三相PWM变换器矢量控制与直接功率控制研究

摘要：对三相PWM变换器的矢量控制与直接功率控制(DPC)进行对比研究。阐述了三相PWM变换器的基本原理，推导数学模型，采用电网电压定向的矢量控制方案;通过分析三相PWM变换器电压矢量在不同扇区对电网侧输入有功、无功功率的影响，制定开关表，得到基于滞环控制的DPC方案。构建基于XC2785单片机的实验平台，实验结果表明，三相PWM变换器的矢量控制与DPC均能实现直流母线电压稳定、功率因数可调的控制目标，矢量控制稳态性能较优，而DPC动态响应较快。

1 引言

三相PWM变换器应用广泛，在整流、有源滤波、交流传动等控制中都具有较好的性能。

三相PWM变换器控制策略主要有矢量控制与DPC。矢量控制又可分为电网电压定向与虚拟磁链定向两种。其中电网电压定向结构简单，控制效果好，技术成熟，得到广泛运用;而虚拟磁链定向虽可省去电压传感器，但磁链计算的精确程度会增加控制的复杂性。DPC原理类似于直接转矩控制，通过分析变换器的不同电压矢量在每个扇区对电网输入(输出)瞬时功率的控制作用，制定开关表进行控制。相较矢量控制，DPC具有算法简单、动态响应快的优点。

在此根据三相PWM变换器的数学模型，采用电网电压定向的矢量控制与滞环控制的DPC策略，构建了实验平台对两种控制策略进行分析比较。实验结果表明，矢量控制与DPC均能实现直流母线电压与电网侧功率因数的稳定、可调。其中矢量控制稳态效果较好，DPC动态响应较快。

2 变换器数学模型及矢量控制策略

2.1 三相PWM变换器数学模型

三相PWM变换器的数学模型是对其进行动态、稳态运行分析和控制的基础，其主电路见图1。

根据图1可得三相PWM变换器在同步旋转d，q坐标系下的电压方程为：

式中：igd，igq为网侧电流d，q轴分量;ugd，ugq为电网电压d，q轴分量;uod，uoq为三相变换器输出电压d，q轴分量。

2.2 电网电压定向的矢量控制策略

三相PWM变换器采用电网电压定向矢量控制，将d轴定向于电网电压合成矢量ug方向，q轴超前d轴90°，空间矢量图如图2所示。

采用电网电压定向矢量控制策略：ugd=Ug，ugq=0，其中Ug为电网电压矢量的幅值。

将定向条件代入式(1)有：

由式(2)可得如图3所示的三相PWM变换器矢量控制结构框图。

3 三相PWM变换器的直接功率控制

采用电网磁链矢量定向，即将坐标系d轴定向于电网磁链矢量，空间矢量图如图4所示。

由图可得：

由此可知，如果电网磁链矢量位置确定，通过选择不同的电压空间矢量，可控制磁链矢量分量ψod，ψoq的变化效果，继而可决定每个电压矢量对有功、无功功率的影响。

电压矢量的标识、扇区的划分及三相PWM变换器磁链矢量如图5所示。

根据上述分析，可得三相PWM变换器DPC开关表，如表1所示。

根据以上分析，得到如图6所示的三相PWM变换器DPC框图。

4 实验及结果分析

搭建了基于XC2785单片机的实验平台，并对三相PWM变换器的矢量控制与DPC进行实验比较及分析。实验参数为：直流母线电压200 V，网侧进线电感20 mH，三相PWM变换器开关频率为10 kHz，每相电阻负载Rf=77 Ω。实验对三相PWM的矢量控制与DPC进行比较，波形如图7所示。

图7a，b示出两种方案稳态时功率因数为1的a相电压、电流比较波形。由图可见，矢量控制方案电流波形正弦度好，而DPC的电流波形发生畸变，但两种控制方案均能保证系统单位功率因数运行，达到预期控制目标。

图7c，d为两种控制方案在母线电压由200 V变化到280 V时的动态比较波形。图7e，f为两种控制方案在无功分量动态变化时的比较波形。分析可知，矢量控制达到稳态后较为稳定，控制性能良好，但动态过程较长。而DPC动态性能良好，能迅速达到稳态，但稳态后波形略有振动。

5 结论

对三相PWM变换器的矢量控制与基于滞环控制的直接功率控制进行比较分析，通过实验可知：电网电压定向的矢量控制有固定的开关频率，稳态性能良好，但由于通过双闭环进行控制，算法较为复杂，因受PI参数的制约，动态响应稍慢。基于滞环控制的直接功率控制算法简单，具有良好的动态性能，但其开关频率不固定，稳态时电流纹波较大，稳态性能不如矢量控制。两种方案各有优缺点，但皆能达到预期的控制目标。