張永昌 彭玉賓 曲昌琦（北方工業(yè)大學(xué)電力電子與電氣傳動(dòng)北京市工程研究中心 北京 100144）

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不平衡電網(wǎng)電壓下的PWM整流器預(yù)測(cè)電流控制

張永昌 彭玉賓 曲昌琦
（北方工業(yè)大學(xué)電力電子與電氣傳動(dòng)北京市工程研究中心 北京 100144）

摘要傳統(tǒng)的PWM整流器預(yù)測(cè)電流控制在理想電網(wǎng)下能夠取得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，具有開(kāi)關(guān)頻率固定、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和諧波小等優(yōu)點(diǎn)，但在不平衡電網(wǎng)下會(huì)帶來(lái)電流畸變、功率脈動(dòng)和直流母線電壓波動(dòng)等問(wèn)題?；谝环N新型瞬時(shí)功率理論提出在理想電網(wǎng)和不平衡電網(wǎng)下都能夠獲得良好性能的改進(jìn)預(yù)測(cè)電流控制。該方法以得到正弦網(wǎng)側(cè)電流、消除有功二倍頻波動(dòng)為控制目標(biāo)，通過(guò)解析推導(dǎo)得到相應(yīng)的電流參考值，然后基于電流無(wú)差拍原理得到下一時(shí)刻的電壓參考值，進(jìn)而用空間矢量調(diào)制來(lái)合成該參考電壓矢量。相比現(xiàn)有基于傳統(tǒng)瞬時(shí)功率理論和正負(fù)序分解的解決方案，所提出的改進(jìn)預(yù)測(cè)電流控制無(wú)需復(fù)雜的正負(fù)序提取計(jì)算和功率補(bǔ)償算法，能夠有效抑制功率波動(dòng)和電流諧波，具有較大的實(shí)用價(jià)值，其有效性通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：PWM整流器 電網(wǎng)電壓不平衡 新型無(wú)功功率 預(yù)測(cè)電流控制

國(guó)家自然科學(xué)基金（51577003、51207003、51347004）和北京市科技新星計(jì)劃（XX2013001）資助項(xiàng)目。

Predictive Current Control of PWM Rectifier under Unbalanced Grid Voltage Condition

Zhang Yongchang Peng Yubin Qu Changqi
（Power Electronics and Motor Drives Engineering Research Center of Beijing North China University of Technology Beijing 100144 China）

Abstract Conventional predictive current control (PCC) for PWM rectifiers can achieve good steady state and dynamic response under ideal grid voltage conditions, which features fixed switching frequency, quick dynamic response and low harmonics. However, under unbalanced grid voltage conditions, conventional PCC has the problems of current distortion, power oscillation and dc-bus voltage ripple. Based on a novel instantaneous power theory, this paper proposes an improved PCC strategy that is effective under both ideal and unbalanced grid voltage conditions. The control aim is to achieve sinusoidal grid currents and eliminate twice grid frequency oscillations in active power. After deriving the analytical current reference, the converter voltage vector reference in the next control period is obtained based on the principle of deadbeat current control, which is subsequently synthesized using space vector modulation (SVM). Compared to the existing solutions, the proposed PCC does not require the complex sequence extraction or power compensation algorithm. It can effectively reduce the power oscillation and current harmonics. The effectiveness of the proposed method is confirmed by both simulation and experimental results.

Keywords：PWM rectifier, unbalanced grid voltage，new reactive power，predictive current control

0 引言

PWM整流器控制在理想平衡電網(wǎng)下得到了廣泛深入的研究，目前已經(jīng)提出的方案包括電網(wǎng)電壓定向控制（Voltage Oriented Control, VOC）[1]、直接功率控制（Direct Power Control, DPC）[2-4]和模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control, MPC）[5-9]等。VOC通過(guò)旋轉(zhuǎn)變換將網(wǎng)側(cè)三相電流解耦成有功電流和無(wú)功電流分量，從而分別構(gòu)成有功電流和無(wú)功電流的閉環(huán)控制。DPC不需要電流的旋轉(zhuǎn)變換，通過(guò)查詢開(kāi)關(guān)表選擇合適的電壓矢量對(duì)有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行直接控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。MPC包括電流預(yù)測(cè)控制（Predictive Current Control, PCC）[7,9]和功率預(yù)測(cè)控制（Predictive Power Control, PPC）[5,6,8]。由于電網(wǎng)電流可以直接測(cè)量得到，PCC因更容易實(shí)現(xiàn)而得到了較多關(guān)注。其通過(guò)預(yù)測(cè)得到在下一時(shí)刻使得電流誤差最小的電壓矢量，然后用空間矢量調(diào)制（Space Vector Modulation, SVM）進(jìn)行矢量合成，具有開(kāi)關(guān)頻率固定、響應(yīng)速度快、控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)際電網(wǎng)由于單相負(fù)載的接入、電網(wǎng)故障和大電機(jī)起動(dòng)等原因通常是不平衡的。如果直接沿用理想電網(wǎng)下的控制方法會(huì)在網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生大量電流諧波，引起母線電壓和有功、無(wú)功的波動(dòng)以及電能質(zhì)量的下降[9-11]。在過(guò)去的十幾年中，世界各國(guó)學(xué)者針對(duì)電網(wǎng)不平衡電網(wǎng)下的PWM整流器控制進(jìn)行了研究，以期實(shí)現(xiàn)恒定直流電壓輸出、減小網(wǎng)側(cè)電流諧波和有功功率或無(wú)功功率波動(dòng)。

由于VOC出現(xiàn)較早且理論相對(duì)成熟，早期關(guān)于電網(wǎng)不平衡下PWM整流器控制的研究多在VOC框架下進(jìn)行。其控制思路是首先按照某種控制目標(biāo)（平衡電流控制、消除有功或無(wú)功脈動(dòng)及消除母線電壓紋波等）得到電流參考值，然后用合適的控制方法來(lái)快速準(zhǔn)確跟蹤該電流參考值。文獻(xiàn)[12]基于有功功率恒定推導(dǎo)得出了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的正負(fù)序電流參考值，然后在正序同步坐標(biāo)下對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，其主要問(wèn)題是對(duì)負(fù)序電流的控制不是很精確。為了提高對(duì)負(fù)序電流的控制準(zhǔn)確度，文獻(xiàn)[13] 在雙旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)下采用4個(gè)PI控制器對(duì)正負(fù)序電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，雖然取得了較好的控制效果，但是調(diào)試工作比較繁復(fù)，而且需要額外的Notch濾波器來(lái)分離正負(fù)序電流，信號(hào)處理比較復(fù)雜。

近年來(lái)也有文獻(xiàn)在DPC框架下對(duì)電網(wǎng)不平衡下的PWM整流器控制進(jìn)行研究。不同于VOC首先得到電流參考值，DPC需要得到的是適合不平衡電網(wǎng)運(yùn)行的新型功率參考值或者功率補(bǔ)償值。文獻(xiàn)[14]基于消除負(fù)序網(wǎng)側(cè)電流的原則推導(dǎo)得出相應(yīng)的功率補(bǔ)償值，然后將該補(bǔ)償值加入到原來(lái)的功率參考值中得到最終的新型功率參考值。該方案無(wú)需改變傳統(tǒng)DPC的結(jié)構(gòu)，僅需修改外環(huán)功率參考值，因此很容易與現(xiàn)有的DPC集成，但功率補(bǔ)償值的獲得比較復(fù)雜，需要對(duì)電網(wǎng)電壓和電流進(jìn)行正負(fù)序分解及坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換。文獻(xiàn)[15]針對(duì)三種不同控制目標(biāo)下的功率補(bǔ)償值進(jìn)行了研究，并采用滑?？刂坪蚐VM來(lái)提高系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)態(tài)性能，但補(bǔ)償值的計(jì)算仍需電網(wǎng)電壓負(fù)序分量和電流正序分量的提取，另外還需要調(diào)節(jié)滑模增益等參數(shù)。

最近有文獻(xiàn)對(duì)電網(wǎng)不平衡下的并網(wǎng)變流器預(yù)測(cè)電流控制進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[9]在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下通過(guò)推導(dǎo)得出了控制目標(biāo)分別為正弦且對(duì)稱、消除有功功率二倍頻波動(dòng)和消除無(wú)功功率二倍頻波動(dòng)的參考電流，然后對(duì)參考電流進(jìn)行預(yù)測(cè)跟蹤控制，其不足之處是控制系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行，并且需要電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流的正負(fù)序分解。

隨著對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡下PWM整流器控制研究的深入，有文獻(xiàn)提出了一種新型的無(wú)功功率定義，相比傳統(tǒng)無(wú)功功率定義更適用于電網(wǎng)不平衡情況[16]。文獻(xiàn)[16]把新型無(wú)功功率在VOC框架下進(jìn)行了研究，但是依然需要對(duì)電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流進(jìn)行正負(fù)序分解。文獻(xiàn)[17]省掉了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，不需要對(duì)電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流進(jìn)行正負(fù)序分解，采用比例諧振（Proportional Resonant, PR）控制器在靜止坐標(biāo)系下對(duì)電流進(jìn)行控制，但仍然需要調(diào)節(jié)PR增益等參數(shù)。

本文把新型無(wú)功定義應(yīng)用到PCC中，提出一種可以在理想電網(wǎng)和電網(wǎng)電壓不平衡情況下都良好運(yùn)行的改進(jìn)預(yù)測(cè)電流控制。該方法無(wú)需電網(wǎng)電壓和電流的正負(fù)序分解，在靜止坐標(biāo)系下進(jìn)行計(jì)算且無(wú)需參數(shù)調(diào)試工作。在推導(dǎo)不平衡電網(wǎng)電壓下整流器數(shù)學(xué)模型和瞬時(shí)有功、新型無(wú)功功率數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出以保證電網(wǎng)電流正弦度、消除有功功率和新型無(wú)功功率波動(dòng)為控制目標(biāo)的電流參考值，并對(duì)該參考電流進(jìn)行預(yù)測(cè)跟蹤控制。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性以及本文所提方法在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)的有效性。

1 PWM整流器數(shù)學(xué)模型

三相電壓型PWM整流器的主電路如圖1所示，其中ea、eb和ec為網(wǎng)側(cè)三相交流電壓，L和R分別為三相交流電抗器的電感和等效電阻。

圖1 三相電壓型PWM整流器電路Fig.1 Circuit of three-phase voltage source PWM rectifier

引入三相/兩相坐標(biāo)變換[18]，即

式中，e、i和v分別為網(wǎng)側(cè)電壓矢量、網(wǎng)側(cè)電流矢量和整流器交流側(cè)輸出電壓矢量。

根據(jù)瞬時(shí)功率理論[19]，網(wǎng)側(cè)復(fù)功率S可以表示為式中，*表示共軛。對(duì)式（3）分解可得瞬時(shí)有功功率P瞬時(shí)傳統(tǒng)無(wú)功功率Q分別為

本文所引入的新型無(wú)功功率表達(dá)式為[11]

式中，e'為延遲1/4周期[20]的電網(wǎng)電壓。在電網(wǎng)電壓不平衡情況下，電網(wǎng)電壓、電流以及電網(wǎng)電壓的延遲信號(hào)可以表示為

根據(jù)式（4）～式（8）可得瞬時(shí)有功功率和新型無(wú)功功率在電網(wǎng)電壓不平衡情況下的表達(dá)式為

其中

2 不平衡電網(wǎng)下的改進(jìn)預(yù)測(cè)電流控制

2.1 靜止坐標(biāo)系下的瞬時(shí)功率

通過(guò)下面推導(dǎo)將得出靜止坐標(biāo)系下無(wú)需正負(fù)序分解的瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率的表達(dá)式。為了簡(jiǎn)化算法，將靜止坐標(biāo)系下的電壓、電流矢量用F代表，而它們的延遲信號(hào)用' F代替。由式（6）和式（8）以及靜止坐標(biāo)系下的矢量和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的矢量之間的關(guān)系可以得出

將式（11）代入式（10）可得完全在靜止坐標(biāo)系下且無(wú)需正負(fù)序分解的瞬時(shí)功率表達(dá)式為

其中2.2 有功和新型無(wú)功功率脈動(dòng)的消除

對(duì)式（13）進(jìn)行求解，可以得出不平衡電網(wǎng)下能夠使電流正弦且消除有功和新型無(wú)功功率脈動(dòng)的靜止坐標(biāo)下的電流參考值為

如果不考慮電網(wǎng)電壓不平衡，則理想情況下的電流參考值可以根據(jù)式（3）由給定功率得到。即不難證明式（14）在電網(wǎng)平衡時(shí)與式（15）是等效的。即式（14）得到的電流參考值可以在平衡電網(wǎng)和不平衡電網(wǎng)下都能良好運(yùn)行。

2.3 電流預(yù)測(cè)控制

對(duì)式（2）所示靜止坐標(biāo)下的PWM整流器數(shù)學(xué)模型采用前向歐拉法進(jìn)行離散化可得

式中，Ts為采樣周期；ik+1為第k+1次采樣周期時(shí)網(wǎng)側(cè)電流的采樣值。

對(duì)于電流預(yù)測(cè)控制，一般希望在k+1時(shí)刻電網(wǎng)電流已經(jīng)達(dá)到給定參考值iref。忽略電感電阻，根據(jù)式（16）可得期望的整流器交流側(cè)電壓為

圖2給出了不平衡電網(wǎng)下PWM整流器的改進(jìn)預(yù)測(cè)電流控制框圖，采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。首先，電壓外環(huán)中直流側(cè)電壓給定值和實(shí)際值之差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器得到有功電流給定，進(jìn)一步與實(shí)際直流電壓相乘得到有功給定，而無(wú)功給定設(shè)為零以獲得單位功率因數(shù)；其次，利用有功給定和電網(wǎng)電壓及其延遲信號(hào)根據(jù)式（14）計(jì)算得到內(nèi)環(huán)電流的參考值，而傳統(tǒng)預(yù)測(cè)電流控制根據(jù)式（15）計(jì)算得到電流參考值，這是二者的最大區(qū)別；最后，利用得到的電流參考值通過(guò)式（17）計(jì)算得到期望的整流器參考電壓，然后用SVM合成該參考電壓，得到開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖2 不平衡電網(wǎng)下PWM整流器改進(jìn)預(yù)測(cè)電流控制框圖Fig.2 Control diagram of improved predictive current control for PWM rectifier under unbalanced grid voltages

3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文所提出的改進(jìn)預(yù)測(cè)電流控制的有效性，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。作為對(duì)比，本文還與采用式（15）計(jì)算的電流參考值的傳統(tǒng)預(yù)測(cè)電流控制算法進(jìn)行了對(duì)比。系統(tǒng)主要參數(shù)為：交流側(cè)線電壓有效值150V，頻率50Hz，交流側(cè)電感10mH，直流母線電容840μF，母線電壓給定值300V，采樣頻率為5kHz。仿真中的電網(wǎng)電壓不平衡度為10%。受設(shè)備條件限制，在實(shí)驗(yàn)中采用在a相串聯(lián)5Ω電阻的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)單相電網(wǎng)電壓跌落[17]，從而得到不平衡的電網(wǎng)電壓。

3.1 仿真結(jié)果

在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真。圖3是傳統(tǒng)預(yù)測(cè)電流控制在電網(wǎng)電壓由平衡到不平衡的仿真結(jié)果。圖中從上到下所示曲線依次為：有功功率P和傳統(tǒng)無(wú)功功率Q、新型無(wú)功功率Qnov、網(wǎng)側(cè)三相電壓和三相電流。在0.05s時(shí)電網(wǎng)電壓開(kāi)始不平衡，相應(yīng)的網(wǎng)側(cè)電流發(fā)生嚴(yán)重畸變，同時(shí)新型無(wú)功功率也出現(xiàn)較大的波動(dòng)。對(duì)比0.05s前后可以發(fā)現(xiàn)在理想電網(wǎng)下預(yù)測(cè)電流控制可以取得良好的控制效果，但在電網(wǎng)不平衡時(shí)如果仍控制有功和傳統(tǒng)無(wú)功恒定，則網(wǎng)側(cè)電流因產(chǎn)生大量諧波而嚴(yán)重畸變。圖4是改進(jìn)預(yù)測(cè)電流控制在電網(wǎng)電壓由平衡到不平衡的仿真結(jié)果。當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，有功功率和新型無(wú)功功率基本保持恒定，沒(méi)有明顯波動(dòng)，表明本文消除有功功率和新型無(wú)功功率脈動(dòng)的目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。另外，電網(wǎng)電流依然正弦度較好，諧波較小。

圖3 電網(wǎng)由平衡到不平衡傳統(tǒng)預(yù)測(cè)電流控制的仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of conventional predictive current control when ideal grid voltages become unbalanced

圖4 電網(wǎng)由平衡到不平衡改進(jìn)預(yù)測(cè)電流控制的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of proposed predictive current control when ideal grid voltages become unbalanced

進(jìn)一步分析了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在1kW有功時(shí)傳統(tǒng)預(yù)測(cè)電流控制以及改進(jìn)預(yù)測(cè)電流控制的網(wǎng)側(cè)電流頻譜。在不平衡時(shí)，傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)電流控制的電流總諧波畸變率高達(dá)10.2%，而改進(jìn)的預(yù)測(cè)電流控制的電流總諧波畸變率僅為3.31%。驗(yàn)證了改進(jìn)方案在電網(wǎng)不平衡時(shí)能有效減小電流諧波。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

除了仿真結(jié)果，還搭建了兩電平PWM整流器樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?？刂破鞑捎?2位浮點(diǎn)DSPTMS320F28335，可以方便地實(shí)現(xiàn)本文的控制算法。另外控制板上還擴(kuò)展了4通道的DA，用于內(nèi)部變量觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)中除電流采用電流探頭直接測(cè)得外，其他變量都是通過(guò)12位DA輸出到示波器上顯示。由于示波器通道有限，實(shí)驗(yàn)中僅對(duì)有功、無(wú)功、電壓和電流等相關(guān)物理量進(jìn)行觀測(cè)。

圖5 電網(wǎng)由平衡到不平衡傳統(tǒng)預(yù)測(cè)電流控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results of conventional predictive current control when ideal grid voltages become unbalanced

圖6 電網(wǎng)由平衡到不平衡改進(jìn)預(yù)測(cè)電流控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of proposed predictive current control when ideal grid voltages become unbalanced

圖5是傳統(tǒng)預(yù)測(cè)電流控制由電網(wǎng)電壓平衡到不平衡時(shí)帶1kW負(fù)載的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖中從上到下所示曲線依次為：有功功率P、傳統(tǒng)無(wú)功功率Q、單相電網(wǎng)電壓和電流。圖6是相同測(cè)試條件下采用改進(jìn)預(yù)測(cè)電流控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，傳統(tǒng)預(yù)測(cè)電流控制雖然能夠保持有功功率和傳統(tǒng)無(wú)功功率無(wú)脈動(dòng)，但網(wǎng)側(cè)電流畸變嚴(yán)重。采用改進(jìn)的預(yù)測(cè)電流控制可以控制有功功率恒定同時(shí)得到正弦的網(wǎng)側(cè)電流，但傳統(tǒng)的無(wú)功功率會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)。

在與圖5和圖6同樣的測(cè)試條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，只不過(guò)第二通道改為觀測(cè)新型無(wú)功。圖7是傳統(tǒng)預(yù)測(cè)電流控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖中從上到下所示曲線依次為：有功功率P、新型無(wú)功功率Qnov、單相電網(wǎng)電壓和電流。圖8是采用改進(jìn)預(yù)測(cè)電流控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)采用傳統(tǒng)預(yù)測(cè)電流控制雖然可以控制有功和無(wú)功功率同時(shí)恒定，但是新型無(wú)功功率會(huì)產(chǎn)生二倍工頻脈動(dòng)。采用改進(jìn)的預(yù)測(cè)電流控制后，有功功率和新型無(wú)功功率波動(dòng)同時(shí)消除，而且網(wǎng)側(cè)電流依然保持正弦波。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明采用新型無(wú)功功率不僅適合理想平衡電網(wǎng)，而且在電網(wǎng)不平衡時(shí)依然保持網(wǎng)側(cè)電流正弦，因此比傳統(tǒng)的無(wú)功功率定義更有效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖3和圖4的仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了本文理論分析和控制方法的正確性和有效性。

圖7 電網(wǎng)由平衡到不平衡傳統(tǒng)預(yù)測(cè)電流控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of conventional predictive current control when ideal grid voltages become unbalanced

圖8 電網(wǎng)由平衡到不平衡改進(jìn)預(yù)測(cè)電流控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results of proposed predictive current control when ideal grid voltages become unbalanced

本文進(jìn)一步分析了在1kW穩(wěn)態(tài)負(fù)載時(shí)傳統(tǒng)預(yù)測(cè)電流控制和改進(jìn)預(yù)測(cè)電流控制對(duì)應(yīng)的電流頻譜，如圖9和圖10所示。在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)傳統(tǒng)預(yù)測(cè)電流控制的電流總諧波畸變率高達(dá)10.46%，而改進(jìn)預(yù)測(cè)電流控制的電流總諧波畸變率僅為4.14%，驗(yàn)證了所提改進(jìn)方案在電網(wǎng)不平衡時(shí)的有效性。

圖9 不平衡電網(wǎng)下傳統(tǒng)預(yù)測(cè)電流控制的電流頻譜Fig.9 Harmonic spectrum of grid current for conventional predictive current control under unbalanced grid voltages

圖10 不平衡電網(wǎng)下改進(jìn)預(yù)測(cè)電流控制的電流頻譜Fig.10 Harmonic spectrum of grid current for the proposed predictive current control under unbalanced grid voltages

4 結(jié)論

本文提出一種改進(jìn)的預(yù)測(cè)電流控制，在理想電網(wǎng)和不平衡電網(wǎng)情況下都能夠獲得恒定的有功功率和網(wǎng)側(cè)正弦電流。相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)功功率，新型無(wú)功功率更加適用于電網(wǎng)電壓不平衡情況。改進(jìn)的預(yù)測(cè)電流控制方案不需要正負(fù)序分解，完全在靜止坐標(biāo)系下進(jìn)行。在推導(dǎo)不平衡電網(wǎng)電壓下PWM整流器數(shù)學(xué)模型和瞬時(shí)有功、新型無(wú)功功率數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了實(shí)現(xiàn)三相電流正弦化、有功功率和新型無(wú)功功率無(wú)脈動(dòng)為控制目標(biāo)的控制策略，得到了滿足控制目標(biāo)的電流指令值。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性以及所提出的預(yù)測(cè)電流控制方案在電網(wǎng)電壓不平衡情況下的有效性。

參考文獻(xiàn)

[1] Blasko V, Kaura V. A new mathematical model and control of a three-phase AC-DC voltage source converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1997, 12(1): 116-123.

[2] 張永昌，謝偉，李正熙. PWM整流器功率脈動(dòng)最小化方法的研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(18): 57-64.

Zhang Yongchang, Xie Wei, Li Zhengxi. Studies on power ripple minimization of PWM rectifiers[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(18): 57-64.

[3] Noguchi T, Tomiki H, Kondo S, et al. Direct power control of PWM converter without power-source voltage sensors[J]. IEEE Transactions on Industry Application, 1998, 34(3): 473-479.

[4] Zhang Y, Li Z, Zhang Y, et al. Performance improvement of direct power control of PWM rectifier with simple calculation[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(7): 3428-3437.

[5] Cortes P, Rodriguez J, Antoniewicz P, et al. Direct power control of an AFE using predictive control[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2008, 23(5): 2516-2523.

[6] Zhang Y, Xie W. Low complexity model predictive control-single vector-based approach[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, 29(10): 5532-5541.

[7] Jeong S G, Woo M H. DSP-based active power filter with predictive current control[J]. IEEE Transactions on Industry Electronics, 1997, 44(3): 329-336.

[8] Zhang Y, Xie W, Li Z, et al. Model predictive direct power control of a PWM rectifier with duty cycle optimization[J]. IEEE Transactions on Industry Electronics, 2013, 28(11): 5343-5351.

[9] 陽(yáng)同光, 桂衛(wèi)華. 電網(wǎng)不平衡情況下并網(wǎng)逆變器控制策略綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(14): 241-246.

Yang Tongguang, Gui Weihua. An overview on control strategies of grid-connected inverter under unbalanced voltage conditions[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(14): 241-246.

[10] 年珩, 程鵬. 電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)PWM整流器的諧振直接功率控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(11): 86-94.

Nian Heng, Cheng Peng. Resonant based direct power control strategy for PWM rectifier under unbalanced grid voltage condition[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(11): 86-94.

[11] 章瑋, 王宏勝, 任遠(yuǎn). 不對(duì)稱電網(wǎng)電壓條件下三相并網(wǎng)型逆變器的控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2010, 25(12): 103-110.

Zhang Wei, Wang Hongsheng, Ren Yuan. Investigation on control of three-phase grid-connected inverters under unbalanced grid voltage conditions[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010, 25(12): 103-110.

[12] Rioual P, Pouliquen H, Louis J. Regulation of a PWM rectifier in the unbalanced network state using a generalized model[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1996, 11(3): 495-502.

[13] Song H S, Nam K. Dual current control scheme for PWM converter under unbalanced input voltage conditions[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1999, 46(5): 953-959.

[14] Eloy-Garcia J, Arnaltes S, R-Amenedo J L. Direct power control of voltage source inverters with unbalanced grid voltages[J]. IET Power Electronics, 2007, 1(3): 395-407.

[15] Shang L, Sun D, Hu J. Sliding-mode-based direct power control of grid-connected voltage-sourced inverters under unbalanced network conditions[J]. IET Power Electronics, 2011, 4(5): 570-579.

[16] Suh Y, Lipo T. Modeling and analysis of instantaneous active and reactive power for PWM AC/DC converter under generalized unbalanced network[J]. IEEE Transactions Power on Delivery, 2006, 21(3): 1530-1540.

[17] Li Z, Li Y, Wang P. Control of three-phase PWM rectifier in stationary frame under unbalanced input voltage[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(10): 2521-2530.

[18] Zhang Y, Xie W, Li Z, et al. Low-complexity model predictive power control: double-vector-based approach[J]. IEEE Transactions on Indutrial Electronics, 2014, 61(11): 5871-5880.

[19] Akagi H, Kanazawa Y, Nabae A. Instantaneous reactive power compensators comprising switching devices without energy storage components[J]. IEEE Transactions on Industry Application, 1984, 20(3): 625-630.

[20] Timbus A V, Rodriguezt P, Teodorescu R, et al. Control strategies for distributed power generation systems operating on faulty grid[C]//Proceedings of IEEE International Symmposium on Industrial Electronics, 2006, 2: 1601-1607.

張永昌 男，1982年生，博士，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼儞Q器、電機(jī)控制和新能源發(fā)電。

E-mail: zyc@ncut.edu.cn（通信作者）

彭玉賓 男，1990年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槿娖絇WM整流器控制。

E-mail: 1098665228@qq.com

作者簡(jiǎn)介

收稿日期2014-09-15 改稿日期 2015-05-06

中圖分類號(hào)：TM46