[發明專利]一種三電平PWM整流器直接功率控制方法

有效

• 申請號: 201210028055.4
• 申請日: 2012-02-09
• 公開（公告）號: CN102545665A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 夏長亮;史婷娜;王建;耿強;宋戰鋒
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02M7/219
• 分類號: H02M7/219
• 代理公司: 天津三元專利商標代理有限責任公司 12203
• 代理人: 鄭永康

技術領域

本發明涉及一種電力電子與電氣傳動的變換器控制領域，特別涉及一種三電平脈沖寬度調制(Pulse?Width?Modulation，PWM)整流器直接功率控制方法。

背景技術

在高壓大功率應用場合，受開關器件功率等級的限制，傳統的兩電平整流器已不能滿足要求，而二極管箝位式(Neutral?Point?Clamped，NPC)三電平PWM整流器不僅能夠實現能量雙向流動、功率因數可控，而且還具有開關器件承壓低、開關頻率低、輸入電流諧波含量少等優點，使其在工程領域得到了越來越廣泛的應用。

傳統的NPC三電平PWM整流器是采用基于電網電壓定向的空間電壓矢量合成的控制方法，需要坐標旋轉變換、多個PI調節器和復雜的調制策略，而直接功率控制(Direct?Power?Control，DPC)不需要坐標旋轉變換和調制策略，經過功率滯環比較直接從開關表中選擇合適的空間電壓矢量實現對有功功率和無功功率的控制。因此，DPC具有控制結構和控制算法簡單，系統動態響應更快、效率高、魯棒性強等優點。

在DPC中，開關表的優劣直接影響整個系統的控制性能，目前有多種開關表的建立途徑：通過分析電流與空間電壓矢量和功率的關系；從功率守恒的角度對三電平PWM整流器進行建模分析；在整流器數學模型的基礎上結合瞬時功率理論定性分析電壓矢量與輸入有功、無功功率的關系；通過一種基于DPC的最優向量通用判據來選擇合適的電壓矢量實現有功功率和無功功率的控制等。同時，在NPC三電平變換器拓撲結構中，直流側電容中點電位的不平衡是其固有的問題，中點電位不平衡會導致單管承受過高的電壓，嚴重情況下會導致系統不穩定，控制失敗。因此，在開關表的建立中還得兼顧直流側中點電位的平衡。但是，眾多三電平整流器DPC在開關表設計過程中均采用定性分析，沒有給出在各個扇區內每個空間電壓矢量對有功功率和無功功率的具體影響程度，使得傳統設計的開關表在對功率的控制上效果不佳。如何構建和優化合適的開關表是三電平整流器直接功率控制系統設計的關鍵。

發明內容

本發明所要解決的主要技術問題在于，克服現有技術存在的上述缺陷，而提供一種控制系統結構和控制算法簡單、動態響應快的三電平PWM整流器直接功率控制方法，以進一步增強對NPC三電平PWM整流器瞬時有功功率和無功功率的控制，本發明在整流器新的功率控制模型基礎上提出了一種新的直接功率控制開關表的設計方法，新設計的開關表不僅可以實現網側單位功率因數，快速穩定直流母線電壓和平衡中點電位，而且對瞬時有功功率和無功功率的快速跟蹤更加有效。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

利用NPC三電平PWM整流器的高頻數學模型和三相電路的瞬時功率理論推導出整流器的瞬時功率控制模型，根據該模型分析每個扇區內輸入有功功率、無功功率與27個基本矢量的定量關系，進而建立整流器直接功率控制的開關表，該方法包括下列步驟：

第一步：利用開關函數和基爾霍夫電壓定律，建立二極管箝位式三電平電壓型PWM整流器網側αβ靜止坐標系下的數學模型，忽略網側線路電阻，在采樣周期內對上述數學模型離散化，得到電流變化的表達式如下：