單相PWM整流器定頻模型預(yù)測(cè)功率控制算法

宋文勝，　鄧知先

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

?

單相PWM整流器定頻模型預(yù)測(cè)功率控制算法

宋文勝，鄧知先

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

摘要:針對(duì)傳統(tǒng)單相PWM整流器開(kāi)關(guān)表直接功率控制算法的系統(tǒng)功率脈動(dòng)大、開(kāi)關(guān)頻率不固定、網(wǎng)側(cè)諧波高等問(wèn)題，借鑒三相PWM整流器的模型預(yù)測(cè)直接功率控制(MP-DPC)算法，提出了一種基于占空比優(yōu)化的單相PWM整流器MP-DPC算法。首先，依據(jù)瞬時(shí)功率理論，通過(guò)虛擬坐標(biāo)系構(gòu)造網(wǎng)側(cè)電壓與電流的旋轉(zhuǎn)矢量，給出了一種單相系統(tǒng)功率求解算法；然后，研究不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)功率的影響，給出了單相PWM整流器最優(yōu)開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇與占空比求解的MP-DPC方法；最后，分別對(duì)滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC與MP-DPC算法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真及半實(shí)物實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，結(jié)果表明：與滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC算法相比，該MP-DPC算法具有控制精度高、開(kāi)關(guān)頻率恒定、網(wǎng)側(cè)電流諧波含量低等優(yōu)點(diǎn)，也驗(yàn)證了該算法的有效性和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞:單相PWM整流器; 直接功率控制; 模型預(yù)測(cè)控制; 占空比優(yōu)化; 半實(shí)物實(shí)驗(yàn)

0引言

近年來(lái)，隨著電力電子器件制造技術(shù)、微電子技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展與革新，電力電子變流器的性能得到了不斷提高。目前，高性能的交-直-交變流器已經(jīng)在軌道交通列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電等重要領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-3]。對(duì)于交-直-交變流器中PWM整流器來(lái)說(shuō)，其控制目標(biāo)都是維持直流側(cè)電壓恒定、減小網(wǎng)側(cè)電流諧波含量、提高功率因數(shù)和加快系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度[1,4]。目前其廣泛采用的控制算法是直接電流控制(direct current control,DCC)，主要包括滯環(huán)直接電流控制、瞬態(tài)電流控制、預(yù)測(cè)電流控制、dq坐標(biāo)系直接電流控制等[4]。

與直接電流控制算法相比，直接功率控制(direct power control,DPC)是以系統(tǒng)瞬時(shí)功率為控制對(duì)象，由于其較高的控制精度和響應(yīng)速度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)三相PWM變流器的直接功率控制方法開(kāi)展了大量的研究[2-9]。例如：滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)響應(yīng)速度快，但所選開(kāi)關(guān)矢量只能偏向有功或無(wú)功進(jìn)行控制，文獻(xiàn)[5]中采用增加扇區(qū)數(shù)量、細(xì)化開(kāi)關(guān)表DPC算法和文獻(xiàn)[6]中采用雙開(kāi)關(guān)表DPC算法都可以達(dá)到減少系統(tǒng)功率波動(dòng)；文獻(xiàn)[7]對(duì)三相交-直-交變流系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)表滯環(huán)DPC算法與傳統(tǒng)DCC算法進(jìn)行了比較，DPC算法具有動(dòng)態(tài)性能好、控制策略簡(jiǎn)單、系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)；文獻(xiàn)[8]提出了一種準(zhǔn)定頻控制策略，降低了開(kāi)關(guān)頻率和采樣頻率。文獻(xiàn)[10-11]將預(yù)測(cè)控制應(yīng)用于直接功率控制，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)了輸出功率快速跟蹤。文獻(xiàn)[12]提出了一種三相變流器系統(tǒng)MP-DPC算法，不但降低網(wǎng)側(cè)諧波，提高動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)，且對(duì)系統(tǒng)有功與無(wú)功功率都實(shí)現(xiàn)了精確控制。文獻(xiàn)[13-14]在文獻(xiàn)[12]提出MP-DPC基礎(chǔ)上進(jìn)行了矢量占空比優(yōu)化，進(jìn)一步減小了系統(tǒng)功率的脈動(dòng)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)其單相直接功率控制算法的研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[15-16]中提出了幾種單相電路功率檢測(cè)方法，文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[17-19]中分別介紹了單相變流器的滯環(huán)開(kāi)關(guān)表、功率預(yù)測(cè)的功率內(nèi)環(huán)控制算法。由于滯環(huán)開(kāi)關(guān)表開(kāi)關(guān)頻率不固定、功率預(yù)測(cè)算法復(fù)雜等缺點(diǎn)，直接功率控制算法在單相變流器的應(yīng)用仍有待深入研究。

本文首先建立了單相PWM整流器的數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)地分析了單相直接功率控制的基本原理，提出了一種基于占空比優(yōu)化的單相PWM整流器MP-DPC算法。該算法首先計(jì)算各有效矢量的最優(yōu)占空比，再根據(jù)評(píng)價(jià)函數(shù)選擇最佳矢量及其相應(yīng)的最優(yōu)占空比，不但將三相系統(tǒng)的MP-DPC算法引入了到了單相系統(tǒng)中，也對(duì)該算法的性能進(jìn)行了改進(jìn)和提升。最后，對(duì)該MP-DPC算法和滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC算法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真和半實(shí)物實(shí)驗(yàn)的對(duì)比研究。

1單相PWM整流器數(shù)學(xué)模型

單相PWM整流器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，基本電壓方程可以表示為

(1)

式中：us、is為網(wǎng)側(cè)電壓、電流；L為網(wǎng)側(cè)電感；R為網(wǎng)側(cè)電源及線路阻抗；uab為整流橋的輸入端電壓。

圖1　單相PWM整流器拓?fù)銯ig.1　Topology of a single-phase PWM rectifier

式(1)在構(gòu)造的靜止坐標(biāo)系及旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中仍然適用，其中R較小，可以忽略。整理后即可得

(2)

由于單相系統(tǒng)僅能獲得網(wǎng)側(cè)電壓、電流的標(biāo)量值，而無(wú)法構(gòu)成旋轉(zhuǎn)電壓、電流矢量，則無(wú)法得到相應(yīng)的有功功率和無(wú)功功率。因此，必須構(gòu)造一個(gè)滯后于網(wǎng)側(cè)電壓與電流90°的虛擬電壓與電流，兩者疊加后獲得網(wǎng)側(cè)電壓與電流旋轉(zhuǎn)矢量用以求出系統(tǒng)功率。

依據(jù)瞬時(shí)功率理論，視在功率可以定義為

(3)

將合成旋轉(zhuǎn)電壓、電流矢量進(jìn)行αβ分解

(4)

式中：uα、iα為實(shí)測(cè)網(wǎng)側(cè)電壓和電流值，也即電壓矢量us和電流矢量is在兩相靜止αβ坐標(biāo)系下的α軸分量；uβ、iβ為實(shí)測(cè)網(wǎng)側(cè)電壓和電流延遲90°值，也即電壓矢量us和電流矢量is在兩相靜止αβ坐標(biāo)系下的β軸分量。

將式(4)代入式(3)，則單相系統(tǒng)的瞬時(shí)有功功率與無(wú)功功率可表示為

(5)

式(5)中變量都為靜止αβ坐標(biāo)系下標(biāo)量，可以合成網(wǎng)側(cè)電壓、電流的旋轉(zhuǎn)矢量，同時(shí)可以精確計(jì)算出系統(tǒng)功率的瞬時(shí)值。

開(kāi)關(guān)函數(shù)是開(kāi)關(guān)狀態(tài)的一種表示方法，在單相PWM整流器中，每個(gè)橋臂中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)Sx(x=1,2,3,4)始終互補(bǔ)，S1/S3導(dǎo)通、S2/S4關(guān)斷與S1/S3關(guān)斷、S2/S4導(dǎo)通效果相同，開(kāi)關(guān)函數(shù)可定義并簡(jiǎn)化為

(6)

對(duì)于單相兩電平整流器，可以用開(kāi)關(guān)函數(shù)Sab與直流側(cè)電壓表示整流器網(wǎng)側(cè)輸入端電壓為

(7)

式中,udc為直流側(cè)電容電壓。

2模型預(yù)測(cè)直接功率控制

MP-DPC算法是在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)根據(jù)被控對(duì)象(整流器)的數(shù)學(xué)模型以及當(dāng)前時(shí)刻的采樣值，計(jì)算整流器此控制周期內(nèi)所選取開(kāi)關(guān)狀態(tài)的作用時(shí)間或開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合的占空比大小，使系統(tǒng)有功與無(wú)功功率能夠快速地跟蹤設(shè)定值，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，計(jì)算簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠兼顧多個(gè)目標(biāo)參數(shù)。但模型預(yù)測(cè)直接功率控制依賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)電路參數(shù)越精確，控制性能越好。

圖2為單相PWM整流器直接功率控制系統(tǒng)框圖。通過(guò)功率計(jì)算模塊對(duì)網(wǎng)側(cè)輸入電壓、電流進(jìn)行延時(shí)及相應(yīng)計(jì)算，獲得的網(wǎng)側(cè)有功與無(wú)功功率。通過(guò)當(dāng)前網(wǎng)側(cè)有功與無(wú)功功率值、直流側(cè)電壓及網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)電壓值，可以計(jì)算得出當(dāng)前狀態(tài)下，不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)整流器有功與無(wú)功功率變化率。同時(shí)，可以通過(guò)設(shè)定的有功與無(wú)功功率給定值，計(jì)算出各個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)作用時(shí)間。并構(gòu)建評(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)選擇出最佳開(kāi)關(guān)狀態(tài)。圖2中，電壓外環(huán)選用PI控制器，其輸出負(fù)載電流給定值與直流側(cè)電壓相乘之后得到系統(tǒng)功率給定值，輸入功率內(nèi)環(huán)控制器后形成負(fù)反饋。若直流側(cè)電壓低于參考值，則系統(tǒng)功率給定值增大，導(dǎo)致直流側(cè)電壓上升，反之亦然，保證系統(tǒng)直流側(cè)電壓穩(wěn)定。

圖2　直接功率控制系統(tǒng)框圖Fig.2　Direct power control system diagram

將式(3)代入式(2)，可得整流器網(wǎng)側(cè)輸入端電壓對(duì)系統(tǒng)功率變化率為

(8)

視在功率S由有功功率P與無(wú)功功率Q組成，則由式(3)可將視在功率S進(jìn)行分解，獲得有功功率與無(wú)功功率的變化率為

(9)

式中,ω為網(wǎng)側(cè)電壓的角頻率。

由于系統(tǒng)在控制時(shí)需要同時(shí)考慮有功功率與無(wú)功功率的變化，可引入評(píng)價(jià)函數(shù)

J=(Pk+1-Pref)2+(Qk+1-Qref)2。

(10)

式中：Pk+1、Qk+1為預(yù)測(cè)下一時(shí)刻有功與無(wú)功功率Pref、Qref為有功與無(wú)功功率設(shè)定值。

在單相PWM整流器中，只有3個(gè)可選開(kāi)關(guān)矢量(狀態(tài))，若在單開(kāi)關(guān)周期內(nèi)采用單一矢量進(jìn)行控制，會(huì)增大系統(tǒng)功率波動(dòng)，降低系統(tǒng)的控制精度。因此本文采用了有效矢量和零矢量結(jié)合的方式的定頻控制。先計(jì)算每個(gè)開(kāi)關(guān)矢量對(duì)應(yīng)最優(yōu)作用時(shí)間，再由評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行判定選擇最優(yōu)的開(kāi)關(guān)矢量及對(duì)應(yīng)的占空比。

圖3為系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制與開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇算法流程框圖。將稱開(kāi)關(guān)函數(shù)Sab=-1和Sab=1的矢量定義為有效矢量，并稱為1矢量和-1矢量；開(kāi)關(guān)函數(shù)Sab=0定義為零矢量。單相PWM整流器為boost升壓型變換器，則網(wǎng)側(cè)電壓的峰值比直流側(cè)電壓值小，則系統(tǒng)選用零矢量時(shí)，對(duì)功率的改變較小，所以因此采用有效矢量與零矢量相結(jié)合的方式，以便完成系統(tǒng)功率控制的同時(shí)，也能固定開(kāi)關(guān)頻率。

圖3　基于占空比優(yōu)化的模型預(yù)測(cè)控制算法框圖Fig.3　Diagram of model predictive control 　　　with duty cycle optimization

2.1矢量對(duì)系統(tǒng)功率影響分析

將式(7)代入式(9)，采用不同開(kāi)關(guān)矢量對(duì)系統(tǒng)有功和無(wú)功功率的影響分別如式(11)和(12)所示

(11)

(12)

式中：sP(-1)、sP(0)、sP(1)為3個(gè)開(kāi)關(guān)矢量對(duì)系統(tǒng)有功功率的影響；sQ(-1)、sQ(0)、sQ(1)為3個(gè)開(kāi)關(guān)矢量對(duì)系統(tǒng)無(wú)功功率的影響。

在當(dāng)前時(shí)刻k，采用任意開(kāi)關(guān)矢量，其對(duì)系統(tǒng)功率在下一時(shí)刻k+1的都可用式(11)與式(12)表示，當(dāng)Sab=n(n=-1,1)時(shí)，對(duì)應(yīng)k+1時(shí)刻系統(tǒng)功率可表示為

(13)

式中：Pk、Qk為當(dāng)前時(shí)刻有功與無(wú)功功率；sP(n)、sQ(n)為有效矢量有功與無(wú)功增量；Ts、ton(n)為開(kāi)關(guān)周期與有效矢量作用時(shí)間。

2.2不同矢量最優(yōu)占空比求解

由式(13)可知，在k時(shí)刻有效矢量作用時(shí)間ton(n)的大小決定了k+1時(shí)刻功率的大小，由于有功和無(wú)功功率是被同一有效矢量所改變，所以ton(n)在取得最優(yōu)值時(shí)，有效矢量n所對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)函數(shù)能夠取得最小值。

(14)

式中,J(n)為有效矢量n對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)函數(shù)。

將式(10)代入式(14)，由于此時(shí)有功、無(wú)功功率實(shí)際值與有功、無(wú)功功率的設(shè)定值都已知，即可求得

(15)

若計(jì)算得出有效矢量對(duì)應(yīng)作用時(shí)間大于Ts，則ton(n)=Ts，若ton(n)小于零，則ton(n)=0。零矢量的作用時(shí)間為t0=Ts-ton(n)。

2.3最優(yōu)矢量及占空的選擇

由此可以計(jì)算出兩個(gè)有效矢量對(duì)應(yīng)的有效矢量作用時(shí)間ton(n)，將其代入式(13)與式(10)即可以得到當(dāng)前時(shí)刻選擇開(kāi)關(guān)矢量對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)函數(shù)

(16)

比較各個(gè)有效矢量所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)函數(shù)

Jopt=min(J(-1),J(1))。

(17)

式中,Jopt為最優(yōu)矢量對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)函數(shù)。

使用評(píng)價(jià)函數(shù)最小的開(kāi)關(guān)矢量及相應(yīng)的有效矢量作用時(shí)間則可以完成系統(tǒng)有功、無(wú)功功率的精確控制。

3仿真與實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證所提出的單相PWM整流器MP-DPC算法的有效性和可行性，在Matlab/SIMULINK軟件中搭建了仿真模型，對(duì)該MP-DPC與傳統(tǒng)滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC算法進(jìn)行了仿真對(duì)比驗(yàn)證。并在基于DSP+RT-Lab半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)這兩種算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證。

3.1仿真研究

表1給出仿真與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)。

圖4給出了穩(wěn)態(tài)情況下兩種控制算法對(duì)應(yīng)的有功功率和無(wú)功功率仿真波形，兩種控制算法電壓外環(huán)PI參數(shù)一致情況下，輸出電壓在達(dá)到設(shè)定幅值后，滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC算法對(duì)應(yīng)的有功功率波動(dòng)約8 kW，無(wú)功功率波動(dòng)約為10 kW，而MP-DPC算法對(duì)應(yīng)的有功功率及無(wú)功功率波動(dòng)都約4 kW，該MP-DPC算法能有效減小穩(wěn)態(tài)功率波動(dòng)。

表1　仿真與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要參數(shù)

圖4　穩(wěn)態(tài)情況下兩種算法對(duì)應(yīng)的有功與無(wú)功　　　功率波形Fig.4　Simulation waveforms of active power and 　　　reactive power in steady-state

圖5(a)和圖5(b)分別給出了滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC和MP-DPC算法的網(wǎng)側(cè)電壓與電流仿真波形。由圖5可知，這兩種算法都實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電壓與電流同相位，也即單位功率因數(shù)。圖6(a)和圖6(b)分別給出了兩種算法網(wǎng)側(cè)電流的FFT分析結(jié)果，由圖6可知，滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC算法存在網(wǎng)側(cè)電流諧波含量大，且分布較廣泛等缺點(diǎn)。MP-DPC相比滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC，不僅波形畸變率小，諧波含量低，且諧波主要集中在開(kāi)關(guān)頻率附近，容易濾除。

為測(cè)試控制系統(tǒng)在負(fù)載突變時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，負(fù)載在t=1.2 s時(shí)由32 Ω突變?yōu)?6 Ω。圖7(a)和圖7(b)分別給出了負(fù)載突變時(shí)滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC和MP-DPC算法的直流側(cè)電壓仿真波形。傳統(tǒng)滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC算法的功率內(nèi)環(huán)采用查表法進(jìn)行控制，MP-DPC算法功率內(nèi)環(huán)采用模型預(yù)測(cè)直接求解方式進(jìn)行控制，因此這兩種算法的功率內(nèi)環(huán)響應(yīng)速度都非?？?，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性則大部分依賴于電壓外環(huán)設(shè)定。由圖7(a)和圖7(b)可以看出兩種的動(dòng)態(tài)特性基本一致，也證明該MP-DPC算法保留了滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。

圖5　穩(wěn)態(tài)情況下網(wǎng)側(cè)電壓與電流仿真波形Fig.5　Simulation waveforms of the main voltage　　　 and the line current in steady-state

圖6　網(wǎng)側(cè)電流仿真數(shù)據(jù)的FFT分析結(jié)果Fig.6　FFT analysis results of the line current for 　　　two control algorithms in simulation

由圖7也可知，負(fù)載突變后后穩(wěn)態(tài)時(shí)直流側(cè)電壓波動(dòng)明顯增大，可知在相同系統(tǒng)參數(shù)下，輸出功率越大，輸出電壓的波動(dòng)越明顯。

圖7　負(fù)載突變時(shí)兩種算法的直流側(cè)電壓波形Fig.7　Simulation waveforms of DC-link voltage 　　　under load sudden change condition

圖8(a)和圖8(b)分別給出了負(fù)載突變時(shí)滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC和MP-DPC算法的有功與無(wú)功功率仿真波形。由圖8可知，滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC算法在系統(tǒng)功率增加的同時(shí)，無(wú)功功率波動(dòng)也隨之加劇，在功率突變的瞬間，MP-DPC算法不但擁有滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC算法優(yōu)越的動(dòng)態(tài)特性，而且功率波動(dòng)小。

圖8　負(fù)載突變時(shí)下兩種算法的有功與無(wú)功功率　　　仿真波形Fig.8　Simulation waveforms of active and reactive　　　powers when load steps up

3.2半實(shí)物實(shí)驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果的正確性，本文采用了DSP+RT-Lab半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC和MP-DPC算法分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究。DSP采用了TI公司的TMS320F2812，RT-Lab實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括一個(gè)上位機(jī)、兩個(gè)核心運(yùn)算單元和多個(gè)模擬板與數(shù)字板卡：上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)線與RT-Lab實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相連，能夠利用上位機(jī)實(shí)時(shí)觀測(cè)模型中的多個(gè)變量，數(shù)字板卡接收DSP發(fā)出的脈沖信號(hào)，模擬板卡將網(wǎng)側(cè)電壓、電流和直流側(cè)電壓等信號(hào)反饋回DSP，形成完整閉環(huán)系統(tǒng)。

在實(shí)驗(yàn)中主電路參數(shù)設(shè)置與仿真一致，如表1所示，圖9(a)和圖9(b)分別給出了單相PWM整流器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC算法和模型預(yù)測(cè)DPC算法的網(wǎng)側(cè)電壓、電流與直流側(cè)電壓實(shí)驗(yàn)波形。

圖9　穩(wěn)態(tài)情況下網(wǎng)側(cè)電壓與電流、直流側(cè)電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.9　Experimental waveforms of the main voltage,　　　the line current,and DC-link voltage in　　　 steady-state

由圖9(a)和圖9(b)可知，在穩(wěn)態(tài)情況下，與滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC算法相比，MP-DPC算法中網(wǎng)側(cè)電流波形正弦度更高，且更加光滑，也即諧波含量低。

圖10(a)和圖10(b)分別給出了滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC和MP-DPC算法對(duì)應(yīng)的網(wǎng)側(cè)電流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的FFT分析結(jié)果。由圖10可知，滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC算法開(kāi)關(guān)頻率不固定，諧波分布廣泛。而MP-DPC算法固定了開(kāi)關(guān)頻率的同時(shí)降低了網(wǎng)側(cè)諧波。

圖10　網(wǎng)側(cè)電流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的FFT分析結(jié)果Fig.10　FFT analysis results of the line current in　　　experiment

圖11(a)和圖11(b)分別給出了負(fù)載突變時(shí)滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC和MP-DPC算法的直流側(cè)電壓、有功功率和無(wú)功功率實(shí)驗(yàn)波形。

圖11　負(fù)載突變情況下直流側(cè)電壓、有功與無(wú)功功率　　　實(shí)驗(yàn)波形Fig.11　Experimental waveforms of DC-link voltage,　　　active power and reactive power when　　　 load steps up and down

由圖11也可知，滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC算法在負(fù)載增大后，功率波動(dòng)也隨之加劇，功率紋波較大；與滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC算法相比，MP-DPC算法不但具備同樣的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，而且功率紋波波動(dòng)較小。

4結(jié)論

本文以單相PWM整流器為研究對(duì)象，以固定開(kāi)關(guān)頻率、提高系統(tǒng)響應(yīng)速度、減小網(wǎng)側(cè)電流諧波及保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定為研究目標(biāo)，提出了一種基于占空比調(diào)節(jié)的單相PWM整流器模型預(yù)測(cè)直接功率(MP-DPC)控制算法。通過(guò)SIMULINK模型仿真與DSP+RT-Lab半實(shí)物平臺(tái)實(shí)驗(yàn)對(duì)該MP-DPC算法與滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC算法進(jìn)行了對(duì)比研究，研究結(jié)果表明，本文所提出的單相MP-DPC算法不但具有網(wǎng)側(cè)諧波小，開(kāi)關(guān)頻率固定、功率脈動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，且保留了滯環(huán)開(kāi)關(guān)表DPC算法快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的性能。

參 考 文 獻(xiàn):

[1]馬慶安,李群湛,邱大強(qiáng),等.基于直接功率控制的單相AC-DC變流器控制器設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(7): 251-256.

MA Qingan,LI Qunzhan,QIU Daqiang,et al.Single-phase AC-DC converter controller design based on direct power control[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27(7): 251-256.

[2]ZHANG Y,LI Z,PIAO Z,et al.A novel three vector based predictive direct power control of doubly fed induction generator for wind energy applications[C]//IEEE Energy Conversion Congress and Exposition,Sept.15-20,2012,Raleigh,USA.2012: 793-800.

[3]ZHI D,XU L.Direct power control of DFIG with constant switching frequency and improved transient Performance[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2007,22(1): 110-118.

[4]宋文勝,馮曉云,謝望玉.單相三電平整流器dq坐標(biāo)系下的控制與SVPWM方法[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2012,16(4): 56-63.

SONG Wensheng,FENG Xiaoyun,XIE Wangyu.Space vector pulse width modulation and control technique for single phase three level rectifier in d-q coordinate system[J].Electrical Machines and Control,2012,16(4): 56-63.

[5]陳偉.三相電壓型PWM整流器的直接功率控制技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].武漢: 華中科技大學(xué)電氣工程系,2009: 16-25.

[6]王久和,李華德.一種新的電壓型PWM整流器直接功率控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(16): 47-52.

WANG Jiuhe,LI Huade.A new voltage-type PWM Rectifier Power Control Strategy[J].Proceedings of the CSEE,2005,25(16): 47-52.

[7]SATO A,NOGUCHI T.Voltage source PWM rectifier-inverter based on direct power control and its operation characteristics[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26(5): 1559-1567.

[8]楊達(dá)亮,盧子廣,杭乃善,等.三相電壓型PWM整流器準(zhǔn)定頻直接功率控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011,31(27): 66-73.

YANG Daliang,LU Ziguang,HANG Naishang,et al.Three phase voltage type PWM rectifiers quasi frequency direct power control[J].Proceedings of the CSEE,2011,31(27): 66-73.

[9]樂(lè)江源,張志，賴小華.三相并聯(lián)型有源電力濾波器預(yù)測(cè)直接功率控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2012,16(5): 86-90.

LE Jiangyuan,ZHANG Zhi,LAI Xiaohua.Predictive direct power control of three-phase shunt active power filter [J].Electrical Machines and Control,2012,16(7): 86-90.

[10]楊興武,姜建國(guó).電壓型PWM整流器預(yù)測(cè)直接功率控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011,31(3):34-39.

YANG Xingwu,JIANG Jianguo.Voltage source PWM rectifier predictive direct power control [J].Proceedings of the CSEE,2011,31(3):34-39.

[11]徐彬,楊丹,王旭,等.電壓型PWM 整流器模糊邏輯功率預(yù)測(cè)控制策略[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2010,14(8): 52-62.

XU Bin， YANG Dan,WANG Xu,et al.Predictive direct power control strategy based on fuzzy logic for voltage source PWM rectifier [J].Electrical Machines and Control,2010,14(8): 52-62.

[12]ZHANG Y,XIE W.Model predictive mean power control of PWM rectifier[C]// 2013 International Conference on Electrical Machines and Systems,Oct.26-29,2013,Busan,Korea.2013: 2195-2200.

[13]ZHANG Y,XIE W.Model predictive direct power control of a PWM rectifier with duty cycle optimization[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(11): 5343-5351.

[14]張永昌,謝偉,李正熙.PWM 整流器預(yù)測(cè)無(wú)差拍直接功率控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2013,17(12): 57-63.

ZHANG Yongchang,XIE Wei,LI Zhengxi.Predictive deadbeat direct power control of PWM rectifier [J].Electrical Machines and Control,2013,17(12): 57-63.

[15]楊君,王兆安,邱關(guān)源.單相電路諧波以及無(wú)功電流的一種檢測(cè)方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),1996,11(3): 42-46.

YANG Jun,WANG Zhanan,QIU Guanyuan.A single-phase circuit detection method of harmonic currents and reactive[J].Transactions of China Electrotechnical Society,1996,11(3): 42-46.

[16]LIU J,YANG J,WANG Z.A new approach for single-phase harmonic current detecting and its application in a hybrid active power filter[C]//Proceedings of the 25th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society,Dec.1-3,1999,San Jose,CA.1999,2: 849-854.

[17]MONFARED M,SANATKAR M,GOLESTAN S.Direct active and reactive power control of single-phase grid-tie converters[J].IET Power Electronics,2012,5(8): 1544-1550.

[18]PAVLOU K G,VASILADIOTIS M,MANIAS S N.Constrained model predictive control strategy for single-phase switch-mode rectifiers[J].IET Power Electronics,2012,5(1): 31-40.

[19]唐熊民,朱燕飛,章云.基于功率預(yù)測(cè)模型的單相PWM整流器直接功率控制[J].控制與決策,2012,27(6): 845-849.

TANG Xiongming,ZHU Yanfei,ZHANG Yun.Single-phase PWM rectifier power prediction model based on direct power control[J].Control and Decision,2012,27(6): 845-849.

(編輯：劉琳琳)

Model predictive power control scheme for single-phase PWM rectifiers with constant switching frequency

SONG Wen-sheng,DENG Zhi-xian

(School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Abstract:For these drawbacks of traditional switching-table direct power control(DPC) in single-phase PWM rectifiers such as large power ripple,variable switching frequency and large harmonic components of the grid-side current,a single-phase model predictive DPC (MP-DPC) scheme with duty cycle optimization was proposed,on the basis of three-phase model predictive direct power control scheme.Firstly,the grid-side voltage/current rotating vectors were constructed through fictive-axis emulation,and a power calculation algorithm for single-phase system was presented on the basis of instantaneous power theory.Then,combining with the effect of different switching-states on instantaneous power,a MP-DPC scheme with switching-state selection and duty cycle optimization was proposed for single-phase PWM rectifier.Finally,computer simulations and hardware in loop experiments were adopted to test and compare traditional hysteresis switching-table DPC and MP-DPC,respectively.Simulation and experimental results show that the proposed MP-DPC scheme achieves higher precision,lower harmonics and constant switching frequency compared with hysteresis switch-table DPC.Feasibility and correctness of the proposed MP-DPC scheme are also verified.

Keywords:single-phase PWM rectifier; direct power control; model predictive control; duty cycle optimization; hardware in loop experiments

中圖分類號(hào):TM 46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1007-449X(2016)04-0093-08

DOI:10.15938/j.emc.2016.04.013

通訊作者:鄧知先

作者簡(jiǎn)介：宋文勝(1985—)，男，博士，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏恳涣鱾鲃?dòng)及其控制；鄧知先(1991—)，男，碩士，研究方向?yàn)殡娏恳涣鱾鲃?dòng)及其控制。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51207131,51277153)

收稿日期:2014-08-08