三相电压型PWM整流器直接功率控制方法综述

三相电压型PWM整流器直接功率控制方法综述

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刘永奎，伍文俊

（西安理工大学自动化学院电气工程系，陕西西安710048）摘要首先介绍了三相电压型PWM整流器的拓扑结构，在此基础上，对当前应用于PWM 整流器的直接功率控制策略进行了对比分析，介绍了其实现机理和优缺点，最后，对直接功率控制在三相电压型PWM整流器中的控制技术进行了展望。

关键字 PWM整流器；直接功率控制；综述

Summary about Direct Power Control Scheme of Three-Phase Voltage Source PWM Rectifiers

LIU Yongkui，WU Wenjun

（Xi'an University of Technology，Xi'an Shannxi 710048 China）Abstract The topological structure of three-phase PWM rectifiers is introduced. On this basis, several DPC methods of three-phase voltage source PWM rectifiers were introduced and compared. At last, the pros原per of the control scheme development trends in three-phase PWM rectifiers is presented.

Keywords three-phase PWM rectifiers；direct power control；summary

1 概述

三相电压型PWM整流器具有能量双向流动、网侧电流正弦化、低谐波输入电流、恒定直流电压控制、较小容量滤波器及高功率因数（近似为单位功率因数）等特征，有效地消除了传统整流器输入电流谐波含量大、功率因数低等问题，被广泛应用于四象限交流传动、有源电力滤波、超导储能、新能源发电等工业领域。

PWM 整流器控制策略有多种，现行控制策略中以直接电流、间接电流控制为主，这两种闭环控制策略

需要复杂的算法和调制模块。而三相电压型PWM 整流器直接功率控制（DPC）因具有控制方法简单、抗干扰能力强、良好的动态性能、可以实现有功无功的解耦控制等诸多优点而被近年来广泛研究，控制方法也层出不穷[1-2]。

本文将介绍三相电压型PWM 整流器主电路的拓扑结构和基于DPC 的控制策略，并进行对比分析，在此基础上对PWM 整流器的控制策略进行展望。

2 电路拓扑

近年来对于三相电压型PWM 整流器拓扑结构的研究在小功率场合主要集中在减少功率开关[3]和改进直流输出性能上；对于大功率场合主要集中在多电平[4]、变流器组合以及软开关技术上[5]。目前较成熟的拓扑有两电平和三电平PWM 整流器结构。

三相电压型两电平PWM 整流器是最基本的PWM 整流电路，因为结构简单、控制算法相对成熟，得到了广泛应用。与其相比三电平PWM 整流器每个桥臂多了两个开关管和两个箝位二极管，电路结构复杂、存在中点电位平衡问题、控制算法繁琐，但因此种电路具有更大的变换功率、更低的输入电流畸变率等优点，也被广泛研究应用。

3 直接功率控制方法

直接功率控制（DPC）系统结构是以直流侧电压为外环、瞬时功率控制为内环的双闭环系统。

从功率守恒的角度看，直接功率控制PWM整流器是在交流侧电压一定的情况下，通过控制流入整流器瞬时有功功率和无功功率，来达到控制瞬时输入电流的目的，从而获得预设的功率因数和功率流动方向。

3.1 基于电压的直接功率控制(V-DPC)

与此前各种PWM整流器控制策略相较，该控制策略的突出优点在于：

（1）不需要PWM 调制模块、不需要电流闭环调节、借助于开关矢量表直接对有功功率与无功功率进行控制，控制算法简单；

（2）系统具有更快的动态响应速度；

（3）输入电流具有更低的畸变率；

（4）瞬时功率的获取采用无电压传感器的预测模型，在一定程度上节约硬件成本。

同时它也存在以下几方面不足：

（1）开关频率不固定，为交流侧电感的选取增加了难度；

（2）对传感器转换精度和系统采样频率的依赖程度高。

3.2 基于虚拟磁链的直接功率控制(VF-DPC)

基于虚拟磁链的直接功率控制策略除了具有V-DPC 的诸优点之外，还具有[10]：

（1）较低的采样频率；

（2）在输入三相电网电压不理想的情况下有更低的电流总谐波含量（THD）。

同样VF-DPC 也没有解决开关频率不固定的问题。

3.3 基于瞬时功率理论的直接功率控制

传统理论中的有功功率、无功功率都是定义在平均值的基础上，只适用于电压、电流为正弦波的情况；而瞬时功率理论的概念是建立在瞬时值的基础上，对正弦、非正弦电压和电流的情况都适用[12]。

图5 给出了基于瞬时功率理论的直接功率控

制系统框图[13]。控制原理与V-DPC 相似，用计算得到的有功功率P、无功功率Q与功率给定做差，其结果经过功率滞环比较与电压矢量所在扇区兹n一起决定系统的开关状态。

与V-DPC、VF-DPC 相比，系统虽然采用了额外的电压传感器，但瞬时功率的计算不依赖于系统开关状态，使算法大大简化，同时也提供了更准确的有功、无功功率瞬时量。同时该控制策略同样具有动态响应快、输入侧电流畸变率低等优点。缺点是：

（1）开关频率不固定；

（2）要求较高的采样频率。

3.4 基于空间矢量的直接功率控制(SVM-DPC)

基于空间矢量的直接功率控制（SVM-DPC）用空间矢量PWM调制模块和PI环节取代了传统DPC 系统中的开关矢量表和功率滞环[14-16]。