《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種新型的單相整流器控制方法的研究
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
胡曉雪1，王海濱1，郭筱瑛2，張煜楓1，劉中豪1，曹太強(qiáng)1
1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都610039；2.攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，四川 攀枝花617000
摘要： 針對傳統(tǒng)單相PWM整流器直接功率控制(Direct Power Control，DPC)存在系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)慢、抗干擾能力差、頻率不固定等問題，采用了一種電容儲能的外環(huán)反饋控制和無差拍預(yù)測直接功率的內(nèi)環(huán)控制方法。外環(huán)將電容儲能作為反饋量，提高了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度和抗干擾能力。同時(shí)，內(nèi)環(huán)采用自回歸算法，解決了傳統(tǒng)算法中延時(shí)補(bǔ)償問題，簡化了控制器設(shè)計(jì)。通過空間矢量調(diào)制算法(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)固定了開關(guān)頻率。此外，該方法無需電壓相位檢測裝置，降低了設(shè)計(jì)成本。最后對所提出的控制算法和傳統(tǒng)電壓外環(huán)直接功率控制分別進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該算法的有效性。
中圖分類號： TM7
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.173966
中文引用格式： 胡曉雪，王海濱，郭筱瑛，等. 一種新型的單相整流器控制方法的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(9)：158-161,166.
英文引用格式： Hu Xiaoxue1，Wang Haibin1，Guo Xiaoying，et al. Study on a new kind of control method of single-phase rectifiers[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(9)：158-161,166.
Study on a new kind of control method of single-phase rectifiers
Hu Xiaoxue1，Wang Haibin1，Guo Xiaoying2，Zhang Yufeng1，Liu Zhonghao1，Cao Taiqiang1
1.School of Electrical Engineering and Electronic Information，Xihua University，Chengdu 610039，China； 2.School of Information and Electric Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China
Abstract： According to these drawbacks of traditional direct power control(DPC) in single-phase PWM rectifiers such as slow dynamic response,poor anti-interference ability and variable switching frequency, an algorithm based on outer loop adopting the feedback of capacitor energy storage and internal loop with deadbeat predictive direct power control is further given.This algorithm improves the speed of dynamic response and the ability of anti-interference with the outer loop control method based on the feedback variable of capacitor energy storage and load power feed forward. Meanwhile,the auto-regressive algorithm simplifies the controller design, and addresses the issue of delay compensation in traditional control. Combined with the space vector modulation(SVPWM) the system′s switch frequency is fixed. Furthermore, it reduces the design costs without voltage′s phase detector. Finally, the proposed control method and traditional DPC method were compared in computer simulation respectively , and the simulation result verified the validity of the proposed control method.
Key words : PWM；deadbeat predictive control；direct power control；capacitor energy storage；space vector

0 引言

    PWM整流器已廣泛用于交流傳動、不間斷電源、光能及風(fēng)能并網(wǎng)發(fā)電等重要領(lǐng)域。國內(nèi)外針對PWM整流器的控制算法多為雙閉環(huán)控制，即外環(huán)采用電壓反饋控制(電壓外環(huán)[1]、電容儲能反饋外環(huán)[2]、電壓平方外環(huán)[3])，內(nèi)環(huán)采用直接電流控制（預(yù)測電流控制[4]、滯環(huán)電流控制[5]、d-q軸同步PI電流控制[6]）。與直接電流控制不同，直接功率控制算法直接控制系統(tǒng)有功、無功功率，因控制精度高、響應(yīng)速度快，已廣泛應(yīng)用在三相PWM變流器中。整流器DPC算法通過選擇功率滯環(huán)開關(guān)表實(shí)現(xiàn)控制[7]，但仍存在許多問題。文獻(xiàn)[8]提出了基于模糊控制算法的開關(guān)表優(yōu)化傳統(tǒng)功率滯環(huán)開關(guān)表降低網(wǎng)測諧波含量，但其系統(tǒng)開關(guān)頻率仍未固定。因此，文獻(xiàn)[9-10]采用SVPWM算法固定開關(guān)頻率。文獻(xiàn)[9]提出了一種內(nèi)環(huán)采用PI的DPC算法，降低了采樣頻率，但PI參數(shù)需調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，且系統(tǒng)仍存在動態(tài)響應(yīng)速度較慢等問題。文獻(xiàn)[10]提出了一種預(yù)測直接功率控制算法替換掉PI，簡化了控制器參數(shù)設(shè)計(jì)，且系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度提高。

    國內(nèi)外對單相整流器DPC預(yù)測控制的研究相對較少，文獻(xiàn)[11]提出了一種固定開關(guān)頻率的單相整流器DPC算法，需占用較大的微處理器存儲空間，還需鎖相環(huán)變換坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)鎖相，而文獻(xiàn)[12]提出了一種無需構(gòu)造虛擬磁鏈和鎖相環(huán)的單相瞬時(shí)功率計(jì)算方法。

    針對上述問題，本文采用了一種無鎖相環(huán)的自回歸功率預(yù)測DPC算法，外環(huán)采用電容儲能反饋的控制方法，并引入負(fù)載功率進(jìn)行前饋控制，提高了外環(huán)抗干擾能力，且動態(tài)響應(yīng)快，內(nèi)環(huán)采用自回歸算法取代PI，解決延時(shí)補(bǔ)償問題，結(jié)合單相SVPWM算法，使開關(guān)頻率固定。最后通過MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了本文控制方法的可行性。

1 單相整流器數(shù)學(xué)模型

    圖1所示為單相整流器電路拓?fù)鋱D，其回路方程可表示為：

    dy5-gs1.gif

式中，u、i分別為輸入電壓電流，uab為H橋交流側(cè)電壓，L、R為交流側(cè)等效電感和電阻。

dy5-t1.gif

    單相整流器d-q軸上的離散數(shù)學(xué)模型為式(2)，其中x(k)為第kTs時(shí)刻的采樣值。

dy5-gs2-4.gif

    由式(3)看出，usin、ucos中的低頻分量可通過帶阻濾波器濾掉近似于2倍網(wǎng)頻的高頻分量，獲得式(5)：

    dy5-gs5.gif

2 單相整流器無差拍DPC算法

    單相系統(tǒng)在d-q坐標(biāo)系下有功無功功率可表示為：

dy5-gs6-12.gif

    式(12)為自回歸無差拍預(yù)測直接功率控制模型。

3 電容儲能外環(huán)設(shè)計(jì)

    由式(1)兩邊同乘以i可得整流器能量交換模型：

dy5-gs13-19.gif

式中KEP、KEI分別為電容儲能PI控制器的比例和積分系數(shù)，dy5-gs13-19-x1.gif分別為電容儲能和有功功率給定值。

    由式(19)可知引入PL、PR進(jìn)行前饋得到網(wǎng)側(cè)有功功率給定值P*。圖2為電容儲能外環(huán)控制框，圖中dy5-gs13-19-x2.gif為電容充電功率給定值。結(jié)合自回歸算法的單相無差拍功率預(yù)測算法可得到控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

dy5-t2.gif

dy5-t3.gif

4 仿真驗(yàn)證

    為驗(yàn)證本文采用的單相整流器算法的有效性，在Simulink中搭建仿真模型與傳統(tǒng)電壓外環(huán)算法進(jìn)行了仿真對比驗(yàn)證。表1為仿真系統(tǒng)參數(shù)。

dy5-b1.gif

    圖4給出了穩(wěn)態(tài)網(wǎng)測電流仿真波形圖，可知系統(tǒng)在單位功率因數(shù)運(yùn)行，從圖5穩(wěn)態(tài)時(shí)的網(wǎng)側(cè)電流FFT結(jié)果看出THD值為4.44%，諧波集中在150 Hz和2 500 Hz附近，因交流側(cè)電壓含有2倍基波頻率的紋波，其波動可影響電壓uab大小，使交流側(cè)電流含3次諧波，開關(guān)器件的切換會導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流含有開關(guān)頻率附近的諧波，因此諧波含量在150 Hz和2 500 Hz附近。

dy5-t4.gif

dy5-t5.gif

    圖6給出了輸出電壓仿真波形，傳統(tǒng)電壓外環(huán)控制系統(tǒng)在0.18 s達(dá)到穩(wěn)定，電容儲能外環(huán)系統(tǒng)直流側(cè)電壓在0.12 s穩(wěn)定，兩種算法超調(diào)量大小基本一致為85 V，由于采用相同的調(diào)制方法和控制周期，直流側(cè)紋波大小均為5 V。通過對比可知電容儲能外環(huán)比傳統(tǒng)電壓外環(huán)系統(tǒng)具有更快的響應(yīng)速度。   

dy5-t6.gif

    圖7為系統(tǒng)負(fù)載在0.5 s時(shí)突增一倍，1 s時(shí)突減回原始負(fù)載的輸出電壓波形圖，由圖7(a)可知傳統(tǒng)電壓外環(huán)算法系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定的響應(yīng)時(shí)間為0.1 s，圖7(b)所示該算法為0.08 s，比較可知，電容儲能外環(huán)算法系統(tǒng)響應(yīng)速度相對更快，負(fù)載突變時(shí)輸出電壓波動值更小。

dy5-t7.gif

5 結(jié)論

    本文針對單相PWM整流器，建立了電容儲能外環(huán)的無差拍直接功率模型，與傳統(tǒng)直接功率控制算法相比，該算法有以下優(yōu)點(diǎn)：

    (1)提高了整流器動態(tài)響應(yīng)速度和抗干擾能力；

    (2)PI控制器減少，簡化了控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)；

    (3)采用SVPWM調(diào)制，開關(guān)頻率恒定；

    (4)無需鎖相環(huán)，易設(shè)計(jì)。

    最后在MATLAB/Simulink中對該算法進(jìn)行了仿真，結(jié)果證明了本文提出的算法的正確性和優(yōu)越性。

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作者信息:

胡曉雪1，王海濱1，郭筱瑛2，張煜楓1，劉中豪1，曹太強(qiáng)1

(1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都610039；2.攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，四川 攀枝花617000)

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