设置扇形边界死区的电压型PWM整流器直接功率控制

D0I:10.13374/i.issm1001053x.2005.03.031 第27卷第3期 北京科技大学学报 Vol.27 No.3 2005年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2005 设置扇形边界死区的电压型PWM 整流器直接功率控制 王久和)李华德》杨立永) I)北京科技大学信息工程学院，北京1000832)北京信息工程学院，北京100101 摘要利用电压型PWM整流器的数学模型分析了PWM整流器直接功率控制(DPC)的原 理，讨论了功率滞环比较器环宽对PWM整流器的影响.为了降低开关频率和减少开关损失， 增加功率滞环比较器环宽则引起瞬时有功功率和直流电压被动现象；提出了设置扇形边界 死区的控制策略，减少扇形边界误选开关量现象，使瞬时有功功率和直流电压波形趋于平稳 通过Simulink环境下仿真模型的仿真，证明了该策略的可行性. 关键词PWM整流器：直接功率控制：死区：扇形边界：开关表：仿真 分类号TM4 PWM整流器具有能量双向流动、恒定直流 1PWM整流器DPC系统原理 电压控制、低谐波输入电流、高功率因数（常接近 于1)的优点，广泛应用于单位功率因数整流、有 1.1电压型PWM整流器的数学模型 源滤波及无功补偿、交流传动等变流控制中， 三相电压型PWM整流器主电路如图1所示. PWM整流器控制策略有多种，现行的控制策略 图中h,4,4为三相对称电源电压：a,ia,i.为三相 主要有直接和间接两种电流控制方案，这两种 线电流：S,S,S.为整流器开关管的开关信号， 电流控制策略需要复杂的算法（由DSP或多片单 S=l,j=a,b,c(上桥臂开关管导通，下桥臂开关 片机实现)和调制模块， 管关断)，S=0(下桥臂开关管导通，上桥臂开关 在20世纪90年代初，Tokuo Ohnishi提出了一 管关断)：U为直流电压：R,L为滤波电抗器的电 种将瓣时有功功率、无功功率用于PWM变换 阻和电感：C为直流侧电容：R为负载；h,4e为 器闭环控制系统中的新型控制策略四，随后 整流器的输入电压；为负载电流， Toshihiko Noguchi等进行了研究并取得了进展， 对于交流侧应用KVL,由图1可得： 由于电压型PWM整流器直接功率控制(DPC) i]ue 系统具有更高的功率因数、低THD、算法及 4-Riwu或 ie」u」Licl lue 系统结构简单等优点，成为国内外学者研究的 L 热点. d正=4-Ri-w, (1) 本文首先分析研究PWM整流器DPC系统的 式中，4m=SUk+UoN,hb=S,Ue+UoN,hn=S.Ua+UoN, 原理，讨论功率滞环比较器滞环宽对PWM整流 Uo*为下桥臂节点O与电源中性点N之间电压. 器性能的影响：提出设置扇形边界死区，减少扇 另外，对直流侧应用KCL,由图1可得 形边界误选开关量现象，使瞬时有功功率和直流 c册=-是 (2) 电压波形趋于平稳的控制策略.通过Simulink环 式中iw=S,+S+Si.式(I)和式(2)即为三相电压 境下仿真模型的仿真，证明该策略的可行性。 型PWM整流器在abc坐标系下的数学模型.功 率不变的原则，将abc坐标系下的系统模型经32 收稿日期：2004-0601修回日期：2004-10-18 正交变换后，得到三相电压型PM整流器在aB 基金项目：北京市重点自然科学基金项日(No.KZ200410005005) 作者简介：十久和(1960，男，教授，博士研究生 静止坐标系下的数学模型：

第 2 , 卷 第 3 期 2 0 0 5 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n iv e sr iyt o f S e ic n e e a n d eT e h n o l o gy B e ij i n g V b l 一 2 7 N 0 . 3 J u n . 2 0 0 5 设置扇形边界死 区的电压 型 P W M 整流器直接功率控制 王 久 和 ` ,2) 李华德 ” 杨 立 永 ` , l )北 京科技大 学信息 l _ 程学 院 , 4匕京 1 00 0 8 3 2 )北京信 息工 程 学院 , 北京 10 0 10 1 摘 要 利用 电压 型 PW M 整流 器 的数学模 型分析 了 P WM 整 流器直 接功 率控制 (D P )C 的 原 理 , 讨论 了功率 滞环 比 较器 环宽对 PW M 整流 器 的影响 . 为 了降低 开关 频率和减 少开 关损 失 , 增 加功 率滞环 比较器 环 宽则引起 瞬时有 功功 率和直 流 电压 波动现 象 ; 提 出 了设置扇 形边 界 死区 的控 制策略 , 减少扇 形边界误 选开 关量现 象 , 使瞬 时有 功功率和 直流 电压波 形趋于平 稳 . 通 过 iS m ul ink 环境 下 仿真 模型 的仿真 , 证 明 了该策略 的可行 性 . 关键词 PW M 整 流器 ; 直 接功 率控制 ; 死区 ; 扇形边 界 : 开关 表 ; 仿真 分类号 T M 4 1 P W M 整流 器 D P C 系统 原 理 L l 电压 型 P W M 整 流器 的数 学模 型 三 相 电压 型 P W M 整 流器 主 电路 如 图 1 所示 . 图中ua , 玩 , u 。 为三 相对 称 电源 电压 ; ia , 几 , i 。 为三 相 线 电流 ; aS , 凡 , cS 为 整 流器 开 关 管 的 开 关 信 号 , 匀二 1 , j 二 a , b , c ( 上桥 臂 开 关 管导 通 , 下 桥 臂开 关 管 关 断) , 冬= 0( 下桥 臂 开关 管 导通 , 上 桥 臂 开 关 管 关断 ) ; 疏 为直流 电压 ; R , L 为 滤波 电抗器 的 电 阻 和 电感 ; c 为直 流侧 电容 ; R L为 负载 ; ur a , aur , ur 。 为 整流 器 的输入 电压 ; i L 为 负载 电流 . 对 于交 流侧 应用 K V L , 由图 1 可 得 : U 。 R U bt 二 一 一 dr L PW M 整流器 具有 能 量双 向流 动 、 恒 定直 流 电压控制 、 低 谐波 输入 电流 、 高 功率 因数 (常 接近 于 l) 的优 点 , 广泛 应 用于 单位 功率 因数 整流 、 有 源 滤 波 及 无 功 补 偿 、 交流 传 动等 变 流 控 制 中 . PW M 整流 器控 制 策略 有 多种 , 现 行的控 制 策略 主 要有 直接 和 间接两 种 电流控 制 方案 川 , 这 两种 电流控 制策 略需 要 复杂 的算 法 ( 由 D S P 或多 片单 片 机 实现 )和 调制 模块 . 在 2 0 世纪 9 0 年代 初 , oT ku o o hn is hi 提 出了一 种 将瞬 时 有功 功 率 、 无 功 功率 用 于 P WM 变 换 器 闭 环 控 制 系 统 中 的 新 型 控 制 策 略 `2] , 随 后 oT s h i h ik o N o g u e h i 等进 行 了研 究并 取得 了进 展【, , . 由 于 电压 型 P WM 整 流器 直 接 功率 控 制 (D P )C 系 统 具 有 更 高 的 功 率 因 数 、 低 T H D 、 算 法 及 系 统结 构简 单 等 优 点 , 成 为 国 内外学 者研 究 的 热 点l4J 〕 . 本文 首先 分析研 究 PW M 整 流器 D P C 系统 的 原 理 , 讨 论功 率滞 环 比 较器 滞环 宽对 P W M 整 流 器 性 能 的影 响 ; 提 出设置 扇形 边界 死 区 , 减 少 扇 形边 界误选 开 关 量现象 , 使 瞬时有 功功率 和直 流 电压 波形 趋于 平稳 的控 制 策略 . 通 过 S im ul ink 环 境 下 仿真模 型 的仿 真 , 证 明该 策略 的可 行性 . , 击 _ . L - 了丁 = U 一 入 ,一 “ QI ( l ) 式 中 , ur 。 = & 认 。 + 以则 , 嘛 二 凡认 c + oU N , ur 。 = 及认 c + oU N , 以州 为 下桥 臂节 点 O 与 电源 中性 点 N 之 间 电压 . 另外 , 对直 流侧 应用 K C L , 由图 1 可 得 c 旦擎 一 。 一 0 1 一 孕式乙 ( 2 ) 收 稿 日期 : 2 0 04 一 6 刁〕1 修 回 日期 : 2 0 冬10 一 18 基 金项 目 : 北 京 市重 点 自然科 学基金项 目 (N 众 KZ 2 0 04l o 0 0 50 05 ) 作 者简介 : 主 久 和 ( l% O ~ ~ ) , 男 , 教授 , 博 士 研 究生 式 中认 = aS 心十凡心+ cS i 。 . 式 ( l) 和式 (2) 即 为 三相 电压 型 PW M 整 流器 在 a cb 坐 标 系下 的数 学模 型 . 功 率 不变 的原 则 , 将 ab 。 坐标 系下 的系 统模型 经 3/ 2 正 交变 换后 , 得 到三 相 电压 型 P WM 整 流器 在 a 刀 静 止坐 标 系下 的数学 模 型 : DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 03. 031

Vol.27 No.3 王久和等：设置扇形边界死区的电压型PWM整流器直接功率控制 ·381· PWM N 电压电流测量 开关表 功率估算 图1三相电压型PWM整流主电路 B.S.S, Fig.1 Main circuit of a three-phase boost-type PWM rectifier PI ---或 9 d正=4-R-4 (3) 图2VO-DPC系统框图 CdUx=is-i-(iS.+irS)-i (4) Fig.2 Block diagram of a VO-DPC system 562s-8-5s=之仅-以.考忠到三相对 宽.H,H,决定了功率控制精度，亦决定了整流器 称系统，有Uow=0,m=SUk,uw=UU.式(3)可变 的开关频率， 为： (2)开关表.开关表是根据式（⑧）和式(9)及0.确 --图 定DPC系统所需的开关状态，即S,S,S.的取值. (5) S,S,S。的取决于所需的4：4：为离散值U, 1.2三相电压型PWM整流器的组成及原理 U,,U,其值由S,S,S及Uk决定，即Sa,S,S= 电压定向直接功率控制(VO-DPC)系统组成 000-111对应于U~U,即U(000),U(100),U110), 有传感器和无传感器两种方案.无电压传感器方 U,(010),U.(011),U,(001),U(101),U,111),其中U 案因功率估算受电流微分及开关量的影响，1而 U,为零空间矢量：矢量分布如图3所示. 影响系统的性能.文献[⑧]采用有传感器方案，系 % 统获得了优良性能.综合考虑采用有传感器方案 U U 如图2所示，图中略去了R的影响，采用电压外 环、功率内环结构.电压外环起到快速跟踪给定 电压的作用.瞬时功率根据检测到的电压m4,u 和电流，，，进行计算，得到瞬时有功和无功功 U 率的估算值p,q及三相电压4,4,4在固定aB坐 标系中的ua,g.p和g与给定的P和qr比较后送入 图3输入电压空间 Fig.3 Input voltage space 功率滞环比较器输出S,S,开关信号，P由直流电 压外环设定，q设定为0，实现单位功率因数. 为实现电源电压空间矢量位置的选择，由 ,4送入扇形选择器输出0n信号.根据Sn,S,On在 么，确定u的幅角0=artan兰，根据6确定u的位 开关表中选择所需的S,S,S,去驱动主电路开 置.为优化整流器输入电压矢量，把输入空间分 关管. 为12个扇区，如图4所示，0n由下式确定. (1)瞬时功功率及S,S,确定.三相电压型 B PWM整流器瞬时功率按下式计算网： p=ui=usiotusis 0 (6) q=luxi=4gi。-uai (7) S,S按下列规则确定： 1 pp-H. S.0p-pH. (8) 1 q<qr-H S.=0 gqH. (9) 图4VO-DPC系统输入空间划分 式中，H,H,为有功和无功功率滞环比较器的环 Fig.4 Dividing the input space of the VO-DPC system

V b l . 2 7 N o . 3 王 久和等 : 设置 扇形边 界死 区 的电压型 P WM 整流 器直接 功率 控制 3 8 1 少笃。扑 ’ ut 廿碑 PW M 月骨 C _ 乙` 叽 己` 丫 、丫 · 。泰 开关表 电压电流测量 功率估算 口 百 百 称系 统 , 有 以州 二 O , uor = aS 疏 , urP = 环玩 。 . 式 (3 ) 可 变 为 : `备};卜!沈I 一 R } ; l 一 疏 !爱l `, , 1.2 三相 电压 型 PW M 整 流器 的组 成 及原 理 电压 定 向直接 功率 控制 (V O一 P C )系 统组 成 有 传感 器和 无传 感器 两种 方案 . 无 电压传 感器 方 案 因 功率 估算受 电流 微分 及 开关 量 的影 响 `圳 而 影 响系 统 的性 能 . 文 献 【8] 采用 有传 感 器 方案 , 系 统 获得 了优 良性 能 , 综 合考 虑采 用有传 感器 方案 如 图 2 所 示 , 图中略 去 了R 的 影响 , 采用 电压外 环 、 功率 内环 结构 . 电压 外 环起 到快 速跟 踪 给 定 电压 的 作用 . 瞬 时功 率根据 检 测到 的 电压 ua , 玩 , uc 和 电流 ia , 几 , ’lc 进行 计 算 , 得 到瞬 时有 功和 无 功功 率 的估 算值 P , q 及 三 相 电压 au , 玩 , u 。在 固定 a 刀坐 标 系中 的玩 , u , . p 和 q 与给 定 的erP f和外 f比较 后送 入 功率 滞环 比较 器输 出凡 , 又开关 信号 , erP f由 直流 电 压外 环 设定 , 外 f 设定 为 0 , 实 现单 位 功率 因数 . 瑞 , 脚送 入扇 形 选择 器 输 出氏信 号 . 根据凡 , 又 , 0n 在 开 关表 中选 择所 需 的aS , 凡 , cS , 去 驱 动 主 电路 开 关管 . ( l) 瞬 时 功 功 率 及凡 , 凡 确 定 . 三 相 电 压 型 PW M 整 流 器瞬 时 功率 按下 式 计算 〔9] : 尸 二 u · i 二 u · i · + 封 ,今 ( 6 ) , 二 l u x i } = 脚心一 u 。今 ( 7 ) 凡 , 凡按 下列 规 则确 定`3] : 宽 . 凡 , 从 决 定 了功 率控 制 精度 , 亦 决 定 了整 流器 的 开关 频率 . (2 ) 开关表 . 开关表 是根据 式 (8 )和式 (9 ) 及氏确 定 D P C 系统所 需 的开 关状 态 , 即凡 , 凡 , cS 的取值 . aS , 凡 , cS 的 取 决 于 所 需 的 ur ; “ , 为 离 散 值 0U , 鱿 , … , 弘 , 其 值 由凡 , 凡 , 及 及 叽 决 定 , 即凡 , 凡 , cS = 0 0 0一川 对应 于 以产 鱿 , 即 0U ( 0 0 0 ) , 鱿 ( 10 0 ) , 认( 1 10 ) , 酥 ( 0 10 ) , 队 (0 1 1) , 弘 (0 0 1) , 队( 10 1) , 以 ( 1 1 1) , 其 中 0U , 弘 为 零空 间矢 量 ; 矢 量 分布 如 图 3 所 示 . 图 3 输入 电压 空间 F ig . 3 I n P u t v o l t a ge s P a e e 为 实现 电源 电压 空 间矢 量位 置 的选 择 , 由 au, 碱定“ 的幅 角“ 一 acr antz , 根 据 城定 “ 的位 置 . 为优化 整 流器 输 入 电压矢 量 , 把 输 入空 间分 为 12 个 扇 区 , 如 图 4 所 示 , 民由下式 确 定 . 、尹. 、户. On, 了、. I P印 l e r一 凡 O P >P ,。汁拭 l q qq q 二汁拭 图 4 V O卜 D P C 系统输入 空 间划分 F ig . 4 D i v id i o g t h e i n P u t s P a e e o f th e V O 一 D PC s y s et m I J sef 矛 ! 一 式 中 , 耳 , 城 为有功和无 功 功率 滞环 比较器 的环

382· 北京科技大学学报 2005年第3期 ≤0.≤a-1,n=1,2,12 (n-2)π (10) 入空间划分（图4），式(8)和式(9)可得开关表见 根据控制瞬时功率要求，按4，分布（图3）和输 表1四. 表1VO-DPC系统开关表 Table 1 Switching table of the VO-DPC system S. 0. 0 101 111 100000110111 010000 011 111 001 000 111 111 000 000 111 111 000 000 111 111 000 000 0 0 101 100 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101 0 1 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101 101 100 2滞环宽度对系统的影响 电压和瞬时功率出现了波动，若取=50，则直流 电压和瞬时功率波动变小，但开关频率变高， 滞环比较器的滞环宽度影响瞬时功率的控 出现瞬时有功功率、直流电压波动的原因分 制精度.若滞环宽度小，控制精度高，但导致主电 析如下：由图4及开关表（表2）可知，当系统工作 路开关管开关频率变高，开关损失大：若滞环宽 于扇形边界时，极易产生误选开关量现象；如日， 度大，控制精度低，开关频率低，开关损失小.从 和6扇形边界处（θ=0），对应于Sp,S,的组合有两 系统运行性能看，希望在控制精度允许的范畴 组开关量可供选择，即101,111,101,100和111， 内，提高滞环宽度，降低开关频率，但这易引起瞬 111,100,110,若在9，域内的边界处误选0域对应 时有功功率、直流电压的波动，对系统运行不利. 的开关量，会导致瞬时有功功率得不到及时调 图5为三相电压型PWM整流器直接功率控制系 节，当滞环比较器的滞环宽度比较小，开关频率 统（图2）MATLAB/Simulink环境下的直流电压和 比较高时，误选开关量的影响时间极短，对系统 瞬时功率的仿真曲线.仿真参数：4。=4。=u,-85V, 的影响很小，可以忽略，当滞环比较器的滞环宽 电源频率f=50Hz,L=4mH,R=0.12,C=2200F, 度比较大，开关频率比较低时，误选开关量的影 R=102,Ut=200V,负载额定电流Lw=20A,滞 响时间变长，对系统产生影响，使瞬时有功功率 环宽度H=100,K。=K,=100.由图可以看出，直流 波动，导致直流电压波动，对负载不利 300 (a) (b) 200 0 100 0 80 120 160 200 40 80 120 160 200 时间/ms 时间/ms 图5DPC系统从启动暂态到稳态仿真曲线.(a)绘定直流电压U和直流电压Uk:b)有功功率p和无功功率g Fig.5 Simulated curves of the DPC system from start to steady state:(a)reference DC voltage Ut and DC voltage U;(b)active power p and reactive power g 表2设置扇形边界死区DPC系统开关表 Table 1 Switching table of the VO-DPC system with the dead zone of sector borders S。 1 101 111 111 111 100000 000 000 110 111 111 1 111 111 111 111 000 000 000 000 111 111 111 0 0 101 111 100 000 100 111 110 111 110 000 010 0 100 111 110 111 110000 010000 010 111 011 8, 111 010 000 000 000 011 111 111 111 001 000 000 000 111 000 000 000 000 111 111 111 111 000 000 000 000 000 010 11 011 111 011 000 001 000 001 111 101 111 111 011 000 001 000 001 111 101 111 101 000 100 000

一 38 2 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 5 年 第 3 期 ( n 一 2哈 ` 氏` ( n 一 `借 , n 一 ` , 2 , … , `2 ( ` o ) 根据 控制 瞬 时功率要 求 , 按“ r分布 ( 图 3) 和输 入 空 间划分 ( 图 4) , 式 (8) 和 式 (9) 可得 开 关表 见 表 l `2 , . 表 1 V O卜 D P C 系统 开 关表 介b l e 1 S w i t e h i n g t a b l e o f t卜e V O 一 D P C s y s t e m 凡 又 0 , 久 已 已 氏 氏 已 氏 氏 0 ,。 口 , , 8 : 2 nCU `工. n n ù 0 八nU,1 ,胜皿 , 胜. n 且J胜1 .1 八“00 八U 0 ǎU 山,孟卫 山1. on. 1 .1 011 01 0 nUùU ,1 . 1 001 八曰n ù 0 . 1 , 五胜 nU, . .1 n八曰UUO , 1 l i . n 曰 l `.且1 .1 . 1 1. 电且,孟nU 0 O , .1 1 OC 且` l .1 曰nUn CU 0 o nU ó l ,.ó 八UO 八曰 ,胜 0010 , 且. n ó 1 11 010 J I nl n1I 八曰n 1卫n1 n曰 2 滞环 宽度对 系统 的影 响 滞 环 比 较器 的滞 环 宽 度 影 响瞬 时功 率 的 控 制精度 . 若 滞环 宽度小 , 控 制精度 高 , 但 导致主 电 路 开关管 开 关 频率 变 高 , 开 关损 失大 ; 若 滞环 宽 度大 , 控制 精度 低 , 开 关频率 低 , 开 关损 失小 . 从 系统 运 行 性 能看 , 希望 在 控制 精 度 允 许 的范 畴 内 , 提高滞 环 宽度 , 降低 开关频 率 . 但这 易引起 瞬 时有 功功率 、 直 流 电压 的波 动 , 对系统 运行 不利 . 图 5 为三相 电压型 P WM 整 流器 直接 功 率控制 系 统 ( 图 2) M人T L A B /is m ul lnk 环境 下 的直流 电压 和 瞬 时功 率 的仿 真 曲线 . 仿 真参 数 : au = 玩=u 厂85 V, 电源 频 率了 , = 5 0 H z , L 二 4 m H , R = 0 . I Q , C = 2 2 00 林F, R : = 10 Q , 认 。、 f 二 2 0 0 M 负载额 定 电流人 N = 20 A , 滞 环 宽度 H = 10 , 凡 二凡 = 10 . 由图可 以看 出 , 直 流 电压 和瞬 时功 率 出现 了波动 . 若 取月七 50 , 则直流 电压 和瞬 时功 率波 动变 小 , 但 开关 频率 变高 . 出现瞬 时有 功功率 、 直 流 电压 波动 的原 因分 析如 下 : 由图 4 及 开关 表 (表 2) 可知 , 当系 统工 作 于扇 形边 界 时 , 极易 产生 误选 开关量 现 象 ; 如已 和氏扇 形边 界处 (0 = o0 ) , 对 应于凡 ,又 的 组合有 两 组 开关量 可供 选择 , 即 10 1 , 11 1 , 10 1 , 10 0 和 1 11 , I n , 10 0 , 110 , 若在 0 : 域 内的边 界 处误选 伏域对 应 的 开 关量 , 会 导 致 瞬 时有 功 功率 得 不 到及 时 调 节 , 当滞 环 比 较器 的滞 环 宽度 比 较 小 , 开关频 率 比较 高 时 , 误 选 开关量 的影响 时 间极短 , 对 系统 的 影响很 小 , 可 以忽 略 . 当滞环 比较 器 的滞环 宽 度 比 较 大 , 开关频 率 比较低 时 , 误选 开 关量 的影 响 时 间变 长 , 对 系统 产生 影响 , 使瞬 时 有功 功率 波 动 , 导致 直流 电压 波动 , 对 负 载不 利 . 叽 , r l 0 5 } { 八 (b , _ } } 八 八 口 丫 \I/ n ù悦é 一 沙巡哥俘 可价 ǎ Ufl 八U U O 凡j 儿, 赶留图 1 00 一 10 4 0 80 12 0 时 间 /m s 16 0 2 0 0 4 0 8 0 12 0 时 间 /m s 1 60 2 0 0 图 5 D P C 系统 从启 动暂态到 稳态仿 真 曲线 . ( a) 绘定 直流 电压 叽耐和 直流 电压 认 ;和)有 功功率p 和 无功功率 q F i g . 5 S im u l a t e d e u vr e s o f t卜e D P C 叮 s t e m ’fIO m s t a rt t o s t e a d y s t a et : ( a ) er fe 代 n e e D C v o lat g e U石 了 a n d D C v o lt a g e 几 ; 伪) a c咖 e P o w e r P a n d 比 a c ti v e p o w e r q 表 2 设 i 扇形 边 界死 区 D P C 系统开 关表 aT b一e 1 5 侧 it e h i n g t a b l e o f t h e V O 一 D p C , y s t e m 初th t h e d e a d z o n e o f s e e t o r b o r d e ” 凡 又 0 , 01 : 氏 氏 3 丛 丛 4 民 负 , 民 丛 。 氏 1 0 10 1 111 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 10 1 11 1 11 1 1 1 11 1 11 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 11 1 11 1 11 0 0 10 1 1 11 10 0 0 0 0 10 D 1 11 1 10 1 11 1 10 0 0 0 0 10 0 1 10 0 1 11 1 10 1 1 1 1 10 0 0 0 0 10 0 0 0 0 10 1 11 0 1 1 民 : 已 0 7: 夕 。 氏 , 氏 氏 ,。 夕 1。 夕 1 0 1 , 已 , 已 。 1: 已 : 夕 1 2 1 1 1 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 11 1 11 1 11 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 11 1 11 1 11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 1 1 1 0 1 1 1 11 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 11 10 1 1 11 1 11 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 11 10 1 1 11 10 1 0 0 0 10 0 0 0 0

VoL.27 No.3 王久和等：设置扇形边界死区的电压型PWM整流器直接功率控制 ·383 3设置扇形边界死区DPC系统 中每一扇区0-29°，每一边界死区0，=10=(+1)， 仿真参数同前，仿真曲线如图6所示，从仿真结 为避免由降低开关频率、增大滞环宽度引起 果可以看出，设置扇形边界死区DPC系统减弱了 的扇形边界的影响，提出设置扇形边界死区控制 扇形边界的影响，瞬时有功功率和直流电压波形 策略，即在每一个扇形边界±△8范围内设置死 与图5相比，得到了明显的改善.图7给出了不设 区，死区内开关量统一取为000或111（零空间矢 置扇形边界死区和设置扇形边界死区的直流电 量)，这样可减弱扇形边界的影响.为实施该控制 压误差（△U=Ukr-Ux.结果表明，设置扇形边界 策略，可修改DPC系统开关表，在每一扇形边界 死区的DPC系统，稳态时的直流电压误差小（几 ±△8范围内设置000或111，即得到设置扇形边界 乎接近于O),跟踪给定能力强（亦反映有功功率 死区DPC系统.△0=0.5°时的开关表见表2，表 跟踪给定能力强)且波形平稳 300a 10 (b) 200 解0 100 -10 0 40 80120 160200 0 40 80120160200 时间ms 时间ms 图6设置扇形边界死区DP℃系统从启动到稳态仿真曲线.(a)绘定直流电压U和直流电压U:b)有功功率P和无功功率g Fig.6 Simulated curves of the DPC system with the dead zone of sector borders from start to steady state:(a)reference DC voltage er and DC voltage U;(b)active power p and reactive power g 0 50 50 0 40 80120 160 200 40 80120 160 200 时间ms 时间ms 图7直流电压误差比较.（不设置扇形边界死区的直流电压误差：b)设置扇形边界死区的直流电压误差 Fig.7 Comparison of direct voltage errors:(a)DC voltage errors of the DPC system without the dead zone of sector borders;(b)DC voltage errors of the DPC system with the dead zone of sector borders 4结语 参考文献 [1)张崇巍，张兴，PWM整流器及其控，北京：机械工业出版 在电压型PWIM整流器DPC系统中，功率滞 社，2003.10 环比较器的滞环宽度对系统的开关频率及开关 [2]Tokuo Ohnishi.Three phase PWM converter/inverter by means of 损失、瞬时功功率、直流电压有较大的影响.为降 instantaneous active and reactive power control.In:Proc IEEE 低开关频率、减少损失，需增大功率滞环比较器 IECON'91,Kobe,Japan,1991.819 [3]Toshihiko Noguchi,Hiroaki Tomiki,Seiji Kondo.Direct power 的滞环宽度：当滞环宽度增加到一定程度时会引 control of PWM converter without power-source voltage sen- 起瞬时有功功率和直流电压波动，对负载运行不 sors.IEEE Trans Ind Appl,1998,34(3):473 利，其原因是在扇形边界处易出现误选开关量现 [4]王久和，李华德，李正熙.电压型PWM整流器直接控制技 术.电工电能新技术，2004,23(3)：647 象，对此，提出了设置扇形边界死区的控制策略. [5]Malinnowski MM S.Sensorless control strategies for three-phase 通过MATLAB/Simulink环境下系统模型的仿真 PWM rectifier:[Dissertation].Warsaw University of Technol- 表明，直流电压、有功功率跟踪给定能力强且波 0gy,2001 形平稳，证实了该策略的可行性 [6]Malalinowski M,Kazmierkowski M P,Kansen S,et al.Virtual-

V b L27 N o . 3 王久 和等 : 设置扇 形边 界死 区的 电压型 P W M 整流 器直接 功率 控制 3 设 置 扇 形 边界 死 区 D P C 系 统 为避免 由降低 开关频 率 、 增 大滞 环 宽度 引起 的扇形 边 界的影 响 , 提 出设置 扇形边 界死 区 控 制 策 略 , 即 在 每 一 个 扇 形 边 界士△口范 围 内 设 置 死 区 , 死 区 内开 关量 统一 取 为 0 0 0 或 11 1( 零 空间矢 量 ) , 这 样可 减弱扇 形边 界 的影 响 . 为 实施 该控制 策略 , 可修 改 D P C 系统 开 关表 , 在每 一扇 形边 界 士△0范 围 内设 置 0 0 0 或 I n , 即得 到设 置扇 形边 界 死 区 D P C 系 统 . △0 = 土.0 50 时 的开关 表 见表 2 , 表 中每 一扇 区叹= 2 90 , 每 一边 界 死区 氏= 1 “ 口= (+1 1) , 仿真 参 数 同前 , 仿 真 曲线 如 图 6 所 示 . 从仿 真结 果可 以看 出 , 设置 扇形边 界 死区 D P C 系 统减 弱 了 扇形 边界 的影 响 , 瞬时 有功 功率和 直流 电压波 形 与图 5 相 比 , 得到 了 明显 的改善 . 图 7 给 出 了不 设 置扇 形 边 界死 区 和 设置 扇 形边 界 死 区 的直 流 电 压 误差 (A U = 认峨 f 一 疏 ) . 结 果表 明 , 设置 扇形 边界 死 区 的 D P C 系 统 , 稳 态 时 的直流 电压 误 差小 ( 几 乎接 近 于 0) , 跟 踪 给定 能 力强 ( 亦 反 映 有功 功率 跟踪 给 定 能力强 ) 且波 形 平稳 . ( a) 八 八 ~ 一外 ` ! { {{ { 曰 - … V 姚 1 1 1 1 10 5 0 4 0 80 12 0 16 0 2 0 0 ){ {\ ` b , ` } } 八 八 “ 口 丫 勺 。 0 排俘沐乏 00 凡乙、, 赶于田 时间 m/ s 时 间 m/ s 图 ` 设 t 扇形 边界死 区 D P C 系统 从启 动到稳 态仿真 曲线 . ( a) 绘定 直流 电压 眺 传 , 和直 流 电压 疏 ; 助有 功功 率尸和 无功功 率q iF .g ` S i m u l a t elt c u vr e s o f t h e D P C s y s et m w i tb t卜e d e a d z o n e o f s e c ot r b o r d e sr for 口 s at rt t o s t e a d y s t a et : ( a ) 比fe 比n ce D C v o lat ge 眺 传 r a . d D C v o l t a ge 汰 ;( b ) a e iVt e P o w e r P a n d 比 a e “ v e P o w e r q }{ 伪) l 八 八 八 口 口 丫 种叭曰 赶绷哥境侧碧日 nUO 、óù 赶绷甚咚日埃侧 0 40 80 12 0 16 0 2 0 0 时 间 加 s 时间 m/ s 图 7 直 流 电压 误差 比较 . (a) 不设 i 扇 形边 界死 区的直 流 电压 误差 ; 伪)设 l 扇 形边界 死 区的直流 电压误差 F i.g 7 C o m p a isr o n Of d ier e t v o lt a g e e r 功扮 : a( ) D C v o l t a g e e r 功 sr o f t卜e D P C s y , t e m 们 th o u t th e d e a d z o . e o f s ct ot r b o r d e sr ; 伪) D C v o l t a ge e r , ” o f th e D P C s y s et m 初 t b th e d e a d z o o e o f s e c t o r b o r d e” 4 结 语 在 电压 型 PYV M 整 流器 D P C 系 统 中 , 功率 滞 环 比 较 器 的滞 环 宽 度 对 系统 的开 关频 率 及 开 关 损 失 、 瞬 时功 功率 、 直流 电压 有较 大 的影响 . 为 降 低 开 关频 率 、 减 少 损 失 , 需 增大 功率 滞 环 比 较器 的滞 环 宽度 ; 当滞环 宽度 增加 到 一定程 度 时会 引 起 瞬时 有功 功率 和直 流 电压波 动 , 对 负载运 行不 利 , 其原 因是在 扇形边 界 处 易 出现误 选 开关量 现 象 . 对此 , 提 出了设置 扇形 边界 死 区的控 制策 略 . 通过 M AT L A B / S im u li n k 环 境下 系 统模 型 的仿 真 表 明 , 直 流 电压 、 有功 功 率跟 踪给 定 能力 强且 波 形平 稳 , 证 实 了该 策略 的 可行性 . 参 考 文 献 【l] 张崇巍 , 张兴 . P WM 整流器 及其 控 . 北京 : 机械 工 业 出版 社 , 2 0 0 3 . 10 [ 2 ] oT k u o o hn i s h i . T hr e e hP as e PW M e o vn e rt e r/ in v e rte r by m e an s o f in st阴 tan e o u s ac t i v e an d re act iv e P OW er c o n 仕 o l . nI : P ocr I E EE IE C O N 9 1 , K o be , J即an , 19 9 1 . 8 19 [ 3 ] OT s h ih议 0 N o g u ch i , H ior iak oT m沉 , S e ij i K o n do . D ire e t P o w e r e o n t r o l o f PW M e o n v e rte r w iht o ut P o w e r . s o cur e vo l agt e s en - s o rs · I E E E T r a n s I . d A p P瓦19 9 8 , 34 ( 3) : 4 7 3 4[ 1 王 久和 , 李华 德 , 李正 熙 . 电压 型 P W M 整流 器直接控 制技 术 . 电工 电能新技 术 , 20 0 4 , 2 3 ( 3 ) : 6 4 7 [ 5 ] M al in o w s k i M M 5 . S e n s o r l e s s e o n otr l st r a t e g i e s of r th r e e 一h as e PW M re e tiif e r : 田i s s e rt a ti on] . w 白rs aw U n i v ers ity o f eT e h n o l · o 留 , 2 0 0 1 [ 6 ] M a l a lin o w s ik M , K a z l n l erk o w s ik M P, K an s e n S , e t al . 明 d u a l ·

·384 北京科技大学学报 2005年第3期 flux-based direct power control of three-phase PWM rectifiers [8]Escobar G,Stankovic A M,Carroso J M,et al.Analysis and de- IEEE Trans Ind Appl,2001,37(4):1019 sign of direct power control (DPC)for a three-phase synchro- [7]Malinowgki M,Kazmierkowski M P.DSP implementation of di- nous rectifier via output regulation subspaces.IEEE Trans rect power control with constant switching frequ-ency for three- Power Electron,2003,18(3):823 phase PWM rectifiers.In:28th Annual Conference of the IEEE [9]李培芳，孙士乾.三相电路瞬时电流，功奉的分解与Pr空 Industrial Electronics Society [IECON-2002).Sevilla Spain. 间分析.浙江大学学报（工学版），200L,351):146 2002.198 Direct power control of three-phase boost-type PWM rectifiers with the dead zone of sector borders WANG Jiuhe LI Huade".YANG Liyong" 1)Information Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Information Technology Institute,Beijing 100101,China ABSTRACT The direct power control(DPC)principle of three-phase boost-type PWM rectifiers based on the mathematical model of PWM rectifiers was analyzed.The effect of the hysteresis wide of power hysteresis com- parators on the properties of the PWM rectifiers was discussed.Since the hysteresis wide is widened for decreasing switching frequency and energy loss,which causes the pulsation of instantaneous active power and direct current voltage,a control strategy with the dead zone of sector borders was proposed for eliminating the mistakes of se- lecting switch vectors on sector borders and improving the waveforms of instantaneous active power and direct cur- rent voltage.Simulink simulation shows the feasibility of the control strategy. KEY WORDS PWM rectifier;direct power control;dead zone;sector border:switching table:simulation

· 3 8 4 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 3 期 fl ux 一 b as e d d ier e t p o w e r e o n tr o l o f 山 r e e一 Ph as e P W M r e e t iif e r s . I E E E rT a n s I n d A P p l , 2 0 0 1 , 37 ( 4 ) : 10 19 【7 ] M a lin o w 蜘 M , K a z l n i e rk o w s ik M P D S P im P l e m e n t a ti o n o f d i - re e t P o w e r e o ll t r 0 1 w iht e o n s t a n t sw itc h雌 fr e q u · e n e y fo r htr e e - P h as e PW M re ct iif e r s . I n : 28 ht A n ll u a l C o n fe r e n c e o f th e I EE E I n du st r i a l E l e e tro n i e s S o e i e ty [ IE C O N · 2 0 0 21 . S e v ill a SP a i n . 2 0 0 2 . 19 8 [ 8 ] E s e o b ar G , S加m k vo i e A M , C 别 r o s o J M , et a l . nA aly s i s an d de - s ign o f d ire e t P o w e r c o ntr o l (D P C ) of r a ht r e e 一 Ph as e yS n e hr o - n o u s re e t iif e r v i a o u 印ut r e g u lat i o n s u b s P ac e s . I E E E 介 a n s p o w e r E l e e t or n , 2 0 0 3 , 18 ( 3) : 8 2 3 9[ ] 李 培芳 , 孙士 乾 . 三相 电路瞬时 电流 、 功率 的分解与 P ar 空 间分析 . 浙 江大学 学报 (工 学版 ) , 2 0 0 1 , 3 5( l ) : 一4 6 D i r e e t P o w e r e o n tr o l o f htr e e 一 P h a s e b o o s t 一勿p e P WM r e e t iif e r s w iht ht e d e a d z o n e o f s e c t o r b o r d e r s 恻刃G iJ hu 甘 , , lL uH a de ,’ , YA N G L iy on g `’ l ) I n of rm at i o n E n g i n e e r i n g S e h o o l , U n i v e r s ity o f s e i e n e e an d eT e lm o l o gy B e ij ign , B e ij i n g l 0 0 0 8 3 , C h in a 2 ) B e ij i n g I n fo rm at i o n eT e hn o l o gy I n st i tut e , B e ij ign 10 0 10 1 , C h in a A B S T R A C T hT e d i r e e t P o w e r e o ntr o l 田P C ) Pir n e i P l e o f t hr e e · P h a s e b o o s t 一 帅 e PW M r e e t iif e r s b as e d o n t h e m aht e m at i e a l m o d e l o f P WM re e t i if e r s w a s an a ly z e d . T h e e fe e t o f t h e hy s t e re s i s w i d e o f P o w e r hy s t e r e s i s c o m - P ar at o r s o n ht e P r o P e rt i e s o f ht e P丫犷M r e e ti if e r s w as d i s e u s s e d . S icn e ht e hy s t e re s i s w i d e 1 5 w ide n e d of r d e e r e as in g s w i t e h i n g fre q u e n c y an d e n e r g y l o s s , hw i e h e a u s e s ht e P u l s at i o n o f i n s ta n at n e ou s a e t i v e P o w e r an d d i r e e t c u r e n t v o l t a g e , a e o ntr o l s tr at e gy w iht ht e d e ad z o n e o f s e e t or b o dr e r s w as P r o P o s e d fo r e lim i n at i n g ht e m i s t a k e s o f s e - l e e t i n g s iw t c h v e o t o r s o n s e e to r b o dr e r s a n d im P r o v l n g het w va e fo mr s o f i n s t a n ta n e o u s ac ti v e P o w er an d id r e e t e ur - er n t v o l t ag e . S im u link s im u l at i o n s h o w s ht e fe a s i b i l iyt o f ht e e o ntr o l s tr at e gy . K E Y W O R D S PW M r e e t i if e r ; id r e e t P o w e r e o n t r o l ; d e ad z o n e ; s e e tor b o r d er ; s w i te h i n g t ab l e ; s im ul at i o n