簡述基于虛擬磁鏈的PWM整流器功率預(yù)測控制

許明夏 李賀

摘 要 本文提出一種新型的三相PWM整流器控制方法，使用模型預(yù)測控制（MPC）和空間矢量調(diào)制（SVM），是直接功率策略的一種改進(jìn)。同時(shí)采用虛擬磁鏈觀測器，無須電壓傳感器的情況下可以進(jìn)行電網(wǎng)電壓定向，相比于傳統(tǒng)的PI控制算法，模型預(yù)測控制算法更為簡單，且無須參數(shù)調(diào)節(jié)，在每個(gè)開關(guān)周期選擇最佳的開關(guān)狀態(tài)。在一個(gè)典型的三相PWM整流器工作的條件，包括正常電網(wǎng)、電網(wǎng)電壓突變和負(fù)載突變，對該方法進(jìn)行了仿真，表明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行且具有良好的抗干擾性能。

關(guān)鍵詞 PWM整流器;虛擬磁鏈;模型預(yù)測控制;直接功率控制

前言

在工業(yè)中，整流器得到普遍應(yīng)用。其中，二極管整流器因價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)也存在一些嚴(yán)重的缺陷：輸入電流嚴(yán)重畸變，有較大功率損耗且直流側(cè)電壓波動(dòng)較大[1]。

針對這些缺點(diǎn)，產(chǎn)生了高頻PWM整流器。相比于其他整流器，具有直流側(cè)電壓波動(dòng)小、交流側(cè)電流諧波含量小，并能夠控制有功和無功功率。

PWM整流器發(fā)展至今，產(chǎn)生了多種控制策略，如電流控制和直接功率控制（DPC）。相比于電流控制策略，直接功率控制可以更為直接的實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行控制。然而，傳統(tǒng)的DPC控制策略使用功率滯環(huán)控制，需要較高的采樣頻率，而且存在開關(guān)頻率不固定的缺點(diǎn)。

本文采用一種改進(jìn)的無須電網(wǎng)電壓采樣的直接功率控制策略，即基于虛擬磁鏈的模型預(yù)測直接功率控制。該方法使用了固定開關(guān)頻率的空間矢量調(diào)制（SVM），在每個(gè)固定的開關(guān)周期內(nèi)，可根據(jù)功率和磁鏈估計(jì)，計(jì)算出下個(gè)開關(guān)周期最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)。同時(shí)，搭建仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 PWM整流器控策略

1.1 虛擬磁鏈觀測器

根據(jù)虛擬磁鏈估計(jì)公式，可得：

（1）

式中Da、Db、Dc為三組橋臂的導(dǎo)通占空比;Udc為直流側(cè)電容兩端電壓，uα、uβ、iα、iβ分別為交流側(cè)電壓和電流在α、β軸的分量。

為了克服積分偏差，通常采用低通濾波器（LPF）的

取代積分器，將直流分量降低為原有的。本文采用了改進(jìn)的虛擬磁鏈觀測器模型，徹底的消除直流分量影響，基本思路是在低通濾波器后級聯(lián)高通濾波器（HPF）進(jìn)行補(bǔ)償，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 基于模型預(yù)測的PWM整流器控制

改進(jìn)的電壓型PWM整流器（VSR）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

與傳統(tǒng)的虛擬磁鏈定向直接功率控制算法結(jié)構(gòu)相比，使用了基于模型預(yù)測的控制器取代PI控制器，無須調(diào)節(jié)參數(shù)，簡化了控制算法。同時(shí)，無需對電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣，通過對相電流、直流側(cè)電壓采樣，并根據(jù)開關(guān)周期內(nèi)的開關(guān)占空比估算虛擬磁鏈和功率。根據(jù)系統(tǒng)的虛擬磁鏈和功率估計(jì)值經(jīng)過模型預(yù)測算法的計(jì)算，得出uα、uβ，再經(jīng)過SVM模塊得出下一開關(guān)周期開關(guān)狀態(tài)。

由電路關(guān)系可以推導(dǎo)，瞬時(shí)功率的導(dǎo)數(shù)為：

（2）

根據(jù)以上方程，對前后兩個(gè)采樣周期的相電流、直流電壓的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行采樣，可得有功和無功功率導(dǎo)數(shù)，進(jìn)一步簡寫為：

（3）

式中k表示采樣次數(shù)。采用一階線性來估計(jì)下一開關(guān)周期的有功和無功功率，公式如下：

（4）

式中TS表示整流器的開關(guān)周期。

本文中選用常用的代價(jià)函數(shù)[2-3]如下：

（5）

式中pref和qref分別為有功和無功功率設(shè)定值。

當(dāng)預(yù)測的有功和無功功率值與設(shè)定值無誤差時(shí)，代價(jià)函數(shù)為最小值，系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。為使函數(shù)J為最小，令J對uα和uβ的偏導(dǎo)數(shù)為零，可得（uα，uβ）如下：

（6）

通過公式（6），便可在下一開關(guān)周期開始之前，就計(jì)算出整流器電壓矢量（uα，uβ），繼而通過SVM計(jì)算輸出控制開關(guān)狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

搭建了10kVA整流器仿真模型，對基于模型預(yù)測直接功率控制方法，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。平臺(tái)參數(shù)：功率10kVA，電網(wǎng)相電壓AC220V，整流直流電壓DC600V。

其中，圖3為電網(wǎng)A相的輸入電流，圖4為電流進(jìn)行諧波分析，圖5為直流側(cè)電容電壓波形。

可以看出，輸入電流THD為4.5%，直流側(cè)電壓波動(dòng)小于1V。通過仿真分析，驗(yàn)證了基于虛擬磁鏈的模型預(yù)測直接功率控制PWM整流器具有較好控制性能[4]。

3 結(jié)束語

本文提出一種基于改進(jìn)虛擬磁鏈的模型預(yù)測直接功率控制PWM整流器，簡化了控制系統(tǒng)，降低磁鏈估計(jì)誤差。通過仿真分析，該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)PWM整流器單位功率因數(shù)運(yùn)行，具有較好的抗干擾性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張崇巍，張興.PWM整流器及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2003：203.

[2] 張星.一種能消除直流偏置和穩(wěn)態(tài)誤差的電壓型磁鏈觀測器[J]，電工電能新技術(shù)，2006，25（1）：39-43.

[3] 馬宏偉，李永東，鄭澤東，等.一種PWM整流器的模型預(yù)測控制方法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33（11）：21-25.

[4] Malinowski M，Jasinski M，Kazmierkowski M P. Simple direct power control of three-phase PWM rectifier using space-vector modulation （DPC-SVM） [J]. Industrial Electronics， IEEE Transactions on，2004，51（2）：447-454.