郭旭剛， 王蘇敬, 孔龍飛， 王志良， 陸　陽(yáng)

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所， 北京100081)

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三相電壓型PWM整流器的新型直接功率控制

郭旭剛， 王蘇敬, 孔龍飛， 王志良， 陸陽(yáng)

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所， 北京100081)

為了改善傳統(tǒng)直接功率控制無(wú)功功率不可控和交流側(cè)輸入電流畸變的弊端，重新對(duì)功率比較誤差細(xì)化分析，在Matlab/Simulink環(huán)境下，搭建了基于三狀態(tài)開(kāi)關(guān)表直接功率控制系統(tǒng)的仿真模型，采用功率PI環(huán)代替了傳統(tǒng)滯環(huán)比較器。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，改善后的DPC系統(tǒng)對(duì)無(wú)功和有功都有良好的控制能力，使電網(wǎng)的輸入電流更接近于正弦波，中間直流電壓及功率紋波系數(shù)低，系統(tǒng)的性能得到了有效改善。

開(kāi)關(guān)表； 整流器； 直接功率控制(DPC)

由于PWM整流器具有能量雙向流動(dòng)、恒定直流電壓控制、低諧波輸入電流、小容量濾波器及高功率因數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，故被廣泛應(yīng)用于高鐵牽引控制系統(tǒng)中。然而直接功率控制(DPC)與傳統(tǒng)的直接電流控制相比具有結(jié)構(gòu)和算法簡(jiǎn)單、無(wú)PWM調(diào)制模塊、高功率因數(shù)、低諧波、動(dòng)靜態(tài)性能良好等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]將滑模控制理論和脈寬調(diào)制模塊結(jié)合，雖實(shí)現(xiàn)定頻控制，但是系統(tǒng)控制參數(shù)較多，控制復(fù)雜。文獻(xiàn)[2]中進(jìn)行開(kāi)關(guān)表優(yōu)化，采用雙開(kāi)關(guān)表進(jìn)行控制，但是會(huì)引入控制開(kāi)關(guān)信號(hào)次諧波。本文采用易實(shí)現(xiàn)的PI控制器代替滯環(huán)比較器，通過(guò)對(duì)功率比較誤差重新細(xì)化分析，構(gòu)建新的三狀態(tài)開(kāi)關(guān)表對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

1　電壓型PWM整流器的直接功率控制

三相電壓型DPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由主電路和控制電路組成。主電路包括交流回路、整流橋電路以及直流回路；控制電路包括直流電壓外環(huán)和功率內(nèi)環(huán)(包括交流電壓電流測(cè)量電路、直流電壓檢測(cè)電路、3/2 變換、功率估算器、扇形劃分器、功率滯環(huán)比較器、開(kāi)關(guān)表)組成。

1.1瞬時(shí)功率計(jì)算

交流電壓電流測(cè)量電路檢測(cè)到的ua，ub，uc，ia，ib，ic，經(jīng)過(guò)3/2變換后得到uα，uβ，iα，iβ可由(1)式計(jì)算瞬時(shí)有功和無(wú)功功率的估計(jì)值p、q。

(1)

1.2功率滯環(huán)比較器

計(jì)算瞬時(shí)有功和無(wú)功功率的估計(jì)值p、q與給定值比較后的功率比較誤差信號(hào)送入功率滯環(huán)比較器，得到開(kāi)關(guān)信號(hào)Sp,Sq，如公式(2)；優(yōu)化的開(kāi)關(guān)表采用三狀態(tài)開(kāi)關(guān)信號(hào)，如公式(3)。

圖1　傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表直接功率控制框圖

(2)

(3)

1.3扇區(qū)的選擇

由uα,uβ通過(guò)下式計(jì)算可得θn值，并計(jì)算得到扇區(qū)值[4]：

(4)

1.4改善后系統(tǒng)控制框圖

由于傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表(表1)有很多缺陷，對(duì)其進(jìn)行改善后三相電壓型DPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，與圖1相比不同之處就在于改善后的系統(tǒng)采用三狀態(tài)開(kāi)關(guān)表和簡(jiǎn)單的PI功率內(nèi)環(huán)，省去滯環(huán)比較器，通過(guò)編程比較容易實(shí)現(xiàn)。

1.5開(kāi)關(guān)表

直流電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出與直流電壓的乘積確定pref，為實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，qref設(shè)定為0。然后根據(jù)確定的Sp、Sq、θn狀態(tài)在開(kāi)關(guān)表中選擇所需的Sa、Sb、Sc去驅(qū)動(dòng)主電路開(kāi)關(guān)管[3]。

表1　傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表

圖2　改進(jìn)后的直接功率控制框圖

2　開(kāi)關(guān)表形成原理

在傳統(tǒng)直接功率控制系統(tǒng)中，為了使系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單，對(duì)形成開(kāi)關(guān)表1[4-5]中功率比較誤差考慮不周全，系統(tǒng)性能欠佳。為了改善此情況，將功率比較誤差重新細(xì)分，通過(guò)式(3)重新定義Sp、Sq與功率比較誤差之間的關(guān)系。

將功率比較誤差細(xì)分后會(huì)出現(xiàn)9種可能情況，其在扇區(qū)內(nèi)電流合成矢量[6-7]見(jiàn)圖3，假設(shè)電壓矢量位于第1扇區(qū)。

由三相電壓型PWM整流器數(shù)學(xué)模型[4]可知，在忽略電阻R的系統(tǒng)模型如下：

(5)

其中i-1，1表示Sp=-1，Sq=1 ，9種可能情況依次類(lèi)似。以i-1，1為例，表示當(dāng)前兩功率都偏大，根據(jù)Sp，Sq以及矢量所在扇區(qū)號(hào)，選擇合適電壓矢量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。當(dāng)電流合成矢量在i-1，1附近時(shí)，最理想的電壓矢量選擇圖3中點(diǎn)劃線矢量，但是綜合7種交流側(cè)電壓矢量，只有V6矢量更接近理想狀態(tài)。以此推導(dǎo)出三狀態(tài)開(kāi)關(guān)表，如表2。

圖3　功率比較誤差電流合成矢量圖

3　對(duì)比仿真驗(yàn)證及分析

3.1傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表仿真結(jié)果及分析

在傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表1中，當(dāng)Δp≥HP時(shí)，為了減少了開(kāi)關(guān)通斷次數(shù)大量選擇了零矢量，由于零矢量的無(wú)功調(diào)節(jié)能力差，則無(wú)功調(diào)節(jié)受到影響。傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表忽略了電感上的壓降，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，無(wú)功功率失控現(xiàn)象就更為明顯。由圖7可以看出負(fù)載突變前后無(wú)功q都出現(xiàn)了不可控現(xiàn)象，電流ia波形的正弦度和平滑度較差，負(fù)載突變后Udc、ia、p、q波形較差。圖7可以看出負(fù)載突變前后a相電流諧波畸變率(THD)由5.09%變?yōu)?.03%，電流畸變明顯,突變前諧波主要集中在5，7，11，13次，突變后諧波主要集中在5次和7次，頻率響應(yīng)幅值(Mag)也由3%左右增大到6%左右。

表2　3狀態(tài)開(kāi)關(guān)表

圖4　傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表Udc仿真波形

圖5　傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表a相電壓電流仿真波形

圖6　傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表瞬時(shí)有功無(wú)功仿真波形

圖7　傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表a相電流諧波分析

3.2三狀態(tài)開(kāi)關(guān)信號(hào)開(kāi)關(guān)表仿真結(jié)果及分析

由圖8～圖11可以看出，與傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表波形相比，優(yōu)化的三狀態(tài)開(kāi)關(guān)表電流ia波形的正弦度和平滑度較好，負(fù)載突變前后有功、無(wú)功及中間直流電壓不可控也得到改善，功率及中間直流電壓紋波系數(shù)明顯低于前者，系統(tǒng)5次和7次諧波頻率響應(yīng)幅值(Mag)也明顯下降到1%左右。由于有功功率和無(wú)功功率是耦合的，有功功率也有明顯的改善。

因?yàn)椴楸硎降闹苯庸β士刂崎_(kāi)關(guān)頻率不固定，由圖12可以看出傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表平均開(kāi)關(guān)頻率為6.9 kHz，改善后的三狀態(tài)開(kāi)關(guān)表平均開(kāi)關(guān)頻率為5.7 kHz，平均開(kāi)關(guān)頻率有所較低。

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證三狀態(tài)開(kāi)關(guān)控制策略的可行性，實(shí)驗(yàn)采用的主要參數(shù)：電網(wǎng)線電壓380 V，交流側(cè)濾波電感5 mH，直流電壓為600 V，直流側(cè)支撐電容3 mF。圖13是穩(wěn)態(tài)時(shí)傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表a相電壓電流實(shí)驗(yàn)波形，圖14為穩(wěn)態(tài)時(shí)改善開(kāi)關(guān)表a相電壓電流實(shí)驗(yàn)波形。

圖8　三狀態(tài)開(kāi)關(guān)表Udc仿真波形

圖9三狀態(tài)開(kāi)關(guān)表a相電壓電流仿真波形

圖10　三狀態(tài)開(kāi)關(guān)表瞬時(shí)有功無(wú)功仿真波形

圖11　三狀態(tài)開(kāi)關(guān)表a相電流諧波分析

圖12　驅(qū)動(dòng)信號(hào)(平均開(kāi)關(guān)頻率)

從上述試驗(yàn)波形圖13～14可以看出，采用三狀態(tài)開(kāi)關(guān)控制策略是可行的，改善前電流THD=10.4%；改善后降低為T(mén)HD=3.2%，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電流畸變率明顯變小，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相符。

5　結(jié)　論

通過(guò)對(duì)PWM整流器傳統(tǒng)直接功率控制的理論推導(dǎo)，分析研究了直接功率控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)表的形成，研究了三狀態(tài)開(kāi)關(guān)控制量的直接功率控制方案。對(duì)比仿真結(jié)果可以看出此控制方案與傳統(tǒng)直接功率控制方案相比有效改善了無(wú)功功率不可控的情況，降低了交流側(cè)輸入電流的畸變率，整個(gè)系統(tǒng)的性能得到有效改善，同時(shí)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，仿真和實(shí)試結(jié)果都驗(yàn)證了此控制方案的可行性與正確性。

圖13　傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表線電壓、相電流試驗(yàn)波形

圖14　改善后線電壓、相電流試驗(yàn)波形

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[2]黃晶晶;張愛(ài)民;陳曉菊;張杭;王建華. 三相電壓型PWM整流器雙開(kāi)關(guān)表直接功率控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化:2012，36(18):128-132.

[3]張興, 張祟巍.PWM 整流器及其控制[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

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Modified Direct Power Control System of Three Phase Boost Type PWM Rectifier

GUO Xugang, WANG Sujing, KONG Longfei, WANG Zhiliang, LU Yang

( Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

The study analyzed the traditional direct power control (DPC) strategy, and the uncontrollable reactive power will increase the input current waveform's harmonics. In order to improve the control of the reactive power，in Matlab/Simulink environment，a modified direct power control system simulation model based on switch table with three state is built, and the simple PI control is used in the inner loop instead of the traditional hysteresis comparator in the classical DPC．Simulation and experimental results show that the modified DPC system has a good control capability of the active and reactive power，the input current is more sinusoidal, and the output of DC voltage ripple is lower．

switch table;PWM rectifier,;direct power control(DPC)

1008-7842 (2016) 01-0055-05

??)男，研究實(shí)習(xí)員(

2015-02-27)

TM461

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.14