基于SVPWM三相電流源整流器的研究

彭詠龍，李亞斌，齊炳新

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定071003)

近幾年來，無功功率和諧波電流對電力系統的污染越來越嚴重，尤其是傳統的晶閘管相控整流器接入電網給電力系統帶來嚴重的諧波污染和無功損耗［1］。所以，研究用PWM整流器來解決這一問題已成為當今的熱門課題。隨著大功率整流技術的發展，電流型PWM整流器(CSR)以其優良的保護性能，快速的電流響應優點，成為了整流電源研究的主要途徑。傳統的三相電流型整流器(CSR)采用空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術與采用三邏輯SPWM技術相比，空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術直流電流利用率高、開關器件損耗低、便于數字化實現［2－3］。本文重點闡述、分析 SVPWM 電流源整流技術。

1 SVPWM的基本原理

典型的三相電流型PWM整流器的拓撲結構如圖1所示。其中輸入端的三相LC濾波器一方面濾除整流側電流Iw中的高次諧波，另一方面輔助開關器件換流。直流電感的作用是使直流電流更平直［4－5］。

圖1 三相電流型PWM整流器拓撲結構

在正常工作時，為了保持直流側的電流持續，整流器上、下橋臂在任意時刻都必須有且僅有一個開關器件導通，因此共有9種開關狀態，這9種開關分別對應如圖2所示的電流空間矢量，其中Ir為調制合成的電流空間矢量，稱其為參考矢量［6］。

由圖2可知，9種開關狀態有6個非零矢量和3個零矢量，6個非零矢量開關狀態可將整個平面分成6個扇區。空間矢量控制技術通過控制不同開關狀態的組合，可以合成一個任意的給定參考電流矢量Ir。對于特定扇區內的指令電流矢量Ir，均可以由相鄰的兩個空間矢量組合而成。如果指令電流為對稱的正弦波電流，則指令電流矢量的運動軌跡必為圓形軌跡。嚴格意義上說，由于開關頻率和矢量組合的限制，指令電流的合成只能步進速度旋轉，從而使合成電流矢量的軌跡為多邊形準圓軌跡［7］。假設參考矢量電流位于第二扇區，即第二扇區的邊界矢量合成Ir。設電流矢量合成過程中的I1、I2各段矢量施加時間分別為 T1、T2，且 PWM 周期為TS，則T1I6+T2I2=IrTs。為了彌補TS和T1+T2之間的時間差，在T1、T2合成I的過程中需要插入零矢量，其作用時間為T0=Ts－T1－T2。

圖2 電流空間矢量

2 三相電流型SVPWM整流器調制信號的生成

2．1 判斷指令電流Ir所在扇區

對于三相對稱的指令電流，可以按其每60°劃分區間，一個工作周期被劃分為6個區間。此區間的劃分特點是在每個區間中保證有兩相電流的符號是相同的，而與另一項的符號相反，所以控制系統只需檢測三相指令電流的正與負就可以判斷參考電流所在的扇區，如圖3所示。具體計算過程如下:N=na+2nb+4nc

計算得到N與參考電流Ir所在扇區的對應關系如表1所示，扇區選擇的仿真模型如圖4所示。

表1 N與扇區對應關系

圖3 電流矢量扇區的判斷

圖4 扇區選擇仿真波形

2．2 選擇開關矢量及其作用順序

電流矢量是由構成其所在扇區的兩個空間矢量In和In+1合成的，而零矢量的選取有三種可能，即I0=I7、I0=I8、I0=I9。基于一個開關周期中的功率開關管切換次數最少的準則，即每一個切換過程中只有一個功率開關管通斷，以此確定選擇開關矢量的原則。不同扇區各矢量的選擇如表2所示。

表2 不同扇區矢量的選擇

2．3 計算開關矢量的作用時間

假定空間電流矢量指令Ir處于第Ⅱ扇區，將空間參考電流矢量Ir分解到α，β軸，由圖4容易得到如下關系:

式中:T1、T2、T0分別為對應矢量的作用時間，Ts為開關周期。

用同樣的方法可以計算出參考電流矢量在任意扇區的合成矢量開關作用時間。表3是不同扇區各矢量作用時間的計算結果。定義

表3 不同扇區矢量作用時間計算

T1、T2的計算仿真模型如圖5所示。

對于信號的輸出，根據PWM作用時間和所在的扇區輸出不同的矢量向量，與傳統的三角波相比，輸出更簡單且容易實現數字化。

3 仿真驗證

整個系統的仿真模型利用Matlab/Simulink搭建完成，主要的參數設置為Ea=220 V，L=5 mH，R=0．5 Ω，C=30 μF，Ldc=150 mH，Rdc=1 Ω，開關頻率為3 kHz。

三相整流器系統的仿真模型如圖6所示，仿真結果波形如圖7所示。由圖7a、圖b可以看出，網側相電流經過電感和電容濾波后，電流波形接近正弦波，諧波含量小，且與電源電壓同相位，實現了單位功率因數運行。圖7c、圖d顯示了給定電流從100 A到160 A直流電流和交流電流的動態變化過程。直流電力可以平穩過度，交流電流由于交流LC濾波器的存在，經過微小的震蕩也能夠過度到穩定的狀態。仿真結果驗證了此整流器符合單位功率因數運行、輸出直流電流穩定的設計要求。

圖5 向量開關時間計算仿真模型

圖6 三相整流器系統仿真模型

圖7 電流波形

4 結束語

分析了三相電流型PWM整流器的基本原理，并且進一步闡述了三相電流型整流器的SVPWM控制策略。仿真結果驗證了該控制策略是可行的，能夠達到網側電流的功率因數運行和低諧波畸變率，與SPWM相比，具有直流電流利用率高、計算簡便、易于數字化實現等優點。

［1］張春雨，李和明．一種基于SVPWM三想CSR的控制策略［J］．電力電子，2006(1):32－35．

［2］余勇，張興，劉正之．大功率電流源型PWM AC－DC建模與解耦控制［J］．電力系統自動化，2003，27(5):45 －48．

［3］蘇娟莉，張雙運，靳小軍．PMSM控制系統中SVPWM與SPWM的比較研究［J］．西安文理學院學報，2006，9(2):55－58．

［4］胡開埂，楊貴杰．基于DSP的三相PWM可控整流系統的設計［J］．電力電子，2007，24(10):51 －54．

［5］周憲英，宋偉健，黃越平．基于SVPWM的高功率因數整流器研究［J］．海軍航空工程學院學報，2010，25(1):27 －30．

［6］魏學森，劉志強，王娜．基于空間電壓矢量脈寬調制的單位功率因數整流器［J］．電氣傳動，2003，4:40 －43．

［7］張崇巍，張興．PWM整流器及其控制［M］．北京:機械工業出版社，2005．