基于PWM整流器直接功率控制策略的研究

冯泽文

（贵州航天林泉电机有限公司，贵州 贵阳 550008）

0 引 言

三相电压型PWM整流器因具有高功率因数、能量双向流动、输入测电流谐波小等优点，在很多领域得到了广泛应用，如静止无功补偿、有源电力滤波以及高铁动车牵引系统等方面。同时，有很多关于三相电压型PWM整流器的控制算法，如直接电流控制、直接功率控制、预测功率控制以及滑模功率控制等[1-3]。

直接功率控制（DPC）采用电压外环、功率作为内环的双环控制，用开关表实现PWM整流器输入侧高功率因数运行，输出侧直流电压稳定输出[4-5]。和直接电流控制相比，直接功率控制具有不受坐标变换影响、算法简单、易实现、动态性能良好的特点。

本文采用三状态开关滞环比较器，重新划分扇区，设计出新的开关表进行控制。与传统DPC控制方法相比，本文研究的控制方法改善了交流侧电流谐波和系统的动态特性，解决了无功功率失控区的问题。

1 PWM整流器直接功率控制系统

根据瞬时功率理论，u为电压空间矢量，i为电流矢量，q为无功分量，p为有功分量。将u和i用复数表示为：

由于在PWM整流器的DCP系统中u和d轴重合，所以由式（1）可得有功功率和无功功率：

传统的开关表采用两状态的滞环比较器。设定P滞环的阈值Hp，Δp=pref-p，0＜Δp＜Hp，SP=1，有功功率向增加的方向调节，直到Δp＜-Hp、SP=0，有功功率才会向减少的方向调节。在-Hp＜Δp＜Hp，SP不变，没有调节功能。在传统开关表中SP=1时，使用零矢量（U0（000）、U1（111）），导致无功功率存在失控区[6]。由于存在失控区，系统的交流侧交流电流谐波含量会很大。

2 三状态开关表的DPC系统

为了解决无功功率失控区，本文研究三状态开关表的DPC策略。新的开关表结构如图1所示。

本文采用有功功率的三状态滞环比较器进行控制，输出如下：

图1 三状态开关表的DPC策略结构框图

式中，当Δp＜-Hp即有功功率大于给定功率时，需要对有功功率向减小的方向调节；当-Hp＜Δp＜Hp时，有功功率与给定功率之间相差一定的范围，可以对有功功率向减少或增加的方向调节；当Δp＞Hp时，有功功率向增加的方向调节，解决无功功率的失控区，减小系统交流侧交流电流的谐波含量。

开关矢量的选择如图2所示。

图2 开关矢量的选择

如图2所示，设电压矢量u与id轴同向。u-Ui矢量在id轴或iq轴的分量与Δp或Δq相关。由式（2）和Δp=pref-p、Δq=qref-q可知：若在id轴分量大，则说明Δp减小，反之则Δp增大；若在id轴分量大，则说明Δq减小，反之则Δq增大。根据上述分析可知，U1（100）、U6（101）都使Δp增大，有功功率减小；U2（110）、U3（010）、U4（011）、U5（001）都使Δp减小，有功功率在增加；U1（100）、U2（110）、U3（010）都使Δq增加，无功功率增加；U4（011）、U5（001）、U6（101）都使Δq减小，无功功率减小。以第一扇区为例，Δq减小，无功功率减小，就要选择U4（011）；Δq增加，无功功率增加，就要选择U3（010）。新的开关表如表1所示。

3 仿真结果及对比分析

仿真参数：输出电压UDC=300 V，负载RL=60 Ω，输入电压幅值Um=100 V、频率f=50 Hz，输入电阻R=0.3 Ω，电感L=0.003 H，电容C=1 000 e-6F。外环的PI参数：比例系数Kp=0.3，积分系数Ki=30。

由图3、图4可知，采用三状态开关的DPC系统输入电压和电流同相位，波形的正弦度更好；由图5、图6可知，解决了无功功率的失控区，系统的无功功率波形得到明显改善，有功功率波形也改善明显。

表1 三状态开关表

图3 传统DPC系统的输入电压电流波形

图4 三状态开关下系统的输入电流THD波形

图5 传统DPC系统的有功功率和无功功率波形

4 结 论

通过理论分析，传统的三相电压型PWM整流器的直接功率控制采用两状态开关的滞环比较器，无功功率存在失控区，输入端电流谐波含量大。采用三状态开关的滞环比较器，通过理论分析和仿真验证，解决了无功功率的失控区的存在，减少了输入端电流的谐波含量，同时改善了系统的动态特性。仿真实验验证了三状态开关的DPC控制方案的正确性。