雙PWM變換器功率前饋控制方法

王秋梅，尹 赟，宋文祥

（1.應(yīng)天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210046；2.上海大學(xué)，上海200072）

1 概述

雙PWM變換器采用PWM可控整流技術(shù)，以電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可調(diào)、能量可雙向流動(dòng)、直流母線電壓穩(wěn)定為控制目標(biāo)，在新能源技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的并網(wǎng)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。雙PWM變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙PWM變換器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)前，雙PWM變換器控制策略主要分為直接控制和功率協(xié)調(diào)控制兩大類。直接控制即傳統(tǒng)的直流母線電壓反饋控制，當(dāng)系統(tǒng)輸入和輸出功率不平衡造成直流母線電壓波動(dòng)時(shí)，通過母線電壓的反饋信號(hào)來調(diào)節(jié)PWM整流器的輸入功率。由于直流母線電壓的響應(yīng)滯后于負(fù)載功率的變化，因而當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，直流母線電壓會(huì)發(fā)生很大的波動(dòng)[1-2]，加大母線電容的尺寸可以解決波動(dòng)問題，但單純靠提高電容容量來穩(wěn)定直流母線電壓的做法具有嚴(yán)重的缺陷[3-4]。

功率協(xié)調(diào)控制又包括直接功率控制[5-7]和功率前饋控制。直接功率控制策略，類似于變頻調(diào)速技術(shù)中的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），它是通過實(shí)時(shí)比較瞬時(shí)有功功率、瞬時(shí)無功功率與給定值之間的差值，然后通過查尋提前制定的開關(guān)狀態(tài)表來產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)。該種基于滯環(huán)控制結(jié)構(gòu)的控制策略，省去了傳統(tǒng)矢量控制中的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換單元以及電流內(nèi)環(huán)的PI調(diào)節(jié)器，簡化了算法，提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。然而這種基于滯環(huán)控制方法不可避免地帶來開關(guān)頻率不穩(wěn)定的問題。

為解決上述問題，本文提出了一種功率前饋控制的雙PWM變換器感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速方案，在整流側(cè)有功電流的給定值中加入逆變器有功功率對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償量，在感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)將不會(huì)直接改變直流側(cè)電容電壓的大小，而是改變整流側(cè)有功電流的大小，減小直流母線電壓的波動(dòng)，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，使得減小直流母線電容大小成為可能。最后，對(duì)該控制方案進(jìn)行了Matlab/Simulink仿真研究，驗(yàn)證了其正確有效性。

2 功率前饋控制

假設(shè)電源是對(duì)稱（平衡）的三相電壓：

式中：Vm電壓相電壓的幅值，ωe表示整流器同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系角速度。

dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，整流器的輸入有功和無功功率分別為：

對(duì)于平衡的三相系統(tǒng)，有：

因而：

而逆變器的輸出功率可以表示為：

式中：W為直流母線電容儲(chǔ)能值，C為直流母線電容值，Vdc為直流母線電壓值。

直流側(cè)電容能量儲(chǔ)存的變化情況為：

忽略器件的功率損耗，可以得到：

由式（6）可以看出，控制整流器輸入到直流側(cè)的功率與直流側(cè)輸入到逆變器的功率達(dá)到平衡，就可以減小直流側(cè)電壓的波動(dòng)，進(jìn)而可以減小直流側(cè)的電容容量。要做到這一點(diǎn)必須使整流器側(cè)的輸入電流能滿足系統(tǒng)輸出功率的變化。

對(duì)于二極管不可控整流的AC-DC-AC變換器，Prec是不可控的，因而，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變（例如從電動(dòng)模式變成發(fā)電模式）時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生很大的Pcap，從而母線電壓波動(dòng)變大。但采用PWM可控整流時(shí)，Prec是可控的。如果系統(tǒng)能調(diào)節(jié)Prec，使得Prec=Pinv，則Pcap一直為0。這也就意味著在電壓平衡條件下直流母線電壓能維持穩(wěn)定，并且直流母線電容能得到有效減小。

由式（8）可得ed：

由式(9)可以看出，如果在整流器側(cè)有功電流的給定值中加入逆變器有功功率對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償量，則當(dāng)異步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)將不會(huì)直接改變直流側(cè)電容電壓的大小，而是直接改變整流器側(cè)有功電流的大小。

圖2 雙PWM變換器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 功率前饋控制結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)式（9），構(gòu)造整流器側(cè)有功電流的給定值為：

式中：KP、KI分別為整流器側(cè)有功電流PI調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)。

如圖2所示為本文提出的具有功率前饋環(huán)的雙PWM變換系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖。其中，功率前饋控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3 仿真驗(yàn)證

整流側(cè)參數(shù)為：三相電壓源電壓幅值為220V，輸入電感L=8mH，母線電壓給定為540V，直流母線電容C=470uF。

逆變側(cè)電機(jī)參數(shù)為：額定功率Pe=3.7kW，額定電流Ⅰe=8A，額定電壓Ve=380V，Ls=155mH，Lr=155mH，Lm=147mH，額定轉(zhuǎn)速ne=1500r/min（對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子輸出角頻率約為157rad/s），額定轉(zhuǎn)矩Te=23.5N·m，極對(duì)數(shù)np=2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.0131kg·m2，電機(jī)摩擦系數(shù)f=0.002985。

仿真條件為：0～0.12s為電機(jī)的勵(lì)磁時(shí)間，0.12s時(shí)刻給定轉(zhuǎn)速，0.3s時(shí)刻突加額定負(fù)載，0.5s時(shí)刻突減額定負(fù)載，0.7s時(shí)刻突加發(fā)電性質(zhì)額定負(fù)載。

圖4～圖5為基于傳統(tǒng)母線電壓反饋控制和基于功率前饋控制的仿真結(jié)果對(duì)比圖?？梢钥吹?，電機(jī)負(fù)載所需功率越小時(shí)，直流母線電壓波動(dòng)越??；在電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和模式發(fā)生變化時(shí)，采用功率前饋控制的母線電壓，明顯比采用傳統(tǒng)母線電壓反饋控制的母線電壓平穩(wěn)，母線電壓的波動(dòng)現(xiàn)象不明顯，顯著抑制了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程中母線的電壓沖擊。

4 結(jié)束語

本文首先研究了常規(guī)的基于母線電壓反饋控制的雙PWM變換器感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，針對(duì)其在動(dòng)態(tài)過程中直流母線電壓大幅度波動(dòng)的現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析，在此基礎(chǔ)上通過采用文中提出的有功功率前饋控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)整流器的控制，有效地抑制了直流母線電壓的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了良好的控制效果，仿真結(jié)果驗(yàn)證了文中控制策略分析的正確性和控制方法的有效性。

圖4 雙PWM變換器兩種控制策略仿真結(jié)果對(duì)比（40Hz）

圖5 雙PWM變換器兩種控制策略仿真結(jié)果對(duì)比（5Hz）

［1］Zhang Yingchao，Zhao Zhengming，Lu Ting，Li Long.Direct Power and Torque Control for Three－level NPC Based PWM AC／DC／AC Converter［C］.6th IEEE International Conference on Power Electronics and Motion Control，2009：1780－1784.

［2］Liao J C，Yeh S N.A novel instantaneous Power Control Strategy and Analytic Model for Integrated Rectifier ／ inverter Systems［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2000，15（6）：996－1006.

［3］王 鋒，姜建國.風(fēng)力發(fā)電機(jī)用雙PWM變換器的功率平衡聯(lián)合控制策略研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（22）：134－139.

［4］張穎超，趙爭鳴，馮 博，等.三電平雙PWM變頻器綜合控制策略［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，26（22）：25－31.

［5］汪萬偉，尹華杰，管 霖.基于直接功率控制的雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，39（3）：67－71.

［6］蔚 蘭，陳宇晨，陳國呈，等.雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直接功率綜合控制策略［J］.高電壓技術(shù)，2011，37（7）：1818－1824.

［7］卞松江，呂曉美，相會(huì)杰，等.交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略的仿真研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（16）：57－62.