三相电压型pwm变换器三矢量直接功率控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种三相电压型PWM变换器三矢量直接功率控制方法，属于电力电子 功率变换装置控制领域。
【背景技术】
[0002] 随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断提高，已从早期广泛使 用的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管（SCR)发展到如今类型诸多且性能各异的全控 型功率开关，如双极型晶体管（BJT)、门极关断晶闸管（GT0)、绝缘栅双极型晶体管（IGBT)、 集成门极换向晶闸管（IGCT)、功率场效应晶体管（M0SFET)以及场控晶闸管（MCT)等。功率 半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽调 制控制为基础的各类变流装置。但是，目前这些变流装置很大一部分需要变换环节，以获得 直流电压，由于常规变换环节广泛采用了二极管不控变换电路或晶闸管相控变换电路，因 而对电网注入了大量谐波及无功功率，造成了严重的电网"污染"。而治理这种电网"污染" 最好最广泛的解决方法是电压型PWM变换，由于电压型PWM变换器具有网侧电流谐波小、功 率因数可控和能量双向流动等优点可以有效地实现绿色电能变换。
[0003] PWM变换器的经典控制方法主要包括电网电压定向控制（voltageoriented control,V0C)和直接功率控制（directpowercontrol,DPC)。DPC是在瞬时功率理论的 基础上，通过分析变换器交流侧电压矢量对有功功率和无功功率的影响，得到一个矢量表， 然后根据电网电压位置角所在扇区从矢量表中选择可以同时减小有功、无功功率与参考值 间误差的最佳电压矢量。传统的DPC不需要电流内环及其整定，动态响应快速，但只能根据 有功功率参考值计算矢量作用的时间，具有较大的稳态纹波。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题而提供了一种三相电压型PWM变 换器三矢量直接功率控制方法，该方法控制、算法简单，易于实现，不仅可以明显减小有功 功率波动和电流谐波，更可以明显减小无功功率的波动，保证系统的控制品质。
[0005] 为实现上述目的本发明采用如下技术方案，三相电压型PWM变换器三矢量直接 功率控制方法，其特征在于包括以下步骤：（1)、检测三相电压型PWM变换器系统的三相电 网电压、三相输入电流和直流母线电压；（2)、将检测到的三相电网电压和三相输入电流经 过3/2变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压和输入电流采样值，并计算出有功功率 与无功功率的实际值；（3)、将三相电网电压信号经过软件锁相环（PLL)得到电网电压位 置角，并将其分为 〇。-60。、60。-120。、120。-180。、180。-240°、240。-300。和 300° -360°六个扇区；(4)、将直流母线电压参考值与步骤（1)得到的直流母线电压实际 值做差，经过PI控制器得到电流参考值，电流参考值与步骤（1)得到的直流母线电压实际 值相乘得到有功功率参考值，且设无功功率参考值为〇 ; (5)、通过步骤（2)得到的两相静止 坐标系下的电网电压、有功功率与无功功率的实际值和8种不同的电压矢量计算出相应电 压矢量作用下有功、无功功率的变化率，当变化率大于零时说明该电压矢量能使功率增加， 当变化率小于零时说明该电压矢量能使功率减少；(6)、在不同扇区根据有功、无功功率变 化率分别得出8种不同电压矢量中能同时使有功功率增加且无功功率增加、有功功率增加 且无功功率减少、有功功率减少且无功功率增加、有功功率减少且无功功率减少的两个非 零矢量，再考虑零矢量的加入，即每个扇区可得到4组均包括两个非零矢量和一个零矢量 的矢量组合，则电网电压在0° -360°区间内，可得出24组矢量组合；（7)、根据步骤（6)得 到有功、无功功率在不同扇区内受不同电压矢量作用时的变化趋势，可建立对应的改进矢 量表；(8)、将步骤（2)得到的有功、无功功率的实际值和步骤（4)得到的有功、无功功率的 参考值比较得出有功、无功功率实际值的变化趋势；(9)、根据电网电压位置角所在扇区和 有功、无功功率实际值的变化趋势从步骤（7)中得到的改进矢量表中选择相应的电压矢量 组，并根据该矢量组各个矢量对有功、无功功率的变化率和有功、无功功率的参考值与实际 值的差值进行计算，得出相应矢量作用的时间；（10)、将步骤（9)得到的控制矢量作用的时 间转换为控制功率器件的开关信号。
[0006]本发明的三相电压型PWM变换器三矢量直接功率控制方法可以同时根据有功功 率参考值、无功功率参考值计算各个矢量的作用时间，不仅算法简单，而且明显减小了有 功、无功功率的稳态纹波。
【附图说明】
[0007] 图1为三相电压型PWM变换器主电路结构；图2为有功功率为1000W无功功率为 OVar时，变换器输入侧电压矢量对有功功率、无功功率的变化率；图3为三个矢量（如K3、 H)时开关模式生成方法图；图4为PWM变换器三矢量直接功率控制框图；图5为采用传 统直接功率控制矢量表的交流侧a相电流波形图和频谱图；图6为采用改进矢量表的交流 侦Ua相电流波形图和频谱图；图7为采用传统直接功率控制矢量表的有功功率、无功功率实 验波形图；图8为采用改进矢量表的有功功率、无功功率实验波形图。
[0008] 具体实施方法 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0009]三相电压型PWM变换器主电路拓扑结构如图1所示。图中，wga、wgb、wg。为交流侧 三相电压源，iga、igb、ig。为交流侧三相电流，rga、b、V为变换器输入侧三相电压，&为直 流侧母线电压，Z和7?分别为进线电感及其等效电阻，以J直流滤波电容，直流侧负载由电阻 足等效表不。
[0010] 三相电压型PWM变换器的数学模型可通过坐标变换转换到两相静止坐标系中，表 示为
【主权项】
l.H相电压型PWM变换器H矢量直接功率控制方法，其特征在于包括W下步骤： (1) 、检测H相电压型PWM变换器系统的H相电网电压、H相输入电流和直流母线电压； (2) 、将检测到的H相电网电压和H相输入电流经过3/2变换模块得到两相静止坐标系下 的电网电压和输入电流采样值，并计算出有功功率与无功功率的实际值；(3)、将H相电 网电压信号经过软件锁相环得到电网电压位置角，并将其分为0° -60°、60° -120°、 120° -180°、180 ° -240°、240 ° -300° 和 300 ° -360° 六个扇区；(4)、将直流母线电 压参考值与步骤（1)得到的直流母线电压实际值做差，经过PI控制器得到电流参考值，电 流参考值与步骤（1)得到的直流母线电压实际值相乘得到有功功率参考值，且设无功功率 参考值为0;巧）、通过步骤（2)得到的两相静止坐标系下的电网电压、有功功率与无功功 率的实际值和8种不同的电压矢量计算出相应电压矢量作用下有功功率、无功功率的变 化率，当变化率大于零时说明该电压矢量能使功率增加，当变化率小于零时说明该电压矢 量能使功率减少；化）、在不同扇区根据有功功率、无功功率变化率分别得出8种不同电压 矢量中能同时使有功功率增加且无功功率增加、有功功率增加且无功功率减少、有功功率 减少且无功功率增加、有功功率减少且无功功率减少的两个非零矢量，再考虑零矢量的加 入，即每个扇区可得到4组均包括两个非零矢量和一个零矢量的矢量组合，则电网电压在 0° -360°区间内，可得出24组矢量组合；（7)、根据步骤（6)得到有功、无功功率在不同扇 区内受不同电压矢量作用时的变化趋势，可建立对应的改进矢量表；（8)、将步骤（2)得到 的有功、无功功率的实际值和步骤（4)得到的有功、无功功率的参考值比较得出有功、无功 功率实际值的变化趋势；(9)、根据电网电压位置角所在扇区和有功、无功功率实际值的变 化趋势从步骤（7)中得到的改进矢量表中选择相应的电压矢量组，并根据该矢量组各个矢 量对有功、无功功率的变化率和有功、无功功率的参考值与实际值的差值进行计算，得出相 应矢量作用的时间；（10)、将步骤（9)得到的控制矢量作用的时间转换为控制功率器件的 开关信号。
【专利摘要】本发明公开了一种三相电压型PWM变换器三矢量直接功率控制方法，该方法通过分析变换器输入侧电压矢量对有功功率和无功功率的影响，在一个控制周期内同时引入两个非零矢量和一个零矢量，得到一个改进矢量表，然后根据电网电压位置角所在扇区、有功功率与无功功率的实际值和有功功率与无功功率的参考值，从改进矢量表中选择三个可以同时减小有功、无功功率实际值与参考值间误差的最佳电压矢量，并根据有功功率参考值、无功功率参考值计算各个矢量的作用时间。本发明方法控制算法简单，易于实现，不仅可以明显减小有功功率波动和电流谐波，还可以明显减小无功功率的波动，从而保证系统的控制品质。
【IPC分类】H02M7-219
【公开号】CN104617797
【申请号】CN201510097432
【发明人】王萌, 祁明艳, 施艳艳, 马鹏飞, 高金辉
【申请人】河南师范大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年3月5日