三相电压型PWM整流器的新型直接功率控制

郭旭刚， 王苏敬, 孔龙飞， 王志良， 陆　阳

(中国铁道科学研究院　机车车辆研究所， 北京100081)



三相电压型PWM整流器的新型直接功率控制

郭旭刚， 王苏敬, 孔龙飞， 王志良， 陆阳

(中国铁道科学研究院机车车辆研究所， 北京100081)

为了改善传统直接功率控制无功功率不可控和交流侧输入电流畸变的弊端，重新对功率比较误差细化分析，在Matlab/Simulink环境下，搭建了基于三状态开关表直接功率控制系统的仿真模型，采用功率PI环代替了传统滞环比较器。仿真和试验结果表明，改善后的DPC系统对无功和有功都有良好的控制能力，使电网的输入电流更接近于正弦波，中间直流电压及功率纹波系数低，系统的性能得到了有效改善。

开关表； 整流器； 直接功率控制(DPC)

由于PWM整流器具有能量双向流动、恒定直流电压控制、低谐波输入电流、小容量滤波器及高功率因数的优点，故被广泛应用于高铁牵引控制系统中。然而直接功率控制(DPC)与传统的直接电流控制相比具有结构和算法简单、无PWM调制模块、高功率因数、低谐波、动静态性能良好等优点。文献[1]将滑模控制理论和脉宽调制模块结合，虽实现定频控制，但是系统控制参数较多，控制复杂。文献[2]中进行开关表优化，采用双开关表进行控制，但是会引入控制开关信号次谐波。本文采用易实现的PI控制器代替滞环比较器，通过对功率比较误差重新细化分析，构建新的三状态开关表对系统进行控制。

1　电压型PWM整流器的直接功率控制

三相电压型DPC系统结构如图1所示，主要由主电路和控制电路组成。主电路包括交流回路、整流桥电路以及直流回路；控制电路包括直流电压外环和功率内环(包括交流电压电流测量电路、直流电压检测电路、3/2 变换、功率估算器、扇形划分器、功率滞环比较器、开关表)组成。

1.1瞬时功率计算

交流电压电流测量电路检测到的ua，ub，uc，ia，ib，ic，经过3/2变换后得到uα，uβ，iα，iβ可由(1)式计算瞬时有功和无功功率的估计值p、q。

(1)

1.2功率滞环比较器

计算瞬时有功和无功功率的估计值p、q与给定值比较后的功率比较误差信号送入功率滞环比较器，得到开关信号Sp,Sq，如公式(2)；优化的开关表采用三状态开关信号，如公式(3)。

图1　传统开关表直接功率控制框图

(2)

(3)

1.3扇区的选择

由uα,uβ通过下式计算可得θn值，并计算得到扇区值[4]：

(4)

1.4改善后系统控制框图

由于传统开关表(表1)有很多缺陷，对其进行改善后三相电压型DPC系统结构图如图2所示，与图1相比不同之处就在于改善后的系统采用三状态开关表和简单的PI功率内环，省去滞环比较器，通过编程比较容易实现。

1.5开关表

直流电压外环PI调节器的输出与直流电压的乘积确定pref，为实现单位功率因数，qref设定为0。然后根据确定的Sp、Sq、θn状态在开关表中选择所需的Sa、Sb、Sc去驱动主电路开关管[3]。

表1　传统开关表

图2　改进后的直接功率控制框图

2　开关表形成原理

在传统直接功率控制系统中，为了使系统更为简单，对形成开关表1[4-5]中功率比较误差考虑不周全，系统性能欠佳。为了改善此情况，将功率比较误差重新细分，通过式(3)重新定义Sp、Sq与功率比较误差之间的关系。

将功率比较误差细分后会出现9种可能情况，其在扇区内电流合成矢量[6-7]见图3，假设电压矢量位于第1扇区。

由三相电压型PWM整流器数学模型[4]可知，在忽略电阻R的系统模型如下：

(5)

其中i-1，1表示Sp=-1，Sq=1 ，9种可能情况依次类似。以i-1，1为例，表示当前两功率都偏大，根据Sp，Sq以及矢量所在扇区号，选择合适电压矢量对系统进行控制。当电流合成矢量在i-1，1附近时，最理想的电压矢量选择图3中点划线矢量，但是综合7种交流侧电压矢量，只有V6矢量更接近理想状态。以此推导出三状态开关表，如表2。

图3　功率比较误差电流合成矢量图

3　对比仿真验证及分析

3.1传统开关表仿真结果及分析

在传统开关表1中，当Δp≥HP时，为了减少了开关通断次数大量选择了零矢量，由于零矢量的无功调节能力差，则无功调节受到影响。传统开关表忽略了电感上的压降，当负载突变时，无功功率失控现象就更为明显。由图7可以看出负载突变前后无功q都出现了不可控现象，电流ia波形的正弦度和平滑度较差，负载突变后Udc、ia、p、q波形较差。图7可以看出负载突变前后a相电流谐波畸变率(THD)由5.09%变为9.03%，电流畸变明显,突变前谐波主要集中在5，7，11，13次，突变后谐波主要集中在5次和7次，频率响应幅值(Mag)也由3%左右增大到6%左右。

表2　3状态开关表

图4　传统开关表Udc仿真波形

图5　传统开关表a相电压电流仿真波形

图6　传统开关表瞬时有功无功仿真波形

图7　传统开关表a相电流谐波分析

3.2三状态开关信号开关表仿真结果及分析

由图8～图11可以看出，与传统开关表波形相比，优化的三状态开关表电流ia波形的正弦度和平滑度较好，负载突变前后有功、无功及中间直流电压不可控也得到改善，功率及中间直流电压纹波系数明显低于前者，系统5次和7次谐波频率响应幅值(Mag)也明显下降到1%左右。由于有功功率和无功功率是耦合的，有功功率也有明显的改善。

因为查表式的直接功率控制开关频率不固定，由图12可以看出传统开关表平均开关频率为6.9 kHz，改善后的三状态开关表平均开关频率为5.7 kHz，平均开关频率有所较低。

4　实验验证

为了验证三状态开关控制策略的可行性，实验采用的主要参数：电网线电压380 V，交流侧滤波电感5 mH，直流电压为600 V，直流侧支撑电容3 mF。图13是稳态时传统开关表a相电压电流实验波形，图14为稳态时改善开关表a相电压电流实验波形。

图8　三状态开关表Udc仿真波形

图9三状态开关表a相电压电流仿真波形

图10　三状态开关表瞬时有功无功仿真波形

图11　三状态开关表a相电流谐波分析

图12　驱动信号(平均开关频率)

从上述试验波形图13～14可以看出，采用三状态开关控制策略是可行的，改善前电流THD=10.4%；改善后降低为THD=3.2%，稳态运行时电流畸变率明显变小，试验结果与仿真结果相符。

5　结　论

通过对PWM整流器传统直接功率控制的理论推导，分析研究了直接功率控制系统开关表的形成，研究了三状态开关控制量的直接功率控制方案。对比仿真结果可以看出此控制方案与传统直接功率控制方案相比有效改善了无功功率不可控的情况，降低了交流侧输入电流的畸变率，整个系统的性能得到有效改善，同时具有较快的动态响应，仿真和实试结果都验证了此控制方案的可行性与正确性。

图13　传统开关表线电压、相电流试验波形

图14　改善后线电压、相电流试验波形

[1]李生民,何欢欢,张玉坤,郑元.基于滑模变结构的双馈风力发电机直接功率控制策略研究[J]电网技术: 2013，37(7):2006-2010.

[2]黄晶晶;张爱民;陈晓菊;张杭;王建华. 三相电压型PWM整流器双开关表直接功率控制策略[J].电力系统自动化:2012，36(18):128-132.

[3]张兴, 张祟巍.PWM 整流器及其控制[M]北京:机械工业出版社,2012.

[4]Toshihiko Noguchi, Hiroaki Tomiki.Direct Power Control of PWM Converter Without Power-Source Voltage Sensors[J]. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIO5S: 1998, 34(3):473-479.

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[6]陈伟,邹旭东等.三相电压型PWM 整流器直接功率控制调制机制[J].中国电机工程学报:2010，30(3):35-41.

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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，研究实习员(

2015-02-27)

TM461

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.14