赵志旺[1]闫民华[2]张颖超[2]
　　
　　[1]71366部队，孝感（432900）
　　
　　[2]重庆通信学院，重庆(400035)
　　
　　E-mail：zhaozhiwang001@163.com
　　
　　摘要：PWM整流器与交流电机的定子电路有很大的相似性，采用交流电机磁链观测的方法构造出虚拟的电网磁链矢量，可以达到取消交流侧电网电压传感器降低PWM整流器硬件成本的目的。根据交流电机磁链观测器的设计方法,设计了虚拟电网磁链观测器,并构造了基于Matlab/Simulink的三电平PWM整流器虚拟电网磁链直接功率控制的仿真模型。仿真结果验证了观测器的可靠性和控制方案良好的动静态特性。
　　
　　
　　1、引言
　　
　　随着电力电子装置的广泛应用，大量低功率因数的二极管不控整流和晶闸管相控整流设备仅能实现能量的单向输送，对电网的谐波污染严重。可逆PWM整流器不仅具有能量可双向传输、网侧电流正弦及达到单位功率因数等特点，还解决了传统整流装置中存在的诸多问题，近年来越来越受到关注，具有广阔的应用前景。在中高压大功率的应用场合，三电平PWM整流器应用较为广泛，它的功率因数达到1，具有两电平所不可比拟的优点。但是由于PWM整流器、负载及传感器的非线性影响，整流器向电网注入谐波电流，导致功率损耗和电磁辐射的增加，并有可能发生谐振现象。以空间矢量方法为基础，建立基于虚拟磁链的直接功率控制系统，对于优化三电平PWM整流器控制系统结构，减少传感器数量，实现主电路与控制电路的隔离，抑制整流器对电网的谐波干扰，改善功率因数、提高可靠性和减少控制系统成本等均具有重要意义。
　　
　　然而，目前此类研究均着眼于两电平拓扑。此外，由于无网侧电压传感器，整流器启动过程中存在过大的电流冲击。基于该背景，为将虚拟磁链技术应用于三电平拓扑场合，并抑制系统启动过程中的浪涌电流冲击，本文从三电平PWM整流器数学模型出发，推导出了虚拟磁链在三电平PWM整流器控制中的应用方法，并进行了直接功率控制策略仿真分析。
　　
　　2、虚拟电网磁链的引入
　　
　　二极管箝位三电平PWM整流器拓扑如图1所示。
　　
　　按照可能的开关状态，引入三电平整流桥三相桥臂的开关函数sip、sin（i=a,b,c）为：
　　
　　若S1i,S2i开通，S3i,S4i关断，则sip=1,sio=0,sin=0；
　　
　　若S2i,S3i开通，S1i,,S4i关断，则sip=0,sio=1,sin=0；
　　
　　若S3i,S4i开通，S1i,S2i关断，则sip=0,sio=0,sin=1。
　　
　　对于图1所示的三电平PWM整流器来讲，在两相静止坐标系αβ下，由其数学模型容易得到：
　　
　　显然，最直接实现无网侧电压传感器的方法就是通过式（1）计算得到网侧电压e。然而，由于计算式中包含电流的微分项，在实现时极易引入噪声。要得到较为稳定的控制性能，需要相对较大的电抗器抑制电流的快速变化和高速的A/D和MCU以尽可能提高采样频率，实现起来比较困难，特别是在大容量系统中。为解决这一问题，文献[4]提出了虚拟磁链（virtualflux）的概念并将其成功运用于两电平PWM整流器的直接功率控制中，本文将其拓展到三电平拓扑中。
　　
　　如图1所示，将电网和电抗器一起视为一个虚拟的交流电机。网侧电压ea、eb、ec等效为虚拟电机定子绕组的反电势，网侧电抗器中的等效电感Ls和等效电阻Rs分别代表定子漏感和定子电阻。由此，在αβ坐标系下，可求得此电机的虚拟气隙磁链如：
　　

对于三电平PWM整流器，其交流侧电压v可以通过两个直流母线电容电压V_dc1和V_dc2以及三相桥臂开关状态计算得到：

　　通过式（5）可以得到v，然后由式（4），即可在无网侧电压传感器的情况下求得虚拟磁链Ψ。
　　
　　虚拟磁链计算式（4）中没有微分项，而且对电压的积分运算还可以滤除高频扰动；此外，由于磁链是连续量，相对于桥臂交流侧PWM形式的电压，更适合作为反馈量参与控制。因此，对于三电平PWM整流器直接功率控制策略，引入虚拟磁链不仅能实现无网侧电压传感器，而且对网侧电压的扰动具有一定的抑制作用。
　　
　　3、虚拟磁链直接功率控制
　　
　　在三电平的PWM整流器的直接功率控制中，通常网侧电压不仅仅用于定位，而且要用来计算有功和无功功率。省去推导过程，有
　　
　　因此，应用虚拟磁链同样可以完成无网侧电压传感器直接功率控制控制。图2给出了基于虚拟磁链的三电平PWM整流器直接功率控制框图。
　　
　　同样，通过采样网侧电流ia、ib以及整流桥电容电压Vdc1、Vdc2，由式（4）观测虚拟磁链。根据磁链和检测的电流计算得到网侧电压矢量所在扇区θn以及系统的瞬时有功p和无功q。外电压环得到有功功率的参考量p*，无功的参考量q*在单位功率因数下设为零。有功、无功以及中点电位的误差经过滞环比较器分别量化为开关信号Sp、Sq以及Sn，共同查表得到三电平PWM整流桥三相桥臂的开关信号Sa、Sb、Sc，控制整流桥工作。
　　
　　4、仿真研究
　　
　　本文对三电平PWM整流器虚拟磁链直接功率控制策略进行了仿真，仿真所用参数如表1所示。
　　
　　图3给出了仿真结果。其中，图3（a）为网侧相电压（ea）、电流（ia）仿真波形，在0.15s时负载突然由半载加到满载，在0.25s时电路工作在能量回馈模式。可以看出：电压电流相位一致，经计算功率因数在0.99以上。图3（b）给出了满载情况下，网侧电流波形频谱。可以看出，总谐波畸变率约为3.86%。图3（c）给出了直流母线电压（Vdc）波形。可以看出：在突加负载情况时，会引起母线电压的跌落（18V）。
　　
　　仿真结果表明：采用本文所提出的VF-DPC控制策略，能够实现三电平PWM整流器的单位功率因数控制，网侧电流为正弦波。从母线电压波形可以看出，直流环节的动态比较快，负载从半载到满载的突变引起母线电压的跌落约18V左右，比较小。显然，与传统的DPC控制相比，采用VF-DPC策略的三电平PWM整流器动态响应得到一定程度的提高。
　　
　　5、结束语
　　
　　本文在结合传统VOC和虚拟磁链的基础上，为实现无传感器控制，提高系统可靠性和降低成本，推导了三电平PWM整流器中虚拟磁链的观测方法，提出了基于虚拟磁链的三电平PWM整流器无网侧电压传感器的控制方法，并进行了仿真研究。
　　
　　PWM整流器主电路与交流电机的主电路有很大的相似性，类似于交流电机磁场定向矢量控制，在PWM整流器中可以构造一个虚拟电网磁链作为定向矢量,可以省去PWM整流器电网电压定向所必须的交流电压传感器，从而降低了PWM整流器的成本。仿真结果表明：PWM整流器虚拟电网磁链定向的无电网电压传感器矢量控制方案有良好的动静态特性。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]AgirmanI,BlaskoV.AnovelcontrolmethodofaVSCwithoutAClinevoltagesensors.IEEETransactiononIndustryApplications,2003,39(2):519-524.
　　
　　[2]赵仁德,贺益康.无电网电压传感器三相PWM整流器虚拟电网磁链定向矢量控制研究.中国电机工程学报,2005,25(20):56-61.
　　
　　[3]赵仁德,贺益康.PWM整流器虚拟电网磁链定向矢量控制仿真研究.电力系统及其自动化学报,2005,15(5):35-41.
　　
　　[4]MalinowskiM,KazmierkowskiMP,BlaabjergF.VirtualfluxbaseddirectpowercontrolofthreephasePWMrectifiers.IEEETransactionsonIndustryApplications,200137(4):1019~1027.
　　
　　[5]张颖超．中点箝位三电平双PWM变频器控制技术研究．清华大学工学博士学位论文，2008，47-49．
　　
　　[6]何致远,韦巍.基于虚拟磁链的PWM整流器直接功率控制研究.浙江大学学报.2004,38(12):36-41.
　　
　　作者：赵志旺男1982年生，硕士，工程师，河北南宫人，研究方向：电力电子及电力传动
　　
　　地址：湖北省孝昌县71366部队二中队，邮编：432900
　　
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