PWM整流器预测无差拍直接功率控制_张永昌
第17卷第12期
2013年12月电机与控制学报
ElectricMachinesandControlVol.17No.12
Dec．2013
PWM整流器预测无差拍直接功率控制
张永昌，谢伟，李正熙
（北方工业大学电力电子与电气传动北京市工程研究中心，北京100144）
摘要:针对PWM整流器采用直接功率控制时存在的稳态纹波大、采样率高和开关频率低等问
题，结合占空比调制和无差拍控制的概念提出一种改进的直接功率控制方法。通过分析不同电压
矢量对功率变化的影响，提出在每个控制周期内同时作用一个非零矢量和一个零矢量，其中非零矢
量从传统的矢量表直接功率控制获得。该非零矢量的优化作用时间通过对有功功率实行预测无差
拍控制而解析得到。搭建了两电平PWM整流器平台对传统直接功率控制和预测无差拍直接功率
控制进行对比研究。仿真和实验结果表明，相比传统基于矢量表的直接功率控制，预测无差拍直接
功率控制能够显著减小功率脉动和电流谐波，而且动态响应迅速，简单易实现，是一种性能优良的
功率控制方法。
关键词:PWM整流器;直接功率控制;无差拍控制;预测控制
中图分类号：TM46文献标志码：A文章编号：1007－449X（2013）12－0057－07
PredictivedeadbeatdirectpowercontrolofPWMrectifier
ZHANGYong-chang，XIEWei，LIZheng-xi
（PowerElectronicsandMotorDriveEngineeringＲesearchCenterofBeijing，
NorthChinaUniversityofTechnology，Beijing100144，China）
Abstract：Tosolvetheproblemsofhighsteadyripple，highsamplingfrequencyandlowswitchingfre-
quencyfordirectpowercontrolled（DPC）pulsewidthmodulation（PWM）rectifier，animprovedDPCis
proposedbycombiningtheconceptofdutycyclecontrolanddeadbeatcontrol．Afteranalyzingtheinflu-
encesofvariousvoltagevectorsonpowerslopes，itissuggestedtoapplyonenon-zerovoltagevectorand
onezerovoltagevectorsimultaneouslyduringonecontrolperiod．Thenon-zerovectorwasobtainedfrom
conventionalswitching-table-basedDPCanditsdurationwasobtainedbasedontheprincipleofdeadbeat
controlofactivepower．Atwo-levelPWMrectifierplatformwasestablishedtocomparativelystudythe
performancesofconventionalDPCandtheproposedpredictivedeadbeatDPC．Bothsimulationandexper-
imentalresultsprovethat，comparedtoconventionalDPC，thepredictivedeadbeatDPCisabletoreduce
bothpowerripplesandcurrentharmonicssignificantlyandfeaturesquickdynamicresponsewithsimple
implementation．Hence，theproposedpredictivedeadbeatDPCisanexcellentpowercontrolmethodwith
goodperformances．
Keywords：PWMrectifier；directpowercontrol；deadbeatcontrol；predictivecontrol
收稿日期：2013－01－12基金项目:国家自然科学基金(51207003，51347004);北京市科技新星计划(xx2013001)作者简介:张永昌(1982—)，男，博士，副教授，研究方向为电力电子与电机控制;谢伟(1988—)，男，硕士研究生，研究方向为PWM整流器;李正熙(1955—)，男，博士，教授，研究方向为电气传动和智能交通。通讯作者:张永昌DOI:10.15938/j.emc.2013.12.0090引言
相比二极管不控电压整流，电压型PWM整流
器具有网侧电流谐波小、直流电压输出恒定、功率因
数可控和能量双向流动等优点［1－2］，可以有效地实
现绿色电能变换。目前，PWM整流器已经在电机变
频调速［3］、微电网系统［4］、有源滤波器［5］、高压直流
输电［6］和新能源并网发电［7］等场合得到了广泛应
用。由于PWM整流器的广泛应用价值，国内外学
者从不同的角度出发对其控制方式进行了深入研
究，提出了各种各样的控制理论和方法。
PWM整流器的经典控制方法主要包括电网电
压定向控制（voltageorientedcontrol，VOC）［8］和直
接功率控制（directpowercontrol，DPC）［9］。VOC通
过坐标旋转变换和电网电压定向可以把网侧电流分
解成有功分量和无功分量，然后采用比例积分控制
器（proportionalintegral，PI）对二者分别进行调节，
实现有功和无功的解耦控制。VOC可以获得良好
的动态响应和稳态性能，但是其控制效果对电流内
环的PI系数依赖性较强。与VOC不同，DPC是在
瞬时功率理论的基础上，通过分析整流器交流侧电
压矢量对有功和无功的影响，得到一个优化的矢量
表，然后根据电网电压的位置从矢量表中优化选择
一个可以同时减小有功和无功与给定值间误差的电
压矢量。DPC不需要电流内环及其整定，动态响应
快速，但具有较大的稳态纹波，其控制效果依赖于矢
量表的精确程度［4，10－11］，通常需要较高的采样频率
才能获得相对满意的控制效果［12］。为了提高非理
想电网电压时的控制效果，后来又发展出来虚拟磁
链定向控制（virtualfluxorientedcontrol，VFOC）和
基于虚拟磁链定向的直接功率控制（virtualfluxdi-
rectpowercontrol，VF－DPC），其控制结构与经典的
VOC和DPC完全类似，仅定向方式发生了改变［3］。
近年来，随着控制理论的发展和对PWM整流
器研究的深入，一些新的方法被提出来用于PWM
整流器控制，包括基于空间矢量调制的DPC（space
vectormodulationDPC，SVM－DPC）［13］、无源性控
制［14］、模糊控制［15］和模型预测控制［16－18］等等。这
些方法在提高PWM整流器控制性能的同时，也在
不同程度上增加了系统的复杂性和实现难度。
由于经典的DPC具有结构简单和动态响应快
的优点，如果能够在维持其基本结构的基础上通过
适当改进来获得稳态性能的改善并同时维持其快速
响应，则将是一种很有吸引力和应用价值的方法，这
也正是本文的出发点之一。在电机控制的研究中已经发现通过在一个控制周期同时引入非零矢量和零
矢量，可以有效地减小稳态脉动［19－20］。但到目前为
止，这种思想在PWM整流器控制中的研究尚不多
见，其有效性也需要进一步的理论分析和实验验证。
基于此，本文首先建立了PWM整流器的功率预测
模型，并分析了不同的电压矢量对有功和无功功率
变化的影响。然后提出一种基于占空比调制的
DPC，通过在一个控制周期中引入零矢量并优化矢
量的作用时间和作用次序，以达到改善稳态性能的
效果。最后通过仿真和实验对其有效性进行验证。
1预测无差拍直接功率控制
1.1功率预测模型
三相电压型PWM整流器的主电路如图1所
示。其中ea，eb和ec为网侧三相交流电压，L和Ｒ
分别为三相交流电抗器的电感和等效电阻。
负载LReaeb
ec
图1三相电压型PWM整流器电路
Fig．1Circuitofthree-phasevoltagesourcePWMrectifier
通过三相/二相坐标变换，可以得到在两相静止
αβ坐标上的PWM整流器数学模型为
e=Ｒi+Ldidt+v。（1）
式中，e、i和v分别为网侧电压矢量、网侧电流矢量
和整流器交流侧输出电压矢量。根据瞬时功率理
论［21］，网侧复功率S可以表示为
S=p+jq=1.5（i*e）。（2）
对S进行分解，可得瞬时有功p和瞬时无功q
分别为
p=1．5Ｒe（i*e）=1.5（i⊙e），
q=1.5Im（i*e）=1.5（ie}
）。（3）
在DPC中，对功率及其导数进行分析有助于得
到不同电压矢量对有功和无功的影响。为此对
式（2）进行微分，省略推导过程并假设三相电网电
压平衡且正弦，结合式（1）可以得到复功率的微
分［12］为
dSdt=1L［1.
5（|e|2－v*e）－（Ｒ－jωL）S］。（4）
分解式（4）为实部和虚部，可得85电机与控制学报第17卷dpdt=32L［|e|2－Ｒe（v*e）］－ＲLp－ωq，
dqdt=－32LIm（v*e）－ＲLq+ωp}
。（5）
式（5）为预测施加不同电压矢量时有功和无功
的变化提供了依据。
1.2电压矢量对功率的影响
根据式（5）可以得出在有功功率为1000W和
无功功率为零时不同电压矢量的有功和无功变化
率，如图2所示。其中具体用到的PWM整流器参
数与本文仿真和实验部分所用到的参数一致。
从图2中可以直观看出，零矢量产生的有功和
无功变化比较小，也就是说在稳态时充分利用零矢
量对有功和无功变化带来的平缓作用，可以有效地
减小功率纹波，改善稳态性能。而传统矢量表DPC
在一个周期内施加同一个矢量，其对有功和无功的
调节过强或过弱，直接表现为稳态时有较大的功率
脉动。因此，在一个控制周期内同时引入矢量表选
择的非零矢量和一个零矢量，则可以更加精细和平
滑地对有功和无功进行调节。
8%0006%0004%0002%0000-2%000dqdt/（kVar·s-1）V4V5V6V1V2V3V4
V0，7
360300240180120600电网电压矢量角度/（°）（a）有功变化率6%0004%0002%0000-2%000-4%000V3V4扇区1扇区2V5扇区3V6扇区4V1扇区5V2扇区6V0，7
360300240180120600电网电压矢量角度/（°）（b）无功变化率dpdt/（kW·s-1）
图2不同电压矢量的有功/无功变化率
Fig．2Slopesofactive/reactivepowerforvarious
rectifiervoltageBlockdiagramofFLC
1.3电压矢量选择
本文提出的预测无差拍直接功率控制包括两个
步骤。第一步与传统矢量表DPC类似，即根据电网
电压角度和有功/无功指令值与反馈值的误差，从预
定的矢量表中选择出能够减小有功/无功误差的电
压矢量。早期关于两电平PWM整流器的矢量表［9］
存在一些缺陷，尤其是在增加有功同时减小无功时
内环采用改进无差拍控制的单相PWM整流器控制方法
• 111
•ELECTRONICS WORLD・技术交流
针对单相PWM整流器提出了一种改进无差拍控制算法，该算法在无差拍算法的基础上引入了电流校正算法，电流校正算法用于减小无差拍控制算法中采样误差对电流控制产生的影响，提高电流预测精度。改进的无差拍控制算法可以有效的消除控制延时，提高系统的响应速度和改善系统控制性能。最后对所提出的算法在MATLAB/simu-link上进行仿真分析，验证了该算法的准确性和有效性。1.引言PWM整流器具有能量双向流动、直流侧电压稳定、功率因数可调等优点，因此被广泛应用于功率因数补偿和新能源发电系统中（Chang C W,Lin H W,Chen S K.Modeling characteristics of harmonic currents generated by high-speed railway traction drive converters:IEEE Transactions on Power Delivery,2004；张兴，张崇巍，PWM整流器及其控制：机械工业出版社，2012；Rodriguez J R,Dixon J W,Espinoza J R,et al.PWM regenerative rectifier:State of the art:IEEE Transactions on Industrial Electronics,2005）。PWM整流器的控制算法多为双闭环控制。外环一般采用电压外环控制，包括电压反馈外环、电压平外环（王恩德，黄声华，三相电压型PWM整流的新型双闭环控制策略：中国电机工程学报，2012）、电容储能外环（姜卫东，李王敏，佘阳阳，等.直流电容储能反馈和负载功率前馈的PWM整流器控制策略：电工技术学报，2015）等。不同控制方法最大的区别就在于对电流的控制上，因此电流控制对系统的性能的好坏起到重要作用。电流控制方法主要有dq坐标系下的PI控制（宋文胜，冯晓云，谢望玉，单相三电平整流器dq坐标下的控制与SVPWM方法：电机与控制学报，2012）、滞环电流控制（宋卫章，黄骏，钟彦儒，等.带中点电位平衡控制的Vienna整流器滞环电流控制方法：电网技术，2013）、预测电流控制（杨立永，杨烁，张卫平，等.单相PWM整流器改进无差拍电流预测控制方法：中国电机工程学报，2015）。电流PI控制可以实现PWM整流器直流侧电压稳定和单位功率因数目标，但其动态响应较慢，PI控制器存在的延时会对系统控制产生不良影响。滞环电流控制的系统结构简单、电流响应速度较快、鲁棒性强，但其开关频率不固定对系统产生不良影响。预测电流控制动态响应较快，系统开关频率固定，但其计算量相对较大，随着数字信号处理器的发展，该方案逐渐成为研究的热点。无差拍控制(deadbeat control)（李春龙，沈颂华,卢家林，等.基于状态观测器的PWM整流器电流环无差拍控制技术：电工技术学报，2006；Zhang Y C,Xie W,Zhang Y C.Deadbeat direct power control of three-phase pulse-width modulation rectifiers:IET Power Electron-ics,2014；张学广，王瑞，徐殿国，并联型三相PWM变换器环流无差拍控制策略：中国电机工程学报，2013）是一种典型的离散型数字控制策略，在每一个采样周期，通过当前采样值和要求的下一周期参考值预测下一周期的输出值。其优点在算法易于数字实现、动态响应好、数学推导严密等。但在现实过程中，会给系统带来较大的控制误差，影响电流控制精度和系统响应速度。本文首先介绍了单相PWM整流器在同步旋转轴d-q坐标系下的数学模型，在无差拍控制算法的基础上引入了电流校正算法，电流校正算法用于减小无差拍控制算法中采样误差对电流控制产生的影响，提高电流预测精度电流。改进的无差拍控制算法可以有效消除控制延时，提高系统的响应速度和改善系统控制性能。2.单相PWM整流器数学模型
基于模型预测控制的PWM整流器控制
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基于模型预测控制的PWM整流器控制
作者：顾庆涛 许宇龙
来源：《科技风》2018年第23期
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摘 要：对于传统的整流器控制，均采用基于矢量控制、滞环控制抑或直接功率控制等控制方法進行研究的，在精度上和响应速度上均受到较大的限制。本文针对模型预测控制在PWM整流器上的应用进行了详细的阐述，详细解析了基于功率模型的整流器预测控制策略，龙源期刊网
从理论分析上验证了该策略的有效性。该策略克服了传统控制策略下整流器控制精度低，响应速度慢等特点。表现出良好的优越性。
关键词：模型预测控制；PWM整流器
由于模型预测控制在控制上得天独厚的优点，考虑到现有的PWM整流器在传统控制中的诸多缺陷，人们逐步实践将MPC应用于这些电力电子系统中。同时，由于早年间的控制器在计算能力上的不足，导致了预测控制在这些领域只能应用在动态响应区间较为宽松的系统下作用。[1]随着控制理论技术的发展，结合电力电子系统的特点，提出了脱离传统控制影响的MPC控制，[3]得到了具有更快动态响应，更灵活的目标优化以及更好的脉冲发射效果。同时，在预测控制的逐步发展中，逐步的将各种输入约束转变为对某一目标函数求极值的问题，即：
该思路极大的提升了预测控制的便捷性，提升了控制效率。[4]本文针对模型预测控制在整流器的的应用上进行了详细的分析。给出了基于模型预测控制的具体思路。
1 整流器数学模型
三相PWM整流器的控制结构如图所示，每次有两个开关管导通，且每一组上下两个不能同时导通。[5]
2 模型预测控制的整流器控制
经过上面的分析可以看出，模型预测控制主要有四个重要特征：具有预测模型；在有限时域内滚动优化；完整有效的价值函数以及具有反馈校正。[6]
（1）具有预测模型。确立正确的模型是执行预测控制的第一步，只有准确完整的建立预测模型，才是保证预测控制的基本，因此，模型预测控制需要首先对系统建立预测模型。
三相电压型PWM整流器设计与仿真
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—————————————————————————————————————— 三相电压型PWM整流器设计与仿真
1 绪论
随着功率半导体器件技术的进步，电力电子变流装置技术得到了快速发展，出现了以脉宽调制（PWM）控制为基础的各种变流装置，如变频器、逆变电源，高频开关电源以及各类特种变流器等，电力电子装置在国民经济各领域取得了广泛的应用，但是这些装置的使用会对电网造成严重的谐波污染问题。传统的整流方式会无论是二极管不控整流还是晶闸管相控整流电路能量均不能双向传递，不仅降低能源的利用率还会增加一定的污染，主要缺点是：
1）无功功率的增加造成了装置功率因素降低，会导致损耗增加，降低电力装置的利用率等；
2）谐波会引起系统内部相关器件的误动作，使得电能的计量出现误差，外部对信号产生严重干扰；
3）传统的结构，能量只能单向流动，使得控制系统的能量利用率不高，不能起到节能减排的作用。
电网污染的日益严重引起了各国的高度重视，许多国家都已经制定了限制谐波的国家标准，国际电气电子工程师协会(IEEE)，国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)纷纷推出了自己的谐波标准。国际电工学会于1988年对谐波标准IEC555-2进行了修正，欧洲制定IEC1000-3-2标准。我国国家技术监督局也于1994年颁布了《电能质量公用电网谐》标准(GB/T 14549-93)，传统变流装置大多数已不符合------------------------------------------------------------------------------------------------
基于状态观测器的PWM整流器电流环无差拍控制技术
基于状态观测器的PWM整流器电流环无差拍控制技术
李春龙;沈颂华;卢家林;张建荣;白小青;石涛
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2006(021)012
【摘 要】由零阶保持器及计算时间产生的控制延时是数字控制的固有缺点,将会导致系统振荡以至不稳定.传统电流状态观测器由于其本质是开环观测器,预测效果不甚理想.为补偿延时,一种基于新型状态观测器的方法被提出.该方法首先分析了一个开关周期内的电流变化情况,然后通过在一个开关周期的中间时刻采样获得新输出变量来校正观测误差,据此得到观测器从而预测下一开关周期电流值.此方法消除延时影响不仅使系统稳定,且对给定电流输入可取得无差拍响应.1kW的能量回馈型交流电子负载样机被用于验证该方法,样机采用25kHz的开关频率和TMS320F2812
DSP控制芯片,仿真和样机实验都验证了理论分析的正确性.
【总页数】6页(P84-89)
【作 者】李春龙;沈颂华;卢家林;张建荣;白小青;石涛
【作者单位】北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京,100083;北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京,100083;西安爱科电子有限公司,西安,710119;西安爱科电子有限公司,西安,710119;西安爱科电子有限公司,西安,710119;西安爱科电子有限公司,西安,710119
【正文语种】中 文
【中图分类】TM3 【相关文献】
1.扩张状态观测器在电压型PWM整流器中的应用 [J], 田香军;王久和;唐义;闫健
2.基于重复观测器的PWM整流器无差拍控制 [J], 高吉磊;黄先进;林飞;郑琼林
3.SVPWM整流器的无差拍控制技术 [J], 张辑;魏盛彪;孙祖明
4.基于无差拍预测电流过零点的PWM整流器无死区控制策略研究 [J], 张莉莎; 贺子航
5.基于离散趋近律与无差拍双闭环结构的单相LCL型PWM整流器控制策略 [J],
感应电机模型预测直接速度控制
感应电机模型预测直接速度控制
张昊男;张永昌;布佳龙;王兴
【期刊名称】《电气工程学报》
【年(卷),期】2024(19)1
【摘 要】传统的模型预测转矩控制具有原理简单、动态响应快和控制灵活等优点,在感应电机高性能控制中得到了广泛研究。但是,现有方法一般通过转速外环来得到转矩参考指令,而转矩和磁链跟踪则通过内环的模型预测控制来实现。这种双闭环级联结构虽然保证了系统的稳定性,但存在内外环互相影响、调试参数较多等缺点。针对上述问题,舍去了传统控制方案中的双闭环串联结构,提出一种仅包括单个控制回路的模型预测直接速度控制方法。通过在价值函数中引入定子磁链误差和转子转速误差,实现了对不同时间尺度的转速和磁链的同时控制,具有结构简单、调试参数少等优点。另外,通过引入负载转矩观测器,提高了转速控制的稳态性能。相比传统模型预测转矩控制,提出的模型预测直接速度控制转矩和转速脉动显著减小,另外在全速范围具有更小的电流谐波,其有效性通过试验进行了验证。
【总页数】8页(P133-140)
【作 者】张昊男;张永昌;布佳龙;王兴
【作者单位】华北电力大学电气与电子工程学院
【正文语种】中 文
【中图分类】TM351
【相关文献】 1.基于空间矢量调制的感应电机无速度传感器模型预测磁链控制2.鼠笼式感应电机模型预测直接转矩控制3.基于双滑模估计的主从结构共轴双电机模型预测直接转矩控制无速度传感器控制策略4.基于占空比调制的感应电机直接转矩控制与模型预测转矩控制研究5.基于定子磁链滑模观测器的无速度传感器感应电机模型预测控制
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SVPWM整流器的无差拍控制技术
、ｌ选 訇 化
ＳＶＰＷＭ整流器的无差拍控制技术
Ｄｅａｄ ｂｅａｔ ｃｏｎｔｒｏＩ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ｓｖｐｗｍ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ
张辑 ，魏盛彪 ，孙祖明
ＺＨＡＮＧ ．ＷＥＩ Ｓｈｅｎｇ．ｂｉａｏ 。ＳＵＮ Ｚｕ—ｍｉｎｇ
（１．厦门理工学院电子与电气工程系，厦门３６１０２４；２．福建省南平电业局，南平３５０００３； ３．北京煤炭科学研究院，北京１０００１３） 摘要：为了便于ＰＷＭ整流器控制策略的数字实现，本文提出了一种ＳＶＰＷＭ整流器的无差拍控制策 略。为分析无差拍控制，本文推导了三相ＰｗＭ整流器的离散数学模型，提出了在ｄｑ坐标系进 行无差拍控制的方法，由于控制量是直流量，稳态时就省去了预测环节。在ＭＡＴＬＡＢ下的仿 真结果证明了控制方法的有效性，且可达到良好的动静态效果。 关键词：无差拍控制；ＰＷＭ整流器；离散数学模型 中图分类号：ＴＰ３９１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ００９—０１ ３４（２０１ ０）Ｏ６一Ｏ２３６—０３
Ｄｏｉ：１ ０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１ ０．０６．７８
０引言
在电能变换技术中，传统的二极管和相控整
流会产生大量谐波，而ＰＷＭ整流器可以克服这一
缺点，其输入电网电流接近正弦并且功率因数可
调（可实现单位功率因数），与逆变器结合可以实
现四象限运行。因此，ＰＷＭ整流器被越来越多的
应用于工业生产中，而ＰＷＭ整流器控制策略也成
为国内外研究的热点…。现在，研究的较多的是
矢量控制。这种方法采用ＰＩ调节器作为控制的主
要元件，控制简单。但是，研究便于数字实现的
文献却比较少。为了便于ＰＷＭ整流器控制策略的
数字实现，本文研究了ＰＷＭ整流器的无差拍控制
策略。无差拍控制是一种通过状态的数字瞬时反
馈，利用微处理器的高速数值计算功能实现的全
数字化控制方式。它较之其他的数字反馈控制方
法具有更快的动态响应等优点，可以大大的提高
单相PWM整流器直接电流控制策略的研究
龙源期刊网
单相PWM整流器直接电流控制策略的研究
作者：张荣佳 刘春海 王莹等
来源：《电子世界》2013年第17期
【摘要】通过对单相PWM整流器的控制思路的提出，分析并总结了单相PWM整流器直接电流控制的几种控制策略，分析了每种策略的工作原理和优缺点，并总结和展望了单相PWM整流器直接电流控制技术的发展趋势。
【关键词】单相PWM整流器；直接电流控制
1.前言
随着电力电子技术的发展，功率电子设备的应用越来越广泛，致使大量的非线性负载涌入电网，给电力系统的电压和电流都带来了越来越严重的谐波污染。而PWM整流器提高了系统的功率因数，降低了对电网的谐波污染，得到了人们的重视。
根据输入电感电流状态PWM整流器可分为电流断续工作模式（DCM）和电流连续工作模式（CCM），由于CCM模式具有输入输出电流纹波小、滤波容易、器件导通损耗小、适用于大功率场合等优点，得到了更多地关注。在CCM模式中，根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈量，又可分为直接电流控制和间接电流控制。间接电流控制结构简单、无需电流传感器，但是它最大的缺点是电流动态响应缓慢，甚至交流侧电流中含有直流分量，且对系统参数波动较敏感。相对于间接电流控制，直接电流控制把整流器的输入电流作为反馈和被控量，形成电流闭环 控制，使电流动、静态性能得到了提高，同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感，从而增强了电流控制系统的鲁棒性[2][3]。所以，直接电流控制技术有着非常广阔的应用前景和使用价值。
2.单相电压PWM整流器原理框图
单相电压型PWM整流器的拓扑结构如图1所示，它主要由三部分组成：交流回路、功率开关桥路、直流回路。其中交流回路包括交流电动势、网侧电阻及网侧电感等；直流回路包括由电感和电容组成的串联谐振电路用来滤除电网的2次谐波分量、滤波电容及负载等；功率开关桥路由四个反并联二极管的IGBT组成[1]。
PWM 整流器电流控制技术
2.3 PWM整流器电流控制技术
由以上对三相PWM整流器的建模分析可知，PWM整流器能同时完成直流
电压和交流侧电流的控制。目前，间接电流控制和直接电流控制是VSR两种主
要的控制策略[30]。间接电流策略简单，不需要进行电流反馈，依据电路关系，
通过对整流器交流侧基波电压的控制来控制交流侧电流。但间接电流控制主要
缺点是电流动态响应慢，依赖于电路参数的准确性。直接电流控制包括：滞环
电流控制、固定开关频率电流控制、空间矢量电流控制等，这些策略能够实现
电流快速响应，具有较好的动态相应性能。
2.3.1 PWM整流器间接电流控制技术
间接电流控制通过对PWM整流器交流侧基波电压的控制，实现对交流侧
电流的控制，该控制策略无需对交流侧电流进行采样闭环，因而是一种相对简
单的VSR电流控制方案[31]。 设三相对称，以A相为例，设A相交流输入电压为E，交流侧电流为I，
滤波电感为L，线路电阻为R，整流器交流侧基波电压为V，则由戴维南电压
定律可得：
()jLREVI (2-33) 当E、L、R确定时，通过PWM控制VSR输出的交流侧基波电压V，便能间接控制交流侧电流I。设：
()sin()()sin()EtEtItIt (2-34)
则根据(2-33)式可计算得此时VSR交流基波电压瞬时表达式为：
()sin()sin()sin()2VtEtLItRIt (2-35)
从而，如果可以控制VSR交流侧输出式(2-35)所描述的基波电压，则此时
交流侧的电流即为()sin()ItIt。通过该控制角值便能实现对功率因素的
控制，当角等于0时，PWM整流器属于单位功率因数运行状态。使用SPWM
算法，设三角载波的幅值为±UT，当载波频率足够高时，可忽略VSR交流侧的
谐波电压，当A相的调制正弦信号为：
()sin()mamutUt (2-36)
则与其对应VSR交流侧基波电压表达式为：
PWM整流器电流控制策略的研究
PWM整流器电流控制策略的研究
张笑微1 李永东2 刘 军2
(11西南科技大学 621002 21清华大学 100084)
摘 要 对三相电压型PWM整流器的电流控制策略进行了研究,提出在两相静止坐标系下
的预测电流控制和同步旋转坐标系下的PI调节直接电流控制策略,并对这两种控制器的性能进
行了比较研究,最后给出仿真和实验结果。
关键词 PWM整流器 预测电流控制 PI调节直接电流控制
四川省应用基础研究计划课题(02GY0292020)1 引言
三相电压型PWM整流器的控制可以达到直流
端电压稳定、线电流正弦、功率因数可控。其控制
从本质上来说是对交流侧电流的控制,电流控制的
目的是使交流侧电流跟踪电流给定。根据在控制环
节中是否采用电流闭环,可以把变流器的电流控制
策略分为间接电流控制和直接电流控制[1～3]。间
接电流控制是通过控制调制电压的幅值和控制调制
电压与电源电压的相对位移来控制输出直流电压和
功率因数的目的,虽可以省去电路中昂贵的电流传
感器,但它的动态性能不够好,在暂态过程中,交
流侧电流会产生直流偏移,仅适合于控制性能要求
不高,对动态响应要求低的应用场合。直接电流控
制在电路的输入端引入了交流电流反馈,具有快速
动态响应,开关模式良好,控制电路结构较简单等
优点。
2 直接电流控制策略
211 两相静止坐标系下的预测电流控制
三相静止坐标系下的预测电流控制在20世纪
80年代末研究得比较多,但是由于它采用的是电
压正弦PWM调制,故电压利用率只能到达
01866。本文采用两相静止坐标系下的预测电流控制,使用空间电压矢量PWM方法,直流电压利用
率可以到达1,扩大了系统的带载稳定范围,增加
系统的调节能力。
采用坐标系变换,将ABC坐标系下的三相系统变换到两相α2β静止坐标系中,遵循变换前后功
率不变原则,对三相电压型PWM的数学模型进行
3s/2s变换,可得α2β坐标系下变流器的数学模型
Z1pX1=A1X1+u1(1)
式中Z1=diag{Ls Ls Cd}
三电平PWM整流器多模型预测控制方法
三电平PWM整流器多模型预测控制方法
曹晓冬;谭国俊;王从刚;李浩
【摘 要】针对PWM整流器滤波电感、等效电阻等参数失配时高性能控制问题,在模型预测控制的基础上引入多模型自适应环节,提出一种三电平PWM整流器多模型预测控制方法.在该方案中,根据整流器模型参数实测值及其波动范围建立多模型集,由各子模型预测输出与整流器系统实际输出偏差,确定与实际系统模型匹配度较高的多个子模型,加权求和后即可确定最优系统参数.针对多模型自适应控制与模型预测控制相结合引起的大负荷在线计算问题,提出一种在线优化多模型预测控制方法,分别设计了在线优化移动子集和多电平快速预测控制方法对其进行简化.最后,实验结果表明所提控制策略的正确性和有效性.
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2014(029)008
【总页数】9页(P142-150)
【关键词】PWM整流器;多模型预测控制;移动子集;无差拍控制
【作 者】曹晓冬;谭国俊;王从刚;李浩
【作者单位】中国矿业大学信息与电气工程学院 徐州 221008;中国矿业大学信息与电气工程学院 徐州 221008;中国矿业大学信息与电气工程学院 徐州 221008;中国矿业大学信息与电气工程学院 徐州 221008
【正文语种】中 文
【中图分类】TM461
1 引言
三电平PWM 整流器以其输入单位功率因数、网侧电流畸变率低以及dv/dt 冲击小等特点广泛应用于中、大容量的电力电子系统中。为保证PWM整流器静、动态性能，国内外学者对其控制策略进行了深入研究，主要包括:电压电流双闭环控制[1]、开关表滞环控制[2,3]以及模型预测控制[4,5]等策略。
模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）以电力电子系统离散预测模型为基础，根据历史输出和未来输入预测系统未来输出，最后采用滚动优化的方式，结合目标函数决策即可确定最优开关状态。由于无需脉宽调制部分且无需构建离线开关表，结构简单、控制灵活且动态性能优异，得到广泛研究[4-7,13,17]。其中，文献[6,7]建立了三相PWM 整流器离散预测模型，结合变流器拓扑包含有限种开关状态的特点，给出了基于MPC 策略的三相PWM 变流器MPC 系统控制方案。但其仅包含经典预测控制理论中的模型预测、滚动优化两项，未引入反馈校正环节，属于开环预测控制。文献[8,9]指出，当模型失配或环境干扰引起模型预测值与实际系统输出存在偏差时，PWM 整流器控制性能降低。随着模型失配度和干扰进一步加重，甚至影响PWM 整流器系统的正常运行。