三相電壓型PWM整流器直接功率控制方法綜述

1 概述

　　三相電壓型PWM整流器具有能量雙向流動、網(wǎng)側(cè)電流正弦化、低諧波輸入電流、恒定直流電壓控制、較小容量濾波器及高功率因數(shù)（近似為單位功率因數(shù)）等特征，有效地消除了傳統(tǒng)整流器輸入電流諧波含量大、功率因數(shù)低等問題，被廣泛應(yīng)用于四象限交流傳動、有源電力濾波、超導(dǎo)儲能、新能源發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域。

　　PWM 整流器控制策略有多種，現(xiàn)行控制策略中以直接電流、間接電流控制為主，這兩種閉環(huán)控制策略需要復(fù)雜的算法和調(diào)制模塊。而三相電壓型PWM 整流器直接功率控制（DPC）因具有控制方法簡單、抗干擾能力強、良好的動態(tài)性能、可以實現(xiàn)有功無功的解耦控制等諸多優(yōu)點而被近年來廣泛研究，控制方法也層出不窮[1-2]。

　　本文將介紹三相電壓型PWM 整流器主電路的拓撲結(jié)構(gòu)和基于DPC 的控制策略，并進行對比分析，在此基礎(chǔ)上對PWM 整流器的控制策略進行展望。

2 電路拓撲

　　近年來對于三相電壓型PWM 整流器拓撲結(jié)構(gòu)的研究在小功率場合主要集中在減少功率開關(guān)[3]和改進直流輸出性能上；對于大功率場合主要集中在多電平[4]、變流器組合以及軟開關(guān)技術(shù)上[5]。目前較成熟的拓撲有兩電平和三電平PWM 整流器結(jié)構(gòu)。

　　三相電壓型兩電平PWM 整流器是最基本的PWM 整流電路，因為結(jié)構(gòu)簡單、控制算法相對成熟，得到了廣泛應(yīng)用。與其相比三電平PWM 整流器每個橋臂多了兩個開關(guān)管和兩個箝位二極管，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在中點電位平衡問題、控制算法繁瑣，但因此種電路具有更大的變換功率、更低的輸入電流畸變率等優(yōu)點，也被廣泛研究應(yīng)用。

3 直接功率控制方法

　　直接功率控制（DPC）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是以直流側(cè)電壓為外環(huán)、瞬時功率控制為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)。

　　從功率守恒的角度看，直接功率控制PWM整流器是在交流側(cè)電壓一定的情況下，通過控制流入整流器瞬時有功功率和無功功率，來達到控制瞬時輸入電流的目的，從而獲得預(yù)設(shè)的功率因數(shù)和功率流動方向。

　　3.1 基于電壓的直接功率控制(V-DPC)

　　與此前各種PWM整流器控制策略相較，該控制策略的突出優(yōu)點在于：

　　（1）不需要PWM 調(diào)制模塊、不需要電流閉環(huán)調(diào)節(jié)、借助于開關(guān)矢量表直接對有功功率與無功功率進行控制，控制算法簡單；

　?。?）系統(tǒng)具有更快的動態(tài)響應(yīng)速度；

　?。?）輸入電流具有更低的畸變率；

　?。?）瞬時功率的獲取采用無電壓傳感器的預(yù)測模型，在一定程度上節(jié)約硬件成本。

　　同時它也存在以下幾方面不足：

　?。?）開關(guān)頻率不固定，為交流側(cè)電感的選取增加了難度；

　?。?）對傳感器轉(zhuǎn)換精度和系統(tǒng)采樣頻率的依賴程度高。

　　3.2 基于虛擬磁鏈的直接功率控制(VF-DPC)

　　基于虛擬磁鏈的直接功率控制策略除了具有V-DPC 的諸優(yōu)點之外，還具有[10]：

　?。?）較低的采樣頻率；

　?。?）在輸入三相電網(wǎng)電壓不理想的情況下有更低的電流總諧波含量（THD）。

　　同樣VF-DPC 也沒有解決開關(guān)頻率不固定的問題。

　　3.3 基于瞬時功率理論的直接功率控制

　　傳統(tǒng)理論中的有功功率、無功功率都是定義在平均值的基礎(chǔ)上，只適用于電壓、電流為正弦波的情況；而瞬時功率理論的概念是建立在瞬時值的基礎(chǔ)上，對正弦、非正弦電壓和電流的情況都適用[12]。圖5 給出了基于瞬時功率理論的直接功率控制系統(tǒng)框圖[13]?？刂圃砼cV-DPC 相似，用計算得到的有功功率P、無功功率Q與功率給定做差，其結(jié)果經(jīng)過功率滯環(huán)比較與電壓矢量所在扇區(qū)茲n一起決定系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)。

　　與V-DPC、VF-DPC 相比，系統(tǒng)雖然采用了額外的電壓傳感器，但瞬時功率的計算不依賴于系統(tǒng)開關(guān)狀態(tài)，使算法大大簡化，同時也提供了更準確的有功、無功功率瞬時量。同時該控制策略同樣具有動態(tài)響應(yīng)快、輸入側(cè)電流畸變率低等優(yōu)點。缺點是：

　?。?）開關(guān)頻率不固定；

　?。?）要求較高的采樣頻率。

　　3.4 基于空間矢量的直接功率控制(SVM-DPC)

　　基于空間矢量的直接功率控制（SVM-DPC）用空間矢量PWM調(diào)制模塊和PI環(huán)節(jié)取代了傳統(tǒng)DPC 系統(tǒng)中的開關(guān)矢量表和功率滯環(huán)[14-16]。

　　空間矢量調(diào)制直接功率控制策略優(yōu)點：

　?。?）不使用非線性控制器；

　?。?）開關(guān)頻率是固定的，因此方便了網(wǎng)側(cè)電感參數(shù)的選取；

　?。?）降低了采樣頻率；

　?。?）可獲得任意方向電壓矢量，不存在無功失調(diào)區(qū)；

　?。?）具有更低的輸入電流畸變率。

　　缺點：

　?。?）控制算法復(fù)雜化，瞬時功率的估算依賴系統(tǒng)當前開關(guān)狀態(tài)；

　　（2）多個PI 環(huán)節(jié)使系統(tǒng)調(diào)試復(fù)雜度增加。

　　另外為進一步得到更準確的瞬時功率，有學(xué)者提出了在網(wǎng)側(cè)增加電壓傳感器的控制方案，根據(jù)瞬時功率理論計算瞬時有功、無功功率，該方法在三相輸入電壓不對稱等非理想的情況下獲得了較好的控制效果。

　　3.5 基于功率預(yù)測的直接功率控制（P-DPC）

　　基于功率預(yù)測的DPC系統(tǒng)[17-19]可以分為定頻率和不定頻率兩種。文獻[18]詳細介紹了兩種PDPC各自的控制算法并做了仿真研究，從兩者的仿真結(jié)果來看定頻控制的效果較優(yōu)。

　　圖7 給出了基于功率預(yù)測的定頻直接功率控制系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)通過功率預(yù)測模型得到當前瞬時功率，并結(jié)合給定功率選擇最佳的電壓矢量序列和其對應(yīng)的作用時間，來控制PWM整流器在恒定開關(guān)頻率下的運行。功率預(yù)測通過公式（15）、公式（16）計算完成。

　　基于定頻功率預(yù)測的直接功率控制保持了傳統(tǒng)DPC 的優(yōu)點，如動態(tài)響應(yīng)快等，同時以新穎的方法實現(xiàn)了固定開關(guān)頻率的目的，使整流器系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計簡化。該控制策略的缺點主要體現(xiàn)在功率算法相對較為復(fù)雜。

　　3.6 基于功率解耦的直接功率控制

　　由于三相電壓型PWM 整流器是混合非線性系統(tǒng)，有功功率與無功功率相互耦合，影響了系統(tǒng)的控制性能。功率解耦控制的思路是將有功功率、無功功率從相互耦合的復(fù)雜關(guān)系式中分離出來，得到獨立的表達式，為系統(tǒng)提供更加準確的控制模型[20-22]。

　　圖8 是采用無源性控制實現(xiàn)功率解耦的直接功率控制結(jié)構(gòu)框圖[22]。有功功率給定可由公式（17）計算得到，公式（18）、（19）給出了具體的無源功率控制律。將Sd、Sq 代入整流器數(shù)學(xué)模型[22]得到公式（20）、（21），可以看出P、Q 的表達式中不再含有傳統(tǒng)DPC 控制策略功率表達式中的耦合項。

　　與現(xiàn)行功率控制相比，功率解耦控制使整流器具有如下優(yōu)點：

　?。?）更快速的功率和直流電壓跟蹤能力；

　?。?）更好的靜態(tài)性能；

　?。?）抗負載擾動能力強。

　　缺點：

　?。?）算法復(fù)雜；

　?。?）控制效果依賴于估計參數(shù)值Ra1、Ra2 的準確性。

　　3.7 基于雙開關(guān)表的直接功率控制

　　傳統(tǒng)開關(guān)表是建立在對有功功率和無功功率同時作用的基礎(chǔ)上的，即同一個電壓矢量要同時兼顧有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)，但這種兼顧實際上很難完美實現(xiàn)，更多的情況是所選電壓矢量對一方的調(diào)節(jié)能力強而對另一方的調(diào)節(jié)能力弱，從而導(dǎo)致系統(tǒng)整體跟蹤速度緩慢。

　　雙開關(guān)表是針對有功功率與無功功率獨立調(diào)節(jié)控制的開關(guān)矢量表[2]。從一定意義上講雙開關(guān)表的運用降低了有功功率和無功功率的耦合度。其控制思路是在一個控制周期中，如果要增強對有功的調(diào)節(jié)能力，就增加有功開關(guān)表的作用時間，減小無功開關(guān)表的作用時間，反之亦然。圖9 為基于雙開關(guān)表的直接功率控制系統(tǒng)框圖。

　　基于雙開關(guān)表DPC 控制策略解決了傳統(tǒng)DPC 單一邏輯開關(guān)表進行功率調(diào)節(jié)時導(dǎo)致啟動暫態(tài)過程中直流電壓、功率出現(xiàn)較大波動，穩(wěn)態(tài)負載擾動造成較大直流側(cè)電壓波動、功率跟蹤速度慢等問題，具有更好的動、靜態(tài)性能。

　　3.8 基于輸出調(diào)節(jié)子空間的直接功率控制

　　基于輸出調(diào)節(jié)子空間（ORS）的PWM整流器DPC 策略的控制思路是：取瞬時有功和無功功率為輸出量，根據(jù)瞬時有功和無功功率導(dǎo)數(shù)，及時選擇整流器輸入電壓矢量來控制瞬時有功功率和無功功率的增減，完成功率預(yù)控制，以達到系統(tǒng)單位功率因數(shù)運行和平衡直流電壓的目的[23-24]。與傳統(tǒng)DPC 策略相比，其優(yōu)點是提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能，并在輸入電壓不平衡條件下取得良好效果，其代價是算法復(fù)雜性大大增加。

　　3.9 其它改進型直接功率控制策略

　　文獻[25]提出一種基于模糊控制的直接功率控制，主要思想是用模糊控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)DPC 中的PI環(huán)節(jié)來得到系統(tǒng)有功功率給定。

　　由于傳統(tǒng)DPC 對有功調(diào)節(jié)能力較弱，文獻[26]采用了變無功給定的方式，增加對有功的調(diào)節(jié)能力，改進了功率響應(yīng)速度。

　　文獻采用功率內(nèi)環(huán)和電壓平方外環(huán)的功率控制策略進一步提高了直流電壓跟蹤、功率跟蹤能力。

　　為減少扇形邊界對功率控制及直流電壓的影響，文獻[28]提出了一種設(shè)置扇形邊界死區(qū)的DPC控制策略。

　　為了更準確的得到電壓矢量的相位角，有學(xué)者將鎖相環(huán)（PLL）引入到了PWM 整流器DPC 控制之中，通過檢測交流側(cè)輸入電壓相位來實現(xiàn)對電壓矢量的定位。

4 三相整流器直接功率控制策略的展望
　　
　　隨著電力電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展，三相PWM 整流器的控制策略的研究將不斷深入，根據(jù)對整流器本身的性能要求，像更小的電流畸變率、減小直流側(cè)紋波系數(shù)、進一步提高功率因數(shù)等，其相應(yīng)的控制策略主要向以下幾個方面發(fā)展[1]。

　　1）針對具有非線性多變量耦合特性的電壓型PWM 整流器模型，常規(guī)控制策略及其控制器設(shè)計的不足之處在于無法保證控制系統(tǒng)大范圍擾動的穩(wěn)定性。為此，學(xué)者們提出了基于穩(wěn)定性理論的DPC 控制策略，以改變系統(tǒng)的魯棒性。

　　2）針對在三相電網(wǎng)不平衡時整流器出現(xiàn)直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流低次諧波幅值增大，同時產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)電流的不平衡，嚴重時可損壞整流裝置。有學(xué)者在電網(wǎng)不平衡條件下的整流器DPC 控制策略方面也做了一些工作[29]。

　　3)由于多電平三相PWM整流器在控制電流諧波、穩(wěn)定直流電壓、更高的轉(zhuǎn)換容量等方面存在著突出的優(yōu)勢，有學(xué)者也對多電平的DPC 控制策略做了研究[30]。

　　4)由于傳統(tǒng)整流器控制系統(tǒng)都是在電網(wǎng)平衡、功率開關(guān)器件為理想模型基礎(chǔ)上給定的，所以系統(tǒng)魯棒性較差，針對這些問題，有學(xué)者嘗試將智能控制，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、模糊邏輯控制器等應(yīng)用到整流器DPC 控制策略中，來予以解決。

5 結(jié)語
　　
　　本文首先介紹了直接功率控制在三相電壓型PWM整流器中的應(yīng)用優(yōu)勢并說明了其控制思路，重點介紹了三相電壓型整流器的兩電平、三電平電路拓撲結(jié)構(gòu)，以及當前直接功率控制的主要方法和實現(xiàn)原理，最后對三相PWM整流器的直接功率控制技術(shù)的發(fā)展方向做了展望。