡單，無需進(jìn)行坐標(biāo)變換、三角函數(shù)計(jì)算等復(fù)雜的過程。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可簡化算法，降低硬件成本，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)觀的PWM整流直接功率控制（DPC）的基礎(chǔ)上，與三電平電壓空間矢量（SVPWM）相結(jié)合，提出了一種新的開關(guān)頻率可固定的直接功率控制方法，其中，針對(duì)傳統(tǒng)三電平SVPWM計(jì)算繁瑣，控制復(fù)雜的缺點(diǎn)，提出了一種等效三電平空間矢量的雙載波調(diào)制算法，仿真驗(yàn)證了該算法與三電平SVPWM的等效性。DPC-SVPWM的控制策略動(dòng)、靜態(tài)性能好，單位功率因數(shù)運(yùn)行，諧波畸變率小，有功、無功解耦，開關(guān)頻率固定。通過仿真分析驗(yàn)證了該控制方法的有效可行。

[1] 賈俊川，李衛(wèi)國. 三相電壓型PWM整流器控制特性[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2010,30(4): 63-65.

[2] 張穎超，趙爭鳴，袁立強(qiáng). 三電平PWM整流器直接功率控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008, 23(5): 62-68.

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[5] Pou J, Boroyevich D, Pindado R. New feedforward space-vector PWM method to obtain balanced AC output voltages in a three-level neutral-point-clamped converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2002, 49(5): 1026-1034.

[6] 周衛(wèi)平，吳正國，唐勁松等. SVPWM的等效算法及SVPWM與SPWM的本質(zhì)聯(lián)系[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006, 26(2): 133-137.

Direct Power Control of Three-level PWM Rectifier Based on Equivalent Space Vector

Lei Jiansheng, Liu Yang

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM461

A

1003-4862（2014）11-0014-05

2014-07-15

雷健升（1986-），男，助理工程師。研究方向：船舶電力推進(jìn)。