三相PWM整流器基于旋轉坐標系的電流控制方法

張 瑞，劉 浩，魏克新

(天津理工大學天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津300384)

三相PWM整流器基于旋轉坐標系的電流控制方法

張 瑞，劉 浩，魏克新

(天津理工大學天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津300384)

為了達到三相PWM整流器內環電流協調控制，可以通過空間矢量模型選擇合理的電感電壓矢量(IVV)，使電流變化率朝著正確的方向變化，消除電流誤差。為了精確選擇合理的IVV，并保證其簡便性，提出了旋轉坐標系的方法，即通過扇區旋轉和矢量旋轉，選擇與電流誤差矢量相鄰的IVV，并確定其位置關系。此方法能夠分別運用滯環電流控制(HCC)或空間矢量調制(SVM)兩種形式得以實現，進而達到不定頻或定頻控制。最后通過實驗對比研究，說明該理論的有效性和兩種方法的差異性。

三相PWM整流器；協調控制；電感電壓矢量(IVV)；旋轉坐標系；扇區旋轉；矢量旋轉；電流誤差矢量

近年來，三相PWM整流器被應用于包括并網發電、電氣傳動、直流輸電、有源濾波等各種場合，其控制方法的研究愈來愈受學術界關注[1-10]。在諸多整流器控制方法中，雙環控制[3]極為成熟，即外環控制用來穩定直流電壓，內環控制用來跟蹤網側指令電流。為了實現網側電流正弦化，運行于單位功率因數，能量可雙向傳輸，很小的諧波畸變以及快速的電流響應，內環控制策略直接影響著網側以及直流側性能，所以至關重要，并研究出了大量的內環控制策略[4-6]。滯環控制(HCC)由于采用各相獨立控制故不能協調地控制電流；基于空間矢量調制(SVM)的控制方法其電流環大多需要PI調節、解耦控制[4]及變換，故增加了系統復雜性。文獻[7]提出了滯環和空間矢量相結合的方法，可以有效解決這些問題。其實現方法需要查表或邏輯運算，易于硬件實現，但經常因為不能選擇最優開關狀態而存在控制誤差。

為了滿足以上要求，消除電流誤差矢量[8]，本文提出了一種新的方法，通過旋轉坐標系選擇合理的電感電壓矢量，使電流變化率朝著正確的方向變化。即首先通過扇區旋轉的方法尋找相鄰矢量，再通過矢量旋轉的方法判定其位置關系，不但可以準確找到最優開關狀態，而且算法簡便，易于處理器實現，不依賴于系統參數，魯棒性強。并在此基礎上分別運用了滯環和空間矢量調制法來實現，為了限制開關頻率，前者需要設定采樣頻率，后者運用三角波調制。本文分別對這兩種實現方法做了詳細描述。

圖1 三相電壓型整流器拓撲圖

1 三相PWM整流器控制原理

三相電壓型可逆整流器其簡易拓撲如圖1所示。s=0表示下橋臂導通，上橋臂關斷；s=1表示下橋臂關斷，上橋臂導通。分別代表各相交流側輸出電壓，可以表示如下[9]：

表1 矢量Vk與開關函數的關系

圖2 各矢量分布圖

1.1 兩矢量位置關系的判定方法(矢量旋轉)

旋轉后的矢量分別為：

圖3 矢量旋轉后的圖形

因為矢量旋轉是為了代替角度計算，當矢量旋轉時，各矢量會等比例變化。因為：

因此，通過式(9)、(10)可得：

公式(3)～(2)變換如下：

為了省略公式(3)～(2)變換，將式(12)代入式(11)中，可得：

1.2 相鄰矢量的判定方法(扇區旋轉)

如果所有開關矢量都按照式(13)進行矢量旋轉，計算量較大。可以找到相鄰的兩個矢量，即，再確定兩矢量與的位置關系。本文提出一種扇區旋轉的思想，具體方法如下：

圖4 圖2變換后的圖形

圖5 扇區旋轉前后的圖形

表2 在Ⅰ區時和的判斷規則

表2 在Ⅰ區時和的判斷規則

-ΔI ˉˉ→所在扇區 判斷方法 相鄰矢量 和-ˉˉ→VLi -ˉˉ→V -ˉˉ→-ˉˉˉ→LjⅠ 無 和V -ˉˉ→L1V -ˉˉˉ→L2 V VⅡwα2<0 和-ˉˉ→-ˉˉˉ→L1L2 wα2>0 和VVL3 L2 V -ˉˉˉ→-ˉˉ→VⅢwα3<0 和-ˉˉˉ→-ˉˉˉ→L2L3 wα3>0 和VV -ˉˉˉ→-ˉˉˉ→L3L4 wα4<0 和-ˉˉ→VL3L4VⅣwα4>0并wα5<0 和-ˉˉˉ→VV L4 -ˉˉˉ→-ˉˉˉ→L5 wα5>0 和-ˉˉˉ→VL5V -ˉˉ→L6 wα6<0 和VVⅤ-ˉˉ→-ˉˉˉ→L5L6 wα6>0 和VV L6L1 wα1<0 和-ˉˉˉ→-ˉˉ→VVⅥL6 -ˉˉˉ→-ˉˉ→L1 wα1>0 和VL1VL2

2 實現方法

進而可以通過常用的空間矢量調制技術得以實現[10]。例如按照圖2所示的情況，應選擇和兩種開關狀態進行合成，按照本文所述方法，其調制結果如圖6所示。兩種方法流程圖分別為圖7(a)、(b)所示。

圖6 圖2所示的開關時序圖

圖7 兩種方法的流程圖

3 實驗研究

為了對比驗證兩種方法及其有效性，搭建了一臺變流器樣機并進行小功率500 W開環實驗，選取參數如下：交流側相電壓有效值=20 V，直流側負載=20 Ω，電感=3 mH。控制芯片DSP選擇TI公司的TMS320F2812，IGBT作為電力電子器件，分別用兩種方法，限制開關頻率在5 kHz以內進行實驗。由于方法一頻率不固定的特點，故用采樣頻率進行限制，即每采樣一次執行一次中斷，并運行程序發出一次控制信號。為了限制開關頻率在5 kHz以內，設定采樣頻率為10 kHz。方法二只需設定載波頻率為5 kHz，即可達到定頻控制的目的。

兩種方法交流側波形如圖8所示，(a)為方法一，(b)為方法二。可以看出，方法二由于屬于定頻控制，而且每個周期內都含有零矢量，電壓干擾和電流諧波更小，THD分別為4.8%和2.7%。兩種方法從不控到可控過程中，交流電流與直流電壓變化波形如圖9所示，(a)為方法一，(b)為方法二。方法二由于增加零矢量，起始階段不能很好跟蹤指令電流而產生較大超調，故其電流跟蹤的快速性不如方法一。

圖8 兩種方法的波形

圖9 兩種方法的波形

4 結論

對于傳統空間矢量模型，本文提出了旋轉坐標系的方法消除誤差電流，它具有以下優點：(1)可以達到精確、協調控制三相電流。(2)算法簡便，能達到快速電流響應。(3)對電感等系統參數無依賴，不但可以用于可逆變流器、無功補償器，還可用于有源濾波器等裝置中。

在此基礎上，本文提出了兩種實現方法，分別是基于滯環和基于矢量合成的方法。方法一由于開關頻率不固定的特點，需要用采樣頻率進行限制，故采樣次數一般比較低。其最小開關周期等于兩倍的采樣周期，開關周期占空比不可控，為0、0.5或1。快速性較好但諧波較大，適當地設定滯環寬度可以提高其性能。方法二屬于定頻控制，對采樣頻率無要求，控制信號通過事件管理器產生，不但占空比會根據誤差電流隨時變化，而且充分利用了DSP的強大功能。本文采用1/2比例的零矢量，可以達到很好的交流側性能。對于不同的電路參數，需要適當選擇零矢量所占比例，以達到最優效果。

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Novel method of current control based on rotating coordinate of three phase PWM rectifier

In order to achieve the coordinated control of the inner current loop of three-phase PWM rectifier,suitable inductance voltage vector(IVV)based on the space vector model should be selected,the variation of the current vector should point to the right direction to eliminate the current error.For selecting the right IVV accurately and simply,a method of rotating coordinate,namely through sector rotation and vector rotation,was presented to select the adjacent IVV of the current error vector.Then their position was determined.Hysteresis current control(HCC)or space vector modulation(SVM)two ways were used by this method to execute,and variable frequency or fixed frequency control could be achieved.Finally,the comparative experimental study illustrate the validity of this theory and the difference of the two methods.

three-phase PWM rectifier;coordinated control;inductance voltage vector(IVV);rotating coordinate; sector rotation;vector rotation;current error vector

TM 461

A

1002-087 X(2016)03-0649-03

2015-08-26

國家自然科學基金(50977063)

張瑞(1988—)，女，山西省人，碩士生，主要研究方向為電力電子技術及功率變流器控制策略。