郭亚森
（东南大学电气工程学院，江苏 南京 211189）
【摘 要】介绍了d-q坐标系下的前馈解耦控制策略，并在分析SVPWM控制策略与控制算法的基础上，基于PSCAD仿真软件对三相电压型SVPWM整流器进行了仿真分析。结果表明此方法可以实现整流功能，证明了仿真的正确性。
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关键词 SVPWM；闭环控制；控制算法；PSCAD；整流器
Simulation of SVPWM Closed-loop Converter Control System Based on PSCAD
GUO Ya-sen
(Southeast University college of Electrical Engineering, Nanjing Jiangsu 211189, China)
【Abstract】This paper analyzes the feed forward decoupling control strategy under d-q coordinates at first. Then bases on the further analyzing of SVPWM control strategy and control algorithm, it has carried on the simulation analysis of three-phase voltage type SVPWM rectifier based on PSCAD simulation software. The simulation process has also been introduced detailed. Finally, the simulation results show that this method can realize the rectifier function and prove the validity of experiment.
【Key words】SVPWM；Closed-loop control；Control algorithm；PSCAD；Rectifier
0 引言
经济的飞速发展为电力事业带来了崭新的机遇，微处理器技术不断推崇出新，涌现出了多种新型的整流器控制技术。SVPWM整流控制技术相比较于传统的PWM整流技术具有诸多优点，可以实现功率因数的可调、能量的双向流动。随着技术研究的不断深入，现已广泛应用于变频调速、新能源发电等领域[1-3]。
SVPWM的全称为空间矢量脉宽调制技术，首先选定以交流侧三相对称电压所产生的旋转磁场圆作为参考标准，然后令不同的开关模式下所产生的实际磁通对参考圆形磁链进行追踪，从而形成PWM波形。在分析整流器基本拓扑模型的基础上，选取适当的目标参数，结合比例积分调节原理，运用同步相位角的控制方法，可以得到基于空间矢量的SVPWM整流控制策略[4-5]。
本文的主要内容为，简述d-q坐标系下的前馈解耦控制策略，并将其融入到三相电压型SVPWM的整流系统中，最后通过PSCAD仿真软件对其进行了仿真分析研究。
1 SVPWM的控制策略
1.1 d-q坐标系下前馈解耦控制
本文采用的控制策略基于d-q坐标系，其相对于a-b-c坐标系下具有更高的动静态性能，具体对比研究本文不在赘述。主要针对电压型整流器开展研究，将这种整流器简称为VSR(Voltage Source Rectifier)。对三相VSR的控制系统进行分析发现，双闭环控制系统在其中可以起到良好的控制作用，主要包括电压外环控制与电流内环控制。电压外环所起到的主要作用为控制直流侧的电压，电流内环则根据电压外环输出所得到的反馈电流进行进一步的电流控制。
三相VSR的d-q模型可以描述为：
对图1控制结构进行简化，可以分别得到d轴与q轴的等效简化控制结构。以d轴为例，进行简化计算，可以得到如下图2所示的d轴简化控制结构。
1.2 基本空间电压矢量
如下图3所示为三相VSR的主电路图。ek（t）（k=a，b，c）为电网电动势瞬时值；L为交流侧电感；R为交流侧等效电阻；C为直流电容；vdc为直流电压；idc、iL为直流侧输入与输出电流；Sk，S’k（k=a，b，c）为全控型开关器件；RL为直流侧负载；eL为直流侧电动势；N为参考地。
上图3中每一相桥臂相对应的两个开关以“互补”的方式进行工作。在某一时刻，若上侧管导通，则与之相对应的下侧管需断开。此时，为了统计计算方便，可以将每相桥臂的工作状态分为上侧导通与下侧导通两种。由于每相有两种开关模式，共分为三相，很容易计算出三相PWM整流器共有（2）3=8种模式，可以如下式所示定义开关函数：
对三相VSR交流侧相电压进行转换至复平面中，可以进一步得到下图4所示的SVPWM空间矢量图。
三相VSR交流侧的电压值均可以由上图4中的8个电压矢量合成表示出。这8个电压矢量包括6个非零矢量与2个零矢量，其中非零矢量的幅值为2Udc/3，U0（000），U7（111）由于模为零定义为零矢量。当用这8个电压矢量去向电压圆逼近时，可以在输入端获得一相应的三相正弦电压波。由此分析得出，任一电压矢量均可以由相对应的开关组合进行表示。
计算分析所得电压空间矢量如下：
通过8条空间电压矢量的合成，可以得到复平面上的任一矢量，合成方法有多种，本文所采用的方法为双三角形法。如图5所示，在矢量V*的中点位置处插入零矢量V7，两空间矢量在中点相交从而形成两个三角形。
若假设矢量在I处，则V*可由V1，V2，V07合成，通过三角关系计算可以得到：
其中，T1，T2，T07为矢量V1，V2，V07的作用时间；Ts为PWM周期；m为SVPWM调制系数。
2 SVPWM控制算法的实现
通过a-b-c与d-q坐标系之间的变换，可将
三个正弦电压量变换到两相静止的坐标系α-β中。由图4可以看出，u*β值的正负表征着V*位于扇区的上半部分还是下半部分。为计算方便，本文中设置了三个电压参量A、B、C，如下所示：
判断扇区时，只需知道A、B、C三个参量的正负即可，因此，当A、B、C大于零时，取值为1；当小于零时，取值为0。SECTOR为中间计算值，N为实际的扇区号。可以得到如下表1所示的扇区判断表。判断分析电压参量A、B、C的正负即可知道电压指令V*所在扇区。
t1、t2按表2取值后，还要进行饱和判断：
若t1+t2＞T（T为系统PWM周期），则令t1=t1T/（t1+t2），t2=t2T/（t1+t2）。
为令开关次数较低，本文发送每个扇区的各个矢量时采用七段式空间矢量合成规则。这种方法指得是，在矢量空间的每个扇区，零矢量都要以 作为开始，且以作为结束，中间的零矢量全部为。
确定了所在扇区与发送顺序后，下一步对空间电压矢量投放的切换点进行计算。此时定义：
3 仿真实验
取如下作为仿真参数：系统电网的三相电压有效值为220V，频率为50Hz，选取直流侧电压vdc为0.8kV，仿真负载电阻RL为100Ω，SVPWM载波频率为3kHz，载波周期为3ms,L为4mH，Cdc为2mF。调节后的PI参数分别取为：
将SVPWM仿真控制算法总结为以下三个部分：
（1）判断矢量V*所在扇区。上文为方便扇区判断与计算，设置了三个电压参量A、B、C，此时进一步用N=A+2B+4C计算方法来确定扇区号：
（2）计算矢量在各扇区的作用时间。
（3）确定空间电压矢量投放切换点Tcm1、Tcm2、Tcm3。
如下各图即为搭建的SVPWM主要仿真模型与部分仿真结果：
4 结论
本文对三相电压型SVPWM整流器的控制策略进行了分析研究，介绍了闭环控制下的SVPWM矢量控制算法的基本结构。首先判断参考矢量所在扇区，计算各扇区中矢量的作用时间，根据时间分配表确定开关状态，实现了SVPWM控制基于PSCAD平台的仿真分析。通过分析仿真实验结果验证了此种整流控制方法的正确性。
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参考文献
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［责任编辑：刘展］