0 引言

    PWM整流器已廣泛用于交流傳動、不間斷電源,、光能及風能并網(wǎng)發(fā)電等重要領域,。國內(nèi)外針對PWM整流器的控制算法多為雙閉環(huán)控制，即外環(huán)采用電壓反饋控制(電壓外環(huán)^[1],、電容儲能反饋外環(huán)^[2],、電壓平方外環(huán)^[3])，內(nèi)環(huán)采用直接電流控制（預測電流控制^[4],、滯環(huán)電流控制^[5],、d-q軸同步PI電流控制^[6]）。與直接電流控制不同,，直接功率控制算法直接控制系統(tǒng)有功,、無功功率，因控制精度高,、響應速度快,，已廣泛應用在三相PWM變流器中。整流器DPC算法通過選擇功率滯環(huán)開關表實現(xiàn)控制^[7],，但仍存在許多問題,。文獻[8]提出了基于模糊控制算法的開關表優(yōu)化傳統(tǒng)功率滯環(huán)開關表降低網(wǎng)測諧波含量，但其系統(tǒng)開關頻率仍未固定,。因此,，文獻[9-10]采用SVPWM算法固定開關頻率。文獻[9]提出了一種內(nèi)環(huán)采用PI的DPC算法,，降低了采樣頻率,，但PI參數(shù)需調(diào)試經(jīng)驗，且系統(tǒng)仍存在動態(tài)響應速度較慢等問題。文獻[10]提出了一種預測直接功率控制算法替換掉PI,，簡化了控制器參數(shù)設計,，且系統(tǒng)的動態(tài)響應速度提高。

    國內(nèi)外對單相整流器DPC預測控制的研究相對較少,，文獻[11]提出了一種固定開關頻率的單相整流器DPC算法,，需占用較大的微處理器存儲空間，還需鎖相環(huán)變換坐標系實現(xiàn)鎖相,，而文獻[12]提出了一種無需構造虛擬磁鏈和鎖相環(huán)的單相瞬時功率計算方法,。

    針對上述問題，本文采用了一種無鎖相環(huán)的自回歸功率預測DPC算法,，外環(huán)采用電容儲能反饋的控制方法,，并引入負載功率進行前饋控制，提高了外環(huán)抗干擾能力,，且動態(tài)響應快,，內(nèi)環(huán)采用自回歸算法取代PI，解決延時補償問題,，結(jié)合單相SVPWM算法,，使開關頻率固定。最后通過MATLAB/Simulink進行了仿真,，驗證了本文控制方法的可行性,。

1 單相整流器數(shù)學模型

    圖1所示為單相整流器電路拓撲圖，其回路方程可表示為：

式中,，u,、i分別為輸入電壓電流，u_ab為H橋交流側(cè)電壓,，L,、R為交流側(cè)等效電感和電阻。

    單相整流器d-q軸上的離散數(shù)學模型為式(2),，其中x(k)為第kT_s時刻的采樣值,。

    由式(3)看出，u_sin,、u_cos中的低頻分量可通過帶阻濾波器濾掉近似于2倍網(wǎng)頻的高頻分量,，獲得式(5)：

2 單相整流器無差拍DPC算法

    單相系統(tǒng)在d-q坐標系下有功無功功率可表示為：

    式(12)為自回歸無差拍預測直接功率控制模型。

3 電容儲能外環(huán)設計

    由式(1)兩邊同乘以i可得整流器能量交換模型：

式中K_EP,、K_EI分別為電容儲能PI控制器的比例和積分系數(shù),，分別為電容儲能和有功功率給定值。

    由式(19)可知引入PL,、PR進行前饋得到網(wǎng)側(cè)有功功率給定值P^*。圖2為電容儲能外環(huán)控制框，圖中為電容充電功率給定值,。結(jié)合自回歸算法的單相無差拍功率預測算法可得到控制系統(tǒng)結(jié)構圖如圖3所示,。

4 仿真驗證

    為驗證本文采用的單相整流器算法的有效性，在Simulink中搭建仿真模型與傳統(tǒng)電壓外環(huán)算法進行了仿真對比驗證,。表1為仿真系統(tǒng)參數(shù),。

    圖4給出了穩(wěn)態(tài)網(wǎng)測電流仿真波形圖，可知系統(tǒng)在單位功率因數(shù)運行,，從圖5穩(wěn)態(tài)時的網(wǎng)側(cè)電流FFT結(jié)果看出THD值為4.44%,，諧波集中在150 Hz和2 500 Hz附近，因交流側(cè)電壓含有2倍基波頻率的紋波,，其波動可影響電壓uab大小,，使交流側(cè)電流含3次諧波，開關器件的切換會導致網(wǎng)側(cè)電流含有開關頻率附近的諧波,，因此諧波含量在150 Hz和2 500 Hz附近,。

    圖6給出了輸出電壓仿真波形，傳統(tǒng)電壓外環(huán)控制系統(tǒng)在0.18 s達到穩(wěn)定,，電容儲能外環(huán)系統(tǒng)直流側(cè)電壓在0.12 s穩(wěn)定,，兩種算法超調(diào)量大小基本一致為85 V，由于采用相同的調(diào)制方法和控制周期,，直流側(cè)紋波大小均為5 V,。通過對比可知電容儲能外環(huán)比傳統(tǒng)電壓外環(huán)系統(tǒng)具有更快的響應速度。   

    圖7為系統(tǒng)負載在0.5 s時突增一倍,，1 s時突減回原始負載的輸出電壓波形圖,，由圖7(a)可知傳統(tǒng)電壓外環(huán)算法系統(tǒng)恢復穩(wěn)定的響應時間為0.1 s，圖7(b)所示該算法為0.08 s,，比較可知,，電容儲能外環(huán)算法系統(tǒng)響應速度相對更快，負載突變時輸出電壓波動值更小,。

5 結(jié)論

    本文針對單相PWM整流器,，建立了電容儲能外環(huán)的無差拍直接功率模型，與傳統(tǒng)直接功率控制算法相比,，該算法有以下優(yōu)點：

    (1)提高了整流器動態(tài)響應速度和抗干擾能力,；

    (2)PI控制器減少，簡化了控制器的參數(shù)設計,；

    (3)采用SVPWM調(diào)制,，開關頻率恒定；

    (4)無需鎖相環(huán),，易設計,。

    最后在MATLAB/Simulink中對該算法進行了仿真,，結(jié)果證明了本文提出的算法的正確性和優(yōu)越性。

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作者信息:

胡曉雪1,，王海濱1，郭筱瑛2,，張煜楓1,，劉中豪1，曹太強1

(1.西華大學 電氣與電子信息學院,，四川 成都610039,；2.攀枝花學院 電氣信息工程學院，四川 攀枝花617000)