三电平PWM整流器定频直接功率控制的研究

张 豪，邵国庆

（中国矿业大学信电学院，徐州 221116）

三电平PWM整流器定频直接功率控制的研究

张 豪，邵国庆

（中国矿业大学信电学院，徐州 221116）

以三电平电压型 PWM 整流器的数学模型为基础，结合瞬时功率理论，本文提出了一种基于空间电压矢量脉宽调制的三电平 PWM 整流器定频直接功率控制策略。其控制结构是由电压外环、功率内环组成的双闭环控制系统。该系统一方面采用功率前馈解耦控制，实现了动态过程中有功功率和无功功率的解耦直接控制；另一方面采用空间电压矢量调制，固定了开关频率，从而简化了滤波器的设计。仿真结果表明：该控制策略实现了单位功率因数运行、中点电位平衡、电流谐波小的良好动、静态性能。

三电平；PWM整流器；瞬时功率；直接功率控制；固定开关频率；前馈解耦

前言

传统的不控整流器（二极管整流）或相控整流器（晶闸管整流）存在诸多问题，如能量不能双向流动、深控时网侧功率因数低、网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”、闭环控制时动态响应相对较慢等，这些问题在高压大容量场合尤为突出。因此，在诸如高压直流输电、有源电力滤波、电气传动、新型UPS以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等领域，PWM整流器必然会得到越来越多的应用。与此同时，应用三电平技术的 PWM 整流器会产生许多独特的优势，如网侧电流谐波畸变率低、开关频率低、器件承压低、输出du/dt小等。因此，三电平PWM整流器在高压、大功率领域具有广阔的应用前景[1]。

目前，有关 PWM 整流的研究大多是基于两电平拓扑，其高性能的控制策略有两种：电压定向控制（Voltage Oriented Control, VOC）[2]和直接功率控制(Direct Power Control, DPC)[3-5]，两者各有优、缺点。VOC控制是通过旋转变换将交流测电流解耦成有功分量和无功分量，从而分别构成有功电流和无功电流的闭环控制，稳态性能较好，但结构和算法复杂。而传统的DPC不需要旋转坐标变换，它是通过预存的开关表直接选择合适的电压矢量实现对有功和无功的bang-bang控制，它算法简单、动态响应快。但是也存在缺点，如开关频率不固定、开关损耗大、需要较高的采样频率等。

因此，针对传统的VOC和DPC中存在的不足，本文提出了一种基于空间电压矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）的固定开关频率的三电平PWM整流器DPC控制策略。该策略与VOC相比，不需要电流的旋转坐标变换，简化了算法。与传统的DPC相比，一方面固定了开关频率，简化了滤波器的优化设计；另一方面它不需要较高的采样频率，降低了对控制器和A/D转化器的要求。最后通过在matlab环境下的仿真分析，证实了理论分析的正确性和控制策略的有效性。

1 三电平PWM整流器

三电平 PWM 整流器以其单位功率因数运行、能量双向流动、输入电流正弦度好等诸多优点，真正实现了“绿色电能变换”。因此，它在高压、大功率领域具有广阔的应用前景。

1.1 三电平PWM整流器的主电路

中点箝位型三电平 PWM 整流器的主电路拓扑结构如下图1所示。

图1 三电平PWM整流器的拓扑结构

图1中，Ua、Ub、Uc为三相电网电压，Usa、Usb、Usc为整流桥交流侧电压，ia、ib、ic为三相电流，C1、C2为直流母线电容，R、L为滤波电抗器的电阻和电感，Udc为直流母线电压，iL为负载电流；P、N、O为直流母线正端、负端和电流中点电位。

1.2 三电平PWM整流器的数学模型

结合图1三电平PWM整流器的拓扑结构及文献[6]中给出的电路数学模型，可以得到三电平PWM整流器交流侧d-q坐标系下的等效电路如图2所示。

由图2可以得到三电平PWM整流器交流侧在d-q坐标系下的数学模型[6]式（1）：

图2 d-q坐标系下三电平PWM整流器交流侧等效电路

2 三电平PWM整流器定频DPC控制原理

固定开关频率的三电平PWM整流器DPC控制采用直流电压外环、功率内环控制，这种控制策略的关键在于对瞬时有功功率和无功功率的准确观测，而瞬时功率理论为此提供了理论基础。

2.1 瞬时功率理论

20世纪80年代初期，日本学者赤木泰文（Akagi H）等人提出了瞬时功率理论[7,8]，在d-q坐标系下，瞬时有功和无功可以表示为：

其中：P — 电网瞬时有功功率；

q — 电网瞬时无功功率。显然，通过检测电网侧电压和电流的瞬时值，可以通过（2）式计算出电网的瞬时有功功率和无功功率。

2.2 定频DPC控制系统设计

在三相电压对称的情况下，选取 d-q坐标系的初始电角度和a相的初始电角度相等，这时d轴与电网电压矢量重合，有Uq=0，代入（2）式中可以得到：

式（1）两端同时乘以Ud，可以得到：

令Ls=L/Ud、Rs=R/Ud，将式（3）代入式（4），整理后可得：

由式（5）可以看出：系统的有功功率P和无功功率q相互耦合，给控制器的设计带来了一定的难度。由于q在稳态时近似为0，所以可以采用一个简化的设计思路：认为q始终为0，从而使得有功功率与无功功率的控制相互独立。这种方法可以得到接近满意的稳态效果，但是这种近似使得系统的动态响应难以得到保障。为了提高控制性能，本文采用前馈解耦控制策略，把 PI调节器作为功率内环控制器时，由式（5）可以得到系统的控制方程如下:

将式（6）代入式（5），整理后可得：

显然，由式（7）可以看出：采用前馈的控制策略实现了功率内环有功功率和无功功率的解耦控制[9]，因此，根据式（6）可以得到系统的控制框图如图3所示。

图3 三电平PWM整流器定频DPC控制原理框图

由图3可以看出：三电平PWM整流器定频DPC控制系统是由电压外环、功率内环组成的双闭环系统。一方面通过对交流侧三相电压、电流信号的采样，经过计算后，可以得到瞬时有功功率P、无功功率q和网侧电压的相位信息；另一方面，通过对直流侧上下母线电容电压的采样可以得到直流母线电压 Udc和中点电压信息，然后 Udc和给定参考 Udc的误差经过 PI调节器可以得到有功参考电流 id，它与 Udc的乘积作为有功功率的参考量P ，而无功功率为了实现单位功率因数控制，可以把其参考量 q 设为 0；然后有功功率和无功功率的参考给定值与实际值之差经过PI调节器的输出量，再加上有功功率和无功功率的前馈解耦补偿项，便可得到参考电压矢量Usd和Usq，把这两个参考电压矢量根据网侧电压的相位信号进行反旋转变换，便可得到整流桥交流侧的控制量Usα和Usβ，然后进行三电平SVPWM调制，便可以实现对三电平PWM整流器的定频DPC控制。

2.3 三电平SVPWM的中点电位平衡控制

中点电位平衡问题是三电平拓扑在应用中需要关注的问题，如不考虑中点电压的控制，注入电网的电流谐波分量将显著增加，而且电压偏离严重时，可能导致开关器件及直流侧电容承受过高电压而损坏[10]。

在中点电位控制方面，由于大矢量和零矢量对中点电位的波动无影响，中矢量对中点电位的影响是不可控的，而正负冗余小矢量对中点电位的影响是相反的。因此可以利用这一关系，在系统运行过程中，若直流母线上下电容电压出现不平衡现象时，可以通过检测交流侧电流判断出中点电流方向，并根据中点电位的偏移方向重新分配正、负小矢量的作用时间，即可有效抑制中点电位的波动[11,12]。

3 仿真结果及分析

基于Matlab中的Simulink仿真环境，对前文分析的三电平 PWM 整流器定频直接功率控制系统搭建仿真模型，如图4所示。其中的直接功率控制模块如图5所示。所搭建的仿真模型参数如下：三相交流对称电压幅值均为 311V、频率 f=50Hz, 交流侧等效电阻R=0.1Ω，输入电感 L=8mH，直流母线电容C1=C2=0.005F，直流给定输出电压为600V，开关频率为2kHz；直流侧负载RL=30Ω，且在0.5s时又并入一个等值负载后，等效负载变为15Ω。

图4 三电平PWM整流器定频DPC系统仿真模型

其中三电平PWM整流器定频DPC控制系统中的前馈功率解耦控制模块的仿真模型如下：

图5 功率前馈解耦仿真模型

得到的仿真波形如下图6-9所示：

图6 a相电压与电流波形

图7 直流母线电压波形

图8 网侧电流谐波畸变率

从图6可以发现：整流器网侧的a相电压与电流同相位，实现了单位功率因数控制，并且在0.5s并入一个等值负载后电流也能快速进入稳定状态；从图7可以发现：直流母线电压的动态响应快，稳态时波动小，近似恒定；从图8可以发现：网侧电流的谐波畸变率为 1.19%；从图 9可以发现：稳态时P近似不变，q近似为0，实现了有功和无功功率的解耦独立控制；仿真结果表明该控制系统实现了单位功率因数控制、电流谐波小、具有良好的动态和稳态性能。

图9 有功、无功功率波形

5 结论

三电平 PWM 整流器在中高压、大功率领域将有越来越广泛的应用，而DPC作为一种性能优良的控制策略，具有算法简单、动态响应快等优点；因此，本文提出了一种固定开关频率的三电平 PWM 整流器DPC控制策略，该策略基于空间电压矢量脉宽调制，实现了单位功率因数控制、电流谐波小的良好动态和稳态性能；相对于传统的开关表bang-bang控制方式的DPC，该控制策略不仅能够实现系统对有功功率和无功功率的直接解耦控制，而且能够保证固定的开关频率，简化了滤波器的设计；仿真结果验证了该控制策略的正确性及可行性。

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审稿人：许善椿

Research on Direct Power Control with Fixed Switching Frequency of Three-level PWM Rectifier

ZHANG Hao, SHAO Guoqing
(School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Based on the mathematical model of the three-level voltage source PWM rectifier and the theory of instantaneous power, in this paper, a Direct Power Control (DPC) scheme for three-level PWM rectifier with constant switching frequency is proposed, which based on Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM). The new control structure is a double closed-loop system which uses closed-loop DC voltage control as outside control and closed-loop power control as internal control.On the one hand, The using of power feed forward decoupling realized the direct decoupling control between active power and reactive power during the dynamic course; On the other hand, the using of Space Vector Pulse Width Modulation made the switching frequency fixed, which simplifies the design of filter. Simulation results show that unity power factor is achieved, and the neutral-point potential is balanced, and harmonic distortion of current is low, and the performances that system obtains are excellent dynamic and steady.

three-level; PWM rectifier; instantaneous power; Direct Power Control(DPC); fixed switching frequency; feed forward decoupling

TM461

A

1000-3983(2013)02-0018-22

2012-02-13

张豪（1987-），在读研究生，研究方向为电力电子与电力传动，新能源风力发电方向。