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直接功率控制的三相PWM整流器性能分析 M. A.拉赫曼Azziddin M.拉扎利工程和应用科学学院纽芬兰纪念大学圣约翰，加拿大 azziddin.razali@mun.ca, arahman@mun.ca 摘要—本文陈述了一种基于电网虚拟磁链的直接功率控制（DPC）的三相三线双向PWM整流器。主电源电压的虚拟磁链是用来估算PWM整流器的瞬时有功和无功功率的。利用电源电压的虚拟磁链的DPC方案的理论背景提供了作为功率调节器的PWM整流器的运作的基本介绍。为了研究和分析稳态和瞬态条件下整流器的性能和运作，我们进行了一些计算机仿真和硬件实验，并取得了一些结果。结果表明，利用虚拟磁链的DPC方案相比传统的DPC有几项优势，如低总谐波失真的输入电流，几乎单位功率因数的运行和良好的动态响应。 关键词：直接功率控制（DPC），双向PWM整流器，虚拟磁链（VF），瞬时功率，开关表，滞后控制器。 I. 简介 三相非线性负载的运用比如可调高速驱动器和功率转换器在电信领域中的利用，电力电子应用以及数据处理系统正越来越多。在常规电源处理系统中，无论是三相二极管整流器还是相控整流器都是用来把ac电源转换为dc电源的。非线性二极管整流器件在和非线性负载交互时会产生和注入少量的谐波电流到AC电源中。经整流得出的输入电流的非正弦形会导致在配电网络和敏感电子设备的一些问题。增加的谐波电流和低功率因数会导致一些设备如发电机，输电线路，变压器的伏安等级增加。因此，由于众多的优势，双向脉宽调制整流器正越来越多的应用到实用接口和高性能可调速驱动器中。它们提供了在线电流中的低谐波含量，随之带来了几乎正弦形的输入电流，可控制的功率因数和直流电压，可再生能力和快速的动态响应等优点。如图1所示的是一个三相电源通过电感连接到三相双向PWM整流器的拓扑图。 三相双向PWM整流器的拓扑图 在近期对PWM整流器的研究中，我们用了各种各样的控制策略：我们建议的控制策略，包括相位和幅度控制（PAC）[1]，滞环电流控制（HCC）[2]和电压定向控制（VOC），[3]。在一般情况下，这些控制技术要求如下三种类型的传感器： 控制输入电流的ac传感器， 调节直流母线电压的直流母线电压传感器， 为了获取电流相位参照的ac电压传感器。 除了进行系统控制，第一和第二个传感器还可以用来对系统进行保护。对转换器来说，输入线路的过电流保护和直流线路的过电压保护也是非常重要的。而对第三个传感器来说，为了简化实施过程和节约资金，可以被省略，而对系统的性能影响却不大。 参考文献【4】中的作者提出了一种叫做直接功率控制（DPC）的控制技术来控制PWM整流器，使得它能够达到单位功率因数运行和通过直接控制瞬时有功无功而不用ac传感器来对直流线路电压进行调节。功率运算是通过线电流的微分运算来计算线电感的电压降的。有功功率(p)和无功功率(q)的公式分别由（1），（2）所示。 表示转换器的开关状态 如果在开关设备在改变开关状态的时候进行计算，那么无论是有功还是无功的计算都会发生错误。此外，我们用较高的采样频率（约111Hz）来防止噪声和改善微分运算的准确度。 本文呈现了一种三相双向PWM升压整流器中的基于虚拟磁链估算方法的DPC的实现的理论背景研究方法，它可以消除【4】中提出的传统DPC的问题，这种方法有如下的优点： 相同的线电流THD情况下，与传统DPC相比更低的采样频率， 在平衡及不平衡电压下更好的性能， 由于不需要ac传感器，因此可以节约资金。 在稳态和瞬态条件下我们是通过MATAB来对PWM整流器的性能和特点进行仿真研究的。 II.功率电路模型和PWM整流器的工作原理 三相双向电压源PWM整流器（VSR）的拓扑图如图1所示。VSR是通过电感L，内部电阻R连接到三相ac电源的。阻抗像一个线路滤波器来使线电流具有最小的波纹。由于绝缘栅极晶体管（IGBTs）具有高功率等级，简单的门极驱动要求和适应于高频率开关的特点，它被用来当做VSR功率开关。直流线路电容C是用来对ac组件进行滤波的，从而使VSR端的输出直流电压达到波纹最小。VSR的基本操作原理是调节负载侧的直流线路电压Vdc在参考电压值Vdc*上，并同时保持电网侧功率因数在一个需要的值上。在大多数情况下，功率因数应保持在单位功率因数上从而来实现最小电流应力下最佳的功率传输。Vdc*的值必须保持足够高来使转换器的二极管截止和保持控制器的稳定。一般来说，最小直流线路电压是由线与线之间的电网电压的峰值决定的，例如： 假设主电源电压稳定，那么PWM整流器的操作可以由式（3），（4）表示： III.基于电网虚拟磁链估计的直接功率控制（DPC—VF） A.基于虚拟磁链的功率估计 电网的电压源曾经被认为近似于一个虚拟的ac发电机【5】，【6】。后来，由于有了先