基于DSP的直接功率控制三相PWM整流器

1 引言
    随着电力电子装置不断用于各个领域，其中大量使用的不控整流设备只能实现能量的单向传输，并且功率因数低，对电网的谐波污染十分严重。应用直接功率控制（DPC）的三相PWM整流能有效改善电流波形的畸变，获得高功率因数；而且相对于电流控制的PWM整流器，它省去了内部的电流环，减少了参数调试，在数字实现中无需旋转坐标变换，直接对有功和无功功率运用Bang-Bang控制，具有结构简单，输出稳定，动态响应速度快等优点。

2 系统构成和控制策略
    2.1 三相PWM整流器的数学模型
图1为三相PWM整流器主电路图，定义A相的开关信号为Sa，则Sa=1时，VT1开通，VT2关断；
                            
    Sa=0时，VT1关断，VT2导通。同样的定义B相和C相开关信号为Sb和Sc。Ud为直流电压，L为滤波电抗器的电感（此处忽略电阻），C为直流侧的电容，RL为负载，iL为负载电流。则得到三相PWM整流器开关数学模型如式（1）
                            
    从上式可以看出，三相PWM整流器系统工作原理主要是通过对开关器件有效的控制，使得桥臂终端a，b，c电压为一双极性SPWM调制脉冲序列。当开关频率足够高时，根据傅立叶分析，桥臂端电压为基波交流电压和高次谐波电压叠加而成，电感 平衡和抑制高次谐波电流，缓冲桥臂脉冲序列中的无功功率，从而获得与网侧电压同相位的电流。
    2.2 DPC系统结构和控制策略
 
    由式（2）得出：在一定的电网电压下，通过设定有功功率和无功功率，就有确定的三相电流状态。即控制有功功率和无功功率两个量可以实现上文所述的对电流的控制。
    本文研究的三相PWM整流器的DPC主要是基于瞬时功率的概念。传统的有功功率、无功功率都是定义在平均值基础上的，它们只适用于电压、电流为正弦波的情况；而瞬时功率的概念对正弦、非正弦电压

      
      
                            
    2.3 DPC系统硬件设计
    系统核心控制芯片为TI公司的TMS320F2812 DSP芯片，采用该芯片有以下优点：
    （1）指令周期为6.67ns（150MHz）；
    （2）内部集成128K的FLASH ROM和18K的SRAM，编程方便；
    （3）具有丰富的外设，有多达16个通道的12位的ADC，单路转换时间仅60ns，事件管理器（EV）可以方便的控制PWM输出
    系统主电路中采用三菱公司的IPM功率模块PM75CSA120，它具有最高20kHz的稳定工作频率，集成了完整的三相功率回路，最优的IGBT门极驱动，完善了对短路、过流，温升过高和欠压的保护，特别适用于变流装置。
                                           

3 实验结果与分析
    基于前述的PWM整流器原理及DPC控制策略，研制了一台样机。前级采用自耦变压器降压作为整流桥输入，整流系统的进线滤波电感为8mH，电阻忽略不计，工作频率20kHz。直流母线滤波电容为两个450V/4700μF电容串连。

    3.1 稳态波形
                  
                  

    图4（a）为稳态输入的相电压和相电流波形，由图可见，电压电流相位相同，其中电流近似正弦波，但在波峰处仍有一定的毛刺，这是因为控制系统的信号采集部分有很小的相位迟滞，所以对瞬时功率的控制存在一定的滞后。图4（b）为稳态时的网侧的输入有功和无功功率波形，它们由式（7）计算后输出到一个 12位DAC芯片得到的，DAC输出最高电压2.5V，波形中P的平均值大约为340mV，计算之得：P=0.34/2.5*4095=556.92W，与实验运行参数相符。无功功率在很小的范围内波动，近似为零。可见采用DPC控制策略的PWM整流器功率因数近似为1，具有良好的输入特性。
    3.2 负载变化的动态响应
    图5为负载从100Ω变化到50Ω，输出功率增大，输出直流电压、网侧电流和有功无功的动态波形。从图5可以看到，输出直流电压基本不变。网侧电流和有功功率经过大约40ms后在新的状态下稳定，显示了DPC的快速的动态响应和良好的输出特性。

    4 结论
    应用直接功率控制的PWM整流系统，结构简单，省去了VOC控制策略中的电流环和复杂的坐标变换运算，参数调试量少，动态性能好。在此基础上研制了一台实验样机，实验结果表明了控制算法的高效性。