趙 輝，王 彪，王紅君，岳有軍

(天津理工大學天津市復雜控制理論與應用重點實驗室，天津300384)

一種改進PWM型整流器直接功率控制

趙 輝，王 彪，王紅君，岳有軍

(天津理工大學天津市復雜控制理論與應用重點實驗室，天津300384)

主要研究了一種新的基于SVPWM的三相電壓型整流器預測直接功率控制。這種預測直接功率控制以虛擬磁鏈為核心，省去了交流側(cè)電壓傳感器，同時解決了傳統(tǒng)的開關直接功率控制開關頻率不固定的缺點，繼承了傳統(tǒng)直接功率控制無需旋轉(zhuǎn)坐標變換，控制方案簡單明確的特點。并且與其他改進方案相比，也不需要加入PI環(huán)節(jié)或是電壓矢量定向環(huán)節(jié)。通過RT-LAB進行仿真，并與傳統(tǒng)的控制方案進行對比，突出新控制方案在改善THD和控制功率波動方面的優(yōu)越性。

三相電壓型PWM整流器；虛擬磁鏈；預測直接功率控制；恒定開關頻率；RT-LAB

PWM型電力變換器因其諸多優(yōu)點而越來越多得到了廣泛應用，如電機變頻調(diào)速，新能源發(fā)電并網(wǎng)等方面。PWM可實現(xiàn)功率雙向流動，電流諧波畸變率，高功率因數(shù)[1]。隨著研究的不斷深入，PWM必將成為一種廣泛應用的控制技術。

最近PWM有很多新的控制策略，盡管實現(xiàn)的主要目標大致相同，但是方式不同，它們的不同主要可從控制方案是用電流環(huán)還是功率環(huán)來區(qū)分。矢量控制(VC)是最常見的采用電流環(huán)控制的方法，性能穩(wěn)定。但是矢量控制需要較為復雜的坐標旋轉(zhuǎn)變換，增加了系統(tǒng)的復雜程度，而且系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能需要很大程度上依賴PI控制器的參數(shù)整定的準確性[2]。因此，近年來基于瞬時有功無功理論的直接功率控制(DPC)逐漸進入了人們的視野[3-4],在DPC中，沒有電流環(huán)，只是通過開關表直接進行功率調(diào)節(jié)，所以具有優(yōu)異的功率控制性能。然而傳統(tǒng)的開關表直接功率控制(LUT-DPC)有開關頻率不固定的缺點。為了克服這一缺點文獻[5-8]提出了一系列的改進方案，文獻[5]提出了變結(jié)構滑模直接功率控制策略，通過變結(jié)構滑?？刂破鲗β收`差進行控制，再用SVPWM技術進行調(diào)制輸出期望的電壓。文獻[6]提出了功率前饋解耦的直接功率控制，實現(xiàn)了有關無功的解耦控制，但是引入這樣系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性就依賴于PI環(huán)節(jié)的參數(shù)設置。文獻[7]提出了基于SVPWM的PI模糊直接功率控制，用模糊PI環(huán)節(jié)代替原來的PI環(huán)節(jié)，取得了一定的進步。文獻[8]提出了基于模型的預測直接功率控制(P-DPC),采用離散化的預測模型，設定一個指標函數(shù)，在下一個周期選擇使指標函數(shù)最小的開關狀態(tài)，不采用調(diào)制器，相對簡便，但是開關頻率只是限制在一定范圍內(nèi)，還不能實現(xiàn)完全定頻。

本文研究了一種基于SVPWM技術的虛擬磁鏈預測直接功率控制，這種以虛擬磁鏈為核心的P-DPC可以實現(xiàn)固定開關頻率的直接功率控制。首先對三相電壓型PWM整流器進行建模，重點分析基于虛擬磁鏈的整流器數(shù)學模型，然后對基于此模型的預測直接功率控制原理進行推導，最后通過RT-LAB進行了對比仿真研究。

1 系統(tǒng)的數(shù)學模型

圖1為三相PWM整流器的拓撲結(jié)構。

圖1 三相PWM整流器的拓撲結(jié)構

圖2為兩相靜止坐標系中三相電壓型整流器向量形式的等效電路。圖2中為電網(wǎng)電壓矢量，為整流器交流側(cè)電壓矢量，為交流側(cè)電流矢量，為進線電抗器電感，為線路電阻，為直流側(cè)電抗。

圖2 兩相靜止坐標系下的等效結(jié)構

圖1的等效結(jié)構如圖2所示[9]，整流器的等效電壓方程可以寫成：

把式(1)通過等功率3/2坐標變換，變成兩相靜止坐標系下公式：

1.2 基于虛擬磁鏈數(shù)學模型

為了減少電網(wǎng)側(cè)交流電壓傳感器，可通過電網(wǎng)虛擬磁鏈來估計瞬時有功和無功功率，可提出基于虛擬電網(wǎng)磁鏈的三相PWM整流器的直接控制策略，虛擬磁鏈的概念由虛擬電機引出,可將電網(wǎng)側(cè)電源看作一個虛擬的交流電機[9]。其中,R和L可分別視為虛擬電機的定子電阻與定子漏感。如圖3是虛擬磁鏈與電網(wǎng)電壓的關系。虛擬磁鏈滿足，如果在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，并且忽略微分的部分，于是式(3)可以寫成：

虛擬磁鏈的估算滿足下面的估算公式：

其中：

圖3 虛擬磁鏈和電壓的關系

2 基于SVPWM的P-DPC的推導

對于式(2)所示PWM的數(shù)學模型如果忽略電阻的影響，可表達為：

采用離散化的表達式為：

把式(9)帶入式(7)中得到：

由于控制目標是：在下一個采樣周期讓有功無功等于設定的目標有功無功，則式(10)中下一個周期的功率可以被代替成為：

把式(11)帶入式(10)并作變形可得到：

由式(13)可得到式(12)可推導成為：

在將簡化后的式(4)式(5)帶入式(14)有：

圖4 RT-LAB系統(tǒng)分割圖

圖5 RT-LAB觀測系統(tǒng)結(jié)構圖

圖6 RT-LAB控制系統(tǒng)結(jié)構圖

3 基于RT-LAB的仿真結(jié)果分析

本次使用的 RT-LAB實驗平臺主要由HIL BOX和FPGA5142板組成，HILBOX主要模擬被控對象和控制方案，F(xiàn)PGA5142負責輸入輸出。首先在Matlab下建立離線仿真模型，然后按照RT-LAB的規(guī)則分割并封裝子系統(tǒng)，如圖4所示，添加了OpComm模塊的觀測系統(tǒng)如圖5所示，模型的主控制系統(tǒng)如圖6所示。RT-LAB會將Matlab模型自動編譯生成C代碼并下載到仿真器中。仿真的主要參數(shù)如下：電源電壓幅值為200 V，頻率為 50 Hz，交流側(cè)電感4 mH，直流側(cè)電容為4 700μF，直流側(cè)電阻為40 Ω，直流側(cè)給定電壓為500 V，開關頻率5 kHz。圖7為磁鏈形狀，磁鏈在短時波動后，穩(wěn)態(tài)情況下磁鏈形狀為圓形，基本滿足要求；圖8是傳統(tǒng)的LUT-DPC控制策略的A相電流波形，分析結(jié)果為7.11%，圖9是改進P-DPC的A相電流波形，分析結(jié)果為1.67%，通過對比可知改進P-DPC的較小，其對電流的控制更好；圖10為P-DPC的直流側(cè)電壓輸出，在0.05 s后電壓穩(wěn)定控制在500 V。

圖7 虛擬磁鏈圖形

圖8 LUT-DPC的A相電流

圖9 改進DPC的A相電流波形

圖10 改進DPC直流側(cè)電壓波形

4 結(jié)論

我們主要研究了一種基于SVPWM技術的虛擬磁鏈預測直接功率控制，這種預測控制以虛擬磁鏈為核心，省去了網(wǎng)側(cè)電壓傳感器，并且通過應用SVPWM技術改進了傳統(tǒng)直接功率控制中開關頻率不固定的缺點，與傳統(tǒng)方法(LUT-DPC)或是其他改進方法相比，無需旋轉(zhuǎn)坐標變換，也不需要加入PI環(huán)節(jié)或是電壓矢量定向環(huán)節(jié)。通過對比仿真研究，得出新方法在直流側(cè)電壓控制和輸出功率控制方面的表現(xiàn)都很優(yōu)秀，從其優(yōu)異的表現(xiàn)上看，這種直接功率控制技術將有著光明的工程應用前景和更深入的研究價值。

參考文獻：

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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

天津市自然科學基金(10JCZDJC23100)

趙輝（1963—），男，天津市人，教授，主要研究方向為智能控制理論與應用，電力電子技術。