简述基于虚拟磁链的PWM整流器功率预测控制

许明夏 李贺

摘 要 本文提出一种新型的三相PWM整流器控制方法，使用模型预测控制（MPC）和空间矢量调制（SVM），是直接功率策略的一种改进。同时采用虚拟磁链观测器，无须电压传感器的情况下可以进行电网电压定向，相比于传统的PI控制算法，模型预测控制算法更为简单，且无须参数调节，在每个开关周期选择最佳的开关状态。在一个典型的三相PWM整流器工作的条件，包括正常电网、电网电压突变和负载突变，对该方法进行了仿真，表明系统能够实现单位功率因数运行且具有良好的抗干扰性能。

关键词 PWM整流器;虚拟磁链;模型预测控制;直接功率控制

前言

在工业中，整流器得到普遍应用。其中，二极管整流器因价格低廉、结构简单的特点，得到广泛应用，同时也存在一些严重的缺陷：输入电流严重畸变，有较大功率损耗且直流侧电压波动较大[1]。

针对这些缺点，产生了高頻PWM整流器。相比于其他整流器，具有直流侧电压波动小、交流侧电流谐波含量小，并能够控制有功和无功功率。

PWM整流器发展至今，产生了多种控制策略，如电流控制和直接功率控制（DPC）。相比于电流控制策略，直接功率控制可以更为直接的实现单位功率因数运行控制。然而，传统的DPC控制策略使用功率滞环控制，需要较高的采样频率，而且存在开关频率不固定的缺点。

本文采用一种改进的无须电网电压采样的直接功率控制策略，即基于虚拟磁链的模型预测直接功率控制。该方法使用了固定开关频率的空间矢量调制（SVM），在每个固定的开关周期内，可根据功率和磁链估计，计算出下个开关周期最优开关状态。同时，搭建仿真模型进行验证。

1 PWM整流器控策略

1.1 虚拟磁链观测器

根据虚拟磁链估计公式，可得：

（1）

式中Da、Db、Dc为三组桥臂的导通占空比;Udc为直流侧电容两端电压，uα、uβ、iα、iβ分别为交流侧电压和电流在α、β轴的分量。

为了克服积分偏差，通常采用低通滤波器（LPF）的

取代积分器，将直流分量降低为原有的。本文采用了改进的虚拟磁链观测器模型，彻底的消除直流分量影响，基本思路是在低通滤波器后级联高通滤波器（HPF）进行补偿，结构如图1所示。

1.2 基于模型预测的PWM整流器控制

改进的电压型PWM整流器（VSR）控制系统结构，如图2所示。

与传统的虚拟磁链定向直接功率控制算法结构相比，使用了基于模型预测的控制器取代PI控制器，无须调节参数，简化了控制算法。同时，无需对电网电压进行采样，通过对相电流、直流侧电压采样，并根据开关周期内的开关占空比估算虚拟磁链和功率。根据系统的虚拟磁链和功率估计值经过模型预测算法的计算，得出uα、uβ，再经过SVM模块得出下一开关周期开关状态。

由电路关系可以推导，瞬时功率的导数为：

（2）

根据以上方程，对前后两个采样周期的相电流、直流电压的开关状态进行采样，可得有功和无功功率导数，进一步简写为：

（3）

式中k表示采样次数。采用一阶线性来估计下一开关周期的有功和无功功率，公式如下：

（4）

式中TS表示整流器的开关周期。

本文中选用常用的代价函数[2-3]如下：

（5）

式中pref和qref分别为有功和无功功率设定值。

当预测的有功和无功功率值与设定值无误差时，代价函数为最小值，系统达到最优状态。为使函数J为最小，令J对uα和uβ的偏导数为零，可得（uα，uβ）如下：

（6）

通过公式（6），便可在下一开关周期开始之前，就计算出整流器电压矢量（uα，uβ），继而通过SVM计算输出控制开关状态。

2 实验结果与分析

搭建了10kVA整流器仿真模型，对基于模型预测直接功率控制方法，进行仿真验证。平台参数：功率10kVA，电网相电压AC220V，整流直流电压DC600V。

其中，图3为电网A相的输入电流，图4为电流进行谐波分析，图5为直流侧电容电压波形。

可以看出，输入电流THD为4.5%，直流侧电压波动小于1V。通过仿真分析，验证了基于虚拟磁链的模型预测直接功率控制PWM整流器具有较好控制性能[4]。

3 结束语

本文提出一种基于改进虚拟磁链的模型预测直接功率控制PWM整流器，简化了控制系统，降低磁链估计误差。通过仿真分析，该控制系统能够实现PWM整流器单位功率因数运行，具有较好的抗干扰性。

参考文献

[1] 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社， 2003：203.

[2] 张星.一种能消除直流偏置和稳态误差的电压型磁链观测器[J]，电工电能新技术，2006，25（1）：39-43.

[3] 马宏伟，李永东，郑泽东，等.一种PWM整流器的模型预测控制方法[J].电力自动化设备，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.