三相电压型PWM整流器直接功率控制方法综述

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1、三相电压型PWM整流器直接功率控制方法综述点击数： 260刘永奎， 伍文俊（西安理工大学自动化学院电气工程系， 陕西西安 710048）摘要 首先介绍了三相电压型PWM整流器的拓扑结构，在此基础上，对当前应用于PWM整流 器的直接功率控制策略进行了对比分析，介绍了其实现机理和优缺点，最后，对直接功率控制在三 相电压型PWM整流器中的控制技术进行了展望。关键字 PWM 整流器；直接功率控制；综述Summary about Direct Power Control Scheme of Three-Phase VoltageSource PWM RectifiersLIU Yongkui， WU W

2、enjun(Xian University of Technology，Xian Shannxi 710048 China)Abstract The topological structure of three-phase PWM rectifiers is introduced. On this basis, several DPC methods of three-phase voltage source PWM rectifiers were introduced and compared. At last, the pros 原 per of the control scheme de

3、velopment trends in three-phase PWM rectifiers is presented.Keywords three-phase PWM rectifiers；direct power control；summary1 概述三相电压型PWM整流器具有能量双向流动、网侧电流正弦化、低谐波输入电流、恒定直流电压控制、 较小容量滤波器及高功率因数（近似为单位功率因数）等特征，有效地消除了传统整流器输入电流谐波 含量大、功率因数低等问题，被广泛应用于四象限交流传动、有源电力滤波、超导储能、新能源发电等 工业领域。PWM 整流器控制策略有多种，现行控制策略中以直接电流、间

4、接电流控制为主，这两种闭环控制策略 需要复杂的算法和调制模块。而三相电压型PWM整流器直接功率控制（DPC）因具有控制方法简单、 抗干扰能力强、良好的动态性能、可以实现有功无功的解耦控制等诸多优点而被近年来广泛研究，控制 方法也层出不穷1-2。本文将介绍三相电压型PWM整流器主电路的拓扑结构和基于DPC的控制策略，并进行对比分析，在 此基础上对PWM整流器的控制策略进行展望。2电路拓扑近年来对于三相电压型PWM整流器拓扑结构的研究在小功率场合主要集中在减少功率开关3和改进直 流输出性能上；对于大功率场合主要集中在多电平4、变流器组合以及软开关技术上5。目前较成熟的 拓扑有两电平和三电平PWM整

5、流器结构。ffi 1是三相电压型两电乎円阳整流器电路 拓扑结构。其中%叫为三相交流电源电压* 3丄为三相交流输人电流上为网侧串联电 感乩为其等效内轧G是直流讯线电容.麻为直 流母线电压凤为负载,为负栽电流两电平 PWM軽流器每个桥臂由两亍开关管组成丫在工作 过程中，各挤脅的两个开关管的工作狀态恰好相 反即处丁互补狀态毎相桥臂中点的电压啦血 fn eu有0上矢衲种电平口圉1 三楓起匝昶两电平FWIH釜谥器电踣拥卄塞蔺图2是皐相电压型三电平P叩M整流器电路 拥扑结构.我毎相桥臂由皿个开关篇和两牛箝位 二极管组成,运行中有三种组合开关狀态r分别对 应于vi、vra；VTf、vt3或vt3、vi;导通

6、,每相桥 臂中点的电压岫和%可以有吗仇26补Z2 三种电平韶2 巳柯也圧型电平PWM聲浣彩応蹈柘朴姑构三相电压型两电平PWM整流器是最基本的PWM整流电路，因为结构简单、控制算法相对成熟，得到 了广泛应用。与其相比三电平PWM整流器每个桥臂多了两个开关管和两个箝位二极管，电路结构复杂、 存在中点电位平衡问题、控制算法繁琐，但因此种电路具有更大的变换功率、更低的输入电流畸变率等 优点，也被广泛研究应用。3直接功率控制方法直接功率控制(DPC)系统结构是以直流侧电压为外环、瞬时功率控制为内环的双闭环系统。从功率守恒的角度看，直接功率控制PWM整流器是在交流侧电压一定的情况下，通过控制流入整流器 瞬

7、时有功功率和无功功率，来达到控制瞬时输入电流的目的，从而获得预设的功率因数和功率流动方向。3.1基于电压的直接功率控制(V-DPC)基于电压的直接功猱控制（V-DPQI妊最魁 出现的一种PWM垒流器直接功率控制方式，图3 是U-DPC的系统控制框圏气冒3 基于电圧的宜崔劝率绘喲盏捷框圈V-DK：兀作原理是采样缕电压与给定 参即;啟巾川!利比的谓蒂经诃H闊岡計序 有功參考电流*与母线电压的乘积作为参琴 有功功率p*粗据公式D罐式（冷（SM4 为 粥沐养丿咲狀志開检测1M仙巾显心人j-i 流刃敎芯七I L汁订出瞬屈功率代无丁率 0并由武估）估離出网恻输人电压矢量。尸和0 与给定的凡f和0諾比较后送

8、人功率滯环比较器r 叱犧擀输出开关信号口由电压矢竝所处的 扇区与开关信号共同决定整流器下一开天状态口薯A片4（和，応机+$亿）弘（霑1一將叮-SJS血）+凡仇-占凡卩厂叮I式匚Is；为网侧输入电流矢量:与此前各种PWM整流器控制策略相较，该控制策略的突出优点在于：（1）不需要PWM调制模块、不需要电流闭环调节、借助于开关矢量表直接对有功功率与无功功率进行 控制，控制算法简单；（2）系统具有更快的动态响应速度；（3）输入电流具有更低的畸变率；（4）瞬时功率的获取采用无电压传感器的预测模型，在一定程度上节约硬件成本。同时它也存在以下几方面不足：（1）开关频率不固定，为交流侧电感的选取增加了难度；（

9、2）对传感器转换精度和系统采样频率的依赖程度高。3.2基于虚拟磁链的直接功率控制（VF-DPC）虚拟魅链控制I的原理足将PWM魅流器电 网侧视为-牛虚拟的交流，电林L二此和什別观 为社机的定子电阻与电感月I人虚拟磁通量申*帆 由公式（4）止式（5）计算得到。吟和冷叭如分 别是虚抑社机的电压矢量和虛拟磁链矢量在两相 搐止坐标系中的口0轴十（风拓（4a）%=亠m（41,）(5IJ整流器的卷功柿无功功率估算由公式G） 完成品去 是网侧输人电流在两相静止坐栩 蔡中4 e轴分量2拦输人角频:轧皿J1山閤4为基于虚拟雄链的直按功率控制PWMH流系统框團丫逋过珈拟磁链的方怯估算出瞬 时功率，与给定功率F斗和

10、（?M比较后送人功率滞 环比较艄 输出備区识圳器第时决定卜吋刻幣流器开一足狀态5丰4 $屮F叭|薛旳：耳率仙幕Ts图4 恳于虚飒無摊龄直摄坊車控制棗统框图基于虚拟磁链的直接功率控制策略除了具有V-DPC的诸优点之外，还具有10：（1）较低的采样频率；（2）在输入三相电网电压不理想的情况下有更低的电流总谐波含量（THD）。同样VF-DPC也没有解决开关频率不固定的问题。3.3基于瞬时功率理论的直接功率控制传统理论中的有功功率、无功功率都是定义在平均值的基础上，只适用于电压、电流为正弦波的情况;而瞬时功率理论的概念是建立在瞬时值的基础上，对正弦、非正弦电压和电流的情况都适用12。瞬时有功功率P和瞬

11、时无功功率Q在心 坐标系下衣示为jCiH+lLfiip（ 8 ）（J二邸i訂归如厂削扁 9）査中:鬥为电压尅戢和电流向疑的夹角=根搦c尹坐标系和三相坐标系之间的转换关 系在三相坐标系下有功功率、无功功率表示为P=lioin+ltbih+lir 10 ）” = 仏*x+（呜-%）&十仏-uiXJ彳 I iy5图5给出了基于瞬时功率理论的直接功率控制系统框图13。控制原理与V-DPC相似，用计算得到的有功功率P、无功功率Q与功率给定做差，其 结果经过功率滞环比较与电压矢量所在扇区兹n一起决定系统的开关状态。与V-DPC、VF-DPC相比，系统虽然采用了额外的电压传感器，但瞬时功率的计算不依赖于系统

12、开关状 态，使算法大大简化，同时也提供了更准确的有功、无功功率瞬时量。同时该控制策略同样具有动态响 应快、输入侧电流畸变率低等优点。缺点是：（1）开关频率不固定；（2）要求较高的采样频率。團5 屢于验时驸卓理祂的直接功串控制矗境框因3.4基于空间矢量的直接功率控制（SVM-DPC）基于空间矢量的直接功率控制（SVM-DPC）用空间矢量PWM调制模块和PI环节取代了传统DPC系统 中的开关矢量表和功率滞环14-16。图6聚堆于牢间矢绘调制的直接功率控制系 统框图系城由公式(3)(4)铀算出瞬时有功、无 功功率并与给疑 陷匕 比较做差得到误差信号.詞右尿于塑I可夬?砖贞按助幸挖制杀诧貶热再经过PT

13、调节得利知叫.进-少根据公式(12. (13)的变换得到出沪将其送人空间矢量 PWM调制模川來得到开关狀态-si町牡 -w仇订吗(12)乩吟啊二一：厂卩出V(iJ側巳佑片讦=匕(1书V%) +妙訂式中吟*是虚拟谶链在两相静止坐标黍中叽耐的向量角G空间矢量调制直接功率控制策略优点：(1) 不使用非线性控制器；(2) 开关频率是固定的，因此方便了网侧电感参数的选取;(3) 降低了采样频率；(4) 可获得任意方向电压矢量，不存在无功失调区；(5) 具有更低的输入电流畸变率。缺点:（1）控制算法复杂化，瞬时功率的估算依赖系统当前开关状态；（2）多个PI环节使系统调试复杂度增加。另外为进一步得到更准确的

14、瞬时功率，有学者提出了在网侧增加电压传感器的控制方案，根据瞬时功率 理论计算瞬时有功、无功功率，该方法在三相输入电压不对称等非理想的情况下获得了较好的控制效果。3.5基于功率预测的直接功率控制（P-DPC）基于功率预测的DPC系统17-19可以分为定频率和不定频率两种。文献18详细介绍了两种PDPC各自 的控制算法并做了仿真研究，从两者的仿真结果来看定频控制的效果较优。图7给出了基于功率预测的定频直接功率控制系统框图，系统通过功率预测模型得到当前瞬时功率，并 结合给定功率选择最佳的电压矢量序列和其对应的作用时间，来控制PWM整流器在恒定开关频率下的 运行。功率预测通过公式（15）、公式（16）

15、计算完成。田7 虽于窝頻助半也测时直襪殊卑整制務軌框图dp_IT J.L*叫JC I5ajIl p.晶气T塚1心LN（16a）Q 农晋tlhb）式屮:h尸飪臥血是整流器电压控制矢量；心“呦卩罐胸侧线电压矢量；冃融F呈砲流矢呈在一个控制周期中认为它们都是恒定不蛮的;也 绘-个控制周期中 心 的初始直:R、。是P、Q的结東缶L是控制周期，也即处电压控制矢桁码的作用时fik基于定频功率预测的直接功率控制保持了传统DPC的优点，如动态响应快等，同时以新颖的方法实现了 固定开关频率的目的，使整流器系统参数设计简化。该控制策略的缺点主要体现在功率算法相对较为复 杂。3.6基于功率解耦的直接功率控制由于三相

16、电压型PWM整流器是混合非线性系统，有功功率与无功功率相互耦合，影响了系统的控制性 能。功率解耦控制的思路是将有功功率、无功功率从相互耦合的复杂关系式中分离出来，得到独立的表 达式，为系统提供更加准确的控制模型20-22。图8是采用无源性控制实现功率解耦的直接功率控制结构框图22。有功功率给定可由公式（17）计算得到，公式（18）、（19）给出了具体的无源功率控制律。将Sd、Sq代入整流器数学模型22得到公式（20）、（21），可以看出P、Q的表达式中不再含有传统DPC控制策略功率表达式中的耦合项。F r坨 231 6计算rvVv-wtvJJ- 4- I I .5VPWM 呼囹8矗于无霸性控無

17、葩直接助車控制棗烧框團X几锂皿帖翔点LPJ-2R孺3% %-LPFQ2L dP n fJ2K曲* ,山TaJ2L d(?2R3R , dzfluL(17)f IS)(20)on与现行功率控制相比，功率解耦控制使整流器具有如下优点：(1) 更快速的功率和直流电压跟踪能力；(2) 更好的静态性能；(3) 抗负载扰动能力强。缺点：(1) 算法复杂；(2) 控制效果依赖于估计参数值Rai、Ra2的准确性。3.7基于双开关表的直接功率控制传统开关表是建立在对有功功率和无功功率同时作用的基础上的，即同一个电压矢量要同时兼顾有功功 率和无功功率的调节，但这种兼顾实际上很难完美实现，更多的情况是所选电压矢量对

18、一方的调节能力 强而对另一方的调节能力弱，从而导致系统整体跟踪速度缓慢。双开关表是针对有功功率与无功功率独立调节控制的开关矢量表2。从一定意义上讲双开关表的运用降 低了有功功率和无功功率的耦合度。其控制思路是在一个控制周期中，如果要增强对有功的调节能力， 就增加有功开关表的作用时间，减小无功开关表的作用时间，反之亦然。图9为基于双开关表的直接功 率控制系统框图。基于就晋关熹妁克茯功率控制承紀最图基于双开关表DPC控制策略解决了传统DPC单一逻辑开关表进行功率调节时导致启动暂态过程中直流 电压、功率出现较大波动，稳态负载扰动造成较大直流侧电压波动、功率跟踪速度慢等问题，具有更好 的动、静态性能。

19、3.8基于输出调节子空间的直接功率控制基于输出调节子空间（ORS）的PWM整流器DPC策略的控制思路是：取瞬时有功和无功功率为输出量， 根据瞬时有功和无功功率导数，及时选择整流器输入电压矢量来控制瞬时有功功率和无功功率的增减， 完成功率预控制，以达到系统单位功率因数运行和平衡直流电压的目的23-24。与传统DPC策略相比， 其优点是提高了系统的动态性能，并在输入电压不平衡条件下取得良好效果，其代价是算法复杂性大大 增加。39其它改进型直接功率控制策略文献25提出一种基于模糊控制的直接功率控制，主要思想是用模糊控制代替传统DPC中的PI环节来 得到系统有功功率给定。由于传统DPC对有功调节能力较

20、弱，文献26采用了变无功给定的方式，增加对有功的调节能力，改进 了功率响应速度。文献27采用功率内环和电压平方外环的功率控制策略进一步提高了直流电压跟踪、功率跟踪能力。为减少扇形边界对功率控制及直流电压的影响，文献28提出了一种设置扇形边界死区的DPC控制策略。 为了更准确的得到电压矢量的相位角，有学者将锁相环（PLL）引入到了 PWM整流器DPC控制之中， 通过检测交流侧输入电压相位来实现对电压矢量的定位。4 三相整流器直接功率控制策略的展望随着电力电子技术和控制理论的发展，三相PWM整流器的控制策略的研究将不断深入，根据对整流器 本身的性能要求，像更小的电流畸变率、减小直流侧纹波系数、进一

21、步提高功率因数等，其相应的控制 策略主要向以下几个方面发展1。1）针对具有非线性多变量耦合特性的电压型 PWM 整流器模型，常规控制策略及其控制器设计的不足之 处在于无法保证控制系统大范围扰动的稳定性。为此，学者们提出了基于稳定性理论的DPC控制策略, 以改变系统的鲁棒性。2）针对在三相电网不平衡时整流器出现直流侧电压和交流侧电流低次谐波幅值增大，同时产生网侧电流的不平衡，严重时可损坏整流装置。有学者在电网不平衡条件下的整流器DPC控制策略方面也做了一些 工作29。3）由于多电平三相PWM整流器在控制电流谐波、稳定直流电压、更高的转换容量等方面存在着突出的 优势，有学者也对多电平的 DPC 控

22、制策略做了研究30。4）由于传统整流器控制系统都是在电网平衡、功率开关器件为理想模型基础上给定的，所以系统鲁棒性 较差，针对这些问题，有学者尝试将智能控制，如神经网络控制器、模糊逻辑控制器等应用到整流器DPC 控制策略中，来予以解决。5 结语本文首先介绍了直接功率控制在三相电压型PWM整流器中的应用优势并说明了其控制思路，重点介绍 了三相电压型整流器的两电平、三电平电路拓扑结构，以及当前直接功率控制的主要方法和实现原理， 最后对三相PWM整流器的直接功率控制技术的发展方向做了展望。作者简介：刘永奎（1985-），男，陕西韩城人，硕士生，研究方向为新型电力电子装置与系统。 伍文俊（1967-），

23、女，江西上高人，讲师，博士生，研究方向为电力电子装置、多电平变换器。参考文献：1张兴.PWM整流器及其控制策略的研究D.合肥工业大学，2003.2王久和，李华德.一种新的电压型PWM整流器直接功率控制策略J.中国电机工程学报，2005, 253 Shied J-J, Pan C-T, Cuey Z-J. Modelling and Design of a Reversible Three-phase Switching Mode Rectifier J.IEE Proc. Electr Power Appl, 1997,144 (6), 389-396.4 Rodriguez J, Jih-S

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