三电平PWM整流器直接功率控制

2008年5月电工技术学报Vol.23No.5第23卷第5期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYMay2008三电平PWM整流器直接功率控制张颖超1,2赵争鸣1袁立强1鲁挺1张永昌1（1.清华大学电机系电力系统国家重点实验室北京1000842.重庆通信学院电力工程系重庆400035）摘要在给出了三电平电压型PWM整流器数学模型的基础上，结合瞬时功率理论，推导了输入有功、无功和整流器矢量的关系，提出了一种应用于三电平PWM整流器的直接功率控制（DPC）方法。该方法不仅能够实现系统对有功、无功的直接控制，而且能够避免矢量切换时相电压、线电压幅值的过高跳变，同时有效地控制了中点电位的平衡。仿真和实验结果表明此方法算法简单，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。关键词：三电平PWM整流器直接功率控制瞬时功率开关表矢量切换中点平衡中图分类号：TM46DirectPowerControlforThree-LevelPWMRectifierZhangYingchao1,2ZhaoZhengming1YuanLiqiang1LuTing1ZhangYongchang1（1.TheStateKeyLaboratoryofPowerSystemTsinghuaUniversityBeijing100084China2.ChongqingCommunicationInstituteChongqing400035China）AbstractThispaperpresentsthemathematicalmodelofthethree-levelvoltagesourcePWMrectifier,anddeducestherelationshipbetweenbothactivepowerandreactivepowerwithvectorsvoltagefromthetheoryofinstantaneouspower.Basedonwhich,adirectpowercontrol(DPC)schemeforthree-levelPWMrectifierisproposed.Thedirectcontrolforactiveandreactivepowerisrealized,andthetypicalproblemsforthethree-levelconverterssuchasexcessivedv/dtandbalanceofneutralpointpotentialaresolved.Simulationandexperimentalresultsshowthatunitypowerfactorisachievedandtheproposedmethodhastheadvantagesofsimplealgorithm,lowharmonicdistortionofcurrent,andexcellentdynamicandstateperformances.Keywords：Three-level,PWMrectifier,directpowercontrol,instantaneouspower,switchtable,vectorsswitching,neutralpointvoltagebalance1引言传统的二极管或相控整流器带来能量不能双向流动、网侧功率因数低、谐波污染严重等问题，这些问题在高压大容量场合尤为突出。因此，在这些场合应用PWM整流器成为发展趋势[1]。与此同时，相对于传统的两电平变换器，中点钳位式三电平变换器由于具有独特的优点，成为高压大容量应用场合的研究热点之一[2]。因此，将三电平技术应用于PWM整流器无疑在高压大容量场合更具吸引力，不仅能够实现网侧电流谐波小、功率因数可控、能量能够双向流动等目标，而且同时具有器件承压低、开关频率低、输出谐波小和du/dt小等三电平变换器的优点。目前，有关PWM整流的研究主要是基于两电平的拓扑，其高性能的控制策略有电压定向矢量控制（VoltageOrientedControl，VOC）和直接功率控制两种（DirectPowerControl，DPC）[3-4]。相对于VOC，DPC不需要旋转变换，直接选择合适的矢量实现对有功和无功的控制，从而具有算法简单、动态响应更好等优点[5]。VOC几乎可直接应用于三电平PWM整流场合[6]，而对于基于两电平拓扑的清华大学基础研究基金资助项目（JC2007019）。收稿日期2007-02-26改稿日期2007-08-21第23卷第5期张颖超等三电平PWM整流器直接功率控制63DPC，由于矢量数目少，各矢量与有功、无功之间的关系简单明了，因此已有较多成果[7-9]。但是由于三电平拓扑的特殊性，加之矢量繁多，将直接功率控制技术应用到三电平拓扑中存在很多的困难，目前尚无相关研究成果。本文提出了一种控制策略，全面考虑了三电平拓扑中的特殊问题，包括矢量选择切换时电压的过高跳变、中点电位的平衡等，实现了三电平PWM整流器的DPC控制，并通过仿真和实验验证了该方法的有效性。2三电平PWM整流器2.1主电路及数学模型三电平三相电压型PWM整流器电路原理如图1所示。Rs、Ls是交流侧电抗器电感和等效内阻，Cdc1、Cdc2是直流母线电容；ea、eb、ec是三相电网电压，isa、isb、isc是网侧电流，iO是中点电流，vsa、vsb、vsc是整流桥交流侧电压，Vdc1、Vdc2和idc分别是直流母线电压和电流；直流母线正端、负端和电流中点电位分别表示为P、N、O。图1三电平PWM整流器主电路图Fig.1Maincircuitofthethree-levelPWMrectifier文献[10]中给出了电路的数学模型，由数学模型很容易得到三电平PWM整流器在d-q坐标系下交流侧等效电路，如图2所示。图2三电平PWM整流器交流侧等效电路（d-q坐标系）Fig.2Equivalentcircuitofthethree-levelPWMrectifier（ind-qcoordinate）图中，ed和eq、isd和isq、vsd和vsq分别是d-q坐标系下的网侧电压、电流以及整流桥交流侧电压。由等效电路可以得到三电平PWM整流器交流侧d-q坐标系下的数学模型如下：sdsdsdssdssqsqsqsqssqssdddddiLevRiLitiLevRiLitωω⎧=−−+⎪⎪⎨⎪=−−−⎪⎩(1)进一步忽略电抗器电阻及耦合量，得到sdsdsdsqsqsqddddiLevtiLevt⎧=−⎪⎪⎨⎪=−⎪⎩(2)2.2基于瞬时功率理论的三电平DPC原理传统的VOC控制是通过复杂的旋转变换，将交流侧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。DPC控制思路与VOC不同，类似电机的高性能控制策略DTC，通过查表选择最优矢量，实现对有功和无功的bang-bang控制。这种控制策略的关键之一是对有功和无功的实时准确观测，而瞬时功率理论为此提供了理论基础。瞬时功率理论由日本学者赤木泰文（AkagiH）等人在20世纪80年代初期提出后得到跟踪研究并被进一步明确化[11-12]，在α−β坐标系下，瞬时有功和无功可以表示为sseeipeeiqαβαβαβ=−(3)式中p——电网瞬时有功q——电网瞬时无功eα,eβ——α−β坐标系下的网侧电压isα,isβ——α−β坐标系下的网侧电流显然，通过检测网侧电压电流的瞬时值，可以计算出系统的瞬时有功和无功。将式（3）转换到d-q坐标系得到dqsdsqqdeeipiqee=−(4)选取d-q坐标系的初始电角度和a相的初始电角度相等，d轴与电网电压矢量重合，有eq=0，代入式（2）和式（4）中分别得到sdsdsdsqssqddddiLevtiLvt⎧=−⎪⎪⎨⎪=−⎪⎩(5)64电工技术学报2008年5月dsddsqpeiqei=⎧⎪⎨=−⎪⎩(6)式（5）两端乘以ed，得到sdsdddsdsqsddsqd()dddiLeeevtiLeevt⎧=−⎪⎪⎨⎪−=⎪⎩(7)当网侧三相电压稳定对称时，ed恒定，等功率变换中d3eE=，式中，E为网侧相电压有效值，式（7）可以表示为ssdssqd3(3)dd3dpLEEvtqLEvt⎧=−⎪⎪⎨⎪=⎪⎩(8)PWM整流器中的换流过程类似于Boost电路，直流母线电压Vdc=Vdc1+Vdc2≥6E，在d-q坐标系下，整流桥交流侧电压矢量中，max（sdv）=dc23V≥2E。此外，按照一般的设计思路，考虑到器件的耐压以及直流电压利用率，不会将直流母线电压设计太高而导致小矢量大于3E。因此，由式（8）可以看出，通过选择合适的电压矢量，就能够达到控制系统有功p和无功q的目的，这样就更为直观地揭示了整流器DPC控制的原理。图3给出三电平DPC控制的原理框图。通过直流侧上下母线电容的采样得到中点电压信息和母线电压Vdc，Vdc和给定参考*dcV的误差经过调节器得到有功参考电流*sdi，它与母线电压的乘积作为有功功率的参考p*，无功的参考q*在单位功率因数下设为零。通过对交流侧的采样得到瞬时有功p、瞬时无功q和网侧电压的相位信息。有功、无功的误差、图3三电平PWM整流器DPC原理框图Fig.3BlockschemeofDPCforthethree-levelPWMrectifier中点电位的误差经过滞环比较器同网侧电压相位一起被量化为开关信号Sp、Sq、Sn和θn，由此4个开关信号查表，从而得到三电平PWM整流桥桥臂的开关信号Sa、Sb、Sc。显然，开关矢量表是DPC控制性能好坏的关键，而三电平变换器矢量繁多，各个矢量对有功和无功的影响各异。因此，如何合理构建优化的矢量表是三电平PWM整流器控制的难点。3三电平PWM整流器DPC控制算法3.1开关矢量表的构成三电平变换器空间矢量图如图4所示。可以看出，三电平变换器总共可以分为大矢量、中矢量、小矢量和零矢量共27个矢量[2]。按照大矢量和中矢量的位置，将空间矢量图划分为12个扇区，在不同的扇区选择不同的矢量以达到相应的控制目标。图4三电平变换器空间矢量图Fig.4Spacevectordiagramofthree-levelconverter式（8）给出了矢量选择的基本原则，当有功需要增加时，选择合适的矢量使得式（8）中的第一式等号右边为正，此时零矢量或者小矢量均可以达到目的；反之，当有功需要减小时可以选择大矢量或中矢量使得等式右边为负。同样，当无功需要增加时可以选择合适的矢量在q轴上的投影为正，无功需要减小的话可以选择合适的矢量在q轴上投影为负。显然，无论网侧电压矢量处于哪个扇区，能够实现控制目标的可选矢量都不止一个。因此，三电平变换器在提高了系统性能的同时也带来了可控器件数量多、矢量多、控制复杂等问题。任何一种控制算法实施到三电平变换器时，首第23卷第5期张颖超等三电平PWM整流器直接功率控制65当其冲都要避免相电压和线电压产生过高的幅值跳变，即每次开关动作都不能产生超过Vdc/2的电压变化，否则会造成单管承受全边母线电压或负载端承受过高dv/dt，DPC控制同样也必须考虑这一原则。例如当网侧电压矢量处于第一扇区，如果此时需要增加无功，从式（8）来看，矢量V1～V6、V13～V18均可以满足需要，不同的矢量产生的效果不一样。但是，如果当前矢量为V12，那么除V1、V13和V14以外，其余矢量都不能直接选择。例如选择V2会造成线电压vbc产生从−Vdc/2到+Vdc/2的跳变，选择V15会造成b相相电压产生从N到P的直接跳变等。仔细观察矢量图不难发现，如果矢量切换是发生在相邻矢量间的话，例如当电网电压矢量在第一扇区时，如果矢量间的切换发生在如阴影部分的三角形内的四个矢量（V1、V12、V13、V14）的话，无论是相电压或线电压均不会发生过高跳变。而恰恰这几个矢量作用的效果是不一样的。基于此，构成开关表时可以考虑在某个扇区满足要求的前提下，优先选择所在扇区三