0 引言

    PWM整流器已廣泛用于交流傳動、不間斷電源、光能及風能并網發電等重要領域。國內外針對PWM整流器的控制算法多為雙閉環控制，即外環采用電壓反饋控制(電壓外環^[1]、電容儲能反饋外環^[2]、電壓平方外環^[3])，內環采用直接電流控制（預測電流控制^[4]、滯環電流控制^[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開關表實現控制^[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化傳統功率滯環開關表降低網測諧波含量，但其系統開關頻率仍未固定。因此，文獻[9-10]采用SVPWM算法固定開關頻率。文獻[9]提出了一種內環采用PI的DPC算法，降低了采樣頻率，但PI參數需調試經驗，且系統仍存在動態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，簡化了控制器參數設計，且系統的動態響應速度提高。

    國內外對單相整流器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，還需鎖相環變換坐標系實現鎖相，而文獻[12]提出了一種無需構造虛擬磁鏈和鎖相環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的自回歸功率預測DPC算法，外環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，提高了外環抗干擾能力，且動態響應快，內環采用自回歸算法取代PI，解決延時補償問題，結合單相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橋交流側電壓，L、R為交流側等效電感和電阻。

    單相整流器d-q軸上的離散數學模型為式(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，分別為電容儲能和有功功率給定值。

    由式(19)可知引入PL、PR進行前饋得到網側有功功率給定值P^*。圖2為電容儲能外環控制框，圖中為電容充電功率給定值。結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結構圖如圖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電壓外環算法進行了仿真對比驗證。表1為仿真系統參數。

    圖4給出了穩態網測電流仿真波形圖，可知系統在單位功率因數運行，從圖5穩態時的網側電流FFT結果看出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，使交流側電流含3次諧波，開關器件的切換會導致網側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，傳統電壓外環控制系統在0.18 s達到穩定，電容儲能外環系統直流側電壓在0.12 s穩定，兩種算法超調量大小基本一致為85 V，由于采用相同的調制方法和控制周期，直流側紋波大小均為5 V。通過對比可知電容儲能外環比傳統電壓外環系統具有更快的響應速度。   

    圖7為系統負載在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)可知傳統電壓外環算法系統恢復穩定的響應時間為0.1 s，圖7(b)所示該算法為0.08 s，比較可知，電容儲能外環算法系統響應速度相對更快，負載突變時輸出電壓波動值更小。

5 結論

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

    (1)提高了整流器動態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設計；

    (3)采用SVPWM調制，開關頻率恒定；

    (4)無需鎖相環，易設計。

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

參考文獻

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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)