三相電壓型pwm變換器三矢量直接功率控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種三相電壓型PWM變換器三矢量直接功率控制方法，屬于電力電子 功率變換裝置控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率半導(dǎo)體開關(guān)器件性能不斷提高，已從早期廣泛使 用的半控型功率半導(dǎo)體開關(guān)，如普通晶閘管（SCR)發(fā)展到如今類型諸多且性能各異的全控 型功率開關(guān)，如雙極型晶體管（BJT)、門極關(guān)斷晶閘管（GT0)、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT)、 集成門極換向晶閘管（IGCT)、功率場效應(yīng)晶體管（M0SFET)以及場控晶閘管（MCT)等。功率 半導(dǎo)體開關(guān)器件技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了電力電子變流裝置技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了以脈寬調(diào) 制控制為基礎(chǔ)的各類變流裝置。但是，目前這些變流裝置很大一部分需要變換環(huán)節(jié)，以獲得 直流電壓，由于常規(guī)變換環(huán)節(jié)廣泛采用了二極管不控變換電路或晶閘管相控變換電路，因 而對電網(wǎng)注入了大量諧波及無功功率，造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)"污染"。而治理這種電網(wǎng)"污染" 最好最廣泛的解決方法是電壓型PWM變換，由于電壓型PWM變換器具有網(wǎng)側(cè)電流諧波小、功 率因數(shù)可控和能量雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)可以有效地實(shí)現(xiàn)綠色電能變換。
[0003] PWM變換器的經(jīng)典控制方法主要包括電網(wǎng)電壓定向控制（voltageoriented control,V0C)和直接功率控制（directpowercontrol,DPC)。DPC是在瞬時(shí)功率理論的 基礎(chǔ)上，通過分析變換器交流側(cè)電壓矢量對有功功率和無功功率的影響，得到一個(gè)矢量表， 然后根據(jù)電網(wǎng)電壓位置角所在扇區(qū)從矢量表中選擇可以同時(shí)減小有功、無功功率與參考值 間誤差的最佳電壓矢量。傳統(tǒng)的DPC不需要電流內(nèi)環(huán)及其整定，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速，但只能根據(jù) 有功功率參考值計(jì)算矢量作用的時(shí)間，具有較大的穩(wěn)態(tài)紋波。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題而提供了一種三相電壓型PWM變 換器三矢量直接功率控制方法，該方法控制、算法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，不僅可以明顯減小有功 功率波動(dòng)和電流諧波，更可以明顯減小無功功率的波動(dòng)，保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，三相電壓型PWM變換器三矢量直接 功率控制方法，其特征在于包括以下步驟：（1)、檢測三相電壓型PWM變換器系統(tǒng)的三相電 網(wǎng)電壓、三相輸入電流和直流母線電壓；（2)、將檢測到的三相電網(wǎng)電壓和三相輸入電流經(jīng) 過3/2變換模塊得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓和輸入電流采樣值，并計(jì)算出有功功率 與無功功率的實(shí)際值；（3)、將三相電網(wǎng)電壓信號經(jīng)過軟件鎖相環(huán)（PLL)得到電網(wǎng)電壓位 置角，并將其分為 〇。-60。、60。-120。、120。-180。、180。-240°、240。-300。和 300° -360°六個(gè)扇區(qū)；(4)、將直流母線電壓參考值與步驟（1)得到的直流母線電壓實(shí)際 值做差，經(jīng)過PI控制器得到電流參考值，電流參考值與步驟（1)得到的直流母線電壓實(shí)際 值相乘得到有功功率參考值，且設(shè)無功功率參考值為〇 ; (5)、通過步驟（2)得到的兩相靜止 坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓、有功功率與無功功率的實(shí)際值和8種不同的電壓矢量計(jì)算出相應(yīng)電 壓矢量作用下有功、無功功率的變化率，當(dāng)變化率大于零時(shí)說明該電壓矢量能使功率增加， 當(dāng)變化率小于零時(shí)說明該電壓矢量能使功率減少；(6)、在不同扇區(qū)根據(jù)有功、無功功率變 化率分別得出8種不同電壓矢量中能同時(shí)使有功功率增加且無功功率增加、有功功率增加 且無功功率減少、有功功率減少且無功功率增加、有功功率減少且無功功率減少的兩個(gè)非 零矢量，再考慮零矢量的加入，即每個(gè)扇區(qū)可得到4組均包括兩個(gè)非零矢量和一個(gè)零矢量 的矢量組合，則電網(wǎng)電壓在0° -360°區(qū)間內(nèi)，可得出24組矢量組合；（7)、根據(jù)步驟（6)得 到有功、無功功率在不同扇區(qū)內(nèi)受不同電壓矢量作用時(shí)的變化趨勢，可建立對應(yīng)的改進(jìn)矢 量表；(8)、將步驟（2)得到的有功、無功功率的實(shí)際值和步驟（4)得到的有功、無功功率的 參考值比較得出有功、無功功率實(shí)際值的變化趨勢；(9)、根據(jù)電網(wǎng)電壓位置角所在扇區(qū)和 有功、無功功率實(shí)際值的變化趨勢從步驟（7)中得到的改進(jìn)矢量表中選擇相應(yīng)的電壓矢量 組，并根據(jù)該矢量組各個(gè)矢量對有功、無功功率的變化率和有功、無功功率的參考值與實(shí)際 值的差值進(jìn)行計(jì)算，得出相應(yīng)矢量作用的時(shí)間；（10)、將步驟（9)得到的控制矢量作用的時(shí) 間轉(zhuǎn)換為控制功率器件的開關(guān)信號。
[0006]本發(fā)明的三相電壓型PWM變換器三矢量直接功率控制方法可以同時(shí)根據(jù)有功功 率參考值、無功功率參考值計(jì)算各個(gè)矢量的作用時(shí)間，不僅算法簡單，而且明顯減小了有 功、無功功率的穩(wěn)態(tài)紋波。
【附圖說明】
[0007] 圖1為三相電壓型PWM變換器主電路結(jié)構(gòu)；圖2為有功功率為1000W無功功率為 OVar時(shí)，變換器輸入側(cè)電壓矢量對有功功率、無功功率的變化率；圖3為三個(gè)矢量（如K3、 H)時(shí)開關(guān)模式生成方法圖；圖4為PWM變換器三矢量直接功率控制框圖；圖5為采用傳 統(tǒng)直接功率控制矢量表的交流側(cè)a相電流波形圖和頻譜圖；圖6為采用改進(jìn)矢量表的交流 偵Ua相電流波形圖和頻譜圖；圖7為采用傳統(tǒng)直接功率控制矢量表的有功功率、無功功率實(shí) 驗(yàn)波形圖；圖8為采用改進(jìn)矢量表的有功功率、無功功率實(shí)驗(yàn)波形圖。
[0008] 具體實(shí)施方法 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0009]三相電壓型PWM變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，wga、wgb、wg。為交流側(cè) 三相電壓源，iga、igb、ig。為交流側(cè)三相電流，rga、b、V為變換器輸入側(cè)三相電壓，&為直 流側(cè)母線電壓，Z和7?分別為進(jìn)線電感及其等效電阻，以J直流濾波電容，直流側(cè)負(fù)載由電阻 足等效表不。
[0010] 三相電壓型PWM變換器的數(shù)學(xué)模型可通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系中，表 示為
【主權(quán)項(xiàng)】
l.H相電壓型PWM變換器H矢量直接功率控制方法，其特征在于包括W下步驟： (1) 、檢測H相電壓型PWM變換器系統(tǒng)的H相電網(wǎng)電壓、H相輸入電流和直流母線電壓； (2) 、將檢測到的H相電網(wǎng)電壓和H相輸入電流經(jīng)過3/2變換模塊得到兩相靜止坐標(biāo)系下 的電網(wǎng)電壓和輸入電流采樣值，并計(jì)算出有功功率與無功功率的實(shí)際值；(3)、將H相電 網(wǎng)電壓信號經(jīng)過軟件鎖相環(huán)得到電網(wǎng)電壓位置角，并將其分為0° -60°、60° -120°、 120° -180°、180 ° -240°、240 ° -300° 和 300 ° -360° 六個(gè)扇區(qū)；(4)、將直流母線電 壓參考值與步驟（1)得到的直流母線電壓實(shí)際值做差，經(jīng)過PI控制器得到電流參考值，電 流參考值與步驟（1)得到的直流母線電壓實(shí)際值相乘得到有功功率參考值，且設(shè)無功功率 參考值為0;巧）、通過步驟（2)得到的兩相靜止坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓、有功功率與無功功 率的實(shí)際值和8種不同的電壓矢量計(jì)算出相應(yīng)電壓矢量作用下有功功率、無功功率的變 化率，當(dāng)變化率大于零時(shí)說明該電壓矢量能使功率增加，當(dāng)變化率小于零時(shí)說明該電壓矢 量能使功率減少；化）、在不同扇區(qū)根據(jù)有功功率、無功功率變化率分別得出8種不同電壓 矢量中能同時(shí)使有功功率增加且無功功率增加、有功功率增加且無功功率減少、有功功率 減少且無功功率增加、有功功率減少且無功功率減少的兩個(gè)非零矢量，再考慮零矢量的加 入，即每個(gè)扇區(qū)可得到4組均包括兩個(gè)非零矢量和一個(gè)零矢量的矢量組合，則電網(wǎng)電壓在 0° -360°區(qū)間內(nèi)，可得出24組矢量組合；（7)、根據(jù)步驟（6)得到有功、無功功率在不同扇 區(qū)內(nèi)受不同電壓矢量作用時(shí)的變化趨勢，可建立對應(yīng)的改進(jìn)矢量表；（8)、將步驟（2)得到 的有功、無功功率的實(shí)際值和步驟（4)得到的有功、無功功率的參考值比較得出有功、無功 功率實(shí)際值的變化趨勢；(9)、根據(jù)電網(wǎng)電壓位置角所在扇區(qū)和有功、無功功率實(shí)際值的變 化趨勢從步驟（7)中得到的改進(jìn)矢量表中選擇相應(yīng)的電壓矢量組，并根據(jù)該矢量組各個(gè)矢 量對有功、無功功率的變化率和有功、無功功率的參考值與實(shí)際值的差值進(jìn)行計(jì)算，得出相 應(yīng)矢量作用的時(shí)間；（10)、將步驟（9)得到的控制矢量作用的時(shí)間轉(zhuǎn)換為控制功率器件的 開關(guān)信號。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三相電壓型PWM變換器三矢量直接功率控制方法，該方法通過分析變換器輸入側(cè)電壓矢量對有功功率和無功功率的影響，在一個(gè)控制周期內(nèi)同時(shí)引入兩個(gè)非零矢量和一個(gè)零矢量，得到一個(gè)改進(jìn)矢量表，然后根據(jù)電網(wǎng)電壓位置角所在扇區(qū)、有功功率與無功功率的實(shí)際值和有功功率與無功功率的參考值，從改進(jìn)矢量表中選擇三個(gè)可以同時(shí)減小有功、無功功率實(shí)際值與參考值間誤差的最佳電壓矢量，并根據(jù)有功功率參考值、無功功率參考值計(jì)算各個(gè)矢量的作用時(shí)間。本發(fā)明方法控制算法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，不僅可以明顯減小有功功率波動(dòng)和電流諧波，還可以明顯減小無功功率的波動(dòng)，從而保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)。
【IPC分類】H02M7-219
【公開號】CN104617797
【申請?zhí)枴緾N201510097432
【發(fā)明人】王萌, 祁明艷, 施艷艷, 馬鵬飛, 高金輝
【申請人】河南師范大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年3月5日