三相電壓型PWM整流器直接功率控制方法綜述

1、三相電壓型PWM整流器直接功率控制方法綜述點擊數：260劉永奎，伍文俊（西安理工大學自動化學院電氣工程系，陜西西安710048）摘要首先介紹了三相電壓型 PWM整流器的拓撲結構，在此基礎上，對當前應用于PWM整流器的直接功率控制策略進行了對比分析，介紹了其實現機理和優(yōu)缺點，最后，對直接功率控制在三相電壓型PWM整流器中的控制技術進行了展望。關鍵字PWM整流器；直接功率控制；綜述Summary about Direct Power Control Scheme of Three-Phase VoltageSource PWM RectifiersLIU Yongkui ， WU Wenjun(X

2、i'an University of Technology ， Xi'an Shannxi 710048 China)Abstract The topological structure of three-phase PWM rectifiers is introduced. On this basis, several DPC methods of three-phase voltage source PWM rectifiers were introduced and compared. At last, the pros 原 per of the control sche

3、me development trends in three-phase PWM rectifiers is presented.Keywords three-phase PWM rectifiers ； direct power control ； summary1概述三相電壓型PWM整流器具有能量雙向流動、網側電流正弦化、低諧波輸入電流、恒定直流電壓控制、 較小容量濾波器及高功率因數（近似為單位功率因數）等特征，有效地消除了傳統整流器輸入電流諧波 含量大、功率因數低等問題，被廣泛應用于四象限交流傳動、有源電力濾波、超導儲能、新能源發(fā)電等 工業(yè)領域。PWM整流器控制策略有多種，現行控制策略中

4、以直接電流、間接電流控制為主，這兩種閉環(huán)控制策略抗干擾能力強、良好的動態(tài)性能、可以實現有功無功的解耦控制等諸多優(yōu)點而被近年來廣泛研究，控制方法也層出不窮1-2。本文將介紹三相電壓型 PWM整流器主電路的拓撲結構和基于DPC的控制策略，并進行對比分析，在此基礎上對PWM整流器的控制策略進行展望。2電路拓撲近年來對于三相電壓型 PWM整流器拓撲結構的研究在小功率場合主要集中在減少功率開關3和改進直流輸岀性能上；對于大功率場合主要集中在多電平4、變流器組合以及軟開關技術上5。目前較成熟的拓撲有兩電平和三電平 PWM 整流器結構。圖I是-柑電壓型兩電平PWM整流器電路 拓撲結構-其中皿為三相交流電源電

5、為三相交濂輸人電流，厶為網側串聯電 感 &為其等效內阻是直流母線電容.為直 流俘線電壓航為負載心為負載電流°兩電平 M整流器每個橋臂由兩個開關管組成*在工作 過揑中.齊橋舞的兩個開作狀態(tài)恰好相 反即處于互補狀態(tài).每相橋腎屮點的電壓、如 和血有0、兩種電卩=同1 斗電壓整兩電PWM整流器電路拓撲律榔圖2是三相電壓型三電罕PWM幣流器電路 拓撲結構，其每相橋劈由四個開關管和兩個箝位 二極僭組戰(zhàn)遇行中有三種組合開關狀態(tài)*分別對 應T T.vrjvr.v蒞或vrisVT4導通.毎相橋 臂中點的電壓%*如利也 可以有-f2山.煮J2 三種電否國2 M3KH施型三電平FWM整.<

6、:？; “ ;.,.：-. 梅三相電壓型兩電平 PWM 整流器是最基本的PWM整流電路，因為結構簡單、控制算法相對成熟，得到 了廣泛應用。與其相比三電平PWM整流器每個橋臂多了兩個開關管和兩個箝位二極管，電路結構復雜、存在中點電位平衡問題、控制算法繁瑣，但因此種電路具有更大的變換功率、更低的輸入電流畸變率等 優(yōu)點，也被廣泛研究應用。3直接功率控制方法直接功率控制（DPC）系統結構是以直流側電壓為外環(huán)、瞬時功率控制為內環(huán)的雙閉環(huán)系統。從功率守恒的角度看，直接功率控制PWM整流器是在交流側電壓一定的情況下，通過控制流入整流器瞬時有功功率和無功功率， 來達到控制瞬時輸入電流的目的，從而獲得預設的功率

7、因數和功率流動方向。3.1基于電壓的直接功率控制（V-DPC）廉于電壓的直接功率控制(V -I)W：)T是眾早 出現的種PWM稷流器直接功率控制方式圖3 是V-PPC的系統控制框圖叫固3 也十電壓的貞廉功卓牠期系統柜圖(3)V-DK：工作原理是采樣母線電壓心，與給定 參考母線電壓治 郴比的誤差經過PI調節(jié)器得到 仃門號電流匚人與母線電壓的乘積作為參考 有功功舉啓 根據公式(1)、公式(2)(S、&、Sc為 整流器開羌狀態(tài))用檢測到網勵山訛川 流份線電壓比計算出瞬時仃功功率P、無功功率 0并由式(3)估算出網側輸人電壓矢量/ P和Q 9給定的凡和仏比較后送入功率滯環(huán)比較熟 比較器輸出風色

8、開關信號。由電壓矢量血所處的 呦區(qū)與開關信號共同決定幣、流器卜開關狀態(tài)。P"(獸I獸*+學門+("+，、；+、(1)(3)(3)3“獸L -獸i-% S#b -門(2)+d+sg)(3)(3)M*=TT(P+jW式中汽為網側輸入電流矢量(3)與此前各種PWM整流器控制策略相較，該控制策略的突岀優(yōu)點在于:（1）不需要PWM調制模塊、不需要電流閉環(huán)調節(jié)、借助于開關矢量表直接對有功功率與無功功率進行控制，控制算法簡單；（2）系統具有更快的動態(tài)響應速度；（3）輸入電流具有更低的畸變率；（4）瞬時功率的獲取采用無電壓傳感器的預測模型，在一定程度上節(jié)約硬件成本。 同時它也存在以下幾方面

9、不足：（1）開關頻率不固定，為交流側電感的選取增加了難度；（2）對傳感器轉換精度和系統采樣頻率的依賴程度高。3.2基于虛擬磁鏈的直接功率控制（VF-DPC）虛擬磁鏈控側“啲原理是將M幕流器電 網側視為個虛擬的交流“電機：黑和厶分別觀 為電機的崔frUPIL'j電感，引入虛擬磁通量虹血 由公式（4人公式f 5）計算得到，gg和嘰，妙審分 別iii虛擬電機的屯用矢繪和虛擬磁鏈矢煒在坷Ml 靜止坐標系中的口舊軸分量。、=1 g（樂 V3虬彳（MJZ器皿（5a）%嚴（打申+丄才沏（5ld幣流器的有功和無功功率怙算由公式厲）、 （7）完成如是網側輸人電流在兩相靜止坐標 系軸分量2是輸人角頻率圖4

10、為基于虎擬磁鏈的直接功率控ild I'WM 轅流系統框圖|叫通過虛擬磁鏈的方法怙算出 時功率，與給定功率宀和Q.比較后送人功率滯 環(huán)比較器.輸出與扇區(qū)識別器實時決定下時訕 整流器開關狀態(tài)口圖4 施于虛規(guī)毎鏈妁克撞功車控制東驗框圖基于虛擬磁鏈的直接功率控制策略除了具有V-DPC的諸優(yōu)點之外，還具有10:（1）較低的采樣頻率；（2）在輸入三相電網電壓不理想的情況下有更低的電流總諧波含量（THD ）。同樣VF-DPC也沒有解決開關頻率不固定的問題。3.3基于瞬時功率理論的直接功率控制傳統理論中的有功功率、無功功率都是定義在平均值的基礎上，只適用于電壓、電流為正弦波的情況;12。而瞬時功率理論

11、的概念是建立在瞬時值的基礎上，對正弦、非正弦電壓和電流的情況都適用瞬時有功功卓尸和瞬時無功功來Q在口0 坐標系卞袤示為帕曲二十皿【50（上呻ill歸咐扁式中出為電壓向量弼電流向量的夬flk根據«E坐標系和三相坐棟系之間的轉換關 系，在三相坐標系下有功功率、無功功舉表示為/UJn+irjh+Utir（ 1（）''仏-認4（址一口 fajij（lb圖5給岀了基于瞬時功率理論的直接功率控制系統框圖13。控制原理與V-DPC相似，用計算得到的有功功率 P、無功功率Q與功率給定做差，其結果經過功率滯環(huán)比較與電壓矢量所在扇區(qū)茲n 起決定系統的開關狀態(tài)。與V-DPC、VF-DPC相

12、比，系統雖然采用了額外的電壓傳感器，但瞬時功率的計算不依賴于系統開關狀態(tài)，使算法大大簡化，同時也提供了更準確的有功、無功功率瞬時量。同時該控制策略同樣具有動態(tài)響應快、輸入側電流畸變率低等優(yōu)點。缺點是：（1）開關頻率不固定；（2）要求較高的采樣頻率。田5 展T吋M對匚朗論詢貞胰幼f-挖9慕眩亞圖3.4基于空間矢量的直接功率控制 （SVM-DPC）基于空間矢量的直接功率控制（SVM-DPC ）用空間矢量PWM調制模塊和PI環(huán)節(jié)取代了傳統 DPC系統中的開關矢量表和功率滯環(huán)14-佝圖6是獲于空間矢就調制的直接功率控制系 統框圖°系統由公式怙算出I#時有功、無 功功率井與給定凡、Q胡比較做差

13、得到謀差信號,罔6雖于當間喪量的真攤助率控罰需蜒框國再逬嘉ri冏骯廳宀心川-莎卅用U i2 i.（二的變換得到*吟，將其送入空間矢蚤 IWH調制模塊來得到開關狀態(tài)-山-siny+i.r伽人訂乙沖Lr丫林j f 1.沖©><y*Lfin*. | 屮旳I12|=%113)V血）'鋤Jcosy廿虬w5|U)V妙j- +砂單）式中:九是虔擬磁鏈在兩郴靜止坐標系中 嘰、如的向繪角空間矢量調制直接功率控制策略優(yōu)點：（1）不使用非線性控制器；（2）開關頻率是固定的，因此方便了網側電感參數的選取;（3）降低了采樣頻率；（4）可獲得任意方向電壓矢量，不存在無功失調區(qū);（5）具有更低

14、的輸入電流畸變率。缺點:（1）控制算法復雜化，瞬時功率的估算依賴系統當前開關狀態(tài)；（2）多個PI環(huán)節(jié)使系統調試復雜度增加。另外為進一步得到更準確的瞬時功率，有學者提岀了在網側增加電壓傳感器的控制方案，根據瞬時功率 理論計算瞬時有功、無功功率，該方法在三相輸入電壓不對稱等非理想的情況下獲得了較好的控制效果。3.5基于功率預測的直接功率控制（P-DPC）基于功率預測的DPC系統17-19可以分為定頻率和不定頻率兩種。文獻18詳細介紹了兩種 PDPC各自的控制算法并做了仿真研究，從兩者的仿真結果來看定頻控制的效果較優(yōu)。圖7給岀了基于功率預測的定頻直接功率控制系統框圖，系統通過功率預測模型得到當前瞬時

15、功率，并結合給定功率選擇最佳的電壓矢量序列和其對應的作用時間，來控制PWM整流器在恒定開關頻率下的運行。功率預測通過公式（15）、公式（16）計算完成。f f *LJ再了雖于定頻對卓預測的宜襪坊率控制慕蜿框圖J金4化祜港L'（I5ti）ilf15b）m06a）QT屮霽If占（1式中:址產ig聊是整流器電壓控制矢量* 他卻叫F是網側線電壓矢繪； 冃是電流矢量準個控制周期中認為 它們都是怕定不塑的：庫i© 是 個控制周期中只Q的初始X £、Qi是P、Q的結東值;$是控制圃期，也即是電壓控制矢量嶺的作 用時間"基于定頻功率預測的直接功率控制保持了傳統DPC的優(yōu)點

16、，如動態(tài)響應快等，同時以新穎的方法實現了固定開關頻率的目的，使整流器系統參數設計簡化。該控制策略的缺點主要體現在功率算法相對較為復 雜。3.6基于功率解耦的直接功率控制由于三相電壓型PWM整流器是混合非線性系統，有功功率與無功功率相互耦合，影響了系統的控制性 能。功率解耦控制的思路是將有功功率、無功功率從相互耦合的復雜關系式中分離岀來，得到獨立的表 達式，為系統提供更加準確的控制模型20-22。圖8是采用無源性控制實現功率解耦的直接功率控制結構框圖22。有功功率給定可由公式（17）計算得到，公式（18）、（ 19）給出了具體的無源功率控制律。將 Sd、Sq代入整流器數學模型22得到公式（20）

17、、（ 21 ），可以看岀P、Q的表達式中不再含有傳統 DPC控制策略功率表達式中的耦合項。q VT>輯附和羊譏i*_ :_LF丁-nr圖8基十充源畏拴瞬時氏接功羊控制專統掘同2MC器心(1.7)(18)(仞?(>)(21 )與現行功率控制相比，功率解耦控制使整流器具有如下優(yōu)點：（1）更快速的功率和直流電壓跟蹤能力；（2）更好的靜態(tài)性能；（3）抗負載擾動能力強。缺點：（1）算法復雜；（2）控制效果依賴于估計參數值 Rai、Ra2的準確性。3.7基于雙開關表的直接功率控制傳統開關表是建立在對有功功率和無功功率同時作用的基礎上的，即同一個電壓矢量要同時兼顧有功功 率和無功功率的調節(jié)，但這

18、種兼顧實際上很難完美實現，更多的情況是所選電壓矢量對一方的調節(jié)能力 強而對另一方的調節(jié)能力弱，從而導致系統整體跟蹤速度緩慢。2。從一定意義上講雙開關表的運用降雙開關表是針對有功功率與無功功率獨立調節(jié)控制的開關矢量表低了有功功率和無功功率的耦合度。其控制思路是在一個控制周期中，如果要增強對有功的調節(jié)能力,9為基于雙開關表的直接功就增加有功開關表的作用時間，減小無功開關表的作用時間，反之亦然。圖率控制系統框圖。圖9 基于現冊關衷的立接功率握制系疑櫃圖基于雙開關表DPC控制策略解決了傳統DPC單一邏輯開關表進行功率調節(jié)時導致啟動暫態(tài)過程中直流電壓、功率岀現較大波動，穩(wěn)態(tài)負載擾動造成較大直流側電壓波動

19、、功率跟蹤速度慢等問題，具有更好 的動、靜態(tài)性能。3.8基于輸岀調節(jié)子空間的直接功率控制基于輸出調節(jié)子空間（ORS）的PWM整流器DPC策略的控制思路是：取瞬時有功和無功功率為輸出量， 根據瞬時有功和無功功率導數，及時選擇整流器輸入電壓矢量來控制瞬時有功功率和無功功率的增減，完成功率預控制，以達到系統單位功率因數運行和平衡直流電壓的目的23-24。與傳統DPC策略相比,其優(yōu)點是提高了系統的動態(tài)性能，并在輸入電壓不平衡條件下取得良好效果，其代價是算法復雜性大大 增加。3.9其它改進型直接功率控制策略文獻25提岀一種基于模糊控制的直接功率控制，主要思想是用模糊控制代替?zhèn)鹘yDPC中的PI環(huán)節(jié)來得到系

20、統有功功率給定。由于傳統DPC對有功調節(jié)能力較弱，文獻26采用了變無功給定的方式，增加對有功的調節(jié)能力，改進 了功率響應速度。文獻27采用功率內環(huán)和電壓平方外環(huán)的功率控制策略進一步提高了直流電壓跟蹤、功率跟蹤能力。 為了更準確的得到電壓矢量的相位角，有學者將鎖相環(huán)( PLL )引入到了 PWM 整流器 DPC 控制之中， 通過檢測交流側輸入電壓相位來實現對電壓矢量的定位。4 三相整流器直接功率控制策略的展望 隨著電力電子技術和控制理論的發(fā)展，三相 PWM 整流器的控制策略的研究將不斷深入，根據對整流器 本身的性能要求，像更小的電流畸變率、減小直流側紋波系數、進一步提高功率因數等，其相應的控制

21、策略主要向以下幾個方面發(fā)展 1 。1) 針對具有非線性多變量耦合特性的電壓型PWM 整流器模型， 常規(guī)控制策略及其控制器設計的不足之處在于無法保證控制系統大范圍擾動的穩(wěn)定性。為此，學者們提出了基于穩(wěn)定性理論的 DPC 控制策略， 以改變系統的魯棒性。2) 針對在三相電網不平衡時整流器出現直流側電壓和交流側電流低次諧波幅值增大，同時產生網側電流的不平衡， 嚴重時可損壞整流裝置。 有學者在電網不平衡條件下的整流器 DPC 控制策略方面也做了一些 工作 29。3) 由于多電平三相 PWM 整流器在控制電流諧波、穩(wěn)定直流電壓、更高的轉換容量等方面存在著突出的 優(yōu)勢，有學者也對多電平的 DPC 控制策略

22、做了研究 30 。4) 由于傳統整流器控制系統都是在電網平衡、功率開關器件為理想模型基礎上給定的，所以系統魯棒性較差， 針對這些問題， 有學者嘗試將智能控制， 如神經網絡控制器、 模糊邏輯控制器等應用到整流器 DPC 控制策略中，來予以解決。5 結語本文首先介紹了直接功率控制在三相電壓型 PWM 整流器中的應用優(yōu)勢并說明了其控制思路，重點介紹 了三相電壓型整流器的兩電平、三電平電路拓撲結構，以及當前直接功率控制的主要方法和實現原理， 最后對三相 PWM 整流器的直接功率控制技術的發(fā)展方向做了展望。作者簡介 ：劉永奎 (1985-)，男，陜西韓城人，碩士生，研究方向為新型電力電子裝置與系統。伍文

23、俊 (1967-) ，女，江西上高人，講師，博士生，研究方向為電力電子裝置、多電平變換器。參考文獻 ：1 張興 . PWM 整流器及其控制策略的研究 D. 合肥工業(yè)大學， 2003.2 王久和，李華德 . 一種新的電壓型 PWM 整流器直接功率控制策略 J. 中國電機工程學報， 2005, 25(15).3 Shied J-J, Pan C-T, Cuey Z-J. Modelling and Design of a Reversible Three-phase Switching Mode Rectifier J.IEE Proc. Electr Power Appl, 1997,144 (

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