三電平電壓型pwm整流器直接功率控制方法

三電平電壓型pwm整流器直接功率控制方法

1dpc控制概述傳統(tǒng)的宰相控制單元和相位預(yù)處理裝置存在許多問題，如能量不能雙向流動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)波形低，波形污染嚴(yán)重。這些問題尤其體現(xiàn)在高壓和相當(dāng)數(shù)量的功率場合。因此，在諸如有源濾波、超導(dǎo)儲(chǔ)能、可再生能源（太陽能、風(fēng)能）的并網(wǎng)以及四象限交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等場合，PWM整流器必然會(huì)得到越來越多的應(yīng)用。與此同時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的兩電平變換器，中點(diǎn)鉗位式三電平變換器由于具有獨(dú)特的優(yōu)勢，成為高壓大容量應(yīng)用場合的研究熱點(diǎn)之一。因此，將三電平技術(shù)應(yīng)用于PWM整流器無疑在高壓大容量場合更具吸引力，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流諧波小、功率因數(shù)可控、能量能夠雙向流動(dòng)等目標(biāo)，而且同時(shí)具有器件承壓低、開關(guān)頻率低、輸出諧波小和dv/dt小等三電平變換器的優(yōu)點(diǎn)。目前，有關(guān)PWM整流的研究大多是基于兩電平的拓?fù)?，其高性能的控制策略有兩種：電壓定向控制（VoltageOrientedControl,VOC）和直接功率控制（DirectPowerControl,DPC）。VOC控制是通過旋轉(zhuǎn)變換，將交流側(cè)電流解耦成有功分量和無功分量，從而分別構(gòu)成有功電流和無功電流的閉環(huán)控制。而DPC不需要電流的旋轉(zhuǎn)變換，通過開關(guān)表直接選擇合適的矢量實(shí)現(xiàn)對(duì)有功和無功的bang-bang控制，從而具有算法簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好等優(yōu)點(diǎn)。但是，類似電機(jī)控制領(lǐng)域的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）,DPC控制存在開關(guān)頻率不固定的缺點(diǎn)，不利于濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)；而且，DPC控制要達(dá)到比較好的控制效果，需要較高的采樣頻率，這就對(duì)控制器和A/D轉(zhuǎn)換器提出了更高的要求。這些問題給傳統(tǒng)DPC控制的應(yīng)用帶來了很多困難。文獻(xiàn)提出了固定開關(guān)頻率的DPC方法，但其算法是基于兩電平的電路拓?fù)?，并且沒有給出系統(tǒng)有功、無功和具體矢量之間的明確關(guān)系，難以優(yōu)化設(shè)計(jì)控制器參數(shù)。此外，三電平拓?fù)溥€必須考慮中點(diǎn)電位的平衡。針對(duì)上述問題，本文提出了一種基于空間電壓矢量SVM(SpaceVectorModulation）的固定開關(guān)頻率三電平PWM整流器DPC控制策略（DPC-SVM）。相對(duì)于VOC,DPC-SVM算法簡單，不需要電流的旋轉(zhuǎn)變換；相對(duì)于傳統(tǒng)的基于開關(guān)表的DPC,DPC-SVM開關(guān)頻率固定，采樣頻率不需要很高，降低了對(duì)控制器和A/D采樣的要求。2三坪平滑m電流濾波2.1帶網(wǎng)電路設(shè)計(jì)三電平三相電壓型PWM整流器主電路如圖1所示。Ls和Rs分別是交流側(cè)電抗器電感和等效內(nèi)阻，Cdc1、Cdc2是直流母線電容；ea、eb、ec是三相電網(wǎng)電壓，isa、isb、isc是網(wǎng)側(cè)電流，vsa、vsb、vsc是整流橋交流側(cè)電壓，Udc1、Udc2分別是直流母線上下電容電壓。文獻(xiàn)中給出了電路的數(shù)學(xué)模型，由數(shù)學(xué)模型很容易得到三電平PWM整流器在d-q坐標(biāo)系下交流側(cè)等效電路，如圖2所示。圖中，ed和eq、isd和isq、usd和usq分別是d-q坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)電壓、電流以及整流橋交流側(cè)電壓。由等效電路可以得到三電平PWM整流器交流側(cè)d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：2.2直接功率控制dpc-svm方法DPC控制思路與VOC不同，是對(duì)瞬時(shí)有功和無功的直接控制。這種控制策略的關(guān)鍵之一是對(duì)有功和無功的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確觀測，而瞬時(shí)無功理論為此提供了理論基礎(chǔ)。瞬時(shí)功率理論由日本學(xué)者赤木泰文（H.Akagi）等人在20世紀(jì)80年代初期提出后得到跟蹤研究并被進(jìn)一步明確化，在α-β坐標(biāo)系下，瞬時(shí)有功和無功可以表示為式中p——電網(wǎng)瞬時(shí)有功功率q——電網(wǎng)瞬時(shí)無功功率isα,isβ——網(wǎng)側(cè)電流顯然，通過檢測網(wǎng)側(cè)電壓電流的瞬時(shí)值，可以計(jì)算出系統(tǒng)的瞬時(shí)有功功率和無功功率。省去公式推導(dǎo)，進(jìn)一步將式（2）轉(zhuǎn)換到d-q坐標(biāo)系，得到選取d-q坐標(biāo)系的初始電角度和a相的初始電角度相等，則d軸與電網(wǎng)電壓矢量重合，有eq=0，代入式（3）得到式（1）兩端乘以ed，得到令Le=Ls/ed,Re=Rs/ed，并將式（4）代入式（5）整理得到式（6）比較直觀地揭示了直接功率控制的本質(zhì)。由此，可以得到基于SVM的三電平PWM整流器直接功率控制（DPC-SVM）原理框圖，如圖3所示。通過對(duì)直流側(cè)上下母線電容的采樣得到中點(diǎn)電壓信息和母線電壓Udc,Udc和給定參考U*dc的誤差經(jīng)過調(diào)節(jié)器得到有功參考電流i*sd，它與母線電壓的乘積作為有功功率的參考量p*，無功功率的參考量q*在單位功率因數(shù)下設(shè)為零。通過對(duì)交流側(cè)的采樣得到瞬時(shí)有功p、瞬時(shí)無功q和網(wǎng)側(cè)電壓的相位信息。有功、無功參考量和實(shí)際值之間的誤差經(jīng)調(diào)節(jié)器輸出參考電壓矢量usd、usq。此參考矢量根據(jù)網(wǎng)側(cè)電壓的相位反旋轉(zhuǎn)變換，得到整流橋交流側(cè)的控制量uα、uβ。由此，可應(yīng)用各種適當(dāng)?shù)腜WM策略，以固定開關(guān)頻率控制整流橋工作，例如本文所采用的三電平SVM調(diào)制策略。顯然，系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵取決于有功、無功功率內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)控制器。3管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1基于前饋的解耦控制由圖3可以看出，DPC-SVM控制系統(tǒng)是由電壓外環(huán)、功率內(nèi)環(huán)組成的雙閉環(huán)系統(tǒng)。電壓外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)和VOC控制策略完全一致，在此不再贅述。下面給出功率內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)方法。由式（6）可以看出，系統(tǒng)d、q軸變量相互耦合，給控制器的設(shè)計(jì)帶來了一定難度。一個(gè)簡化的設(shè)計(jì)思路為：可以認(rèn)為無功功率始終為零，從而使得有功和無功功率的控制相互獨(dú)立。這種方法可以得到接近滿意的穩(wěn)態(tài)效果，因?yàn)榉€(wěn)態(tài)時(shí)無功近似為零；但是這種近似使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)難以得到保障。要提高控制性能，可以采用前饋解耦控制策略。當(dāng)采用圖3中的PI調(diào)節(jié)器作為功率內(nèi)環(huán)控制器時(shí)，由式（6）得到系統(tǒng)的控制方程如下：式中Kp——PI調(diào)節(jié)器比例增益Ki——PI調(diào)節(jié)器積分增益將式（7）代入式（6），整理得到顯然，從式（8）可以看出，基于前饋的控制策略實(shí)現(xiàn)了功率內(nèi)環(huán)有功、無功的解耦，由此得到系統(tǒng)的控制框圖如圖4所示。將ed視為擾動(dòng)，可以通過PI調(diào)節(jié)器補(bǔ)償?shù)?，所以得到簡化的有功功率環(huán)控制框圖如圖5所示。圖中，Ti=Kp/Ki,Ts為系統(tǒng)采樣周期的一半。根據(jù)簡化的控制結(jié)構(gòu)圖，按照典型II型系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)出有功功率環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)。無功功率環(huán)的設(shè)計(jì)與有功功率環(huán)類似。3.2基于svm的中點(diǎn)平衡控制中點(diǎn)電壓的平衡是三電平拓?fù)湓趹?yīng)用中必須注意的問題，否則可能導(dǎo)致開關(guān)器件及直流側(cè)電容承受過高電壓而損壞?；赟VM的中點(diǎn)平衡控制研究已近成熟。其中，通過調(diào)整具有冗余關(guān)系的小矢量來補(bǔ)償中點(diǎn)電位偏差的方法簡單有效。在三電平變換器中，具有冗余關(guān)系的小矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響是互反的。利用這一關(guān)系，通過檢測交流側(cè)電流判斷出中點(diǎn)電流方向，并根據(jù)中點(diǎn)電位的偏移方向，在SVM中調(diào)整冗余矢量和矢量序列可以保證中點(diǎn)電位的平衡。4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析基于上述方案，按照?qǐng)D3原理框圖，在以DSP(TMS320F2812）和CPLD(EPM7256）為核心的全數(shù)字化控制平臺(tái)上對(duì)三電平PWM整流器DPC-SVM控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)主要參數(shù)為：交流側(cè)相電壓170VAC，直流母線電壓500VDC,Ls=10mH,Cdc1=Cdc2=680μF，主功率器件IGBT的開關(guān)頻率為2.5kHz，滿載輸出功率3kW。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析主要由錄波儀（DL750）、數(shù)字功率計(jì)（WT1600）以及計(jì)算機(jī)（PC）完成。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。圖6a給出了滿載穩(wěn)態(tài)情況下系統(tǒng)交流側(cè)相電壓、電流以及整流橋交流側(cè)線電壓波形。相電壓中的高次諧波是由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的調(diào)壓器引起的，穩(wěn)態(tài)時(shí)用橫河數(shù)字功率計(jì)WT1600測試系統(tǒng)功率因數(shù)為0.9993。圖6b是滿載穩(wěn)態(tài)交流側(cè)電流和頻譜?？梢钥闯?，滿載時(shí)交流側(cè)電流的THD<1.69%；圖6c是在沒有加入前饋解耦算法的情況下，系統(tǒng)突加到滿載過程中交流側(cè)相電壓、電流以及系統(tǒng)有功、無功功率波形圖。從圖中可以看出，由于有功和無功的相互耦合，使得有功功率在突變時(shí)引起無功功率的變化。從交流側(cè)電壓電流波形上可以發(fā)現(xiàn)，電壓、電流有一個(gè)明顯的相位差，系統(tǒng)大約需要20個(gè)周期左右才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)；圖6d是加入前饋解耦控制后系統(tǒng)突加到滿載時(shí)交流側(cè)電壓、電流以及有功功率、無功功率波形圖。顯然，有功、無功的解耦控制使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到明顯提高。圖6e是系統(tǒng)突加到滿載時(shí)交流側(cè)電壓、電流以及母線電壓、中點(diǎn)電壓波形圖。可以看出，所采用的具有中點(diǎn)平衡功能的三電平SVPWM策略是有效的。5電平dm整流器的dpc-svm控制算法三電平變換器在高壓大容量場合的實(shí)用性得到了廣泛的關(guān)注和研究。而DPC控制作為一種性