本文是一篇电力论文，论文以三相PWM整流器为研究对象，采用无网压传感器估算方法，研究了网压平衡与不平衡情况下三相PWM整流器的PDPC策略。
1绪论
1.1研究背景及意义
中国正经历史无前例的能源转型，随着碳达峰，碳中和的提出，可再生能源消费占中国能源消费总量的占比持续增加。在可再生能源的生产与输送过程中，电力电子开关器件应用广泛，其性能也在不断改善，已从最早的不可控器件，发展到半控型器件，再到性能优良且多种多样的全控型器件。在整流方式中，应用最广泛的为晶闸管相控整流，在具有良好性能的同时，也给电网带来了谐波污染问题[1,2]。因此，学者们逐渐将脉宽调制(Pulse width modulation,PWM)方法应用于整流器中，产生了三相PWM整流器，作为如今应用广泛的电力电子设备，三相PWM整流器一直是研究的热点，与各种整流系统相比，具有正弦电网侧电流、高功率因数、双向能量流动和可调节直流电压的优势[3,4]。随着对三相PWM整流器控制的研究越来越多，产生了一些性能优良的控制策略，其中，预测直接功率控制(Predictive direct power control,PDPC)策略作为一种思想简单的控制策略，因其良好的动稳态性能，受到广泛的关注[5-8]。
在整流器控制中，需要检测电网电压作为反馈环节输入量，作为广泛应用的霍尔传感器磁分辨率低、在检测中灵敏度欠佳，增加了电网电压观测难度，为此，产生了无网压传感器算法。无网压传感器算法具有不可替代的优势，该算法不需要电网电压传感器，体积小，成本低，对于结构紧凑的低功耗系统具有重要意义[9,10]。
到目前为止，人们对理想电网电压条件下PDPC策略进行了深入的研究。该策略在网压平衡的情况下具有良好的性能。然而，在实际电力系统中，电网电压往往并不理想，通常是不平衡的，这可能是由单相负载、电网阻抗不平衡、电压骤降等引起的[11]。因此在理想电网条件下设计的三相PWM整流器在电网电压不平衡时，可能会出现直流侧输出电压中含有偶次谐波、交流侧输入电流中含有奇次谐波等异常运行状态[12]。为了保持直流母线电压恒定、电网电流正弦化以及功率的低波动，许多学者对网压畸变下的三相PWM整流器进行了研究。减轻电网电压不平衡对三相PWM整流器PDPC策略的影响的研究具有重要的意义。
1.2三相PWM整流器研究现状及存在问题
1.2.1三相PWM整流器的拓扑结构
三相PWM整流器按直流侧储能元件的不同，可分为电压型、电流型两类。其中，三相电压型PWM整流器采用电容储能，直流侧呈现低阻抗的电压源特性，三相电流型PWM整流器采用电感储能，直流侧呈现高阻抗的电流源特性。下文详细介绍这两类整流器。
(1)三相电压型PWM整流器
2两电平拓扑的三相电压型PWM整流器工作原理和数学模型
2.1三相PWM整流器工作原理
三相电压型PWM整流器拓扑图及其简化模型图如图2.1、图2.2所示。其中，ax、bx、cx(x=e,i)分别为电网电压、输入电流，矢量形式分别为e、i，R、L为交流侧电阻和电感，C为直流侧电容，dcu和dci为直流侧电压与电流，u为交流侧电压矢量，LR为负载电阻，Le为负载电动势，1S、2S、3S、4S、5S、6S为六个功率开关管，分别与二极管反并联。
2.2仿真及结果分析
除了理论研究外，为了验证优化后的基于内模原理的PDPC策略在理想电网电压条件下的有效性，在仿真平台中进行仿真，并对仿真结果进行比较。其中，传统PDPC策略采用图4.1所示的控制框图，由于第3章已验证基于改进型SOGI的电网电压估算方法和基于TOGI的电网电压估算方法均能准确估算电网电压，因此，优化后的PDPC策略在电网电压估算环节分别采用第3章提出的这两种电网电压估算方法，其他环节则与图4.4相同，优化后的PDPC系统控制框图如图4.8所示。为方便区分，将交流侧采用改进型SOGI估算电网电压的优化PDPC策略命名为“所提方法一”，将交流侧采用TOGI估算电网电压的优化PDPC策略命名为“所提方法二”，表4.1列出了系统仿真参数。
3无网压传感器算法在三相PWM整流器中的应用....................18
3.1 SOGI原理................................18
3.1.1传统SOGI原理................................18
3.1.2改进型SOGI原理............................19
4电网电压平衡情况下的三相PWM整流器预测直接功率控制....................29
4.1传统预测直接功率控制.................................29
4.1.1αβ坐标系下的控制策略.............................29
4.1.2 dq坐标系下的控制策略.............................31
5电网电压不平衡情况下的三相PWM整流器预测直接功率控制...........................42
5.1电网电压不平衡时三相PWM整流器的功率模型........................42
5.1.1基于瞬时功率理论的数学模型..............................42
5.1.2基于扩展pq理论的数学模型...............................44
5电网电压不平衡情况下的三相PWM整流器预测直接功率控制
5.1电网电压不平衡时三相PWM整流器的功率模型
三相电网电压不平衡时，电压将出现负序分量，若依旧采用传统PDPC策略，则输入电流波形发生畸变，功率波形出现2倍频波动，甚至导致三相PWM整流器无法正常工作等一系列问题。因此，本章提出了一种简单而有效的方法来解决传统PDPC策略在电网电压不平衡条件下性能恶化的问题，通过扩展pq理论的概念分析计算功率波动产生原因，推导适用于网压不平衡情况下的PDPC策略控制电压，以消除网压不平衡对输入电流及功率波形的影响，并引入第4章研究的补偿校正方法，消除功率实际值与参考值的偏差。
为了验证基于扩展pq理论的所提PDPC策略在网压不平衡条件下的性能，在仿真平台中通过仿真验证，并与传统PDPC策略的仿真结果进行比较。其中，传统PDPC策略采用图4.1所示的控制框图，第4章已详细介绍，此处不再阐述。所提出的PDPC策略采用图5.2所示系统框图进行仿真验证，图5.2中电网电压估算环节分别采用改进型SOGI、TOGI进行估算，为方便区分，类比于第4章，命名为“所提方法一”与“所提方法二”。另外，分为两种电网电压不平衡情况进行仿真研究，这两种不平衡情况与第3章相同，系统的仿真参数如表5.1所示。
结论
论文以三相PWM整流器为研究对象，采用无网压传感器估算方法，研究了网压平衡与不平衡情况下三相PWM整流器的PDPC策略。所取得的主要成果如下：
(1)针对硬件传感器存在成本高，占用体积大的问题，将无网压传感器算法引入到三相PWM整流器PDPC系统中，通过改进型SOGI和TOGI产生与输入信号同幅，相位相差90°的两路输出信号，以此来避免输入电流中的高次谐波分量和直流分量影响网压估算，从而能够以高动态性和高精度估算平衡和不平衡运行时的电网电压。
(2)针对传统PDPC策略存在功率误差的问题，提出了优化后的PDPC策略，该策略引入补偿校正方法修正参考功率，消除了功率跟踪误差，仿真结果表明，相较于传统PDPC策略，优化后的方法具有较高的动静态性能的同时，实现了功率的无静差控制，验证了优化后的PDPC策略在理想电网电压条件下工作良好。
(3)提出了适用于网压不平衡下的新型无网压传感器PDPC策略，该策略采用了扩展pq理论，较仅适用于电网平衡情况下的传统PDPC策略而言，这种方法不需要从电网电压、电流或功率补偿中提取复杂的正负序列，简化了PDPC策略的控制结构，降低控制的复杂度。因此，可以很容易地融入到现有的PDPC策略中，这种基于扩展pq理论的PDPC策略电流THD低、开关频率恒定、功率无2倍频波动，在网压不平衡时取得了良好的性能。
参考文献（略）
