雷健升,劉洋
基于等效空間矢量的三電平PWM整流器直接功率控制
雷健升,劉洋
(武漢船用電力推進裝置研究所,武漢 430064)
本文在分析三相電壓型PWM整流器直接功率控制(DPC)的基本原理時,指出了其開關(guān)頻率高、開關(guān)頻率不固定的這一缺點,在此基礎(chǔ)上提出了將DPC與三電平電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)相結(jié)合的方法,降低和固定了其開關(guān)頻率。其中針對傳統(tǒng)SVPWM算法控制復雜,計算繁瑣的缺點,提出了一種雙載波調(diào)制的等效三電平SVPWM算法。同時,在坐標下,對傳統(tǒng)的DPC進行了功率前饋解耦控制,實現(xiàn)了有功、無功的動態(tài)解耦。通過MATLAB/SIMULINK仿真,驗證了該控制方法的可行性。
直接功率控制 空間矢量脈寬調(diào)制 雙載波調(diào)制 固定開關(guān)頻率
PWM整流器以其功率雙向流動、電網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)運行、輸入電流正弦度好等諸多優(yōu)點,在交流調(diào)速、不間斷電源(UPS)、新能源等領(lǐng)域獲得了廣泛的應用[1]。而三電平PWM整流器與兩電平相比,具有更好的輸出性能,電流諧波含量低,器件承壓低,能量密度更高,在大功率領(lǐng)域具有更好的應用前景[2]
PWM整流器的直接功率控制(DPC)具有功率因數(shù)高、較低的THD、算法及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,因此得到了國內(nèi)外學者的研究和關(guān)注[3]。兩電平的DPC控制已經(jīng)較成熟,而三電平拓撲由于其特殊性,矢量繁多,起開關(guān)表的構(gòu)造存在困難,且傳統(tǒng)的DPC開關(guān)頻率高,需要快速的處理器和AD轉(zhuǎn)換芯片,并且由于其開關(guān)頻率不固定,濾波器設計復雜。為此,本文將空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)與直接功率控制相結(jié)合,固定了開關(guān)頻率,簡化了濾波器的設計。
對于三電平SVPWM算法,國內(nèi)外學者進行了很多研究[4-5],也提出了很多簡化算法。文獻[4]將三電平SVPWM算法很大程度上簡化到兩電平SVPWM的水平,文獻[5]提出了采用60°坐標系的三電平SVPWM算法。但這些算法都需要進行扇區(qū)判斷、矢量選擇和時間計算等一系列工作,計算繁瑣,控制復雜。本文提出了一種雙載波調(diào)制的等效三電平SVPWM算法,通過在三相調(diào)制波中加入零序分量,實現(xiàn)了與傳統(tǒng)SVPWM相同的控制效果,從而省去了繁瑣的計算。仿真分析了該算法與SVPWM的等效性。
對三電平變換器一般采用PWM調(diào)制,主要的PWM調(diào)制有載波調(diào)制SPWM和空間矢量調(diào)制SVPWM??臻g矢量調(diào)制SVPWM由于其直流電壓利用率高,諧波抑制能力好,在用電、發(fā)電等各種工業(yè)場合有著廣泛的應用。而載波調(diào)制SPWM雖然控制效果不及SVPWM,但對于一般的工業(yè)應用場合,其控制效果還是能達到要求的,因而也具有一定的應用,同時,由于SPWM直接由載波與調(diào)制波進行比較得出開關(guān)信號,因此其算法非常簡單,可大大節(jié)省控制系統(tǒng)硬件空間。
本文通過對三電平SVPWM和載波調(diào)制的對比分析[6],得出了一種與三電平SVPWM等效的載波調(diào)制算法,該算法通過在調(diào)制波中加入零序分量,得到了與SVPWM相同的控制效果,同時簡化了運算,節(jié)省了運算時間。
載波調(diào)制一般采用三角載波與調(diào)制波進行比較,而在三電平變換器中,由于變換器輸出三種電平狀態(tài),因此,需用兩個載波與調(diào)制波進行比較,得到輸出狀態(tài),稱為正負雙載波,由圖2可得
負三角載波表達式為
由圖2可得出
同理,由線電壓合成公式可得
再將式(11)~(13)代入式(8)~(10)可得
由上式可看出,SVPWM調(diào)制波實際上是由載波調(diào)制中三相正弦調(diào)制波施加上零序分量形成的。
因此,對零序分量的求取便成為了基于載波調(diào)制的SVPWM算法的關(guān)鍵。為此,我們根據(jù)電壓矢量相位及幅值關(guān)系,對參考電壓分類,劃分不同的區(qū)域,在各區(qū)域內(nèi),電壓矢量的極性保持不變。由此,三相參考電壓可劃分為:
當某相參考電壓為正時,其比較值不變;當參考電壓值為負時,則這相參考電壓加上1作為比較值;按上述方法比較出大小順序后,再各帶入原值,即可確定各相矢量的大小順序。同時,根據(jù)各相矢量的極性,可得出各種情況下的零序分量的計算公式如下:
式(1)的三電平PWM整流器的數(shù)學模型僅包含電壓、電流,不直接包含功率信息,因此,有必要對三電平PWM整流器的數(shù)學模型進行轉(zhuǎn)化,使其含有網(wǎng)側(cè)有功功率和無功功率。下面首先研究一下瞬時功率理論。
將式(26)代入式(25),整理得到:
式(27)中,上式只包含有功、下式只包含無功,可見,通過補償控制,有功、無功實現(xiàn)了解耦,結(jié)合前面的瞬時功率計算及SVPWM算法,得到系統(tǒng)控制原理框圖,如圖4所示。
采用電網(wǎng)電壓定向,定向角由三相電網(wǎng)電壓得到。直流電壓的控制是通過電壓外環(huán)控制,達到直流電壓的穩(wěn)定。電流控制則是通過功率內(nèi)環(huán)實現(xiàn)的,通過瞬時無功功率理論可計算出有功和無功,再將其分別與有功、無功給定值比較,通過功率環(huán)的作用,再加上補償控制,便可得到控制電壓,控制電壓再經(jīng)過SVPWM調(diào)制,得到整流器的脈沖輸出,從而實現(xiàn)變換器的控制。
本文對雙載波調(diào)制的三電平等效空間矢量算法進行了仿真研究。下圖為在不同調(diào)制度下零序分量、疊加零序分量的調(diào)制波、輸出相電壓和相電流仿真波形。
由圖5可知,進行等效空間矢量的載波調(diào)制時,所施加的零序分量及參考調(diào)制波隨調(diào)制度的變化而變化。且在不同的調(diào)制度下,都能實現(xiàn)空間矢量三電平的效果。同時,和空間矢量算法相比,該算法基于SPWM,只需載波與調(diào)制波的比較就可得到開關(guān)狀態(tài),調(diào)制波中的零序分量的注入也相對簡單,無需進行坐標變換、三角函數(shù)計算等復雜的過程。因此,在實際應用中,可簡化算法,降低硬件成本,具有較好的實用價值。
本文在傳統(tǒng)觀的PWM整流直接功率控制(DPC)的基礎(chǔ)上,與三電平電壓空間矢量(SVPWM)相結(jié)合,提出了一種新的開關(guān)頻率可固定的直接功率控制方法,其中,針對傳統(tǒng)三電平SVPWM計算繁瑣,控制復雜的缺點,提出了一種等效三電平空間矢量的雙載波調(diào)制算法,仿真驗證了該算法與三電平SVPWM的等效性。DPC-SVPWM的控制策略動、靜態(tài)性能好,單位功率因數(shù)運行,諧波畸變率小,有功、無功解耦,開關(guān)頻率固定。通過仿真分析驗證了該控制方法的有效可行。
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Direct Power Control of Three-level PWM Rectifier Based on Equivalent Space Vector
Lei Jiansheng, Liu Yang
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)
TM461
A
1003-4862(2014)11-0014-05
2014-07-15
雷健升(1986-),男,助理工程師。研究方向:船舶電力推進。