三相電壓型PWM整流器直接功率控制方法綜述

1 概述

三相電壓型PWM整流器具有能量雙向流動(dòng)、網(wǎng)側(cè)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(shù)(近似為單位功率因數(shù))等特征，有效地消除了傳統(tǒng)整流器輸入電流諧波含量大、功率因數(shù)低等問題，被廣泛應(yīng)用于四象限交流傳動(dòng)、有源電力濾波、超導(dǎo)儲(chǔ)能、新能源發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域。

PWM 整流器控制策略有多種，現(xiàn)行控制策略中以直接電流、間接電流控制為主，這兩種閉環(huán)控制策略需要復(fù)雜的算法和調(diào)制模塊。而三相電壓型PWM 整流器直接功率控制(DPC)因具有控制方法簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、良好的動(dòng)態(tài)性能、可以實(shí)現(xiàn)有功無功的解耦控制等諸多優(yōu)點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基于DPC 的控制策略，并進(jìn)行對(duì)比分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)PWM 整流器的控制策略進(jìn)行展望。

2 電路拓?fù)?/p>

近年來對(duì)于三相電壓型PWM 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究在小功率場(chǎng)合主要集中在減少功率開關(guān)[3]和改進(jìn)直流輸出性能上;對(duì)于大功率場(chǎng)合主要集中在多電平[4]、變流器組合以及軟開關(guān)技術(shù)上[5]。目前較成熟的拓?fù)溆袃呻娖胶腿娖絇WM 整流器結(jié)構(gòu)。

三相電壓型兩電平PWM 整流器是最基本的PWM 整流電路，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制算法相對(duì)成熟，得到了廣泛應(yīng)用。與其相比三電平PWM 整流器每個(gè)橋臂多了兩個(gè)開關(guān)管和兩個(gè)箝位二極管，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在中點(diǎn)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(diǎn)，也被廣泛研究應(yīng)用。

3 直接功率控制方法

直接功率控制(DPC)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是以直流側(cè)電壓為外環(huán)、瞬時(shí)功率控制為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)。

從功率守恒的角度看，直接功率控制PWM整流器是在交流側(cè)電壓一定的情況下，通過控制流入整流器瞬時(shí)有功功率和無功功率，來達(dá)到控制瞬時(shí)輸入電流的目的，從而獲得預(yù)設(shè)的功率因數(shù)和功率流動(dòng)方向。

3.1 基于電壓的直接功率控制(V-DPC)

與此前各種PWM整流器控制策略相較，該控制策略的突出優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)不需要PWM 調(diào)制模塊、不需要電流閉環(huán)調(diào)節(jié)、借助于開關(guān)矢量表直接對(duì)有功功率與無功功率進(jìn)行控制，控制算法簡(jiǎn)單;

(2)系統(tǒng)具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度;

(3)輸入電流具有更低的畸變率;

(4)瞬時(shí)功率的獲取采用無電壓傳感器的預(yù)測(cè)模型，在一定程度上節(jié)約硬件成本。

同時(shí)它也存在以下幾方面不足：

(1)開關(guān)頻率不固定，為交流側(cè)電感的選取增加了難度;

(2)對(duì)傳感器轉(zhuǎn)換精度和系統(tǒng)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)

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(diǎn)之外，還具有[10]：

(1)較低的采樣頻率;

(2)在輸入三相電網(wǎng)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(guān)頻率不固定的問題。

3.3 基于瞬時(shí)功率理論的直接功率控制

傳統(tǒng)理論中的有功功率、無功功率都是定義在平均值的基礎(chǔ)上，只適用于電壓、電流為正弦波的情況;而瞬時(shí)功率理論的概念是建立在瞬時(shí)值的基礎(chǔ)上，對(duì)正弦、非正弦電壓和電流的情況都適用[12]。

圖5 給出了基于瞬時(shí)功率理論的直接功率控

制系統(tǒng)框圖[13]?？刂圃砼cV-DPC 相似，用計(jì)算得到的有功功率P、無功功率Q與功率給定做差，其結(jié)果經(jīng)過功率滯環(huán)比較與電壓矢量所在扇區(qū)茲n一起決定系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)。

與V-DPC、VF-DPC 相比，系統(tǒng)雖然采用了額外的電壓傳感器，但瞬時(shí)功率的計(jì)算不依賴于系統(tǒng)開關(guān)狀態(tài)，使算法大大簡(jiǎn)化，同時(shí)也提供了更準(zhǔn)確的有功、無功功率瞬時(shí)量。同時(shí)該控制策略同樣具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、輸入側(cè)電流畸變率低等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是：

(1)開關(guān)頻率不固定;

(2)要求較高的采樣頻率。

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(diào)制模塊和PI環(huán)節(jié)取代了傳統(tǒng)DPC 系統(tǒng)中的開關(guān)矢量表和功率滯環(huán)[14-16]。

空間矢量調(diào)制直接功率控制策略優(yōu)點(diǎn)：

(1)不使用非線性控制器;

(2)開關(guān)頻率是固定的，因此方便了網(wǎng)側(cè)電感參數(shù)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(diào)區(qū);

(5)具有更低的輸入電流畸變率。

缺點(diǎn)：

(1)控制算法復(fù)雜化，瞬時(shí)功率的估算依賴系

統(tǒng)當(dāng)前開關(guān)狀態(tài);

(2)多個(gè)PI 環(huán)節(jié)使系統(tǒng)調(diào)試復(fù)雜度增加。

另外為進(jìn)一步得到更準(zhǔn)確的瞬時(shí)功率，有學(xué)者提出了在網(wǎng)側(cè)增加電壓傳感器的控制方案，根據(jù)瞬時(shí)功率理論計(jì)算瞬時(shí)有功、無功功率，該方法在三相輸入電壓不對(duì)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(yù)測(cè)的直接功率控制(P-DPC)

基于功率預(yù)測(cè)的DPC系統(tǒng)[17-19]可以分為定頻率和不定頻率兩種。文獻(xiàn)[18]詳細(xì)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(jié)果來看定頻控制的效果較優(yōu)。

圖7 給出了基于功率預(yù)測(cè)的定頻直接功率控制系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)通過功率預(yù)測(cè)模型得到當(dāng)前瞬時(shí)功率，并結(jié)合給定功率選擇最佳的電壓矢量序列和其對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間，來控制PWM整流器在恒定開關(guān)頻率下的運(yùn)行。

功率預(yù)測(cè)通過公式(15)、公式(16)計(jì)算完成。

基于定頻功率預(yù)測(cè)的直接功率控制保持了傳統(tǒng)DPC 的優(yōu)點(diǎn)，如動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等，同時(shí)以新穎的方法實(shí)現(xiàn)了固定開關(guān)頻率的目的，使整流器系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。該控制策略的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在功率算法相對(duì)較為復(fù)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(tǒng)，有功功率與無功功率相互耦合，影響了系統(tǒng)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(fù)雜關(guān)系式中分離出來，得到獨(dú)立的表達(dá)式，為系統(tǒng)提供更加準(zhǔn)確的控制模型[20-22]。

圖8 是采用無源性控制實(shí)現(xiàn)功率解耦的直接功率控制結(jié)構(gòu)框圖[22]。有功功率給定可由公式(17)計(jì)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(shù)學(xué)模型[22]得到公式(20)、(21)，可以看出P、Q 的表達(dá)式中不再含有傳統(tǒng)DPC 控制策略功率表達(dá)式中的耦合項(xiàng)。

與現(xiàn)行功率控制相比，功率解耦控制使整流器具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(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(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)。

缺點(diǎn)：

(1)算法復(fù)雜;

(2)控制效果依賴于估計(jì)參數(shù)值Ra1、Ra2 的準(zhǔn)確性。

3.7 基于雙開關(guān)表的直接功率控制

傳統(tǒng)開關(guān)表是建立在對(duì)有功功率和無功功率同時(shí)作用的基礎(chǔ)上的，即同一個(gè)電壓矢量要同時(shí)兼顧有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)，但這種兼顧實(shí)際上很難完美實(shí)現(xiàn)，更多的情況是所選電壓矢量對(duì)一方的調(diào)節(jié)能力強(qiáng)而對(duì)另一方的調(diào)節(jié)能力弱，從而導(dǎo)致系統(tǒng)整體跟蹤速度緩慢。

雙開關(guān)表是針對(duì)有功功率與無功功率獨(dú)立調(diào)節(jié)控制的開關(guān)矢量表[2]。從一定意義上講雙開關(guān)表的運(yùn)用降低了有功功率和無功功率的耦合度。其控制思路是在一個(gè)控制周期中，如果要增強(qiáng)對(duì)有功的調(diào)節(jié)能力，就增加有功開關(guān)表的作用時(shí)間，減小無功開關(guān)表的作用時(shí)間，反之亦然。圖9 為基于雙開關(guān)表的直接功率控制系統(tǒng)框圖。

基于雙開關(guān)表DPC 控制策略解決了傳統(tǒng)DPC 單一邏輯開關(guān)表進(jìn)行功率調(diào)節(jié)時(shí)導(dǎo)致啟動(dòng)暫態(tài)過程中直流電壓、功率出現(xiàn)較大波動(dòng)，穩(wěn)態(tài)負(fù)載擾動(dòng)造成較大直流側(cè)電壓波動(dòng)、功率跟蹤速度慢等問題，具有更好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

3.8 基于輸出調(diào)節(jié)子空間的直接功率控制

基于輸出調(diào)節(jié)子空間(ORS)的PWM整流器DPC 策略的控制思路是：取瞬時(shí)有功和無功功率為輸出量，根據(jù)瞬時(shí)有功和無功功率導(dǎo)數(shù)，及時(shí)選擇整流器輸入電壓矢量來控制瞬時(shí)有功功率和無功功率的增減，完成功率預(yù)控制，以達(dá)到系統(tǒng)單位功率因數(shù)運(yùn)行和平衡直流電壓的目的[23-24]。與傳統(tǒng)DPC 策略相比，其優(yōu)點(diǎn)是提高了系統(tǒng)的動(dòng)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(jià)是算法復(fù)雜性大大增加。

3.9 其它改進(jìn)型直接功率控制策略

文獻(xiàn)[25]提出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y(tǒng)DPC 中的PI環(huán)節(jié)來得到系統(tǒng)有功功率給定。

由于傳統(tǒng)DPC 對(duì)有功調(diào)節(jié)能力較弱，文獻(xiàn)[26]采用了變無功給定的方式，增加對(duì)有功的調(diào)節(jié)能力，改進(jìn)了功率響應(yīng)速度。

文獻(xiàn)[27]采用功率內(nèi)環(huán)和電壓平方外環(huán)的功率控制策略進(jìn)一步提高了直流電壓跟蹤、功率跟蹤能力。

為減少扇形邊界對(duì)功率控制及直流電壓的影響，文獻(xiàn)[28]提出了一種設(shè)置扇形邊界死區(qū)的DPC控制策略。

為了更準(zhǔn)確的得到電壓矢量的相位角，有學(xué)者將鎖相環(huán)(PLL)引入到了PWM 整流器DPC 控制之中，通過檢測(cè)交流側(cè)輸入電壓相位來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shù)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(jù)對(duì)整流器本身的性能要求，像更小的電流畸變率、減小直流側(cè)紋波系數(shù)、進(jìn)一步提高功率因數(shù)等，其相應(yīng)的控制策略主要向以下幾個(gè)方面發(fā)展[1]。

1)針對(duì)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(shè)計(jì)的不足之處在于無法保證控制系統(tǒng)大范圍擾動(dòng)的穩(wěn)定性。為此，學(xué)者們提出了基于穩(wěn)定性理論的DPC 控制策略，以改變系統(tǒng)的魯棒性。

2)針對(duì)在三相電網(wǎng)不平衡時(shí)整流器出現(xiàn)直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流低次諧波幅值增大，同時(shí)產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)電流的不平衡，嚴(yán)重時(shí)可損壞整流裝置。有學(xué)者在電網(wǎng)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(zhuǎn)換容量等方面存在著突出的優(yōu)勢(shì)，有學(xué)者也對(duì)多電平的DPC 控制策略做了研究[30]。

4)由于傳統(tǒng)整流器控制系統(tǒng)都是在電網(wǎng)平衡、功率開關(guān)器件為理想模型基礎(chǔ)上給定的，所以系統(tǒng)魯棒性較差，針對(duì)這些問題，有學(xué)者嘗試將智能控制，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、模糊邏輯控制器等應(yīng)用到整流器DPC 控制策略中，來予以解決。

5 結(jié)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(yīng)用優(yōu)勢(shì)并說明了其控制思路，重點(diǎn)介紹了三相電壓型整流器的兩電平、三電平電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及當(dāng)前直接功率控制的主要方法和實(shí)現(xiàn)原理，最后對(duì)三相PWM整流器的直接功率控制技術(shù)的發(fā)展方向做了展望。