1、10电工电气电工电气 (2011 No.9)基金项目： 甘肃省教育厅硕士生导师项目(619011)作者简介： 景利学(1986- )，男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。三相电压型PWM整流器直接功率控制策略研究摘 要 ：分析了三相电压型PWM整流器直接功率控制策略原理，结合整流器直接功率控制的特点，对主电路参数进行了设计和选取。根据PWM整流器在同步旋转 dq 坐标系中的数学模型，建立了其功率控制模型，并对直流电压外环PI控制器进行了设计。针对传统开关矢量表过多地采用零矢量而导致瞬时功率波动较大和电流波形差的问题，引入优化的开关矢量表。仿真结果表明，优化的开关矢量表克服了传统开关矢
2、量表对瞬时功率控制上的不足，可以获得更好的稳态和动态控制效果。关键词 ：PWM整流器；直接功率控制；滞环比较器；开关矢量表中图分类号 ：TM461 文献标识码 ：A 文章编号 ：1007-3175(2011)09-0010-05景利学，苏宏升，侯莉，杜荣茂，袁超(兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070)Abstract: Analysis was made to the principle of three-phase voltage source pulse width modulation (PWM) rectifi er with direct power cont
3、rol strategy. Combining with the characteristics of direct power control rectifi er, this paper designed and selected the power circuit parameters. The power control model of PWM rectifi er was established according to the mathematical model of PWM rectifi er in syn-chronous dq coordinate, the PI co
4、ntroller of DC voltage outer loop designed. An optimal switching vector table was introduced to solve the problem of larger instantaneous power fl uctuations and poor current waveform caused by traditional switching vector because of too much zero vectors. The simulation results indicate that the we
5、akness of traditional switching table for control of instantaneous power is overcome by the optimal switching vector table. Better static and dynamic control effect can be obtained.Key words: pulse width modulation rectifier; direct power control; hysteresis comparator; switching vector tableJING Li
6、-xue, SU Hong-sheng, HOU Li, DU Rong-mao, YUAN Chao（ School of Automation and Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China）Research on Three-Phase Voltage Source Pulse Width ModulationRectifi ers with Direct Power Control Strategy0 引言PWM整流器因具有单位或可调的功率因数、电能双向流动、能有效抑制谐波等优
7、点而被称为真正意义上的“绿色变流”装置1。PWM整流器在无功补偿、有源滤波、统一潮流控制、超导储能、高压直流输电、电气传动以及新型能源并网等领域有着广阔的应用前景2。对PWM整流器的研究主要是对其控制方法的更新，PWM整流器直接功率控制(DPC)策略具有结构、算法简单、动态响应快等优点，是目前PWM整流器研究的热点3。开关矢量表是基于滞环控制的DPC系统的核心，开关矢量表的好坏直接影响到系统的控制效果。传统的开关矢量表中零矢量对瞬时功率的控制能力较弱，易造成功率波动4。本文引入一种新的开关矢量表，仿真结果表明了这种开关矢量表的优越性。1 电压型PWM整流器DPC模型1.1 电压型PWM整流器在
8、 dq坐标系中的数学模型电压型PWM整流器主电路拓扑结构如图1所示。 图中 ua、 ub、 uc为三相对称电源电压； ia、 ib、 ic为三相线电流； Sa、 Sb、 Sc为整流器的开关(绝缘栅双极型晶体管IGBT)函数， Sj定义为单极性二值逻辑开关函数。 Sj=1，( j=a、b、c)(上桥臂开关导通，下三相电压型PWM整流器直接功率控制策略研究11电工电气电工电气 (2011 No.9)交流侧电压电流测量和功率计算单元、 扇区判断单元、功率滞环比较器、直流电压PI控制器和开关表。 2 电压型PWM整流器DPC系统主电路参数选取2.1 交流侧电感值的选取交流侧电感具有滤除电流谐波的作用，
9、在本文中根据下式选择电感值7。式中 pref为直流电压PI控制器的输出(负载电流)与直流电压的乘积，作为瞬时有功功率的给定值； Hp、 Hq分别为有功功率和无功功率滞环比较器滞宽的1/2； fav为开关管的平均开关频率。2.2 直流侧电压值和电容值的选取直流侧电压值和电容值的选取参考了参考文献7，并根据仿真结果进行了适量修正。3 直流电压外环PI控制器设计系统稳态工况下，瞬时有功功率为：设 Udc=Udcr+ Udc，则可得：式中 Ks=RL/Udcr。用一小惯性环节 Gp(s)=1/(Tps+1)代替功率内桥臂开关关断)， Sj=0，( j=a、b、c)(下桥臂开关导通，上桥臂开关关断)；
10、Udc为直流电压； R、 L为滤波电抗器的电阻和电感； C为直流侧电容； RL为负载； ura、 urb、 urc为整流器的交流侧电压； iL为负载电流。 图1中三相PWM整流器在两相同步旋转坐标系中的数学模型如公式1所示5。式中 urd=SdUdc， urq=SqUdc， urd和 urq是整流器交流侧输入电压矢量在 d、 q轴上的分量。 Sd、 Sq分别为开关函数在 d、 q轴上的分量。1.2 电压型PWM整流器DPC模型和系统结构在三相电源对称时， ud= 3/2Um， uq=0， Um为电源相电压的幅值，则 dq坐标系中瞬时有功和瞬时无功为：根据公式(1)和公式(2)可得整流器DPC数
11、学模型为6：式中 prd= 3/2Umurd， qrq= 3/2Umurq。电压型PWM整流器系统结构如图2所示，由主电路和控制电路构成。主电路包括交流电源、滤波电抗器、整流器、直流侧电容和负载；控制电路包括icL RuciaL RuaibL RubSaSaSbSbScScurcCurbBuraAidcNCiLRL+-Udc图1 电压型PWM整流器主电路拓扑结构(1)L =ud-Rid+Liq-urddiddtL =uq-Riq+Lid-urqdiqdtC =(idSd+iqSq)-dUdcdtUdcRL(2)p= 3/2Umidq=- 3/2Umiq(3)L =1.5Um2-Rp+Lq -p
12、rddpdtL =-Rq+Lp -qrqdqdtL=3prefUm28HpHqf2av(4)(5)p=CUdc +dUdcdtU2dcRL(6)=Udc(s)p(s)Ks(RLCs+1)icL RuciaL RuaibL RubRLUdciaibicuaubucSaSbSc瞬时功率计算开关表-+UdcUdcrSp+-Sq+nu 扇区判断pqqref=0PIpref图2 电压型PWM整流器DPC系统结构三相电压型PWM整流器直接功率控制策略研究12电工电气电工电气 (2011 No.9)式中：按典型型系统设计，取中频区宽 h=5，可得：4 开关矢量表传统的DPC开关矢量表如表1所示。在传统的开关
13、矢量表中，过多的使用零矢量 V0(000)和 V7(111)而使得系统对无功的控制作用较弱，无功波动严重；交流侧电流存在一定程度的畸变。为解决这个问题，本文引入参考文献9中优化的开关矢量表，如表2所示。可以看出，与表1相比，表2主要对 Sp=1时开关矢量的选择进行了修改。环， Tp为功率内环等效时间常数。为消除直流电压偏差纹波，设计一个传递函数为 Glowf(s)=1/(Tcs+1)的一阶低通滤波器。综上所述，可得整流器DPC系统传递函数如图3所示8。图中 GPI(s)为电压外环PI控制器，其传递函数为：由于 Tp Tc， Tp RLC，忽略功率内环。当Tc c(截止角频率)时，系统开环传递函
14、数为：GPI(s)=KI=KPI+ 。 s +1sKs(7)GOP(s)=K(s +1)s2(Ts+1)图3 电压型PWM整流器DPC系统传函+-Udcr 1Tcs+1GPI(s)KsRLCs+1UdcUdcr1Tps+1K= ， T=RLC。KIKsUdcrTc(8)KPI=0.6TcRL2CK=KI5 电压型PWM整流器DPC系统仿真在本文仿真中所取系统参数为：交流侧相电压Um=300V， =314rad/s， Hp=400W， Hq=400var， Tc=0.2ms， fav=5kHz， Udcr=600V， PN=20kW， L=8mH， C=500F， KPI=0.114， K=15
15、.126。按上述参数在Simulink环境下构建PWM整流器DPC系统仿真模型， t=0s时刻， P=20kW，整流器在额定功率下运行； t=0.1s时刻，突加负载， P=28kW，整流器在1.4倍额定功率下运行； t=0.2s时刻， P=-10kW，整流器工作于逆变工况，从直流侧向电网回馈电能。仿真结果如图4和图5所示。系统启动后直流电压可迅速跟随给定，经过0.03s，系统便达到稳态。 t=0.1s时刻，负载突表1 传统的DPC开关矢量表SpSq电网电压矢量所在扇区123456789101121 0 101 111 100 000 110 111 010 000 011 111 001 00
16、01 1 111 111 000 000 111 111 000 000 111 111 000 0000 0 101 100 100 110 110 010 010 011 011 001 001 1010 1 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101 101 100表2 优化的DPC开关矢量表SpSq电网电压矢量所在扇区123456789101121 0 001 001 101 101 100 100 110 110 010 010 011 0111 1 010 010 011 011 001 001 101 101 100 100 110 1100
17、0 101 100 100 110 110 010 010 011 011 001 001 1010 1 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101 101 100增到额定值的1.4倍，直流电压有个较小的突降后迅速恢复稳态，表现出较强的抗扰性能。 t=0.2s时刻，直流侧负载变为-10kW，直流侧电压出现波动，经过0.05s，恢复为给定值，直流侧向电网回馈电能，整流器工作于逆变工况。对比图4和图5，传统开关矢量表的开关矢量选择过于保守，过多的使用零矢量 V0(000)和V7(111)，零矢量虽然能够增加有功功率，但是其对有功功率的增加作用较弱。另外，零矢量对
18、无功功率的调节能力也较弱，而且调节方向不确定，所以基于传统开关矢量表的PWM整流器DPC系统直流侧电压和瞬时功率波动严重，交流侧电流谐波也较为严重。优化的开关矢量表在 Sp=0时保留传统失量表中比较合理的开关矢量；在 Sp=1时，用对有功功率三相电压型PWM整流器直接功率控制策略研究13电工电气电工电气 (2011 No.9)6 结语PWM整流器DPC控制策略算法和结构简单，易于和无功功率调节作用相对较强的非零矢量代替零矢量。采用优化的开关矢量表时，直流电压和瞬时功率波动大为降低，交流侧电流总谐波畸变率THD=5.53%，还不到传统开关矢量表的1/2。图4 电压型PWM整流器DPC系统传统开关
19、矢量表仿真图5 电压型PWM整流器DPC系统优化开关矢量表仿真10008006004002000Udc/V0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30t/sa)直流侧电压UdcrUdc4002000ua/V，ia/A0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30t/sb)交流侧相电压 ua、相电流 ia0-200-400uaiap50400p/kW，q/kvar0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30t/sc)瞬时有功功率 p、瞬时无功功率 q-203020100-10q注：基波(50Hz)=29.19%，电流总谐波畸变率=12.96%0基波/%10
20、0 200 300 400 500频率/ Hzd)交流侧相电流FFT分析7060504030201010008006004002000Udc/V0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30t/sa)直流侧电压UdcrUdc4002000ua/V，ia/A0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30t/sb)交流侧相电压 ua、相电流 ia0-200-400uaia50400p/kW，q/kvar0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30t/sc)瞬时有功功率 p、瞬时无功功率 q-203020100-10pq注：基波(50Hz)=29.44%，电流总
21、谐波畸变率=5.53%0基波/%100 200 300 400 500频率/ Hzd)交流侧相电流FFT分析70605040302010三相电压型PWM整流器直接功率控制策略研究14电工电气电工电气 (2011 No.9)实现，而且动态响应速度快。但是由于DPC系统功率内环采用滞环比较器，无法消除静差，开关管的频率不固定，增加了滤波装置设计的困难，可采用一些定频方案，但此时会增加系统控制的复杂程度。DPC系统的核心是开关矢量的选择，传统开关矢量表过多选用对瞬时功率调节作用较弱的零矢量，导致电压和瞬时功率波动，交流电流畸变严重。优化的开关矢量表用对瞬时功率调节作用相对较强的非零矢量代替零矢量，仿
22、真结果表明，该矢量表可以获得更好的控制效果。参考文献1 Yu Fang, Yong Xie, Yan Xing. Modeling and Simulation of Three Phase High Power Factor PWM RectifierC/Proceedings of IPEMC 06, 2006：1-6.2 陈伟.三相电压型PWM整流器的直接功率控制技术研究与实现D.武汉：华中科技大学，2009.3 宋书中 ，单栋梁，马建伟，等.基于空间矢量的PWM整流器直接功率控制 J. 电源技术，2011，35(2)： 215-217.4 陈伟 ，邹旭东，唐健，等.三相电压型PWM整流
23、器直接功率控制调制机制 J. 中国电机工程学报，2010，30(3)： 35-41.5 Malinowski Mariusz, Jasinski Marek, Kazmierkowski Marian P. Simple Direct Power Control of Three-Phase PWM Rectifier Using Space-Vector ModulationJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2004, 51(2)：447-454.6 王久和 ，李华德，王立明.电压型PWM整流器直接功率控制系统 J. 中国电机工程
24、学 报，2006，26(18)： 54-60.7 王久和，张金龙，李华德.电压型PWM整流器直接功率控制系统主电路参数设计J.北京科技大学学报，2006，28(11)：1091-1095.8 薛鹏骞 ，王久和，薛伟宁.电压型PWM整流器直接功率控制系统设计 J. 辽宁工程技术大学学报，2006，25(5)： 724-726.9 郭文勇 ，赵彩宏，张志丰，等.电压型超导储能系统的统一直接功率控制方法 J. 电网技术，2007，31(9)： 58-63.收稿日期：2011-05-115 结语并网型逆变器是风力发电系统中的核心关键部件。针对并网逆变器电压定向矢量控制策略，设计了电压电流双闭环PI调节
25、器。本文在建立并网逆变器数学模型并阐述其工作原理的基础上，详细给出了双闭环PI调节器的设计方法。对设计的电流内环闭环系统的稳定性进行了分析，最后进行了实验验证。实验结果表明，运用所提方法设计的双闭环PI调节器效果良好，能够满足系统设计的要求。参考文献1 刘飞，段善旭，查晓明 . 基于 LCL 滤波器的并网逆变器双环控制设计 J. 中国电机工程学 报，2009，29(S0)： 234-240.2 张崇巍 ，张兴.PWM整流器及其控制M.北京：机械工业出版社，2003.3 朱永亮，马惠，张宗濂 . 三相高功率因数PWM整流器双闭环控制系统设计 J. 电力自动化设备，2006，26(11)： 87-90.4 熊健，张凯，陈坚.PWM整流器的控制器工程化设计方法J.电工电能新技术，2002，21(3)：44-48.5 赵振 波，李和明.PWM整流器PI参数设计J.华北电力大学学报，2003，30(4)：34-37.6 宋书中，单栋梁，马建伟，史光辉.高功率因数PWM整流器的研究J.电源技术，2010，34(12)：1283- 1286.收稿日期：2011-06-17图11 突加负载情况下，直流侧电压、电网线电压和电网电流实验波形Udc， Uab，ia， ibtUdcUabiaibO(上接第9页)三相电压型PWM整流器直接功率控制策略研究
