基于負載電流控制的PWM整流電路

段海軍 呂廣強

（南京理工大學自動化學院，南京 210094）

基于負載電流控制的PWM整流電路

段海軍 呂廣強

（南京理工大學自動化學院，南京 210094）

三相全橋 PWM整流電路的暫態過程，是一個非線性系統的暫態過程，從數學的角度對其進行精確分析是比較困難的。本文通過構造一個簡單的開關函數 Sx(t)，在不同控制策略下，從數學的角度上，簡單分析負載發生變化時系統的暫態過程。通過對傳統控制策略的分析，針對其弊端，本文提出一種基于直流側負載電流的 PWM 控制策略，能夠快速識別負載變化，并做出動作；使直流側電容電壓快速穩定，并且波動不大。

電壓型；PWM整流；負載電流

將PWM技術應用到整流器中，能夠實現系統交流側電流諧波含量低，功率因數高，能量雙向流動等，因而 PWM整流器成為研究者的青睞。目前針對PWM整流器的控制方式多種多樣，例如直接電流控制、電壓電流雙閉環控制等。

最先應用于理論研究的是直接功率控制。文獻[1-2]提出直接功率控制，其主要是利用滯環功率比較器，通過比較實際瞬時有功功率、無功功率與理論值的差值進行控制，實現功率的跟蹤。文獻[3]提出基于電壓電流雙閉環的控制策略，其主要通過采集網側電流，經dq變換后，利用PI控制器代替系統電感參數產生控制信號，對直流側電壓進行跟蹤。文獻[4]提出的基于穩態電壓平衡關系的間接電流控制，其主要是利用系統穩定時直流側電容電壓與理論值的差值進行分析計算，調節整流器交流側輸入電壓的幅值和相位，從而間接控制網側電流。文獻[5]提出一種基于網側電流重構的電壓定向矢量控制，其利用直流側母線電流與開關函數、網側電流的關系，通過采集直流側母線電流和開關狀態，推導出網側電流，進而實現對開關管的控制。

上述控制方式均需要電壓外環對直流側電壓進行調節、控制，無論采用的是直接控制還是間接電流控制，最終實現對直流側電壓的控制，進而實現對負載的穩定供電。當負載發生變化時，首先引起直流側電壓的變化，進而利用電壓外環的控制，使系統再次穩定；由于負載變化時，網側電流不能及時反映負載電流的變化，此時由電容對負載供電，使直流側電容電壓波動較大。針對這些問題，本文從能量傳遞角度出發，提出基于負載電流的控制策略，能夠實現對直流側電壓和負載電流同時控制，避免了負載電流變化時，直流側電壓波動大的問題。

1 電壓型PWM整流器的數學模型

三相電壓型PWM整流器如圖1所示。其中，Ua、Ub、Uc分別為整流器輸入側電壓；Udc為整流器直流側輸出電壓；idc為直流側母線電流；icc為電容電流；il為負載電流。

圖1 壓型PWM整流器

假設三相交流電壓對稱，則整流器在三相靜止坐標系下的數學模型為[6]

從式（2）可以看出，idc的大小由開關狀態Sa、Sb、Sc決定。Sa=1，表示A相上橋臂開關導通；Sa=0，表示A相上橋臂開關斷開。不同時刻的開關狀態組成開關函數Sx(t)，其波形即為PWM波，Sx(t)與控制量之間的關系可簡化為

式中，α 為待選擇控制量，不同的控制策略所選擇的控制量不同；ΔU為直流側實際電容電壓與給定值的差值。

2 不同控制策略性能分析

2.1 傳統控制策略

直接功率控制，通過采樣網側電壓ea、eb、ec，網側電流 ia、ib、ic以及直流側電容電壓 Udc計算出參考功率（Pref、Qref）與實際功率（P、Q），通過滯環比較器得到Sx(t)，其控制原理圖如圖2所示（圖中ΔU為實際電容電壓與參考值的差值）；電壓電流雙閉環控制，通過采樣網側電流 ia、ib、ic，經 dq變換得到的 id、iq構成電流內環控制，通過采樣直流側電容電壓Udc，經PI控制器得到的參考電流idref構成電壓外環控制[7]，其控制原理如圖3所示。

圖2 直接功率控制原理圖

圖3 電壓電流雙閉環控制原理圖

從圖2和圖3中可以看出，在傳統控制策略中，參考功率、參考電流的求取是通過ΔU獲得的，因此，實際電容電壓不是穩定值，是在參考電壓一定范圍內波動的。根據系統的容量、電容電壓允許的波動范圍等選擇合適的PI參數kp、ki，將ΔU轉變為電流信號。整流過程可以理解為，整流器對電容充電與電容對負載放電兩個環節，在一個開關周期內，電容充放電量相等，即Q充=Q放。用表達式可表示為

當負載發生變化時，以電壓電流雙閉環控制下系統突加負載為例，根據式（3），此時α 為ia、ib、ic，其未發生變化，ΔU在該時刻同樣未發生變化，因此Sx(t)未對負載變化做出相應的動作。根據式（2）可知，il增大，idc未變化，為滿足等式要求，電容放電，致使Udc變小，進而根據式（3）對負載變化做出相應的動作。

在做出相應動作的初始階段，idc＜il，電容放電。由于ΔU不能突變，即idref不能突變，致使在一段時間內Qc放＞Qc充，當ΔU達到一定值后，才開始對電容充電。之后的充電過程類似。經多個周期的充放電過程，系統再次穩定。

2.2 基于負載電流的控制策略

基于負載電流的PWM整流控制是以三相瞬時無功功率理論中的能量流動關系為基礎的[8]。基于此理論，若不考慮損耗，整流電路交流側的瞬時有功功率將全部傳遞到直流側，即交流側和直流側的能量交換取決于交流側瞬時有功功率 P。因此，若能控制交流側傳遞到直流側的電流的大小，就可以實現直流側電壓的穩定及對負載的正常供電。

若直流側電容電壓為 Udc，負載電流為 Idc，則根據整流電路交直流側能量的傳遞關系可得

式中，E、I分別為網側相電壓、相電流的有效值；功率因數cosφ 為1。

根據上式可得到網側相電流有效值。而控制器一般利用的是經3/2變換后的值，則進一步變換得

則控制原理圖如圖4所示。

圖4 基于負載電流控制原理圖

從圖4中可以看出，當突加負載時，根據式（3），此時α 為il，系統能夠立刻檢測到負載變化，并作出相應的動作；此外，il代替ΔUdc，避免了傳統控制策略中指令電流不能突變的問題，從而減少了到穩定狀態的過渡時間。

3 仿真及結果分析

3.1 參數設計

占空比可調的PWM整流電路，不僅具有交流側功率因數為1的特點，還能夠輸出高于2.34E（E為電源電壓有效值）的直流電壓。給定網側電源為三相對稱的 220V交流電源，直流側電壓 Udc為800V；額定電流ilN為10A，最大工作電流ilM為20A，即負載可選擇為兩個并聯的 80Ω電阻，通過投入電阻的個數控制負載電流大小。

1）電感的選擇

交流側電感的主要作用是濾除諧波電流，其選擇范圍為[9]

式中，T為開關周期；Δimax為交流側電流允許最大波動范圍。

當開關頻率為5kHz，允許波動范圍為20%時，電感可選擇5mH。為保證在負載變化時具有較好的追蹤效果，電感值不能取的過大。

2）直流側電容的選擇

直流側電容的主要作用是穩定直流側電壓和抑制直流側諧波電壓，并且在負載變化時可減小電壓波動。在選型時，根據負載由額定狀態變為最大電流工作狀態時電壓允許的波動范圍。其選擇范圍為[2]

式中，ΔUdc為電容電壓允許波動范圍。當ΔUdc= 5%Udc時，電容可選擇2000μF。

3.2 仿真結果及分析

當負載電流從10A突變到20A時，從圖5中可以看出，基于電壓電流雙閉環控制策略，直流側電壓需要經過一段時間（多個系統周期）才能穩定，且隨著負載電流的增加，達到穩定狀態所需時間也隨之增加。由于直流側電容電壓在這個過渡過程中需要的時間較長，因此對直流側電容的容量要求較高，以避免出現較大的電壓波動；此外，波動的直流側電壓，也不利于在傳統控制策略中，利用電壓外環計算參考電流，可能使計算的參考電流大小存在誤差。從圖5中的網側電流波形可以看出，在改變負載時，電流波形不對稱，存在大量的諧波。

圖5 傳統控制策略下突加負載波形

從圖6中可以看出，基于負載電流的控制策略，當突加負載時，直流側電壓波動不大，不足1%，且波動時間短，能夠快速穩定。

圖6 基于負載電流控制下突加負載波形

當突減負載時，其波形與圖 5、圖 6類似。若應用在實際中，基于負載電流控制能夠有效避免突減負載時電容電壓突增的問題。

從圖7中可以看出，基于負載電流的控制策略，能夠保證網側功率因數為 1，此外，能夠實現在無負載的情況下，直流側電容電壓依然能夠維持在給定值，使整流器處于熱備用狀態。

圖7 基于負載電流控制下電壓電流波形

4 結論

本文通過對不同控制策略下整流電路的暫態過程分析，結合三相電壓型PWM整流電路的數學模型，引入開關函數 Sx（t），使整流電路的暫態分析更為簡潔、明了。從仿真結果可以看出，與傳統控制方式相比，基于負載電流的PWM控制方式，當負載發生變化時，其直流側電容電壓波動不大，波動時間短，因此，提高了系統的穩定性，驗證了該方法能夠快速響應負載變化，并且能夠保證網側電流諧波含量低，功率因數為1的特點。

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［3］王恩德，黃聲華.三相電壓型PWM整流的新型雙閉環控制策略［J］.中國電機工程學報，2012，32（15）：24-30.

［4］熊健，張凱，裴雪軍，等.一種改進的 PWM整流器間接電流控制方案仿真［J］.電工技術學報，2003，1（1）：57-63.

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［7］許峰，周克亮，程明.風力發電用電壓源型PWM整流控制器的分析和設計［J］.電氣應用，2010（17）：28-31.

［8］王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制與無功功率補償［M］.北京：機械工業出版社，1999.

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PWM Rectifier based on the Load Current

Duan Haijun Lv Guangqiang
(School of Automation, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094)

Three-phase Bridge PWM rectifying circuit is transient and nonlinear, which makes it relatively difficult to analyze it mathematically.In this paper the transience of the system as load changes is preliminarily analyzed with the help of a construction of a simple switching function Sx(t) under different control strategies.By analyzing the traditional control strategy and finding out its drawbacks, this paper proposes a PWM control strategy, based on the load current of the DC side, which can identify the load changes and react quickly so that the voltage of the DC side capacitor can stabilize in a short time and with little fluctuation.

voltage-typed; PWM rectifier; load current

段海軍（1990-），男，南京理工大學在讀研究生，研究方向為有源濾波器系統設計。