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基于直接功率控制简单计算PWM整流器性能改进
摘要：基于开关表的直接功率控制(STDPC)呈现不规则的功率波动和可变的开关频率，由于使用了预定义的转换表和迟滞比较器。提出了一种简单计算的三相脉宽调制整流器的改进方法。在DPC中引入了占空比的概念，将控制周期的一小部分分配给了在DPC中从传统转换表中选择的电压矢量，其余时间则采用零矢量。这是一种双循环。一方面，通过对线路侧电感等整流参数的分析，得到了较强的抗电感变化的稳点性。另一方面，占空比的原则是非常简单和容易实现的。与传统的DPC相比，在改进的DPC中可以看到显著的功率脉动减少和更多的正弦栅极电流。仿真结果和实验验证了该方法的有效性。
关键词：直接功率控制，工作周期，PWM, 纹波衰减
1 引言
近年来，三相脉宽调制(PWM)整流器的应用迅速发展。应用领域包括可再生能源系统(风力涡轮和光电)[1]，功率条件和传输设备[2]，[3]，[4]，[5]。与无源二极管整流器相比，PWM整流器具有双向功率流、正弦线电流、可控功率因数和小容量电容的直流电压调节能力[6], [7]。
为实现PWM整流器的功率控制，提出了各种方法，并根据其原理将其分为不同的组。如[4]所示，这种方法被分为四类:电压导向控制(VOC)、基于电压的直接功率控制(DPC)、虚拟通量定向控制(VFOC)和基于虚拟磁通量的DPC。将栅格电流分解为有功和无功分量，并将其与线性比例积分(PI)控制器相分离[8]。利用空间矢量调制(SVM)在VOC中合成参考整流电压矢量。这能达到良好的稳态和动态响应，但VOC的性能严重依赖于内部电流控制和微调[9]。在VFOC中引入虚拟磁通的概念，以提高系统在单栅电压下的控制性能，利用积分器的低通滤波器特性[4]，但整个控制结构本质上与VOC相同。
DPC是基于瞬时功率理论的PWM整流器的另一种高性能控制策略，在[10]中首次提出并在[11]中得到了更清晰的表述。DPC的基本原理类似于电机驱动器的直接转矩控制[12], [13]。它直接从一个预定义的开关表中选择所需的电压矢量，根据电网电压位置(或虚拟磁通位置)，以及参考有功/无功功率和反馈值之间的误差。VOC中存在的内部电流回路被消除了。因此，DPC具有非常快速的动态响应，结构简单。
虽然DPC被认为是PWM整流器的强大的稳定控制方案，但在传统的DPC中，高功率波动和可变开关频率是两个最显著的缺点。此外，所需的采样频率通常非常高，以达到相对满意的性能[14]，这增加了硬件的负担。为了解决上述问题，我们已经做了大量的工作，如基于svm的DPC[15]、预测控制[16]-[18]、模糊逻辑控制[19]、无止损控制[9], [16]等。通常，这些方法提高了传统DPC的稳定性性能，但代价是增加了复杂性和/或计算负担。开发一种改进的DPC是很有趣和有用的，它可以在保持传统DPC的健壮性和简单性的同时实现稳定的性能提升。过去，通过提出新的转换表[5], [20]-[24]，已经做了一些改进传统DPC的工作。一般来说，这些提议的转换表与[11]中的经典表相比，可以获得性能提升。然而，他们中的大多数[20]-[23]做了一些。
隐式或显式假设，以确保转换表简单且仅依赖于电网电压角，如[5]。为了获得更精确、更有效的开关表，或为了消除交流电压传感器[11]，线路电感信息[5],[24]。换句话说，在降低系统鲁棒性的代价下，获得了更高更精确的开关表。
图1 双电平PWM整流的拓扑结构
本文提出了一种改进的DPC，它不太关注[5], [20]-[24]中开关表的有效性，而是通过引入任务周期控制的概念来提高DPC的稳定性能。换句话说，从转换表中选择的电压矢量只适用于整个控制周期的一小部分，剩余的时间被分配给适当的零向量。这种方法应用于汽车发动机[13],[25],[26]，但没有深入研究。此外，以往的任务周期控制方法通常是参数依赖和复杂的[25], [26]，这与传统DTC/DPC的简单性和鲁棒性的优点相矛盾。与此相反，本文提出的方法不需要系统参数如线路电感等信息，从而保持传统DPC的鲁棒性。此外，DPC的开发工作周期控制非常简单，需要非常低的计算负担。仿真和实验结果验证了该算法的有效性。
2.PWM整流器的DPC原理。
A. PWM整流器模型。
图1给出了三相两级PWM整流器的拓扑结构，其中R和L分别为等效串联电阻和扼流电感。将三相数学模型转换为两相静止alpha;beta;框架,PWM整流器的模型可以表示为 (1)
v，e，和i代表的是整流电压矢量，栅极电压矢量，和栅极电流矢量
利用复杂功率的概念，将电网末端的有功功率p和无功q计算为[27], [28] (2) lowast;表示复杂的共轭向量
在平衡三相系统的条件下，栅极电压的微分可以得到
(3)
栅极电流i的微分是 (4)
将(3)和(4)代入(2)，得到 (5)
分解了(5)的实部和虚部，得到了有功和无功功率的微分
(6)
(7)
考虑稳定方程, 无功功率通常控制为零(q =0)，(6)和(7)的表达式简化为
(8)
（9）
Udc是直流电压
图2 各种整流电压矢量的有功功率和无功功率与栅极电压矢量位置的斜率(假设p = 900W和q =0)。
B、DPC中的切换表
根据(8)和(9)，图2给出了各种整流电压矢量的有功功率和无功功率与电网电压位置的斜率。计算图2的幂次曲线的参数在表VI中列出，这些参数是用来模拟和分析结果的。图3显示了该传感器的坐标和测量电压矢量。总结了图2中所示的结果，表一可以得到整流电压矢量对k扇区中有功和无功功率的斜率的影响，应该注意到扇形指数k是循环数，这意味着当选定的矢量数超过1-6的范围时，它将被加或减6。例如,如果k = 1,V kminus;2代表5
图3 整流电压矢量和DPC的扇区划分。
为了同时控制有功功率和无功功率，表二可以总结出适合DPC实现的表。应该注意的是，可能有多个电压矢量来满足功率变化的要求。例如，在P和Q需要增加的情况下，有三个可行的候选向量，即v0、7、vk 2和vk 3。然而，它们对P和Q变化的定量影响是不同的。v0、7产生最小的Q、小(前半部分)或中(后半部分)的变化，P. V k 2的变化对Q、中(前半部分)或小(后半部分)的变化最大，P和k 3的变化对Q的影响最大，对Q的影响最大，表3总结出了结果，可以得出P和Q的增加;一般来说，零向量造成的变化最小，而vk 3的影响最大。vk 2的影响相对较小。
用相似的方法，对增加P和减少Q的情况下各整流电压矢量所引起的影响进行了详细的比较，归纳为表四。vk 1和vk 2之间的不显著差异是增加P和减少Q的，除了当从k到k 1时，vk 2增加Q而不是减少Q值，它的值甚至比零向量的值更低。
在上述分析和表二的基础上，不难得出[11]中提出的经典切换表不适用于增加P和减少Q的情况，如图[16]所示。到目前为止，有一些改进的转换表21——23个在表II中转换表的特殊例子。这也证实了我们分析的有效性。例如,
1)如果V 0、7和V kminus;1选择增加和减少Q同时增加P,那么转换表提出了[22]获得;
2)如果V k 3和kminus;1选择增加和减少Q同时增加P,那么转换表在[21]提出了;
3)如果V k 2和kminus;2选择增加和减少Q同时增加P,那么转换表在[23]提出了
事实上，从表二可以很容易地建立另外三个新的转换表，以前没有报告过，即。V 0 7和V kminus;2 V k 3和kminus;2 V k 2,和V kminus;1增加和减少Q同时增加p .然而,这些组合不存在显著的性能改进相比 [21]-[23]。由于页面的局限，这些转换表的详细对比研究没有在这篇文章中显示出来。此外，一些文献[5]对转换表的有效性进行了深入的分析[11]和[23]。研究发现，仅基于电网电压角的切换表存在一些固有的缺陷和局限性，特别是在宽功率范围[5]。为了得到进一步的改进，应该考虑PWM整流器和精确参数的模型，例如[5], [18], [24]。然而，这可能导致较低的鲁棒性和增加的复杂性。
图4 PWM整流器DPC的总体控制图。
3.改进了DPC的工作周期控制。
在本文中，为了提高DPC的性能，我们将致力于控制在SectionII-B中所显示的主动矢量的工作强度。由于[11]中的经典切换表在增加P和减少Q的情况下有明显的收缩，所以这里没有考虑到。表二的一种特殊情况将被用来获得主动向量，它如表V所示，等价于[21]的切换表。应该注意到，使用表二的其他组合可以达到类似的性能。在本文中，表V仅用于解释拟议的任务周期控制和比较研究的目的。如(6)和(7)所示，整流电压矢量v直接影响有功功率和无功功率的变化。如果v获得从一个转换表II-B介绍了部分,剩下的唯一可能的方式来控制功率变化将不同持续时间意味着额外的零向量应该插入连同v控制期间实现温和的和准确的监管权力的变化。实际上，从图2可以看出，通常一个零向量V 0,7产生了有功功率和无功功率的最小变化。因此，在一个控制期间，可以同时使用主动矢量和零矢量来减小功率波动。
- 控制图
图4给出了所建议的DPC与工作周期控制的总体控制图。所建议的DPC和STDPC之间的唯一区别是所选的电压矢量。
从先前的转换表将被应用于整个控制期间的一小部分。将活动向量的应用持续时间与整个周期的比值定义为“责任周期d”，如果对某一项的任务不平衡，则提出的DPC将与[21]-[23]中所示的STDPC相同。因此，之前的STDPC可以被认为是DPC的一个特例。
图5 在一段时间内，采用有效矢量和零矢量的典型波形。
B .工作周期的测定
由于从表V中选择了主动矢量，控制功率变化的自由度只有一个，即，主动矢量的工作周期d。这项任务必须基于某些原则。在本文中，主动功率是一种比较关注的问题，因此，对有功功率的稳定性能进行了改进。
从(6)中可以很容易地得到主动矢量的有功的斜率和零向量s1和s2。在一个控制周期tsp中应用一个主动矢量和一个零矢量时，一个典型的主动功率波形如图5所示。假设有功功率P在控制周期结束时达到其参考值(以一种不确定的方式)
考虑到d的非负性，有 （13）
其中CP和CQ是两个正常数d应该不大于1。Qref通常设置为零，以实现单位功率因数，(13)中简单的表达式类似于[13]中所提出的[0]中所提出的用于永磁同步电机DTC驱动器[0]的任务确定方法，仿真和实验结果均验证了该方法的正确性。在[13]中，利用CP和CQ常数，消除了系统参数依赖性，大大降低了复杂度。值得注意的是，虽然(13)提供了一种实用的方法来获取STDPC中主动矢量的占空比，但给出一个完整的解析解释是不容易的。作者认为，对CP和CQ的物理意义不需要进行太多的分析解释。利用CP和CQ来获取STDPC中主动矢量的占空比。(13)任务的准确性只会部分影响稳定性能和动态响应，但不会对系统的鲁棒性产生很大影响，因为STDPC的机制仍能保证系统的稳定。
本文还对(13)中CP和CQ的调优给出了实际的指导意见。一般来说，CP和CQ的调优是动态响应和稳态性能之间的折衷。更大的CP和CQ值会产生更少的能量波动，但是动态性能会降低。尽管如此，实验结果表明，它们在系统性能上的差异不会造成显著的差异。大量的仿真和实验结果表明，下面的方程为CP和CQ提供了一个良好的起点，在稳态和动态性能之间取得了良好的平衡。
C切换频率减少
DPC的开关频率降低有两个方面。第一个是选择一个合适的零矢量，在主动矢量和零矢量之间切换时产生最小的切换跳跃。例如，如果选择电压矢量“110”作为有源电压矢量，相应的电压矢量将是“111”而不是“000”。“另一个方面将主动向量和零向量的序列动态交换，实现相邻向量序列之间的最小跳跃。例如，如果最后一个周期中的向量是“100”和“000”，最后的“000”是“000”，那么将会使用的向量是“001”和“000”，在这种情况下，“000”而不是“001”将首先应用于降低开关频率。
- 仿真和实验结果
1.模拟研究
在MATLAB/Simulink环境下对所提出的DPC进行了仿真，并与传统的DPC进行了比较。由于在21-23中不同的转换表之间没有明显的差别，在本文中，使用表V（即21）的DPC将会被设计为“DPC1”，而被提议的DPC将被称为“DPC2”，以简单起见。为DPC2采用了第III-C部分引入的开关频率降低策略。DPC2的控制图如图4所示，其中有功
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