基于SVPWM三相电流源整流器的研究

彭咏龙，李亚斌，齐炳新

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定071003)

近几年来，无功功率和谐波电流对电力系统的污染越来越严重，尤其是传统的晶闸管相控整流器接入电网给电力系统带来严重的谐波污染和无功损耗［1］。所以，研究用PWM整流器来解决这一问题已成为当今的热门课题。随着大功率整流技术的发展，电流型PWM整流器(CSR)以其优良的保护性能，快速的电流响应优点，成为了整流电源研究的主要途径。传统的三相电流型整流器(CSR)采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术与采用三逻辑SPWM技术相比，空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术直流电流利用率高、开关器件损耗低、便于数字化实现［2－3］。本文重点阐述、分析 SVPWM 电流源整流技术。

1 SVPWM的基本原理

典型的三相电流型PWM整流器的拓扑结构如图1所示。其中输入端的三相LC滤波器一方面滤除整流侧电流Iw中的高次谐波，另一方面辅助开关器件换流。直流电感的作用是使直流电流更平直［4－5］。

图1 三相电流型PWM整流器拓扑结构

在正常工作时，为了保持直流侧的电流持续，整流器上、下桥臂在任意时刻都必须有且仅有一个开关器件导通，因此共有9种开关状态，这9种开关分别对应如图2所示的电流空间矢量，其中Ir为调制合成的电流空间矢量，称其为参考矢量［6］。

由图2可知，9种开关状态有6个非零矢量和3个零矢量，6个非零矢量开关状态可将整个平面分成6个扇区。空间矢量控制技术通过控制不同开关状态的组合，可以合成一个任意的给定参考电流矢量Ir。对于特定扇区内的指令电流矢量Ir，均可以由相邻的两个空间矢量组合而成。如果指令电流为对称的正弦波电流，则指令电流矢量的运动轨迹必为圆形轨迹。严格意义上说，由于开关频率和矢量组合的限制，指令电流的合成只能步进速度旋转，从而使合成电流矢量的轨迹为多边形准圆轨迹［7］。假设参考矢量电流位于第二扇区，即第二扇区的边界矢量合成Ir。设电流矢量合成过程中的I1、I2各段矢量施加时间分别为 T1、T2，且 PWM 周期为TS，则T1I6+T2I2=IrTs。为了弥补TS和T1+T2之间的时间差，在T1、T2合成I的过程中需要插入零矢量，其作用时间为T0=Ts－T1－T2。

图2 电流空间矢量

2 三相电流型SVPWM整流器调制信号的生成

2．1 判断指令电流Ir所在扇区

对于三相对称的指令电流，可以按其每60°划分区间，一个工作周期被划分为6个区间。此区间的划分特点是在每个区间中保证有两相电流的符号是相同的，而与另一项的符号相反，所以控制系统只需检测三相指令电流的正与负就可以判断参考电流所在的扇区，如图3所示。具体计算过程如下:N=na+2nb+4nc

计算得到N与参考电流Ir所在扇区的对应关系如表1所示，扇区选择的仿真模型如图4所示。

表1 N与扇区对应关系

图3 电流矢量扇区的判断

图4 扇区选择仿真波形

2．2 选择开关矢量及其作用顺序

电流矢量是由构成其所在扇区的两个空间矢量In和In+1合成的，而零矢量的选取有三种可能，即I0=I7、I0=I8、I0=I9。基于一个开关周期中的功率开关管切换次数最少的准则，即每一个切换过程中只有一个功率开关管通断，以此确定选择开关矢量的原则。不同扇区各矢量的选择如表2所示。

表2 不同扇区矢量的选择

2．3 计算开关矢量的作用时间

假定空间电流矢量指令Ir处于第Ⅱ扇区，将空间参考电流矢量Ir分解到α，β轴，由图4容易得到如下关系:

式中:T1、T2、T0分别为对应矢量的作用时间，Ts为开关周期。

用同样的方法可以计算出参考电流矢量在任意扇区的合成矢量开关作用时间。表3是不同扇区各矢量作用时间的计算结果。定义

表3 不同扇区矢量作用时间计算

T1、T2的计算仿真模型如图5所示。

对于信号的输出，根据PWM作用时间和所在的扇区输出不同的矢量向量，与传统的三角波相比，输出更简单且容易实现数字化。

3 仿真验证

整个系统的仿真模型利用Matlab/Simulink搭建完成，主要的参数设置为Ea=220 V，L=5 mH，R=0．5 Ω，C=30 μF，Ldc=150 mH，Rdc=1 Ω，开关频率为3 kHz。

三相整流器系统的仿真模型如图6所示，仿真结果波形如图7所示。由图7a、图b可以看出，网侧相电流经过电感和电容滤波后，电流波形接近正弦波，谐波含量小，且与电源电压同相位，实现了单位功率因数运行。图7c、图d显示了给定电流从100 A到160 A直流电流和交流电流的动态变化过程。直流电力可以平稳过度，交流电流由于交流LC滤波器的存在，经过微小的震荡也能够过度到稳定的状态。仿真结果验证了此整流器符合单位功率因数运行、输出直流电流稳定的设计要求。

图5 向量开关时间计算仿真模型

图6 三相整流器系统仿真模型

图7 电流波形

4 结束语

分析了三相电流型PWM整流器的基本原理，并且进一步阐述了三相电流型整流器的SVPWM控制策略。仿真结果验证了该控制策略是可行的，能够达到网侧电流的功率因数运行和低谐波畸变率，与SPWM相比，具有直流电流利用率高、计算简便、易于数字化实现等优点。

［1］张春雨，李和明．一种基于SVPWM三想CSR的控制策略［J］．电力电子，2006(1):32－35．

［2］余勇，张兴，刘正之．大功率电流源型PWM AC－DC建模与解耦控制［J］．电力系统自动化，2003，27(5):45 －48．

［3］苏娟莉，张双运，靳小军．PMSM控制系统中SVPWM与SPWM的比较研究［J］．西安文理学院学报，2006，9(2):55－58．

［4］胡开埂，杨贵杰．基于DSP的三相PWM可控整流系统的设计［J］．电力电子，2007，24(10):51 －54．

［5］周宪英，宋伟健，黄越平．基于SVPWM的高功率因数整流器研究［J］．海军航空工程学院学报，2010，25(1):27 －30．

［6］魏学森，刘志强，王娜．基于空间电压矢量脉宽调制的单位功率因数整流器［J］．电气传动，2003，4:40 －43．

［7］张崇巍，张兴．PWM整流器及其控制［M］．北京:机械工业出版社，2005．