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【摘 要】本文介绍了三相电压型PWM整流器的数学模型,针对基于滞环比较器的传统直接功率控制的诸多缺点,提出双开关表直接功率控制的三相电压型PWM整流器.结果表明,该控制策略可行,并且改善了三相电压型PWM整流器的性能.
【关键词】三相电压型PWM整流器；直接功率控制；双开关表
0 引言
自20世纪90年代以来,三相电压型PWM整流器因其诸多优点获得了快速的发展,比如：网侧电流谐波低、功率因数高.针对传统开关表的直接功率控制(DPC)策略出现的问题,本文采用PI控制器取代两个滞环控制器的策略,并用双开关表代替传统的开关表,三相电压型PWM整流器直接功率控制系统采用双开关表控制策略与单开关表控制策略相比,是将一个具有同时调节有功功率和无功功率的开关表变成两个分别控制有功功率和无功功率的开关表,来实现功率的合理调节.仿真结果表明,该控制策略可行,并且改善了三相电压型PWM整流器的性能.
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１ 三相电压型PWM整流器直接功率控制
１．１ 三相电压型PWM整流器的数学模型
三相电压型PWM整流器的主电路图如图1所示.
其中,ua,ub,uc为三相对称电源相电压；ia,ib,ic为三相线电流；Udc为直流侧电压；iL为负载电流；当Sk等于1时,表示上桥臂的晶闸管导通,下桥臂关断；Sk等于0时正好相反,其中k等于a,b,c.由图可得出电压方程为：
其中Sd和Sq是Sa,Sb,Sc在d,q轴的投影值.
１．２ 基于滞环比较器的传统直接功率控制
DPC系统结构包括主电路和控制电路,系统结构如图2所示.
图中DPC主电路包括：三相平衡的交流电源,交流侧用来滤波的电抗器,三相电压型PWM整流器,负载和直流侧的电容.控制电路包括：电流传感器、电压传感器,PI调节器,功率计算电路,功率滞环比较器,扇区划分器,开关状态表等等.直接功率控制基本的控制思路是：首先对三相电压PWM整流器所输出的瞬时有功、无功功率进行检测运算,也就是根据交流电压和电流检测电路所检测到的ua,ub,uc及ia,ib,ic计算出在αβ坐标系中的uα,uβ,iα,iβ,根据瞬时功率理论计算后得出在αβ坐标系中的瞬时有功功率p和无功功率q；再将系统检测到的值与给定的瞬时功率的偏差即p-pref和q-qref信号送入两个相应的滞环比较器中,扇区划分器根据uα,uβ得出扇区θn的信号,其中,令qref等于0（以实现单位功率因数）,pref等于PI调节器输出×直流电压；最后根据滞环比较器的输出以及电网电压矢量位置的判断运算,确定驱动功率开关管的开关状态Sa,Sb,Sc.
２ 双开关表直接功率控制
传统的直接功率控制系统中功率内环只采用了一个开关表,存在无功功率调节不稳定的问题,并且一个开关表的使用无法同时兼顾有功功率调节和无功功率调节,并且开关表频率高,损耗较高,针对这一系列问题,本文提出了一种改进的双开关表的控制策略,即交替采用有功功率开关表和无功功率开关表,即通过控制交替使用有功功率和无功功率开关表信号的占空比,来实现有功功率和无功功率的合理调节.系统原理结构图如图3所示.
在图3中,q表输入为θn和Sq,输出为Siq信号；p表输入为θn和Sp,输出为Sip；i等于a,b,c.当电子开关S转向q表时,Siq送到主电路开关管,当电子开关S转向p表,Sip送到主电路开关管.电子开关S受占空比可调的方波信号源控制.当信号源为高电平1时,Sip送入开关管,信号源为低电平0时,Siq送入开关管.
表1和表2的主要任务是完成对有功功率或无功功率调节,单独用表1或表2均不能实现有功功率和无功功率的最有效的同时调节.如果只用表1即有功功率开关表,对无功功率不进行控制,就会导致功率因数的下降,与此同时较大的无功功率影响有功功率跟踪给定的能力；而如果只用无功功率开关表,则获得较高的功率因数就要失去对有功功率的控制能力,也失去对直流电压的控制能力.对此,在直接功率系统中,我们可以交替使用表1和表2,如果需加强对有功功率的调节,就相应的增加表1的作用时间,同时减少表2的作用时间；若需加强无功功率调节,就减少表1作用时间,增加表2作用时间；这样就可实现双开关表控制策略.
３ 传统DPC与双开关表DPC的仿真结果对比分析
以Matlab7.5.0/Simulink作为三相电压型PWM整流器直接功率控制系统的仿真环境.本文设置的系统的仿真参数为ua等于ub等于uc等于220V,f等于50Hz,L等于4mH,C等于2200μF,R等于5Ω,RL等于36Ω,Udcr等于600V,输出功率为p等于10kW.PI调节器参数为：KP等于0.45,KI等于0.938.
根据图1、表1和表2构建了三相电压型PWM整流器双开关表DPC系统在Simulink环境下的仿真模型,如下图所示,设置占空比保持在50%,以保持良好的启动动态性能.
图4为传统直接功率控制时的系统输出瞬时有功功率波形,可以看出有功功率在9KW左右浮动,计算不十分准确,而图5为双开关表的直接功率控制的系统输出的有功功率波形,波形在10KW附近浮动,更接近给定值,计算更加.
图6为传统DCP无功功率波形图,可以看出传统的DPC无功功率率波形非常稳定.图7为新型的双开关表DPC结构无功功率波形,可以看出,采用这种方式无功功率波形一直在小幅度波动,但是总体上相比较传统的控制方法更加接近于0.
４ 结论
基于瞬时功率理论,本文介绍了传统直接功率控制的三相电压型PWM整流器控制系统并在此基础上对开关表进行改进,即对瞬时有功功率和无功功率的控制分别设置了开关表,并根据其原理搭建仿真模型,仿真结果表明：双开关表具有良好的动态性能,输出直流电压稳定,跟踪能力强,能实现单位功率因数.
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［责任编辑：陈双芹］
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相电压引用文献:
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