三相PWM整流器直接功率控制研究

王新平，李世民，趙志草

(1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072;2.陸軍航空兵學(xué)院，北京101123;3.中國人民解放軍61213部隊，山西臨汾041000)

0 引 言

PWM整流控制策略有多種，現(xiàn)行以直接電流、間接電流控制為主，這兩種閉環(huán)控制需要復(fù)雜的算法和調(diào)制模塊。而直接功率控制因具有控制方法簡單、抗干擾能力強(qiáng)、動態(tài)性能良好、可實現(xiàn)有功無功解耦控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了廣泛研究，其控制方法也層出不窮［1］。

直接功率控制是以直流電壓為外環(huán)、瞬時功率控制為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的控制策略是電壓外環(huán)采用PI控制器得到有功給定，功率內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)比較器，迫使實際有功跟上給定。針對傳統(tǒng)直接功率控制開關(guān)頻率不定，采樣頻率高，以及電壓外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器系統(tǒng)抗擾動能力較差，對PI控制參數(shù)較為敏感，網(wǎng)側(cè)電流總諧波含量較大等缺點(diǎn)，本文采用滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制策略，即:電壓外環(huán)采用滑模變結(jié)構(gòu)控制，功率內(nèi)環(huán)采用基于虛擬磁鏈的空間矢量調(diào)制直接功率控制，完成對三相PWM整流器的控制。

1 直接功率控制原理

三相PWM整流器［2］是通過對三相橋開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷進(jìn)行控制，從而控制整流器輸入相電壓，進(jìn)而對網(wǎng)側(cè)電流ia、ib、ic進(jìn)行控制。在直接功率控制中，通過對三相VSR瞬時有功功率和瞬時無功功率的控制來達(dá)到對系統(tǒng)輸入電流和輸出電壓的控制，下面就其工作原理給予說明。

在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，假設(shè)電網(wǎng)電壓矢量和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的d軸重合，則此時uq=0。同樣，設(shè)d軸初始位置和α軸重合，電流矢量和d軸夾角為φ，則得到瞬時有功功率和瞬時無功功率［3］:

式中:ud、uq為整流器終端輸入電壓;id、iq為三相VSR交流側(cè)電流矢量的d、q軸分量。

電網(wǎng)電壓矢量在d軸進(jìn)行投影，其值為常數(shù)，可以實現(xiàn)id對P的控制，且id與P成正比關(guān)系;同理，可以實現(xiàn)iq對Q的控制，且iq與Q為反比關(guān)系。這就是三相電流ia、ib、ic開關(guān)狀態(tài)選擇的依據(jù)。

若忽略濾波電抗器電阻R，應(yīng)用基爾霍夫電壓定律，得到三相VSR在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的模型電壓平衡方程式:

式中:Um為相電壓峰值，urd、urq為三相VSR交流側(cè)電壓矢量的d、q軸分量。

由式(2)可知，瞬時電流id、iq受VSR交流側(cè)控制電壓urd、urq的控制，結(jié)合式(1)，有功功率和無功功率可由 urd、urq控制。

設(shè)電源為三相對稱的正弦波，pref為有功功率參考值，qref為無功功率參考值，則可得［2］:

由式(3)知，在一定電網(wǎng)電壓下，對有功功率和無功功率兩個量的控制可實現(xiàn)對三相電流的控制。

在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，電網(wǎng)電壓矢量在d軸的投影為一個常數(shù)。根據(jù)參考文獻(xiàn)［4］，瞬時功率:

根據(jù)式(5)，式(4)可變形:

由式(6)可以看出，保持電網(wǎng)輸入電壓不變，VSR的控制對象［4］由輸入電流轉(zhuǎn)換為輸入功率，這就是三相VSR中直接功率控制的基本原理。

2 滑模變結(jié)構(gòu)矢量調(diào)制直接功率控制策略

常規(guī)的直接功率控制時，當(dāng)需要調(diào)整有功功率P時，電壓矢量總是從所在區(qū)間相鄰的電壓矢量選擇，這樣導(dǎo)致電壓矢量在q軸上的投影值很小，致使無功功率在這個電壓矢量區(qū)域內(nèi)發(fā)生失控，同時電流波形也會存在一定的畸變?？臻g電壓矢量［6－7］，可以產(chǎn)生任何方向的電壓矢量，從當(dāng)前網(wǎng)側(cè)電壓矢量的相位考慮，計算出一個至少和它有一定角度差的電壓矢量，這個電壓矢量在q軸上的投影有一定大小，從而完成對無功功率的控制，同時也可滿足控制有功功率的要求。原理框圖如圖1所示。

圖1 滑模變結(jié)構(gòu)DPC－SVM控制系統(tǒng)框圖

由圖1可以看出，直接功率控制應(yīng)用虛擬磁鏈(VF)，只要進(jìn)行兩相電流信號的測量，而不用進(jìn)行電壓信號的測量，減少了傳感器的數(shù)量。運(yùn)用功率內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的雙層結(jié)構(gòu)控制，空間矢量調(diào)制模塊實現(xiàn)開關(guān)頻率固定。使無功功率指令qref設(shè)置為零，從而實現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，有功功率指令值pref則由外環(huán)滑?？刂破鬏敵龅玫剑琿ref和pref作為輸入信號，分別與功率估計器輸出的Q和P值比較產(chǎn)生偏差信號，進(jìn)入PI控制器，再經(jīng)過坐標(biāo)變換得到電壓信號 urα和 urβ，最后送入空間矢量調(diào)制模塊(SVM)進(jìn)行處理，獲得開關(guān)信號 sa、sb、sc。

3 滑模變結(jié)構(gòu)矢量調(diào)制直接功率控制仿真模型

根據(jù)圖1建立起控制系統(tǒng)整個仿真模型［8］如圖2所示。圖中的SMC模塊是滑?？刂破鲉卧?，根據(jù)滑模面［9］選取方法建立其仿真模型如圖3所示。

4 仿真結(jié)果

在圖2的仿真模型中，設(shè)定仿真參數(shù)如下:輸入電壓ua、ub、uc幅值為 50 V，正弦交流電周期為0.001 s;輸入側(cè)等效電阻 R1=R2=R3=0.001 Ω;輸入電感L1=L2=L3=20 μH;直流側(cè)電容C=1 200 μF;負(fù)載電阻 R=1.35 Ω，開關(guān)周期 T=0.02 ms。仿真時間設(shè)為0.5 s，仿真算法采用ode45(Dormand－Prince)，k2取200。

(1)仿真結(jié)果分析

圖4是直流側(cè)電壓波形。從波形知，系統(tǒng)的輸出為90 V，調(diào)節(jié)時間約為0.002 s，無超調(diào)。

圖2 滑模變結(jié)構(gòu)DPC－SVM控制系統(tǒng)仿真模型

圖3 SMC模塊

圖5為交流側(cè)a相電壓、電流波形，從圖中可看出，輸入電流為正弦波，經(jīng)過5個電源周期后電流完全跟隨電壓，相位與輸入電壓一致。

圖6為0～0.5s時間內(nèi)整流器無功功率的變化情況。由圖6可以看到，基于滑模變結(jié)構(gòu)空間矢量調(diào)制直接功率控制的三相電壓型PWM整流器的功率因數(shù)接近1。

(2)抗擾性分析

若在 0.2 s時負(fù)載由 1.35 Ω 降為 0.9 Ω，直流側(cè)輸出電壓的響應(yīng)情況如圖7所示。由圖7可知，直流電壓有一個小的降落，約0.002 s后又回到90 V。

圖8為負(fù)載變化前后交流側(cè)a相的電壓和電流波形。由該圖可以較為清晰地看到，在負(fù)載突變時，電壓與電流之間同相位的情況幾乎沒有發(fā)生改變。

圖9為負(fù)載變化前后整流器無功功率的變化情況。無功功率在負(fù)載變化后經(jīng)過約0.01 s后恢復(fù)到變化前的值，整流器的功率因數(shù)接近于1。

5 結(jié) 語

本文采用了滑模變結(jié)構(gòu)空間矢量調(diào)制直接功率控制策略，即:電壓外環(huán)采用滑模變結(jié)構(gòu)控制，功率內(nèi)環(huán)采用虛擬磁鏈?zhǔn)噶空{(diào)制直接功率控制。該控制策略開關(guān)頻率固定，方便網(wǎng)側(cè)電感參數(shù)的選取;降低了采樣頻率;可獲得任意方向電壓矢量，不存在無功失調(diào)區(qū);具有更好的動態(tài)品質(zhì)、魯棒性以及更小的諧波含量;同時電壓外環(huán)參數(shù)整定簡單，設(shè)計方便。

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