1 引言
隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以pwm控制技術(shù)為基礎(chǔ)的各類變流裝置。由于pwm整流器具有能量雙向流動(dòng)、恒定直流電壓控制、低諧波輸入電流、小容量濾波器及高功率因數(shù)(常接近于1)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于單位功率因數(shù)整流、有源濾波及無(wú)功補(bǔ)償、交流傳動(dòng)等變流控制中。電壓型pwm整流器控制策略有直接和間接兩種電流控制;其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為直流電壓外環(huán)、交流電流內(nèi)環(huán)的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，并需pwm調(diào)制模塊和復(fù)雜的算法。對(duì)此，從功率角度看，在交流電壓源一定的情況下，如能直接控制pwm整流器的瞬時(shí)功率(有功和無(wú)功)，同樣可達(dá)到控制瞬時(shí)輸入電流的效果，此種控制策略稱為直接功率控制(dpc)。dpc系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為直流電壓外環(huán)、功率控制內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu);根據(jù)交流電壓源及瞬時(shí)功率在開(kāi)關(guān)表中選擇整流器輸入電壓，實(shí)現(xiàn)高性能整流。因此，基于直接功率控制策略的pwm整流器具有更高的功率因數(shù)、低的thd、高效率、算法及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)此，本文先介紹三相電壓型pwm整流器dpc系統(tǒng)的組成與原理，再利用simubbbb構(gòu)成仿真模型，研究電壓型pwm整流器直接功率控制系統(tǒng)的性能。

2 三相電壓型pwm整流器dpc系統(tǒng)的組成與原理
2.1 三相電壓型pwm整流器的數(shù)學(xué)模型
三相電壓型pwm整流器主電路如圖1所示，圖中ua、ub、uc為三相對(duì)稱電源電壓;ia、ib、ic為三相線電流;sa、sb、sc為整流器開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)信號(hào)，sj(j=a、b、c)=1(上橋臂開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，下橋臂開(kāi)關(guān)管關(guān)斷)，sj＝０(下橋臂開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，上橋臂開(kāi)關(guān)管關(guān)斷);udc為直流電壓;ｒ、l為濾波電抗器的電阻和電感;c為直流側(cè)電容;rl為負(fù)載;ura、urb、urc為整流器的輸入電壓;il為負(fù)載電流。

圖1 三相電壓型pwm整流器主電路

根據(jù)圖1，并考慮到三相電壓、電流對(duì)稱，三相電壓型pwm整流器在αβ坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

式中。
根據(jù)式(1)、式(2)得三相電壓型pwm整流器在αβ坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型的框圖如圖2所示。

圖2 αβ坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型的框圖

2.2 三相電壓型pwm整流器dpc系統(tǒng)的組成與原理
借鑒國(guó)外三相電壓型pwm整流器直接功率控制研究現(xiàn)狀[1][2]，dpc系統(tǒng)組成如圖3所示。圖3中略去了ｒ的影響。瞬時(shí)有功與無(wú)功功率根據(jù)檢測(cè)到的電流ia、ib、ic及ua、ub、uc進(jìn)行計(jì)算，得到瞬時(shí)有功和無(wú)功功率的估算值ｐ、ｑ及三相電壓ua、ub、uc在固定αβ坐標(biāo)系中的uα、uβ。p和q與給定的pref和qref比較后送入滯回比較器輸出sp、sq開(kāi)關(guān)信號(hào)，pref由直流電壓外環(huán)設(shè)定，qref設(shè)定為０，以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。uα、uβ送入扇形選擇器輸出θn信號(hào)。根據(jù)sp、sq、θn在開(kāi)關(guān)表中選擇所需的sa、sb、sc，去驅(qū)動(dòng)主電路開(kāi)關(guān)管。

(1) 功率計(jì)算及sp、sq確定
采用瞬時(shí)有功功率為電壓矢量與電流矢量的標(biāo)量積，瞬時(shí)無(wú)功功率為電壓矢量與電流矢量的矢量積[3]，則ｐ、ｑ按下式計(jì)算


式中hp、hq為有功和無(wú)功功率滯回比較器的滯回寬度，hp、hq決定了功率控制精度，亦決定了開(kāi)關(guān)頻率。
為實(shí)現(xiàn)電源電壓空間矢量位置的選擇，由uα、uβ確定u的幅角，根據(jù)θ確定u的位置。為優(yōu)化整流器輸入電壓矢量把輸入空間分為12個(gè)扇區(qū)如圖4所示，θn由確定，n=1,2,…,12。

圖4 輸入空間劃分

(2) 開(kāi)關(guān)表的確定
開(kāi)關(guān)表是根據(jù)式(5)及θn確定 dpc系統(tǒng)所需的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即sa、sb、sc的取值。sa、sb、sc的值取決于所需的ur; ur為離散值u0、u1、…、u7，其值由sa、sb、sc及udc決定，即sasbsc=000~111對(duì)應(yīng)于u0~u7,即u0(000)、u1(100)、u2(110)、u3(010)、u4(011)、u5(001)、 u6(101)、u7(111),其分布如圖5所示。設(shè)u在θ1區(qū)域，ir為與pref相應(yīng)的電流矢量，當(dāng)i=i時(shí)，i滯后并小于ir， p<pref，q>qref，即sp=1、sq=0，則選擇ur使i趨近于ir，亦p趨近于pref、q趨近于qref。

4 輸入空間劃分
由式(1)，略去r的影響，可得

式(6)中i(0)=i, 當(dāng)ur選擇u6(101)時(shí)，i將沿著u-ur方向趨近ir，則sasbsc=101。i在其他位置可同樣進(jìn)行分析。
另外，適當(dāng)?shù)囊肓憧臻g矢量u0(000)或u7(111)，可增加功率傳輸能力。于是得到開(kāi)關(guān)表見(jiàn)表1。

表1 dpc系統(tǒng)開(kāi)關(guān)表


3 dpc系統(tǒng)仿真
根據(jù)圖2、式(3)～(6)、表1，按著圖3構(gòu)建了三相電壓型pwm整流器直接功率控制系統(tǒng)并基于matlab/simubbbb環(huán)境下的仿真模型。仿真參數(shù):ua=ub=uc=85v，電源頻率f=50hz，l=4mh，r=0.1ω，c=2200μf， rl=10ω，udcref=200v，iln=20a。

在simubbbb環(huán)境下的仿真模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，從啟動(dòng)暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的仿真結(jié)果如圖6所示;由圖6(a)可知，ia經(jīng)歷兩個(gè)周期(40ms)的暫態(tài)后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)時(shí)ua與ia同相位，且ia非常接近正弦波;由圖6(b)可知, 直流輸出電壓udc經(jīng)歷4周期進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，即穩(wěn)定在給定值udcref;由圖6(c)可知，p經(jīng)歷4周期進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，即穩(wěn)定在給定值pref, q經(jīng)歷1.5周期進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，即穩(wěn)定在給定值, 并接近于0。從圖6(a)、圖6(c)可以看出，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)非常接近于1。

圖5 ur的確定

4 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，可以看出dpc系統(tǒng)具有良好的性能。從仿真曲線可知，電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，而直流電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)相對(duì)慢一些，這對(duì)負(fù)載會(huì)產(chǎn)生影響，對(duì)此，可采用負(fù)載電流前饋控制[4]和非線性控制[5]予以解決。

圖6 dpc系統(tǒng)從啟動(dòng)暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)仿真曲線

參考文獻(xiàn)
[1] toshihiko noguchi, hiroaki tomiki, seiji kondo, and isao takabbbbi. direct power control of pwm converter without power-source voltage sensors[j]. ieee trans on industry applications. vol.34.no.3, pp473~479may/june1998.
[2] toshihiko noguchi, hiroaki tomiki, seiji kondo, and isao takabbbbi. direct power control of pwm converter[j].
[3] without power source voltage sensors[j]. 1996ieee. pp941~946.
[4] 李培芳,孫士乾. 三相電路瞬時(shí)電流、功率的分解與park空間分析[n]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2001,1.
[5] 董曉鵬,王兆安. 具有快速動(dòng)態(tài)相應(yīng)的單位功率因數(shù)pwm整流器[n]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),1997,11.

作者簡(jiǎn)介
王久和(1959-) 男 博士研究生/教授 主要從事電力電子技術(shù)、變頻技術(shù)教學(xué)與科研工作。