[发明专利]一种三电平PWM整流器直接功率控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力电子与电气传动的变换器控制领域，特别涉及一种三电平脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)整流器直接功率控制方法。

背景技术

在高压大功率应用场合，受开关器件功率等级的限制，传统的两电平整流器已不能满足要求，而二极管箝位式(Neutral Point Clamped，NPC)三电平PWM整流器不仅能够实现能量双向流动、功率因数可控，而且还具有开关器件承压低、开关频率低、输入电流谐波含量少等优点，使其在工程领域得到了越来越广泛的应用。

传统的NPC三电平PWM整流器是采用基于电网电压定向的空间电压矢量合成的控制方法，需要坐标旋转变换、多个PI调节器和复杂的调制策略，而直接功率控制(Direct Power Control，DPC)不需要坐标旋转变换和调制策略，经过功率滞环比较直接从开关表中选择合适的空间电压矢量实现对有功功率和无功功率的控制。因此，DPC具有控制结构和控制算法简单，系统动态响应更快、效率高、鲁棒性强等优点。

在DPC中，开关表的优劣直接影响整个系统的控制性能，目前有多种开关表的建立途径：通过分析电流与空间电压矢量和功率的关系；从功率守恒的角度对三电平PWM整流器进行建模分析；在整流器数学模型的基础上结合瞬时功率理论定性分析电压矢量与输入有功、无功功率的关系；通过一种基于DPC的最优向量通用判据来选择合适的电压矢量实现有功功率和无功功率的控制等。同时，在NPC三电平变换器拓扑结构中，直流侧电容中点电位的不平衡是其固有的问题，中点电位不平衡会导致单管承受过高的电压，严重情况下会导致系统不稳定，控制失败。因此，在开关表的建立中还得兼顾直流侧中点电位的平衡。但是，众多三电平整流器DPC在开关表设计过程中均采用定性分析，没有给出在各个扇区内每个空间电压矢量对有功功率和无功功率的具体影响程度，使得传统设计的开关表在对功率的控制上效果不佳。如何构建和优化合适的开关表是三电平整流器直接功率控制系统设计的关键。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题在于，克服现有技术存在的上述缺陷，而提供一种控制系统结构和控制算法简单、动态响应快的三电平PWM整流器直接功率控制方法，以进一步增强对NPC三电平PWM整流器瞬时有功功率和无功功率的控制，本发明在整流器新的功率控制模型基础上提出了一种新的直接功率控制开关表的设计方法，新设计的开关表不仅可以实现网侧单位功率因数，快速稳定直流母线电压和平衡中点电位，而且对瞬时有功功率和无功功率的快速跟踪更加有效。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

利用NPC三电平PWM整流器的高频数学模型和三相电路的瞬时功率理论推导出整流器的瞬时功率控制模型，根据该模型分析每个扇区内输入有功功率、无功功率与27个基本矢量的定量关系，进而建立整流器直接功率控制的开关表，该方法包括下列步骤：

第一步：利用开关函数和基尔霍夫电压定律，建立二极管箝位式三电平电压型PWM整流器网侧αβ静止坐标系下的数学模型，忽略网侧线路电阻，在采样周期内对上述数学模型离散化，得到电流变化的表达式如下：