·284· 工程科学学报，第38卷，第2期 定向型直接功率控制(voltage oriented direct power control,VO-DPC)B-a和虚拟磁链定向型直接功率控制 1 基于一阶低通滤波的虚拟磁链观测 virtual flux oriented direct power control,VFO- 电压型脉宽调制整流器系统中的虚拟磁链定向方 DPC)7.文献D]对上述2种方法做了详细比较，研 法是将整流器网侧等效成一个虚拟的交流电动机，如 究发现虚拟磁链定向型直接功率控制能降低系统总谐 图1所示，网侧阻抗R和L分别等效为交流电动机中 波畸变率(total harmonic distortion,THD),动态性能良 的定子电阻和定子电感，则三相电网电压矢量u(u., 好而更有优势.在虚拟磁链定向型直接功率控制中， 山。，“)在积分后所得到的矢量可认为是虚拟交流电动 虚拟磁链无法直接测量得到，而其观测和估计精度会 机的气隙磁链 直接决定整个系统的控制性能，因此也日益成为研究 的热点之一 虚拟磁链定向型直接功率控制中的虚拟磁链观测 理论上可以由对电网电压的积分得到，但实际应用中 会存在直流偏置和积分初值问题0-0.目前主要的实 用方法多采用一阶低通滤波器(first-order low-pass ller,FOLP)取代纯积分，这样观测得到的虚拟磁链虽 然不依赖于积分初值，但一阶低通滤波器的使用会引 起交流电压幅值衰减和相移，并会使得电压型脉宽调 图1电压型脉宽调制整流器主电路拓扑 制整流器的动态响应效果变差2.针对这个问题， Fig.I Diagram of the main circuits of the pulse width modulation rectifier 很多学者提出了改进方法.文献5]利用三级一阶低 通滤波器的级联观测磁链，在此基础上加入实时的动 图1中，c为直流侧母线电容，。、4，和4。为交流 态补偿，这种方法虽能抑制直流偏置和初始相位误差， 侧电网三相电压，i.、i。和i。为网侧电流，ua、u.和ue为 但三级滤波的引入又造成观测器参数较多且调整困 整流桥网侧电压，山和ik分别是直流母线电压和 难，在实际工程应用中难以达到理论效果.文献16] 电流 提出了带初值估计的磁链观测方法，利用零电压矢量 若采用“、i和“，分别代表三相电网电压矢量、电 将两相B静止坐标系下对磁链的观测转化为对采样 流及整流器网侧电压的空间矢量.若忽略回路中电阻 电流的微分，然后将采样电流离散化，即用差分代替微 的影响，则整流器中存在如下关系 分，得到磁链初始值，但是差分方程设计不合理时观测 u=l出+， (1) 的结果会存在误差.文献7]提出了带积分饱和限幅 反馈方法，但是为了确定积分饱和限，必须检测虚拟磁 式中，1表示时间. 链多个参数.在电网稳态运行的情况下，虚拟磁链的 依据电压型脉宽调制整流矢量变换原理，式中的 参数可以由网侧电压和电网频率预测得到，然而当电 整流器网侧电压在B坐标系下可表示为 网电压波动时，由于虚拟磁链不能由瞬时状态预测出 [s.-+) 2 来，会造成检测到的虚拟磁链参数不准确，因此系统的 (2) 鲁棒性较差. 肩代-S) 本文基于电压型脉宽调制整流器数学模型和虚拟 磁链定向控制理论，通过分析虚拟磁链原理，提出一种 式中，u.和ue为u,在B坐标系下的两个分量（文章 基于矢量重构技术的虚拟磁链观测方法.该方法基于 公式中，下角标最后一位为α或B的变量代表相应矢 矢量重构原理，通过分析一阶低通滤波器的幅频特性 量在B坐标系下的a或B分量)，S,、S和S。定义为 和相频特性对电网电压矢量的影响，分别对滤波后的 桥臂的开关状态(S:=1为相应的上桥臂导通；S:=0 电压矢量幅值和相位进行重构，消除了一阶低通滤波 为相应的下桥臂导通). 电网虚拟磁链矢量亚可由整流器网侧电压矢量 器的引入带来的电压矢量幅值衰减和相移，实现虚拟 u,的积分加上滤波电感上的磁链求得，即 磁链幅值和相位的精确估算.由于是基于对电压矢量 的直接重构，对电网电压波动有较强的适应性，而且与 其他一阶低通滤波虚拟磁链观测改进策略相比，该方 (3) uadt Lig Li 法需调整的参数较少.本文通过对该矢量重构方法与 传统一阶低通滤波方法的虚拟磁链观测进行仿真和实 工程实际应用中，多采用一阶低通滤波器取代上 验研究证明了该方法的可行性和有效性. 式中的纯积分，通过一阶低通滤波消除直流偏置并滤工程科学学报，第 38 卷，第 2 期 定向型直接功率控制 ( voltage oriented direct power control，VO-DPC) ［5--6］和虚拟磁链定向型直接功率控制 ( virtual flux oriented direct power control，VFO￾DPC) ［7--8］． 文献［9］对上述 2 种方法做了详细比较，研 究发现虚拟磁链定向型直接功率控制能降低系统总谐 波畸变率( total harmonic distortion，THD) ，动态性能良 好而更有优势． 在虚拟磁链定向型直接功率控制中， 虚拟磁链无法直接测量得到，而其观测和估计精度会 直接决定整个系统的控制性能，因此也日益成为研究 的热点之一． 虚拟磁链定向型直接功率控制中的虚拟磁链观测 理论上可以由对电网电压的积分得到，但实际应用中 会存在直流偏置和积分初值问题［10--11］． 目前主要的实 用方法 多 采 用 一 阶 低 通 滤 波 器 ( first-order low-pass filter，FOLP) 取代纯积分，这样观测得到的虚拟磁链虽 然不依赖于积分初值，但一阶低通滤波器的使用会引 起交流电压幅值衰减和相移，并会使得电压型脉宽调 制整流器的动态响应效果变差［12--14］． 针对这个问题， 很多学者提出了改进方法． 文献［15］利用三级一阶低 通滤波器的级联观测磁链，在此基础上加入实时的动 态补偿，这种方法虽能抑制直流偏置和初始相位误差， 但三级滤波的引入又造成观测器参数较多且调整困 难，在实际工程应用中难以达到理论效果． 文献［16］ 提出了带初值估计的磁链观测方法，利用零电压矢量 将两相 αβ 静止坐标系下对磁链的观测转化为对采样 电流的微分，然后将采样电流离散化，即用差分代替微 分，得到磁链初始值，但是差分方程设计不合理时观测 的结果会存在误差． 文献［17］提出了带积分饱和限幅 反馈方法，但是为了确定积分饱和限，必须检测虚拟磁 链多个参数． 在电网稳态运行的情况下，虚拟磁链的 参数可以由网侧电压和电网频率预测得到，然而当电 网电压波动时，由于虚拟磁链不能由瞬时状态预测出 来，会造成检测到的虚拟磁链参数不准确，因此系统的 鲁棒性较差． 本文基于电压型脉宽调制整流器数学模型和虚拟 磁链定向控制理论，通过分析虚拟磁链原理，提出一种 基于矢量重构技术的虚拟磁链观测方法． 该方法基于 矢量重构原理，通过分析一阶低通滤波器的幅频特性 和相频特性对电网电压矢量的影响，分别对滤波后的 电压矢量幅值和相位进行重构，消除了一阶低通滤波 器的引入带来的电压矢量幅值衰减和相移，实现虚拟 磁链幅值和相位的精确估算． 由于是基于对电压矢量 的直接重构，对电网电压波动有较强的适应性，而且与 其他一阶低通滤波虚拟磁链观测改进策略相比，该方 法需调整的参数较少． 本文通过对该矢量重构方法与 传统一阶低通滤波方法的虚拟磁链观测进行仿真和实 验研究证明了该方法的可行性和有效性． 1 基于一阶低通滤波的虚拟磁链观测 电压型脉宽调制整流器系统中的虚拟磁链定向方 法是将整流器网侧等效成一个虚拟的交流电动机，如 图 1 所示，网侧阻抗 Ｒ 和 L 分别等效为交流电动机中 的定子电阻和定子电感，则三相电网电压矢量 u( ua， ub，uc) 在积分后所得到的矢量可认为是虚拟交流电动 机的气隙磁链． 图 1 电压型脉宽调制整流器主电路拓扑 Fig． 1 Diagram of the main circuits of the pulse width modulation rectifier 图 1 中，c 为直流侧母线电容，ua、ub 和 uc 为交流 侧电网三相电压，ia、ib 和 ic 为网侧电流，ura、urb和 urc为 整流桥 网 侧 电 压，udc 和 idc 分别是直流母线电压和 电流． 若采用 u、i 和 ur 分别代表三相电网电压矢量、电 流及整流器网侧电压的空间矢量． 若忽略回路中电阻 的影响，则整流器中存在如下关系 u = L di dt + ur ． ( 1) 式中，t 表示时间． 依据电压型脉宽调制整流矢量变换原理，式中的 整流器网侧电压在 αβ 坐标系下可表示为 ur = urα ur ( ) β = 2 3 udc [ Sa － 1 2 ( Sb + Sc ] ) 1 槡3 udc ( Sb － Sc           ) ． ( 2) 式中，urα和 urβ为 ur 在 αβ 坐标系下的两个分量( 文章 公式中，下角标最后一位为 α 或 β 的变量代表相应矢 量在 αβ 坐标系下的 α 或 β 分量) ，Sa、Sb 和 Sc 定义为 桥臂的开关状态( Si = 1 为相应的上桥臂导通; Si = 0 为相应的下桥臂导通) ． 电网虚拟磁链矢量 Ψ 可由整流器网侧电压矢量 ur 的积分加上滤波电感上的磁链求得，即 Ψ = ∫ udt = ∫urα dt + Liα ∫urβ dt + Li        β  = ψrα + Liα ψrβ + Li ( ) β ． ( 3) 工程实际应用中，多采用一阶低通滤波器取代上 式中的纯积分，通过一阶低通滤波消除直流偏置并滤 · 482 ·