三相PWM整流器電流控制策略探討

楊俊蓮

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學院（沈陽 110161）

三相PWM整流器電流控制策略探討

楊俊蓮

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學院（沈陽 110161）

討論三相PWM整流器電流控制方法，分別分析電流間接控制和電流直接控制方法原理，通過比較了各自的優(yōu)缺點，得出電流間接控制和電流直接控制的不同應(yīng)用場合。

PWM整流器 電流控制 PI調(diào)節(jié)器

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通、家庭等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，大量的非線性負載被引入電網(wǎng)，導致了日趨嚴重的諧波污染。電網(wǎng)諧波污染的根本原因在于電力電子裝置的開關(guān)工作方式，引起網(wǎng)側(cè)電流、電壓波形的嚴重畸變。在我國，當前主要的諧波源一些整流設(shè)備，如化工、冶金行業(yè)的整流設(shè)備和各種調(diào)速、調(diào)壓設(shè)備以及電力機車。傳統(tǒng)的整流方式通常采用二極管整流或相控整流方式，采用二極管整流方式的整流器存在從電網(wǎng)吸取畸變電流，造成電網(wǎng)的諧波污染，而且直流側(cè)能量無法回饋電網(wǎng)等缺點。采用相控方式的整流器也存在深度相控下交流側(cè)功率因數(shù)很低，因換流引起電網(wǎng)電壓波形畸變等缺點。這些整流器從電網(wǎng)汲取電流的非線性特征，給周圍用電設(shè)備和公用電網(wǎng)都會帶來不利影響。為了抑制電力電子裝置產(chǎn)生的諧波，其中的一種方法就是對整流器本身進行改進，使其盡量不產(chǎn)生諧波，且電流和電壓同相位。這種整流器稱為高功率因數(shù)變流器或高功率因數(shù)整流器。為此，新型高功率因數(shù)的PWM整流器在國內(nèi)外引起廣泛關(guān)注。該類整流采用PWM技術(shù)整流橋中的自關(guān)斷器件進行控制，使得交流輸入側(cè)電流接近正弦波，其相位與電源相電壓相位相同，輸入電流中只含有與開關(guān)頻率相關(guān)的高次諧波，這些高次諧波容易濾除，這樣，就使得輸入側(cè)的功率因數(shù)為1，從而可以有效的解決對電網(wǎng)的污染問題。

三相PWM整流器在控制方法上可以分為直接電流控制和間接電流控制兩種。直接電流控制是將整流器輸入電流作為反饋量和控制量，系統(tǒng)響應(yīng)速度快、電流控制精度高。間接電流控制是通過控制整流器輸入電壓，間接完成對輸入電流的控制。這種方法動態(tài)響應(yīng)速度較慢，但結(jié)構(gòu)簡單，控制簡單，性價比較高。本文重點討論了三相電壓型整流器的間接電流控制和直接電流控制控制方法，比較這兩種控制方法的優(yōu)缺點，并給出了各自適合的應(yīng)用場合。

1 間接電流控制

圖1表示出復平面上三相VSR交流側(cè)基波電壓矢量V、電感基波電壓矢量VL、電流矢量I以及電網(wǎng)電動勢矢量E的靜態(tài)關(guān)系。

圖1中，矢量I與E間相角為θ;矢量V與E間相角為γ。由圖1并根據(jù)基爾霍夫電壓定律，得

圖1 三相VSR交流側(cè)靜態(tài)矢量關(guān)系

由圖1知三相VSR矢量關(guān)系，且以a相電網(wǎng)電動勢為參考，易得三相VSR交流電網(wǎng)a相電動勢ea（t）,a相基波電壓va（t）、交流側(cè)a相基波電流ia（t）時域表達式

式中Em是三相電網(wǎng)電動勢峰值;

Vm是三相VSR交流側(cè)基波電壓峰值;

Im是三相VSR交流側(cè)基波電流峰值。

再由式（1）得三相VSR交流側(cè)電壓矢量V在α、β軸上投影為

式中X是三相VSR交流側(cè)每相感抗。

式（3）， （4）表明:當三相VSR交流側(cè)參數(shù)（R，X，Em）已知時，可根據(jù)所要求的三相VSR網(wǎng)側(cè)電流峰值Im及相角θ，計算出三相VSR交流側(cè)基波電壓矢量V的α、β分量Vα、Vβ，從而獲得三相VSR間接電流控制時的V矢量控制算法，最終通過PWM控制，實現(xiàn)三相VSR間接電流控制。

2 直接電流控制

直接電流控制以快速電流反饋控制為特征，使系統(tǒng)動態(tài)性能明顯改善。直接電流控制與間接電流控制的主要區(qū)別在于:直接電流控制具有網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制，在直接電流控制中，雙閉環(huán)控制是目前應(yīng)用最廣泛、最實用化的控制方式。由于采用網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制，使得VSR網(wǎng)側(cè)電流動、靜態(tài)性能得到了提高，同時也使網(wǎng)側(cè)電流控制對系統(tǒng)參數(shù)不敏感，增強了電流控制的魯棒性和較高品質(zhì)的電流響應(yīng)。

目前直接電流控制策略主要有固定開關(guān)頻率PWM電流控制、滯環(huán)電流控制等。這些電流控制方案各有其優(yōu)缺點。其中，固定開關(guān)頻率PWM電流控制的算法簡單，物理意義清晰，且實現(xiàn)較方便。另外，由于開關(guān)頻率固定，因而濾波電感設(shè)計比較容易，并且有利于限制功率開關(guān)損耗。但主要缺點是在開關(guān)頻率不高的條件下，電流動態(tài)響應(yīng)相對較慢，而且電流動態(tài)偏差隨電流變化率而相應(yīng)地變化。相比之下，滯環(huán)PWM電流控制則具有較快的電流響應(yīng)，而且電流跟蹤動態(tài)偏差由滯環(huán)寬度確定，而不隨電流變化率變化而波動。但該方案主要不足就是，開關(guān)頻率隨電流變化率變化而波動，造成網(wǎng)側(cè)濾波電感設(shè)計困難，功率模塊應(yīng)力大以及開關(guān)損耗增大，因而在大功率應(yīng)用領(lǐng)域難以應(yīng)用。對整流器電流的反饋和控制可以基于不同坐標系的數(shù)學模型進行。

單位功率因數(shù)PWM整流器在abc坐標系的電流控制原理如圖2。圖中電壓PI調(diào)節(jié)器通過調(diào)節(jié)電流指令信號的幅值穩(wěn)定輸出電壓，電流控制器的作用是使整流器輸入電流跟蹤指令電流信號，電流控制器可以根據(jù)需要選用不同的控制策略。應(yīng)用最普遍的電流控制器是PI調(diào)節(jié)器，abc坐標下的PI電流控制又稱為平均電流控制。PI控制的優(yōu)點是:電流的控制和PWM調(diào)制分別由不同的環(huán)節(jié)完成，開環(huán)PWM調(diào)制的優(yōu)點可以被充分利用;功率器件的開關(guān)頻率恒定;系統(tǒng)的分析設(shè)計和電流開環(huán)調(diào)試容易。另一種常用的控制器是滯環(huán)電流控制器，它將電流的控制和PWM調(diào)制合為一體，結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，其缺點是開關(guān)頻率不固定，濾波器設(shè)計困難。abc坐標系的電流控制器也可以采用數(shù)字控制方式，但對控制器的計算速度和采樣速度要求較高。

圖2 PWM整流器在abc坐標系的電流控制框圖

在abc坐標系中，整流器輸入電流需要三個控制器獨立控制，實際上三相輸入電流并不獨立，通過坐標變換可將三階關(guān)聯(lián)的電流方程變?yōu)槎A方程，這樣只需要兩個控制器即可實現(xiàn)電流的控制。圖3為基于坐標系αβ的整流器控制原理，電流控制也分為電流控制和PWM調(diào)制兩個部分，圖中虛線框表示采用SPWM調(diào)制，實線框為狀態(tài)空間調(diào)制（SVM），兩者只取其一。在αβ坐標下通過數(shù)字控制很容易實現(xiàn)SVM，而SPWM則要先將調(diào)制電壓轉(zhuǎn)換到abc坐標，然后再進行PWM調(diào)制。

圖2 PWM整流器在αβ坐標系的電流控制框圖

在abc坐標系和αβ坐標系中，整流器的輸入電流在穩(wěn)態(tài)時都為工頻的時間變量，由于PI電流調(diào)節(jié)器的增益和帶寬有限，結(jié)果會導致電流跟蹤的幅值和相位誤差。如果通過時變矩陣將三相正弦電流變換到與電流基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標系，穩(wěn)態(tài)正弦電流變成了直流量，而PI調(diào)節(jié)器的直流增益為無窮大，因此可以實現(xiàn)電流的無差跟蹤控制。

通過坐標變換，電流跟蹤系統(tǒng)變成了電流恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學建模分析與控制器設(shè)計相對比較容易。圖3為基于dq坐標系的整流器電流控制框圖，穩(wěn)態(tài)時dq軸的電流指令信號都為直流量，如果要實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流或逆變，d軸指令電流設(shè)置為零，q軸指令電流的大小根據(jù)整流器的有功輸出調(diào)節(jié)。

圖3 PWM整流器在dq坐標系的電流控制框圖

3 結(jié)語

間接電流控制的主要問題在于VSR電流動態(tài)響應(yīng)不夠快，甚至交流側(cè)電流中含有直流分量，且對系統(tǒng)參數(shù)波動較敏感，因而常用于對VSR動態(tài)響應(yīng)要求不高且控制結(jié)構(gòu)要求簡單時的應(yīng)用場合。相對于間接電流控制，直接電流控制以快速電流反饋控制為特征，如滯環(huán)電流控制、固定開關(guān)頻率電流控制、空間矢量電流控制等。這類直接電流控制可以獲得較高品質(zhì)的電流響應(yīng)，因而常用于系統(tǒng)要求動靜態(tài)性能要求較高的場合。

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齊婷婷）