三相PWM整流器基于空间矢量的直接功率控制

1、三相PWM整流器基于空间矢量的直接功率控制张明莲1 杨雪峰2（1徐州空军学院四站系航空电气教研室 江苏 徐州 221002）（2中国矿业大学建筑设计研究院 徐州 221006）摘要：本文介绍一种新型的三相电压型PWM整流器基于空间矢量调制的直接功率控制(DPC-SVPWM)，给出了基于虚磁链的功率估算式，设计了功率调节器参数，对有功功率调节器和无功调节器之间的相互耦合影响关系做了分析，并做了仿真研究。研究和分析表明，三相电压型PWM整流器基于空间矢量调制的直接功率控制系统具有结构和算法简单、高功率因数、低谐波、开关频率固定等优点。关键词：PWM整流器；直接功率控制；虚磁链；空间矢量Simple

2、 Direct Power Control of Three-Phase PWM Rectifier Using Space Vector Modulation (DPC-SVM)ZHANG Ming-lian1 YANG Xue-feng2（1 The electric staff room of four stations,the air force martial eustitute of xuzhou）Abstract：This paper introduces a novel and simple direct power control of three-phase pulse -

3、width -modulated (PWM) rectifiers using space-vector modulation (DPC-SVM). The active and reactive powers are used as the pulse width modu -lated (PWM) control variables instead of the three-phase line currents being used.Moreover, line voltage sensors are replaced by a virtual flux estimator. The t

4、heoretical principle of this method is discussed. The results of DPC-SVM that illustrate DPC -SVM exhibits several features, such as a simple algorithm, good dynamic response, constant switching frequency,and particularly it provides sinusoidal line current when supply voltage is not ideal. Key word

5、s：PWM rectifier;Direct Power control ;Virtual_flux ;Space voltage引言与感应电机磁场定向的直接转矩控制相似，三相PWM整流器基于电压的直接功率控制(Voltage-based Direct Power Control，V-DPC) 1和基于虚拟磁链定向的直接功率控制(Virtual- Flux-based Direct Power Control，VF-DPC) 2是通过直接对整流器输入输出功率进行控制，即通过估算功率和给定功率的偏差来实时确定开关状态的选择，以实现整流器直流侧和网侧能量的平衡。V-DPC和VF-DPC都是采用功率

6、滞环控制器实现PWM波形，开关周期的长度为功率误差从到然后再返回变化一周的时间，实际控制中的变换频率是一个时变量，因此开关频率也不固定。开关频率不固定会使整流器运行噪声增加，而且产生的电磁干扰频带宽，EMI问题难解决。基于这种情况，本文介绍一种新的基于空间矢量的直接功率控制（Direct Power Control Using Space Vector Modulation，DPC-SVPWM）34，与V-DPC和VF-DPC系统相比，这种控制策略采用SVPWM代替开关逻辑状态选择，因此可以解决开关频率不固定的问题。1、 虚磁链定向原则和整流器功率估算图1 三相Boost型PWM整流器主电路拓

7、扑根据park变换在静止坐标系上的三相正弦电压，在空间上可以等效成为一按正弦角频率旋转的空间电压矢量，虚磁链矢量是对的积分2，那么在空间上也是一按正弦角频率旋转的矢量。所谓虚磁链定向就是在坐标系中令虚磁链矢量与轴重合，即，在坐标系中的各矢量关系如图2所示。图2 虚磁链参考坐标系和各矢量运用复数定义，三相整流器瞬时有功功率p和瞬时无功功q率可以计算如下 （1）式中为整流器网侧电流合成矢量，为的共轭。 （2）当三相电网电压平衡对称且为正弦，且整流器桥臂入端电压也平衡对称时。则 （3）式中，为虚磁链矢量的轴分量。 （4）式中，为整流器交流侧电流合成矢量的轴分量。则有 （5）2、 DPC-SVM控制原

8、理及框图借鉴国外三相电压型PWM整流器直接功率控制研究现状34，DPC系统控制框图如图3所示，与VF-DPC控制系统不同之处在于采用了PWM空间矢量调制代替开关逻辑表。瞬时有功和无功功率估算值和与给定的和比较后输入PI调节器，得到整流器入端电压轴电压和，再经转旋-静止坐标变换可得坐标系参考电压的分量，然后利用空间矢量调制可得到PWM开关信号对整流器中的开关器件进行控制。图3 控制框图（DPC-SVM）3、 功率调节器参数的设计由图1所示的虚磁链定向系统由于，则 （6）式中，为三相正弦电压矢量的轴分量，为三相正弦电压的幅值。根据式（1）可以推知 （7）将式（6）代入dq旋转坐标系下整流器的数学模

9、型5可以得到 （8）式中，为整流器电抗器及线路的电感，为整流器交流侧等效电阻，为网侧电流合成矢量的轴分量。根据表达式（8）可以得到如图3所示的整流器简化数学模型。图4 PWM整流器简化模型为两功率环间耦合量，稳态时为直流量，根据表达式（6），为实现整流器单位功率因数，则需令（从而实现无功），则有功功率等效控制环如图4，当交流电源电压稳定时为恒定的值，因而对功率环而言可以看作是常值扰动，其扰动可通过PI调节器中的积分成分得到补偿。为了零极点对消和设计方便，令： （9） 图5 有功功率调节器是系统的开环时间常数，是一个很小的量。图4系统又可以简化为图5所示的一阶系统。图6 等效有功功率调节器闭环传

10、递函数为： （10） 式中： ， ，为系统闭环时间常数，它反映系统的惯性，其值越小系统响应过程越快，反之越大越慢。则PI调节器参数为： （11）由等式（11）推知：对于不同的， 是一个常量且等于开环时间常数，除了对系统的快速性能有较大影响外，同时它的取值还决定着无功和有功功率环之间的解耦控制程度，因而是一个很重要的参数。4、轴耦合量相互影响分析现对有功功率闭环进行分析，可将看作扰动信号，令 ，如图7所示。图7 耦合影响简化示意图从图7可以分析出无功功率的变化对有功功率的影响，运用Laplace变换： （12）再运用Laplace反变换： （13）等式（13）说明无功功率的阶跃变量会对有功功率产

11、生影响，因系统的闭环时间常数小于开环时间常数，式（13）可以简写为： （14）类似的有功功率的阶跃变量对无功功率的影响为： （15）从式（14）（15）易知的值取的越小，无功功率和有功功率间相互耦合影响也越小，实际运用中与系统采用时间常数保持一致。 5、仿真结果分析根据图2构建了三相电压型PWM整流器直接功率控制系统基于MATLAB/Simulink环境下的仿真模型，仿真主要验证在三相不平衡时的稳态运行波形。仿真主电路参数为相电压幅值，等值电阻为，电感为，直流侧电容为，负载。直流电压给定：，采样频率：，平均开关频率：。则功率调节器参数为：，。三相不平衡电压定义为，时整流器输入a相线电流波形及谐

12、波频谱见图8，可以看出当电源电压三相不平衡时，系统网侧电流THD为4.12%。图8 DPC-SVM系统三相不平衡时网侧a相电流波形及THD从仿真结果可以看出在电源电压三相不平衡情况下， DPC-SVM系统网侧电流THD很小，从而显示出这种控制策略的最大优点。参考文献1 T.Noguchi,H.Tomiki,S.kondo,and I.Takahashi.Direct power contrl of PWM converter without power source voltage sensors.IEEE Trans.Ind. Appl.,vol.34,no.3,pp.473-479,199

13、8.2 M.Malinowski and M.P.Kazmierkowski“virtual Flux Based Direct power control of three phase PWM rectifier.IEEE Trans.Ind.Appl,vol.37,no.4pp.1019-1027,2001.3 M.Malinowski,M.P.Kazmierkowsk Simple Direct Power control of three phase Pwm rectifier.Using space-vector Modulation IEEE Trans.Ind.Appl,vol.51,no.2, pp. 447-454,2004.4 Ambrozic V,Fiser R,Nedeljkovic D.Direct current control-a new curr