单相三电平脉冲整流器无锁相环直接功率控制.pdf

第 35 卷 第 7 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.35 No.7 Apr.5,2015 2015 年 4 月 5 日 Proceedings of the CSEE 2015 Chin.Soc.for Elec.Eng.1723 DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.07.021 文章编号：0258-8013(2015)07-1723-09 中图分类号：TM 46 单相三电平脉冲整流器无锁相环直接功率控制 马俊鹏，宋文胜，冯晓云(西南交通大学电气工程学院，四川省 成都市 610031)Direct Power Control of Single-phase Three-level Rectifiers Without Phase Locked Loop MA Junpeng,SONG Wensheng,FENG Xiaoyun(School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,Sichuan Province,China)ABSTRACT:In order to implement active and reactive power decoupling control of single-phase three-level pulse rectifiers without phase-locked loop(PLL),first of all,a single-phase three-level pulse rectifier was modeled with mathematic expressions.Secondly,according to the definition of active and reactive power,a single phase instantaneous power calculation method without PLL was proposed,and the detailed deduction process was shown.On the basis of this,a frequency compensation method was proposed to realize a non-synchronous rotating coordinate system without PLL coordinate transformation.Then,the combination control scheme of the PI control with power feedforward decoupling and a single-phase three-level space vector modulation(SVPWM)embedded neutral voltage balance were adopted for a single-phase three-level pulse rectifier.Finally,the proposed direct power control and SVPWM algorithm without PLL were verified in computer simulations and hardware-in-the-loop experimental tests,the simulation and experiment results have verified the correctness and validity of the algorithm.KEY WORDS:single-phase three-level rectifiers;single phase instantaneous power calculation;power feedforward decoupling;rotating coordinate transformation;space vector modulation 摘要：以单相三电平脉冲整流器为研究对象，以取消网侧电压锁相环，实现有功和无功功率解耦控制为目的，首先，建立单相三电平脉冲整流器数学模型。其次，根据有功和无功功率定义，提出一种单相无锁相环(phase-locked loop，PLL)瞬时功率计算方法，并给出详细证明过程，在此基础上，提出一种频率补偿算法，以实现无锁相环非同步旋转坐标系坐 基金项目：国家自然科学基金项目(51207131,51277153)；中央高校基本科研业务费(2682013ZT19,2682013CX017)；高铁联合基金重点项目(U11344205)。Project Supported by National Natural Science Foundation of China(51207131,51277153);Research Funds for the Central Universities(2682013ZT19,2682013CX017);High Speed Railway Union Foundation Project(U11344205).标变换。然后，分析了基于功率前馈解耦的 PI 控制与内嵌中点电位平衡的单相三电平空间矢量调制(space vector pulse width modulation，SVPWM)相结合的单相三电平脉冲整流器控制策略。最后，对所提出的无锁相环直接功率控制与 SVPWM 算法进行了计算机仿真和半实物实验验证，仿真和实验结果都验证了该算法的正确性和有效性。关键词：单相三电平脉冲整流器；单相瞬时功率计算；功率前馈解耦；旋转坐标变换；空间矢量调制 0 引言 直接功率控制(direct power control，DPC)由于算法简单、动态响应快等优点，被广泛应用于三相整流器系统中，该算法是由日本学者 Ohnishi 于 20世纪 90 年代首次提出，并被应用于三相变流器的一类新型控制策略1。该算法源于逆变器电机系统的直接转矩控制(direct torque control，DTC)，借鉴DTC 算法中磁链与转矩直接控制的思想，DPC 算法以瞬时功率理论为基础，以直接控制有功功率和无功功率为手段，可实现脉冲整流器网侧单位功率因数和直流侧电压恒定2。由于传统的 DPC 算法与DTC 算法相类似，采用滞环开关表控制有功和无功功率，虽然其控制算法简单，响应速度快，但其开关频率不固定，谐波分布不规律，不利于滤波器设计2。为此，国内外学者开展大量的优化工作，文献3基于 DPC 算法，为控制三电平整流器中点电位、优化开关表，避免电压跳变，实现中点电位平衡控制；文献4-7利用空间矢量调制(space vector pulse width modulation，SVPWM)算法，结合直接功率控制，实现了开关频率恒定控制。其中文献4采用内环功率比例积分(proportional integral，PI)控制，降低了采样频率，实现了定频直接功率控制，但由于内环有功功率与无功功率互相耦合，降低了功率内环的控制精度，增加了 PI 控制器的负担。文1724 中 国 电 机 工 程 学 报 第 35 卷 献5给出了一种新的 DPC 算法，内环直接控制电流，以提高 DPC 的电流控制精度，但该方法内环共有4个PI控制器，增加了算法的复杂度。文献6-7采用功率预测算法，取消内环 PI 控制器，并结合SVPWM 算法，不但实现了定频直接功率控制，减小 PI 控制器的个数，而且还提高控制系统的响应速度。文献8-10提出了模型预测直接功率控制，使电流控制精度及响应速度得到进一步提高。然而，上述算法都是围绕三相变流器，但作为轨道交通领域的高速列车中广泛应用的单相脉冲整流器，目前其广泛应用的控制算法仍然是电压电流控制11-14，DPC 算法在单相脉冲整流器中的研究还不成熟，国内外仅有少量文献报道15-17。例如，文献15介绍了基于模糊规则的 DPC 算法，该算法通过模糊规则选择开关状态，仍然存在开关频率不固定的缺点；文献16-17以单相两电平整流器为研究对象，利用微控制器存储网侧电压电流信号，构造与网侧电压、电流正交的虚拟电压电流分量，以实现瞬时功率计算，主要的缺点是占用过多的控制器存储空间，无法实时求解瞬时功率，且电流畸变较大时功率计算不准确，并且文献15-17均以单相两电平整流器为研究对象，无需考虑中点电位平衡问题。而且，脉冲整流器若采用 DPC+SVPWM 算法，均需旋转坐标变换，故而需要锁相环(phase locked loop，PLL)，以获得网压的频率和相位。文献18-19给出了两种实现单相网压锁相的方法。其中，文献18通过查询正余弦表方法虚拟与网压正交的信号，实现了网压锁相；文献19采用 FIR 滤波器实现线性相移虚拟与网压正交的信号，进而实现锁相。虽然文献18-19给出的算法均能实现网压锁相，但其均占用了过多的存储器空间，且增加了算法的复杂度，并且在网压幅值突变时会影响相位跟踪效果，进而降低整流器的控制效果。因此，针对以上问题，本文提出一种适合单相三电平整流器的直接功率控制算法，该方法无需网侧电压锁相环，即可实现瞬时有功和无功功率计算，避免了单相锁相环的缺点，提高了瞬时功率计算精度；同时，为了减轻内环 PI 控制器负担，采用基于功率前馈的有功无功解耦控制，提高响应速度及鲁棒性，并提出一种频率补偿算法，实现了无锁相环非同步旋转坐标系的坐标变换算法，结合嵌入中点电位平衡的 SVPWM 算法20，实现开关频率固定和中点电位平衡控制，为验证所提出的算法正确性，对该算法进行了计算机和半实物实验验证。1 单相三电平整流器数学模型 单相三电平整流器主电路如图 1 所示。图中：i，u 分别为牵引变压器二次侧输出电流和空载电压；uab为整流器输入电压；L、R 分别为牵引变压器二次侧等效电感和电阻；C1、C2为直流侧上下两端支撑电容；RL为整流器侧等效负载。LRauabS1aS2aS3aS4aS1bS2bS3bS4bbC1C2oRLpnudcudc1udc2ipioinui 图 1 单相三电平整流器主电路 Fig.1 Single-phase three-level rectifier 设为网侧电压基波角频率，um、im分别为网侧电压与电流的基波幅值，则网侧电压与电流的基波分量可分别表示为 msin()uut=(1)msin(+)sin()cos()dqiititit=+(2)其中，mmcossindqiiii=(3)整流器输入端电压uab可以表示为 ababmababdabqsin()sin()cos()uututut=+=+(4)其中，ababmabababmabcossindquuuu=(5)根据基尔霍夫电压定律(Kirchhoff voltage law，KVL)，可得 abddiLuRiut=(6)将式(1)、(2)代入式(6)中，可得整流器在d-q坐标系下的数学模型为 abmabdddddddqqqqdiuuRiLLitiuRiLLit=+=(7)2 单相无锁相环瞬时功率计算 由有功功率和无功功率定义，可得 第 7 期 马俊鹏等：单相三电平脉冲整流器无锁相环直接功率控制 1725 m mm mcos/2sin/2Pu iQu i=(8)式中P、Q分别为有功功率和无功功率。由式(3)、(8)，根据三角函数关系，可得 mm/2/2dqPu iQu i=(9)设控制器以本地时钟发出正弦信号和余弦信号分别为sin(0t+0)、cos(0t+0)，其中0为标称工频下的角频率，0为相对网侧基波电压的初始相位差。将网侧电压及电流分别乘以sin(0t+0)及cos(0t+0)，根据积化和差公式，可得 sinmm0c00000s0omm0sin()()1 cos(+si)c