CN102545665B - 一种三电平pwm整流器直接功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三电平PWM整流器直接功率控制方法，本方法利用三电平整流器高频数学模型和瞬时功率理论推导出整流器的瞬时功率控制模型；将三电平变换器的27组开关状态所对应的基本矢量代入瞬时功率控制模型，并进行归一化，得到基本矢量作用下有功和无功变化率的表达式；在整个矢量空间计算每个基本矢量所对应的有功和无功变化率，并对基本矢量按矢量类别、有功和无功的变化趋势及变化率的大小进行归类；将需跟踪的无功功率变化率量化成两个等级，有功功率变化率量化成四个等级，进而建立整流器直接功率控制的开关表；本发明可以实现网侧单位功率因数，快速稳定直流母线电压和平衡中点电位，对瞬时有功功率和无功功率的快速跟踪更加有效。

Description

一种三电平PWM整流器直接功率控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子与电气传动的变换器控制领域，特别涉及一种三电平脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)整流器直接功率控制方法。

背景技术

在高压大功率应用场合，受开关器件功率等级的限制，传统的两电平整流器已不能满足要求，而二极管箝位式(Neutral Point Clamped，NPC)三电平PWM整流器不仅能够实现能量双向流动、功率因数可控，而且还具有开关器件承压低、开关频率低、输入电流谐波含量少等优点，使其在工程领域得到了越来越广泛的应用。

传统的NPC三电平PWM整流器是采用基于电网电压定向的空间电压矢量合成的控制方法，需要坐标旋转变换、多个PI调节器和复杂的调制策略，而直接功率控制(Direct Power Control，DPC)不需要坐标旋转变换和调制策略，经过功率滞环比较直接从开关表中选择合适的空间电压矢量实现对有功功率和无功功率的控制。因此，DPC具有控制结构和控制算法简单，系统动态响应更快、效率高、鲁棒性强等优点。

在DPC中，开关表的优劣直接影响整个系统的控制性能，目前有多种开关表的建立途径：通过分析电流与空间电压矢量和功率的关系；从功率守恒的角度对三电平PWM整流器进行建模分析；在整流器数学模型的基础上结合瞬时功率理论定性分析电压矢量与输入有功、无功功率的关系；通过一种基于DPC的最优向量通用判据来选择合适的电压矢量实现有功功率和无功功率的控制等。同时，在NPC三电平变换器拓扑结构中，直流侧电容中点电位的不平衡是其固有的问题，中点电位不平衡会导致单管承受过高的电压，严重情况下会导致系统不稳定，控制失败。因此，在开关表的建立中还得兼顾直流侧中点电位的平衡。但是，众多三电平整流器DPC在开关表设计过程中均采用定性分析，没有给出在各个扇区内每个空间电压矢量对有功功率和无功功率的具体影响程度，使得传统设计的开关表在对功率的控制上效果不佳。如何构建和优化合适的开关表是三电平整流器直接功率控制系统设计的关键。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题在于，克服现有技术存在的上述缺陷，而提供一种控制系统结构和控制算法简单、动态响应快的三电平PWM整流器直接功率控制方法，以进一步增强对NPC三电平PWM整流器瞬时有功功率和无功功率的控制，本发明在整流器新的功率控制模型基础上提出了一种新的直接功率控制开关表的设计方法，新设计的开关表不仅可以实现网侧单位功率因数，快速稳定直流母线电压和平衡中点电位，而且对瞬时有功功率和无功功率的快速跟踪更加有效。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

利用NPC三电平PWM整流器的高频数学模型和三相电路的瞬时功率理论推导出整流器的瞬时功率控制模型，根据该模型分析每个扇区内输入有功功率、无功功率与27个基本矢量的定量关系，进而建立整流器直接功率控制的开关表，该方法包括下列步骤：

第一步：利用开关函数和基尔霍夫电压定律，建立二极管箝位式三电平电压型PWM整流器网侧αβ静止坐标系下的数学模型，忽略网侧线路电阻，在采样周期内对上述数学模型离散化，得到电流变化的表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\α}}=i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-i_{\mathrm{\α}}(k-1)=\frac{T_s}{L}[e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-u_{\mathrm{\α}}\left(k\right)]\\ {\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\β}}=i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-i_{\mathrm{\β}}(k-1)=\frac{T_s}{L}[e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)]\end{array}\right.$

其中，u_α、u_β、i_α、i_β、e_α、e_β分别为整流器输入端电压、整流器输入端电流和电网电压的α、β轴分量；Δi_α、Δi_β为输入电流变化量；T_s为采样周期；L为电抗器的电感值；k表示采样时刻；

第二步：在αβ静止坐标系下，将电网传输的瞬时功率在采样周期内离散化，并把离散化的电流表达式代入，得到整流器的瞬时功率控制模型；

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δp}=\frac{T_S}{L}[{e_{\mathrm{\α}}}^2\left(k\right)+{e_{\mathrm{\β}}}^2\left(k\right)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\·u_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\·u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)]\\ \mathrm{\Δq}=\frac{T_S}{L}[e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\·u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\·u_{\mathrm{\α}}\left(k\right)]\end{array}\right.$

第三步：针对三电平变换器的27组开关状态，得到27个基本矢量v_i，将其代入瞬时功率控制模型，并进行归一化，得到

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δp}}_i}=\sqrt{\frac{3}{2}}\frac{\left|\right|e_{\mathrm{\α\β}}\left|\right|}{U_{\mathrm{dc}}}-(\stackrel{\‾}{u_{\mathrm{\αi}}}\·\cos \mathrm{\θ}+\stackrel{\‾}{u_{\mathrm{\βi}}}\·\sin \mathrm{\θ})\\ \stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δq}}_i}=\stackrel{\‾}{u_{\mathrm{\βi}}}\·\cos \mathrm{\θ}-\stackrel{\‾}{u_{\mathrm{\αi}}}\·\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.,$ i＝1，2，......，27

其中，

u_αi和u_βi为v_i在αβ坐标系下的分量；||v_i||_max为v_i的最大模长；||e_αβ||为电网线电压的有效值；U_dc为直流母线总电压；θ为电网电压空间矢量的位置角；

和

为基本矢量v_i作用下有功和无功的变化率；

第四步：计算出θ在0～360度范围内变化时，每个v_i所对应的

和

值；将v_i按长度分为长矢量、中矢量、小矢量和零矢量四类，根据长矢量和中矢量的位置将整个矢量图划分为12个扇区；本发明根据

和

值在每一扇区内的变化趋势，对长矢量、中矢量、小矢量和零矢量进行归类，同类型中各矢量对有功和无功的影响按变化率从大到小排列，得到在12个扇区中，v_i对和影响大小的分类表；

第五步：本发明将需跟踪的无功功率变化经滞环比较量化成两个等级S_q＝1，0，分别表示需要增加或减少无功功率；有功功率变化量化成四个等级S_p＝2，1，0，-1，分别表示负载突增需要快速增加有功功率、需要增加有功功率、有功功率变化不大的情况下主要控制无功功率的增减、需要减少有功功率；针对S_p和S_q的8种组合，从第四步得到的分类表中选择合适的v_i，得到三电平PWM整流器直接功率控制的开关表；

第六步：有功功率、无功功率的实际测量值和参考值的误差经滞环比较后被量化成S_p和S_q信号，它们和扇区信号Ф_i一起查开关表；当实现功率控制目标的基本矢量不止一个时，利用中点电位信息S和线电流信息选择其中能平衡中点电位的小矢量；从而得到整流器理想开关S_a1～S_a4、S_b1～S_b4、S_c1～S_c4的PWM控制信号，最终实现三电平PWM整流器的直接功率控制。

本发明的有益效果是，本发明根据三电平整流器的离散化瞬时功率控制模型选择合适的基本矢量达到对瞬时有功功率和无功功率的有效控制，通过对功率环的多级量化建立相应直接功率控制开关表。相比于已有的开关表建立方法，本发明的方法能够体现各个扇区内不同基本矢量对瞬时功率的具体影响程度，能快速跟踪负载的突增，消除传统方法中的无功不可控区域。此开关表的建立方法，也可应用于其他多电平整流器直接功率控制的开关表建立，利于分析和拓展应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明NPC三电平PWM整流器主电路拓扑图

图2是本发明三电平变换器基本矢量图

图3a是本发明基本矢量与瞬时有功功率变化关系图

图3b是本发明基本矢量与瞬时无功功率变化关系图

图4是本发明三电平整流器直接功率控制系统框图

具体实施方式

三电平PWM整流器基于电网电压定向的开关表直接功率控制方法虽然需要较高的采样频率，但是其不需要坐标旋转变换和调制策略，根据滞环比较结果直接从开关表中选择合适的基本矢量有效控制瞬时有功功率和无功功率的变化，控制算法和控制结构简单，动态响应快，鲁棒性强。其开关表是在整流器的离散化瞬时功率控制模型的基础上，通过分析每个扇区内各个基本矢矢对瞬时功率的具体影响程度，对功率滞环进行多级量化，同时兼顾直流侧中点电位平衡控制而建立的。

本发明的实现过程如下：

图1是本发明NPC三电平PWM整流器主电路图。

图中三个桥臂由反并联二极管的理想开关S_a1～S_a4、S_b1～S_b4、S_c1～S_c4构成；e_a、e_b、e_c为电网三相电压；L和R分别为交流侧电抗和等效电阻；i_a、i_b、i_c为整流器输入电流；u_a、u_b、u_c是整流器输入电压，U_dc1、U_dc2分别为直流母线上下电容电压。通过推导可得整流器网侧部分在αβ坐标系下的数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\α}}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{L}(e_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\α}}-u_{\mathrm{\α}})\\ \frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\β}}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{L}(e_{\mathrm{\β}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\β}}-u_{\mathrm{\β}})\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，u_α、u_β、i_α、i_β、e_α、e_β分别为整流器输入端电压、整流器输入端电流和电网电压的α、β轴分量；L为电抗器的电感值。

忽略网侧线路电阻，在采样周期内对上述数学模型离散化，得到电流变化的表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\α}}=i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-i_{\mathrm{\α}}(k-1)=\frac{T_s}{L}[e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-u_{\mathrm{\α}}\left(k\right)]\\ {\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\β}}=i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-i_{\mathrm{\β}}(k-1)=\frac{T_s}{L}[e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)]\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，T_s为采样周期；k表示采样时刻。

将上式代入瞬时有功功率和无功功率在采样周期的估算式子，可得到

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δp}=\frac{T_S}{L}[{e_{\mathrm{\α}}}^2\left(k\right)+{e_{\mathrm{\β}}}^2\left(k\right)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\·u_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\·u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)]\\ \mathrm{\Δq}=\frac{T_S}{L}[e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\·u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\·u_{\mathrm{\α}}\left(k\right)]\end{array}\right.---\left(3\right)$

图2是本发明三电平变换器基本矢量图。

在αβ平面上，共有27组开关状态对应27个基本矢量v₁～v₂₇。p表示正电平，表示输出端连接到直流母线的高电平端；o表示零电平，表示输出端连接到直流母线的中点；n表示负电平，表示输出端连接到直流母线的低电平端。四类矢量长矢量、中矢量、小矢量和零矢量的模长分别为

和0。由此可知，在每个采样周期内对瞬时有功和无功功率的控制有27种选择：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{p}_i=\frac{T_S}{L}[{e_{\mathrm{\α}}}^2\left(k\right)+{e_{\mathrm{\β}}}^2\left(k\right)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\·u_{\mathrm{\αi}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\·u_{\mathrm{\βi}}\left(k\right)]\\ \mathrm{\Δ}{q}_i=\frac{T_S}{L}[e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\·u_{\mathrm{\βi}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\·u_{\mathrm{\αi}}\left(k\right)]\end{array}\right.---\left(4\right)$

i＝1，…26，27.

两边同时除以常数

得到

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δp}}_i}=\sqrt{\frac{3}{2}}\frac{\left|\right|e_{\mathrm{\α\β}}\left|\right|}{U_{\mathrm{dc}}}-(\stackrel{\‾}{u_{\mathrm{\αi}}}\·\cos \mathrm{\θ}+\stackrel{\‾}{u_{\mathrm{\βi}}}\·\sin \mathrm{\θ})\\ \stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δq}}_i}=\stackrel{\‾}{u_{\mathrm{\βi}}}\·\cos \mathrm{\θ}-\stackrel{\‾}{u_{\mathrm{\αi}}}\·\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.,$ i＝1，2，......，27    (5)

其中，

u_αi和u_βi为v_i在αβ坐标系下的分量；||v_i||_max为v_i的量大模长；||e_αβ||为电网线电压的有效值；U_dc为直流母线总电压；θ为电网电压空间矢量的位置角；

和

为由v_i所产生的有功和无功的变化率。

可以看出，不同的空间矢量v_i在所有扇区对有功功率变化率的影响成正弦偏移分布，对无功功率变化率的影响成正弦分布，其瞬时有功功率、无功功率的变化率如图3a、图3b所示。

由图3a、图3b可知在每个扇区可以根据各矢量对有功和无功影响的变化趋势和大小来选择。以扇区Ф₁为例，各个矢量对有功和无功功率的影响如表1所示。由于矢量较多，按照长矢量、中矢量、小矢量和零矢量进行分类，同类型中各矢量作用有功和无功功率的变化率按从大到小排列。

在扇区Ф₁中，

经过滞环比较被量化成四个等级S_p＝2，1，0，-1；

经过滞环比较被量化成两个等级S_q＝1，0。其中，S_p＝-1表示需要减少有功功率；S_p＝0表示在有功功率变化不大的情况下主要控制无功功率；S_p＝1表示需要增加有功功率；S_p＝2表示在负载加重需要快速增加有功功率；S_q＝0表示需要减少无功功率；S_q＝1表示需要增加无功功率。

表1是本发明扇区Φ₁中各基本矢量对有功功率和无功功率的影响大小分类表：

表1

以扇区Φ₁为例：当S_p＝-1，S_q＝0时，从表1可知只能选择矢量v₁；当S_p＝-1，S_q＝1时，也只能选择矢量v₂；当S_p＝0时，从图3a和表1分析可知矢量v₃和v₁₂在对有功影响不大的情况下能有效地控制无功的增加和减少；当S_p＝1或2需要增加有功功率时，供选择的矢量众多，为了能更好的平衡中点电位，尽量选择小矢量。

表2是本发明扇区Ф₁矢量的选择表：

表2

按照上述原则，对所有扇区做同样分析，可得到基于电网电压定向的三电平电压型PWM整流器直接功率控制的开关表如表3所示。其中，k为2～4的整数。

表3是本发明三电平整流器直接功率控制开关表：

表3

同样，按照表3来控制变换器显然无法避免电压幅值的过高跳变。例如在第一扇区，如果当前矢量为v₁₂，而待发矢量为v₃，直接选择v₃会造成b相相电压从n到p的直接跳变。因此，在待发矢量v₃之前插入一个矢量v₂₆，在下一个周期，自然会切换到v₃，对于其它情况类似。

对矢量的分析可知，只有中矢量和小矢量会影响中点电位的平衡。相同的小矢量存在冗余状态，虽然它们对有功和无功的影响完全相同，但是对中点电位的影响刚好相反。因此，在开关表的设计中，合理选择小矢量不仅能有效控制有功功率和无功功率，还能有效地抑制中点电位偏移。

表4是本发明平衡中点电位的第一扇区Φ₁选择表：

表4

其中S反映中点电位信息，其值为上下电容的电压差被滞环比较器量化成1和0，分别表示中点电位过高和过低。

图4为本发明三电平PWM整流器DPC控制系统框图。

通过对直流母线上下电容电压采样得到中点电位信息S和母线总电压U_dc，U_dc与其给定值U_{dc_ref}的误差经PI调节器得到有功参考电流，它与直流母线电压U_dc的乘积作为有功功率的参考值p_ref，为使功率因数为单位1，无功的参考值q_ref为零。有功、无功功率的实际测量值和参考值的误差经滞环后被量化成开关信号S_p和S_q，它们与中点电位信息S、扇区号Φ_i、线电流信息组成五个信号进行查表，从而得到整流器三个桥臂上的理想开关S_a1～S_a4、S_b1～S_b4、S_c1～S_c4的开关信号。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

综上所述，本发明在结构设计、使用实用性及成本效益上，完全符合产业发展所需，且所揭示的结构亦是具有前所未有的创新构造，具有新颖性、创造性、实用性，符合有关发明专利要件的规定，故依法提起申请。

Claims (1)

1.一种三电平PWM整流器直接功率控制方法，包括网侧电压电流采样、直流母线上下电容电压采样、电容电压滞环比较、功率滞环比较、功率和扇区号计算和开关算法实现，其特征在于开关算法的设计和实现，包括以下步骤；

第一步：利用开关函数和基尔霍夫电压定律，建立二极管箝位式三电平电压型PWM整流器网侧αβ静止坐标系下的数学模型，忽略网侧线路电阻，在采样周期内对上述数学模型离散化，得到电流变化的表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\α}}=i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-i_{\mathrm{\α}}(k-1)=\frac{T_s}{L}[e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-u_{\mathrm{\α}}\left(k\right)]\\ {\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\β}}=i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-i_{\mathrm{\β}}(k-1)=\frac{T_s}{L}[e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)]\end{array}\right.$

其中，u_α、u_β、i_α、i_β、e_α、e_β分别为整流器输入端电压、整流器输入端电流和电网电压的α、β轴分量；Δi_α、Δi_β为输入电流变化量；T_s为采样周期；L为电抗器的电感值；k表示采样时刻；

第二步：在αβ静止坐标系下，将电网传输的瞬时功率在采样周期内离散化，并把离散化的电流表达式代入，得到整流器的瞬时功率控制模型：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δp}=\frac{T_S}{L}[{e_{\mathrm{\α}}}^2\left(k\right)+{e_{\mathrm{\β}}}^2\left(k\right)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\·u_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\·u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)]\\ \mathrm{\Δq}=\frac{T_S}{L}[e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\·u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\·u_{\mathrm{\α}}\left(k\right)]\end{array}\right.$

第三步：针对三电平变换器的27组开关状态，得到27个基本矢量v_i，将其代入瞬时功率控制模型，并进行归一化，得到

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δp}}_i}=\sqrt{\frac{3}{2}}\frac{\left|\right|e_{\mathrm{\α\β}}\left|\right|}{U_{\mathrm{dc}}}-(\stackrel{\‾}{u_{\mathrm{\αi}}}\·\cos \mathrm{\θ}+\stackrel{\‾}{u_{\mathrm{\βi}}}\·\sin \mathrm{\θ})\\ \stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δq}}_i}=\stackrel{\‾}{u_{\mathrm{\βi}}}\·\cos \mathrm{\θ}-\stackrel{\‾}{u_{\mathrm{\αi}}}\·\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.,$ i＝1，2，......，27

其中，

u_αi和u_βi为v_i在αβ坐标系下的分量；||v_i||_max为v_i的量大模长；||e_αβ||为电网线电压的有效值；U_dc为直流母线总电压；θ为电网电压空间矢量的位置角；和

为基本矢量v_i作用下有功和无功的变化率；

第四步：计算出θ在0～360度范围内变化时，每个v_i所对应的

和

值；将v_i按长度分为长矢量、中矢量、小矢量和零矢量四类，根据长矢量和中矢量的位置将整个矢量图划分为12个扇区；本发明根据和值在每一扇区内的变化趋势，对长矢量、中矢量、小矢量和零矢量进行归类，同类型中各矢量对有功和无功的影响按变化率从大到小排列，得到在12个扇区中，v_i对

和

影响大小的分类表；

第五步：本发明将需跟踪的无功功率变化经滞环比较量化成两个等级S_q＝1，0，分别表示需要增加或减少无功功率；有功功率变化量化成四个等级S_p＝2，1，0，-1，分别表示负载突增需要快速增加有功功率、需要增加有功功率、有功功率变化不大的情况下主要控制无功功率的增减、需要减少有功功率；针对S_p和S_q的8种组合，从第四步得到的分类表中选择合适的v_i，得到三电平PWM整流器直接功率控制的开关表；

第六步：有功功率、无功功率的实际测量值和参考值的误差经滞环比较后被量化成S_p和S_q信号，它们和扇区信号Ф_i一起查开关表；当实现功率控制目标的基本矢量不止一个时，利用中点电位信息S和线电流信息选择其中平衡中点电位的小矢量；从而得到整流器理想开关S_a1～S_a4、S_b1～S_b4、S_c1～S_c4的PWM控制信号，最终实现三电平PWM整流器的直接功率控制。

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