基于等效空间矢量的三电平PWM整流器直接功率控制

雷健升，刘洋

基于等效空间矢量的三电平PWM整流器直接功率控制

雷健升，刘洋

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文在分析三相电压型PWM整流器直接功率控制(DPC)的基本原理时，指出了其开关频率高、开关频率不固定的这一缺点，在此基础上提出了将DPC与三电平电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)相结合的方法，降低和固定了其开关频率。其中针对传统SVPWM算法控制复杂，计算繁琐的缺点，提出了一种双载波调制的等效三电平SVPWM算法。同时，在坐标下，对传统的DPC进行了功率前馈解耦控制，实现了有功、无功的动态解耦。通过MATLAB/SIMULINK仿真，验证了该控制方法的可行性。

直接功率控制 空间矢量脉宽调制 双载波调制 固定开关频率

0 引言

PWM整流器以其功率双向流动、电网侧单位功率因数运行、输入电流正弦度好等诸多优点，在交流调速、不间断电源(UPS)、新能源等领域获得了广泛的应用[1]。而三电平PWM整流器与两电平相比，具有更好的输出性能，电流谐波含量低，器件承压低，能量密度更高，在大功率领域具有更好的应用前景[2]

PWM整流器的直接功率控制(DPC)具有功率因数高、较低的THD、算法及系统结构简单等优点，因此得到了国内外学者的研究和关注[3]。两电平的DPC控制已经较成熟，而三电平拓扑由于其特殊性，矢量繁多，起开关表的构造存在困难，且传统的DPC开关频率高，需要快速的处理器和AD转换芯片，并且由于其开关频率不固定，滤波器设计复杂。为此，本文将空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)与直接功率控制相结合，固定了开关频率，简化了滤波器的设计。

对于三电平SVPWM算法，国内外学者进行了很多研究[4-5]，也提出了很多简化算法。文献[4]将三电平SVPWM算法很大程度上简化到两电平SVPWM的水平，文献[5]提出了采用60°坐标系的三电平SVPWM算法。但这些算法都需要进行扇区判断、矢量选择和时间计算等一系列工作，计算繁琐，控制复杂。本文提出了一种双载波调制的等效三电平SVPWM算法，通过在三相调制波中加入零序分量，实现了与传统SVPWM相同的控制效果，从而省去了繁琐的计算。仿真分析了该算法与SVPWM的等效性。

1 三电平PWM整流器的数学模型

2 等效三电平空间矢量的双载波调制算法

对三电平变换器一般采用PWM调制，主要的PWM调制有载波调制SPWM和空间矢量调制SVPWM。空间矢量调制SVPWM由于其直流电压利用率高，谐波抑制能力好，在用电、发电等各种工业场合有着广泛的应用。而载波调制SPWM虽然控制效果不及SVPWM，但对于一般的工业应用场合，其控制效果还是能达到要求的，因而也具有一定的应用，同时，由于SPWM直接由载波与调制波进行比较得出开关信号，因此其算法非常简单，可大大节省控制系统硬件空间。

本文通过对三电平SVPWM和载波调制的对比分析[6]，得出了一种与三电平SVPWM等效的载波调制算法，该算法通过在调制波中加入零序分量，得到了与SVPWM相同的控制效果，同时简化了运算，节省了运算时间。

载波调制一般采用三角载波与调制波进行比较，而在三电平变换器中，由于变换器输出三种电平状态，因此，需用两个载波与调制波进行比较，得到输出状态，称为正负双载波，由图2可得

负三角载波表达式为

由图2可得出

同理，由线电压合成公式可得

再将式(11)~(13)代入式(8)~(10)可得

由上式可看出，SVPWM调制波实际上是由载波调制中三相正弦调制波施加上零序分量形成的。

因此，对零序分量的求取便成为了基于载波调制的SVPWM算法的关键。为此，我们根据电压矢量相位及幅值关系，对参考电压分类，划分不同的区域，在各区域内，电压矢量的极性保持不变。由此，三相参考电压可划分为：

当某相参考电压为正时，其比较值不变；当参考电压值为负时，则这相参考电压加上1作为比较值；按上述方法比较出大小顺序后，再各带入原值，即可确定各相矢量的大小顺序。同时，根据各相矢量的极性，可得出各种情况下的零序分量的计算公式如下：

3 三电平空间矢量直接功率控制

式(1)的三电平PWM整流器的数学模型仅包含电压、电流，不直接包含功率信息，因此，有必要对三电平PWM整流器的数学模型进行转化，使其含有网侧有功功率和无功功率。下面首先研究一下瞬时功率理论。

将式(26)代入式(25)，整理得到:

式(27)中，上式只包含有功、下式只包含无功，可见，通过补偿控制，有功、无功实现了解耦，结合前面的瞬时功率计算及SVPWM算法，得到系统控制原理框图，如图4所示。

采用电网电压定向，定向角由三相电网电压得到。直流电压的控制是通过电压外环控制，达到直流电压的稳定。电流控制则是通过功率内环实现的，通过瞬时无功功率理论可计算出有功和无功，再将其分别与有功、无功给定值比较，通过功率环的作用，再加上补偿控制，便可得到控制电压，控制电压再经过SVPWM调制，得到整流器的脉冲输出，从而实现变换器的控制。

4 仿真分析

本文对双载波调制的三电平等效空间矢量算法进行了仿真研究。下图为在不同调制度下零序分量、叠加零序分量的调制波、输出相电压和相电流仿真波形。

由图5可知，进行等效空间矢量的载波调制时，所施加的零序分量及参考调制波随调制度的变化而变化。且在不同的调制度下，都能实现空间矢量三电平的效果。同时，和空间矢量算法相比，该算法基于SPWM，只需载波与调制波的比较就可得到开关状态，调制波中的零序分量的注入也相对简单，无需进行坐标变换、三角函数计算等复杂的过程。因此，在实际应用中，可简化算法，降低硬件成本，具有较好的实用价值。

5 结语

本文在传统观的PWM整流直接功率控制（DPC）的基础上，与三电平电压空间矢量（SVPWM）相结合，提出了一种新的开关频率可固定的直接功率控制方法，其中，针对传统三电平SVPWM计算繁琐，控制复杂的缺点，提出了一种等效三电平空间矢量的双载波调制算法，仿真验证了该算法与三电平SVPWM的等效性。DPC-SVPWM的控制策略动、静态性能好，单位功率因数运行，谐波畸变率小，有功、无功解耦，开关频率固定。通过仿真分析验证了该控制方法的有效可行。

[1] 贾俊川，李卫国. 三相电压型PWM整流器控制特性[J]. 电力自动化设备，2010,30(4): 63-65.

[2] 张颖超，赵争鸣，袁立强. 三电平PWM整流器直接功率控制[J]. 电工技术学报，2008, 23(5): 62-68.

[3] Mariusz Malinowski, Marian P. Kazmierkowski, Steffan Hansen, et al. Virtual-flux- based direct power control of three-phase PWM rectifiers[J]. IEEE Trans Industry Applications. 2001,37(4): 1019-1027.

[4] Seo J H, Choi H C, Hyun D S. A new simplified space-vector PWM method for three level inverters[J]. IEEE Transaction on Power Electronics, 2001, 16(4): 545-550.

[5] Pou J, Boroyevich D, Pindado R. New feedforward space-vector PWM method to obtain balanced AC output voltages in a three-level neutral-point-clamped converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2002, 49(5): 1026-1034.

[6] 周卫平，吴正国，唐劲松等. SVPWM的等效算法及SVPWM与SPWM的本质联系[J]. 中国电机工程学报，2006, 26(2): 133-137.

Direct Power Control of Three-level PWM Rectifier Based on Equivalent Space Vector

Lei Jiansheng, Liu Yang

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM461

A

1003-4862（2014）11-0014-05

2014-07-15

雷健升（1986-），男，助理工程师。研究方向：船舶电力推进。