摘要：對三相PWM變換器的矢量控制與直接功率控制(DPC)進行對比研究。闡述了三相PWM變換器的基本原理，推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方案;通過分析三相PWM變換器電壓矢量在不同扇區(qū)對電網(wǎng)側(cè)輸入有功、無功功率的影響，制定開關(guān)表，得到基于滯環(huán)控制的DPC方案。構(gòu)建基于XC2785單片機的實驗平臺，實驗結(jié)果表明，三相PWM變換器的矢量控制與DPC均能實現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定、功率因數(shù)可調(diào)的控制目標，矢量控制穩(wěn)態(tài)性能較優(yōu)，而DPC動態(tài)響應(yīng)較快。
1 引言
三相PWM變換器應(yīng)用廣泛，在整流、有源濾波、交流傳動等控制中都具有較好的性能。
三相PWM變換器控制策略主要有矢量控制與DPC。矢量控制又可分為電網(wǎng)電壓定向與虛擬磁鏈定向兩種。其中電網(wǎng)電壓定向結(jié)構(gòu)簡單，控制效果好，技術(shù)成熟，得到廣泛運用;而虛擬磁鏈定向雖可省去電壓傳感器，但磁鏈計算的精確程度會增加控制的復(fù)雜性。DPC原理類似于直接轉(zhuǎn)矩控制，通過分析變換器的不同電壓矢量在每個扇區(qū)對電網(wǎng)輸入(輸出)瞬時功率的控制作用，制定開關(guān)表進行控制。相較矢量控制，DPC具有算法簡單、動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點。
在此根據(jù)三相PWM變換器的數(shù)學(xué)模型，采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制與滯環(huán)控制的DPC策略，構(gòu)建了實驗平臺對兩種控制策略進行分析比較。實驗結(jié)果表明，矢量控制與DPC均能實現(xiàn)直流母線電壓與電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的穩(wěn)定、可調(diào)。其中矢量控制穩(wěn)態(tài)效果較好，DPC動態(tài)響應(yīng)較快。
2 變換器數(shù)學(xué)模型及矢量控制策略
2.1 三相PWM變換器數(shù)學(xué)模型
三相PWM變換器的數(shù)學(xué)模型是對其進行動態(tài)、穩(wěn)態(tài)運行分析和控制的基礎(chǔ)，其主電路見圖1。
根據(jù)圖1可得三相PWM變換器在同步旋轉(zhuǎn)d，q坐標系下的電壓方程為：
式中：igd，igq為網(wǎng)側(cè)電流d，q軸分量;ugd，ugq為電網(wǎng)電壓d，q軸分量;uod，uoq為三相變換器輸出電壓d，q軸分量。
2.2 電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略
三相PWM變換器采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制，將d軸定向于電網(wǎng)電壓合成矢量ug方向，q軸超前d軸90°，空間矢量圖如圖2所示。
采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制策略：ugd=Ug，ugq=0，其中Ug為電網(wǎng)電壓矢量的幅值。
將定向條件代入式(1)有：
由式(2)可得如圖3所示的三相PWM變換器矢量控制結(jié)構(gòu)框圖。
3 三相PWM變換器的直接功率控制
采用電網(wǎng)磁鏈矢量定向，即將坐標系d軸定向于電網(wǎng)磁鏈矢量，空間矢量圖如圖4所示。
由圖可得：
由此可知，如果電網(wǎng)磁鏈矢量位置確定，通過選擇不同的電壓空間矢量，可控制磁鏈矢量分量ψod，ψoq的變化效果，繼而可決定每個電壓矢量對有功、無功功率的影響。
電壓矢量的標識、扇區(qū)的劃分及三相PWM變換器磁鏈矢量如圖5所示。
根據(jù)上述分析，可得三相PWM變換器DPC開關(guān)表，如表1所示。
根據(jù)以上分析，得到如圖6所示的三相PWM變換器DPC框圖。
4 實驗及結(jié)果分析
搭建了基于XC2785單片機的實驗平臺，并對三相PWM變換器的矢量控制與DPC進行實驗比較及分析。實驗參數(shù)為：直流母線電壓200 V，網(wǎng)側(cè)進線電感20 mH，三相PWM變換器開關(guān)頻率為10 kHz，每相電阻負載Rf=77 Ω。實驗對三相PWM的矢量控制與DPC進行比較，波形如圖7所示。
圖7a，b示出兩種方案穩(wěn)態(tài)時功率因數(shù)為1的a相電壓、電流比較波形。由圖可見，矢量控制方案電流波形正弦度好，而DPC的電流波形發(fā)生畸變，但兩種控制方案均能保證系統(tǒng)單位功率因數(shù)運行，達到預(yù)期控制目標。
圖7c，d為兩種控制方案在母線電壓由200 V變化到280 V時的動態(tài)比較波形。圖7e，f為兩種控制方案在無功分量動態(tài)變化時的比較波形。分析可知，矢量控制達到穩(wěn)態(tài)后較為穩(wěn)定，控制性能良好，但動態(tài)過程較長。而DPC動態(tài)性能良好，能迅速達到穩(wěn)態(tài)，但穩(wěn)態(tài)后波形略有振動。
5 結(jié)論
對三相PWM變換器的矢量控制與基于滯環(huán)控制的直接功率控制進行比較分析，通過實驗可知：電網(wǎng)電壓定向的矢量控制有固定的開關(guān)頻率，穩(wěn)態(tài)性能良好，但由于通過雙閉環(huán)進行控制，算法較為復(fù)雜，因受PI參數(shù)的制約，動態(tài)響應(yīng)稍慢。基于滯環(huán)控制的直接功率控制算法簡單，具有良好的動態(tài)性能，但其開關(guān)頻率不固定，穩(wěn)態(tài)時電流紋波較大，穩(wěn)態(tài)性能不如矢量控制。兩種方案各有優(yōu)缺點，但皆能達到預(yù)期的控制目標。
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