三相PWM整流器电流控制策略探讨

杨俊莲

辽宁装备制造职业技术学院（沈阳 110161）

三相PWM整流器电流控制策略探讨

杨俊莲

辽宁装备制造职业技术学院（沈阳 110161）

讨论三相PWM整流器电流控制方法，分别分析电流间接控制和电流直接控制方法原理，通过比较了各自的优缺点，得出电流间接控制和电流直接控制的不同应用场合。

PWM整流器 电流控制 PI调节器

随着电力电子技术的迅速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛，大量的非线性负载被引入电网，导致了日趋严重的谐波污染。电网谐波污染的根本原因在于电力电子装置的开关工作方式，引起网侧电流、电压波形的严重畸变。在我国，当前主要的谐波源一些整流设备，如化工、冶金行业的整流设备和各种调速、调压设备以及电力机车。传统的整流方式通常采用二极管整流或相控整流方式，采用二极管整流方式的整流器存在从电网吸取畸变电流，造成电网的谐波污染，而且直流侧能量无法回馈电网等缺点。采用相控方式的整流器也存在深度相控下交流侧功率因数很低，因换流引起电网电压波形畸变等缺点。这些整流器从电网汲取电流的非线性特征，给周围用电设备和公用电网都会带来不利影响。为了抑制电力电子装置产生的谐波，其中的一种方法就是对整流器本身进行改进，使其尽量不产生谐波，且电流和电压同相位。这种整流器称为高功率因数变流器或高功率因数整流器。为此，新型高功率因数的PWM整流器在国内外引起广泛关注。该类整流采用PWM技术整流桥中的自关断器件进行控制，使得交流输入侧电流接近正弦波，其相位与电源相电压相位相同，输入电流中只含有与开关频率相关的高次谐波，这些高次谐波容易滤除，这样，就使得输入侧的功率因数为1，从而可以有效的解决对电网的污染问题。

三相PWM整流器在控制方法上可以分为直接电流控制和间接电流控制两种。直接电流控制是将整流器输入电流作为反馈量和控制量，系统响应速度快、电流控制精度高。间接电流控制是通过控制整流器输入电压，间接完成对输入电流的控制。这种方法动态响应速度较慢，但结构简单，控制简单，性价比较高。本文重点讨论了三相电压型整流器的间接电流控制和直接电流控制控制方法，比较这两种控制方法的优缺点，并给出了各自适合的应用场合。

1 间接电流控制

图1表示出复平面上三相VSR交流侧基波电压矢量V、电感基波电压矢量VL、电流矢量I以及电网电动势矢量E的静态关系。

图1中，矢量I与E间相角为θ;矢量V与E间相角为γ。由图1并根据基尔霍夫电压定律，得

图1 三相VSR交流侧静态矢量关系

由图1知三相VSR矢量关系，且以a相电网电动势为参考，易得三相VSR交流电网a相电动势ea（t）,a相基波电压va（t）、交流侧a相基波电流ia（t）时域表达式

式中Em是三相电网电动势峰值;

Vm是三相VSR交流侧基波电压峰值;

Im是三相VSR交流侧基波电流峰值。

再由式（1）得三相VSR交流侧电压矢量V在α、β轴上投影为

式中X是三相VSR交流侧每相感抗。

式（3）， （4）表明:当三相VSR交流侧参数（R，X，Em）已知时，可根据所要求的三相VSR网侧电流峰值Im及相角θ，计算出三相VSR交流侧基波电压矢量V的α、β分量Vα、Vβ，从而获得三相VSR间接电流控制时的V矢量控制算法，最终通过PWM控制，实现三相VSR间接电流控制。

2 直接电流控制

直接电流控制以快速电流反馈控制为特征，使系统动态性能明显改善。直接电流控制与间接电流控制的主要区别在于:直接电流控制具有网侧电流闭环控制，在直接电流控制中，双闭环控制是目前应用最广泛、最实用化的控制方式。由于采用网侧电流闭环控制，使得VSR网侧电流动、静态性能得到了提高，同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感，增强了电流控制的鲁棒性和较高品质的电流响应。

目前直接电流控制策略主要有固定开关频率PWM电流控制、滞环电流控制等。这些电流控制方案各有其优缺点。其中，固定开关频率PWM电流控制的算法简单，物理意义清晰，且实现较方便。另外，由于开关频率固定，因而滤波电感设计比较容易，并且有利于限制功率开关损耗。但主要缺点是在开关频率不高的条件下，电流动态响应相对较慢，而且电流动态偏差随电流变化率而相应地变化。相比之下，滞环PWM电流控制则具有较快的电流响应，而且电流跟踪动态偏差由滞环宽度确定，而不随电流变化率变化而波动。但该方案主要不足就是，开关频率随电流变化率变化而波动，造成网侧滤波电感设计困难，功率模块应力大以及开关损耗增大，因而在大功率应用领域难以应用。对整流器电流的反馈和控制可以基于不同坐标系的数学模型进行。

单位功率因数PWM整流器在abc坐标系的电流控制原理如图2。图中电压PI调节器通过调节电流指令信号的幅值稳定输出电压，电流控制器的作用是使整流器输入电流跟踪指令电流信号，电流控制器可以根据需要选用不同的控制策略。应用最普遍的电流控制器是PI调节器，abc坐标下的PI电流控制又称为平均电流控制。PI控制的优点是:电流的控制和PWM调制分别由不同的环节完成，开环PWM调制的优点可以被充分利用;功率器件的开关频率恒定;系统的分析设计和电流开环调试容易。另一种常用的控制器是滞环电流控制器，它将电流的控制和PWM调制合为一体，结构简单、容易实现，其缺点是开关频率不固定，滤波器设计困难。abc坐标系的电流控制器也可以采用数字控制方式，但对控制器的计算速度和采样速度要求较高。

图2 PWM整流器在abc坐标系的电流控制框图

在abc坐标系中，整流器输入电流需要三个控制器独立控制，实际上三相输入电流并不独立，通过坐标变换可将三阶关联的电流方程变为二阶方程，这样只需要两个控制器即可实现电流的控制。图3为基于坐标系αβ的整流器控制原理，电流控制也分为电流控制和PWM调制两个部分，图中虚线框表示采用SPWM调制，实线框为状态空间调制（SVM），两者只取其一。在αβ坐标下通过数字控制很容易实现SVM，而SPWM则要先将调制电压转换到abc坐标，然后再进行PWM调制。

图2 PWM整流器在αβ坐标系的电流控制框图

在abc坐标系和αβ坐标系中，整流器的输入电流在稳态时都为工频的时间变量，由于PI电流调节器的增益和带宽有限，结果会导致电流跟踪的幅值和相位误差。如果通过时变矩阵将三相正弦电流变换到与电流基波频率同步旋转的dq坐标系，稳态正弦电流变成了直流量，而PI调节器的直流增益为无穷大，因此可以实现电流的无差跟踪控制。

通过坐标变换，电流跟踪系统变成了电流恒值调节系统，恒值调节系统的数学建模分析与控制器设计相对比较容易。图3为基于dq坐标系的整流器电流控制框图，稳态时dq轴的电流指令信号都为直流量，如果要实现单位功率因数整流或逆变，d轴指令电流设置为零，q轴指令电流的大小根据整流器的有功输出调节。

图3 PWM整流器在dq坐标系的电流控制框图

3 结语

间接电流控制的主要问题在于VSR电流动态响应不够快，甚至交流侧电流中含有直流分量，且对系统参数波动较敏感，因而常用于对VSR动态响应要求不高且控制结构要求简单时的应用场合。相对于间接电流控制，直接电流控制以快速电流反馈控制为特征，如滞环电流控制、固定开关频率电流控制、空间矢量电流控制等。这类直接电流控制可以获得较高品质的电流响应，因而常用于系统要求动静态性能要求较高的场合。

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齐婷婷）