PWM整流器预测无差拍直接功率控制_张永昌

第17卷第12期2013年12月电机与控制学报

Electri c Machines and Control

Vol.17No.12

Dec．2013

PWM整流器预测无差拍直接功率控制

张永昌，谢伟，李正熙

（北方工业大学电力电子与电气传动北京市工程研究中心，北京100144）

摘要:针对PWM整流器采用直接功率控制时存在的稳态纹波大、采样率高和开关频率低等问

题，结合占空比调制和无差拍控制的概念提出一种改进的直接功率控制方法。通过分析不同电压

矢量对功率变化的影响，提出在每个控制周期内同时作用一个非零矢量和一个零矢量，其中非零矢

量从传统的矢量表直接功率控制获得。该非零矢量的优化作用时间通过对有功功率实行预测无差

拍控制而解析得到。搭建了两电平PWM整流器平台对传统直接功率控制和预测无差拍直接功率

控制进行对比研究。仿真和实验结果表明，相比传统基于矢量表的直接功率控制，预测无差拍直接

功率控制能够显著减小功率脉动和电流谐波，而且动态响应迅速，简单易实现，是一种性能优良的

功率控制方法。

关键词:PWM整流器;直接功率控制;无差拍控制;预测控制

中图分类号：TM46文献标志码：A文章编号：1007－449X（2013）12－0057－07

Predictive deadbeat direct power control of PWM rectifier

ZHANG Yong-chang，XIE Wei，LI Zheng-xi

（Power Electronics and Motor Drive EngineeringＲesearch Center of Beijing，

North China University of Technology，Beijing100144，China）

Abstract：To solve the problems of high steady ripple，high sampling frequency and low switching fre-

quency for direct power controlled（DPC）pulse width modulation（PWM）rectifier，an improved DPC is

proposed by combining the concept of duty cycle control and deadbeat control．After analyzing the influ-

ences of various voltage vectors on power slopes，it is suggested to apply one non-zero voltage vector and

one zero voltage vector simultaneously during one control period．The non-zero vector was obtained from

conventional switching-table-based DPC and its duration was obtained based on the principle of deadbeat

control of active power．A two-level PWM rectifier platform was established to comparatively study the

performances of conventional DPC and the proposed predictive deadbeat DPC．Both simulation and exper-

imental results prove that，compared to conventional DPC，the predictive deadbeat DPC is able to reduce

both power ripples and current harmonics significantly and features quick dynamic response with simple

implementation．Hence，the proposed predictive deadbeat DPC is an excellent power control method with

good performances．

Key words：PWM rectifier；direct power control；deadbeat control；predictive control

收稿日期：2013－01－12

基金项目:国家自然科学基金(51207003，51347004);北京市科技新星计划(xx2013001)

作者简介:张永昌(1982—)，男，博士，副教授，研究方向为电力电子与电机控制;

谢伟(1988—)，男，硕士研究生，研究方向为PWM整流器;

李正熙(1955—)，男，博士，教授，研究方向为电气传动和智能交通。

通讯作者:张永昌

DOI:10.15938/j.emc.2013.12.009

0引言

相比二极管不控电压整流，电压型PWM整流器具有网侧电流谐波小、直流电压输出恒定、功率因数可控和能量双向流动等优点［1－2］，可以有效地实现绿色电能变换。目前，PWM整流器已经在电机变频调速［3］、微电网系统［4］、有源滤波器［5］、高压直流输电［6］和新能源并网发电［7］等场合得到了广泛应用。由于PWM整流器的广泛应用价值，国内外学者从不同的角度出发对其控制方式进行了深入研究，提出了各种各样的控制理论和方法。

PWM整流器的经典控制方法主要包括电网电压定向控制（voltage oriented control，VOC）［8］和直接功率控制（direct power control，DPC）［9］。VOC通过坐标旋转变换和电网电压定向可以把网侧电流分解成有功分量和无功分量，然后采用比例积分控制器（proportional integral，PI）对二者分别进行调节，实现有功和无功的解耦控制。VOC可以获得良好的动态响应和稳态性能，但是其控制效果对电流内环的PI系数依赖性较强。与VOC不同，DPC是在瞬时功率理论的基础上，通过分析整流器交流侧电压矢量对有功和无功的影响，得到一个优化的矢量表，然后根据电网电压的位置从矢量表中优化选择一个可以同时减小有功和无功与给定值间误差的电压矢量。DPC不需要电流内环及其整定，动态响应快速，但具有较大的稳态纹波，其控制效果依赖于矢量表的精确程度［4，10－11］，通常需要较高的采样频率才能获得相对满意的控制效果［12］。为了提高非理想电网电压时的控制效果，后来又发展出来虚拟磁链定向控制（virtual flux oriented control，VFOC）和基于虚拟磁链定向的直接功率控制（virtual flux di-rect power control，VF－DPC），其控制结构与经典的VOC和DPC完全类似，仅定向方式发生了改变［3］。

近年来，随着控制理论的发展和对PWM整流器研究的深入，一些新的方法被提出来用于PWM 整流器控制，包括基于空间矢量调制的DPC（space vector modulation DPC，SVM－DPC）［13］、无源性控制［14］、模糊控制［15］和模型预测控制［16－18］等等。这些方法在提高PWM整流器控制性能的同时，也在不同程度上增加了系统的复杂性和实现难度。

由于经典的DPC具有结构简单和动态响应快的优点，如果能够在维持其基本结构的基础上通过适当改进来获得稳态性能的改善并同时维持其快速响应，则将是一种很有吸引力和应用价值的方法，这也正是本文的出发点之一。在电机控制的研究中已经发现通过在一个控制周期同时引入非零矢量和零矢量，可以有效地减小稳态脉动［19－20］。但到目前为止，这种思想在PWM整流器控制中的研究尚不多见，其有效性也需要进一步的理论分析和实验验证。基于此，本文首先建立了PWM整流器的功率预测模型，并分析了不同的电压矢量对有功和无功功率变化的影响。然后提出一种基于占空比调制的DPC，通过在一个控制周期中引入零矢量并优化矢量的作用时间和作用次序，以达到改善稳态性能的效果。最后通过仿真和实验对其有效性进行验证。

1预测无差拍直接功率控制

1.1功率预测模型

三相电压型PWM整流器的主电路如图1所示。其中e a，e b和e c为网侧三相交流电压，L和Ｒ分别为三相交流电抗器的电感和等效电阻。

负

载

L

R

e a

e b

e c

图1三相电压型PWM整流器电路

Fig．1Circuit of three-phase voltage source PWM rectifier 通过三相/二相坐标变换，可以得到在两相静止αβ坐标上的PWM整流器数学模型为

e=Ｒi+L

d i

d t

+v。（1）式中，e、i和v分别为网侧电压矢量、网侧电流矢量和整流器交流侧输出电压矢量。根据瞬时功率理论［21］，网侧复功率S可以表示为

S=p+j q=1.5（i*e）。（2）对S进行分解，可得瞬时有功p和瞬时无功q 分别为

p=1．5Ｒe（i*e）=1.5（i⊙e），

q=1.5Im（i*e）=1.5（i e}）。（3）在DPC中，对功率及其导数进行分析有助于得到不同电压矢量对有功和无功的影响。为此对式（2）进行微分，省略推导过程并假设三相电网电压平衡且正弦，结合式（1）可以得到复功率的微分［12］为

d S

d t

=

1

L

［1.5（|e|2－v*e）－（Ｒ－jωL）S］。（4）分解式（4）为实部和虚部，可得

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