李欣哲，林明耀，付興賀，韓愚拙

(1．東南大學(xué)伺服控制技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇南京210096; 2．蘇州工業(yè)園區(qū)設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇蘇州215021)

基于空間矢量的定頻直接功率控制系統(tǒng)研究

李欣哲1，林明耀1，付興賀1，韓愚拙2

(1．東南大學(xué)伺服控制技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇南京210096; 2．蘇州工業(yè)園區(qū)設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇蘇州215021)

直接功率控制是三相電壓型PWM整流器的一種有效控制策略，開關(guān)表作為直接功率控制的功率內(nèi)環(huán)，根據(jù)瞬時(shí)功率差值變化決定開關(guān)狀態(tài)。為了克服基于開關(guān)表的傳統(tǒng)直接功率控制開關(guān)頻率不固定、有功功率和無功功率解耦效果不理想的缺點(diǎn)，本文在分析PWM整流器模型和瞬時(shí)功率基礎(chǔ)上提出了一種基于空間矢量調(diào)制的電壓型PWM整流器直接功率控制方法。該控制結(jié)構(gòu)由PI調(diào)節(jié)器和空間矢量調(diào)制模塊組成，除了具有傳統(tǒng)直接功率控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率因數(shù)高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好和電流畸變小的優(yōu)點(diǎn)外，通過空間矢量調(diào)制，還具有開關(guān)頻率固定、便于濾波電感設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。通過Matlab/Simulink軟件仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制方法的正確性和可行性。

PWM整流器;直接功率控制;空間矢量調(diào)制

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種變流裝置在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。三相PWM整流器具有網(wǎng)側(cè)電流正弦化、運(yùn)行于單位功率因數(shù)以及實(shí)現(xiàn)能量雙向傳輸［1，2］的特點(diǎn)，已成為變流器領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。針對(duì)三相PWM整流器，為實(shí)現(xiàn)交流側(cè)電流正弦、高功率因數(shù)，許多學(xué)者提出了多種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法。目前，對(duì)于三相PWM整流器的控制方法按控制對(duì)象可以分為電流控制和直接功率控制(DPC)。直接功率控制具有功率因數(shù)高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)的直接功率控制系統(tǒng)由電壓外環(huán)、以開關(guān)表為核心的功率內(nèi)環(huán)組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。直接功率控制的思想是:計(jì)算整流器輸出的瞬時(shí)有功功率和無功功率，將其與給定的瞬時(shí)功率進(jìn)行比較，差值送入功率內(nèi)環(huán)，按照開關(guān)表規(guī)定的順序驅(qū)動(dòng)開關(guān)管動(dòng)作。但是，傳統(tǒng)的開關(guān)表作為直接功率控制的功率內(nèi)環(huán)存在著一些明顯的不足。一方面，由于采用單一的開關(guān)表控制，開關(guān)表難以同時(shí)對(duì)有功功率和無功功率進(jìn)行比較理想的控制，導(dǎo)致整流器對(duì)于有功功率和無功功率的解耦效果不是很理想;另一方面，開關(guān)表中采用了大量的零矢量，使得每個(gè)周期內(nèi)存在無功失控區(qū)域。另外，基于開關(guān)表的控制本質(zhì)上是一種滯環(huán)控制，整流器的開關(guān)頻率不固定，給濾波器的設(shè)計(jì)造成了困難［3］。為了克服上述不足，許多學(xué)者進(jìn)行了改進(jìn)，文獻(xiàn)［4-6］提出了無電網(wǎng)電壓傳感器的基于虛擬磁鏈定向的直接功率控制(VF-DPC)，提高了整流器在電網(wǎng)電壓存在諧波、畸變和不平衡等情況下的控制效果，但是核心的開關(guān)表并沒有得到改進(jìn)。文獻(xiàn)［7］提出了基于雙開關(guān)表的控制，即通過兩張開關(guān)表分別控制有功功率和無功功率，但是雙開關(guān)表控制的本質(zhì)是分別用一張開關(guān)表控制有功功率和無功功率，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制效果并不理想。文獻(xiàn)［8］提出一種基于三狀態(tài)開關(guān)表的直接功率控制策略，即在傳統(tǒng)兩狀態(tài)開關(guān)表中增加一個(gè)開關(guān)信號(hào)，使得開關(guān)動(dòng)作更準(zhǔn)確地跟蹤功率變化。以上控制方法都是基于對(duì)開關(guān)表的改進(jìn)，對(duì)于使用開關(guān)表帶來的開關(guān)頻率不固定以及有功功率和無功功率控制能力不足等問題沒有得到根本上的消除。

為了解決上述問題，本文提出一種開關(guān)頻率固定的基于空間矢量調(diào)制的直接功率控制(SVM-DPC)策略。相較于傳統(tǒng)的直接功率控制方法，該控制系統(tǒng)功率內(nèi)環(huán)取消了開關(guān)表，由PI調(diào)節(jié)器和空間矢量調(diào)制模塊組成，具有采樣頻率低、有功功率和無功功率控制效果好、固定開關(guān)頻率的特點(diǎn)。本文建立了三相PWM整流器的數(shù)學(xué)模型，闡述了SVMDPC的工作原理，并對(duì)SVM-DPC進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 PWM整流器模型和瞬時(shí)功率理論

2.1 PWM整流器模型

三相電壓型PWM整流器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中ea、eb、ec為對(duì)稱三相電壓源;ia、ib、ic為流入整流器的三相電流;R、L分別為濾波電抗器的電阻和電感;C為濾波電容;RL為負(fù)載電阻;udc為直流側(cè)電壓;iL為負(fù)載電流;Si(i=a，b，c)為表征開關(guān)器件狀態(tài)的函數(shù)，可以表示為:

圖1 PWM整流器主電路結(jié)構(gòu)圖Fig．1Main circuit of PWM rectifier

以A相為例，根據(jù)基爾霍夫方程得:

同理，可得B相和C相方程:

理想條件下三相三線系統(tǒng)滿足:

聯(lián)立式(2)～(5)可得:

由基爾霍夫電流定律可以得到P點(diǎn)電流方程:

綜合式(2)～(8)，可得三相電壓型PWM整流器在三相靜止坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型:

2.2 瞬時(shí)功率計(jì)算

定義三相電壓和電流的瞬時(shí)值分別為ua、ub、uc和ia、ib、ic，電壓合成矢量u和電流合成矢量i之間的夾角為θ。按照瞬時(shí)功率定義，電流矢量沿電壓矢量方向的分量為有功分量，沿電壓矢量切線方向的分量為無功分量。由此得到三相靜止坐標(biāo)系下瞬時(shí)有功功率和無功功率分別為:

根據(jù)上述定義和計(jì)算，在控制系統(tǒng)中對(duì)電壓和電流采樣，實(shí)時(shí)計(jì)算PWM整流器上傳遞的有功和無功功率。

3 SVM-DPC工作原理

采用SVM-DPC控制的三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)如圖2所示，控制系統(tǒng)由直流母線電壓外環(huán)和功率內(nèi)環(huán)組成。為了在固定開關(guān)頻率的同時(shí)，提高系統(tǒng)有功功率和無功功率的控制解耦能力，功率內(nèi)環(huán)使用d-q坐標(biāo)系下的PI控制器，采用空間矢量調(diào)制策略。

3.1 瞬時(shí)功率計(jì)算

由瞬時(shí)功率理論可得，瞬時(shí)功率在d-q坐標(biāo)系下的計(jì)算表達(dá)式為:

對(duì)式(9)進(jìn)行dq變換(忽略電感電阻)，得到三相電壓型整流器在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型:

圖2 SVM-DPC框圖Fig．2Block scheme of SVM-DPC

式中，id、iq、ed、eq、urd、urq分別為三相整流器輸入電流、三相網(wǎng)側(cè)電壓、三相整流器交流側(cè)電壓在d-q坐標(biāo)系下的分量。當(dāng)三相電源對(duì)稱時(shí)，eq=0，將式(11)代入到式(12)可得到三相電壓型整流器在d-q坐標(biāo)系下的功率方程:

3.2 功率前饋解耦控制

由式(13)可知，整流器的有功功率和無功功率不僅受控制量urd和urq的影響，還受到耦合項(xiàng)ωLq、ωLp、ed和eq的影響。由于存在耦合項(xiàng)，若僅對(duì)功率進(jìn)行負(fù)反饋控制，其控制效果并不理想［9，10］。為了達(dá)到解耦的目的，本文在整流器輸出量urd和urq中添加解耦項(xiàng)。令

式中，u'rd和u'rq為添加了解耦項(xiàng)后的整流器輸出電壓。式(15)說明瞬時(shí)有功功率和無功功率是單獨(dú)控制的，達(dá)到了解耦目的。

4 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，在Matlab/Simulink下建立SVM-DPC仿真模型。仿真參數(shù)為:交流側(cè)相電壓峰值為25V，直流側(cè)穩(wěn)態(tài)時(shí)給定電壓70V，動(dòng)態(tài)時(shí)直流母線電壓在0.5s時(shí)由50V突變?yōu)?0V，網(wǎng)側(cè)濾波電感為7mH，直流側(cè)電容C=3000μF。仿真結(jié)果如圖3所示。圖3(a)、圖3(b)分別為直流母線電壓和交流側(cè)A相電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形。圖3 (b)說明，電流較快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，電流和電壓同相位，整流器處于單位功率因數(shù)狀態(tài)。圖3(c)所示為瞬時(shí)有功功率和無功功率特性，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速。

圖3 仿真波形Fig．3Simulation results

為了驗(yàn)證SVM-DPC效果，按照仿真參數(shù)，搭建了基于TI公司TMS320F2812的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。為了更好地觀測(cè)整流器的動(dòng)態(tài)過程，觀測(cè)儀器選用橫河公司的高速錄波儀DL850。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖4(a)顯示了直流母線電壓和A相相電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，可以看出直流母線電壓響應(yīng)快速，電壓能夠迅速跟上指令的變化。圖4(b)為直流母線電壓為70V時(shí)，A相電流的穩(wěn)態(tài)波形，圖示相電流和相電壓基本同相位，整流器運(yùn)行在單位功率因數(shù)。圖4(c)所示為有功功率和無功功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以看出有功功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，很快達(dá)到穩(wěn)態(tài);無功功率則基本為零，很好實(shí)現(xiàn)了功率解耦。

圖4 實(shí)驗(yàn)波形Fig．4Experimental results

5 結(jié)論

本文提出了一種基于空間矢量調(diào)制的直接功率控制策略，解決了傳統(tǒng)直接功率控制中存在的開關(guān)頻率不固定，每個(gè)周期因采用零矢量帶來的無功失控問題。論文建立三相PWM整流器的數(shù)學(xué)模型，對(duì)SVM-DPC進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，SVMDPC具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)控制有功功率和無功功率解耦效果好的優(yōu)點(diǎn)，由于采用空間矢量調(diào)制的方法，開關(guān)頻率固定，便于濾波電感的設(shè)計(jì)。所提出的SVM-DPC策略具有良好的應(yīng)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，F(xiàn)U 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，江蘇籍，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù);林明耀(1959-)，男，江蘇籍，教授/博導(dǎo)，研究方向?yàn)樘柲芎惋L(fēng)力發(fā)電技術(shù)、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)等。