三相升—降压PWM整流器的仿真研究

曾 博，孟光伟，宋亚伟，方 伟



三相升—降压PWM整流器的仿真研究

曾 博，孟光伟，宋亚伟，方 伟

（海军工程大学，武汉430033）

针对传统三相电压型PWM整流器无法输出宽范围直流电压的问题，分析了传统三相电压型PWM整流器与Cuk电路相结合的三相升—降压PWM整流器的工作原理。采用电压电流双闭环控制策略进行控制。最后通过Matlab/simulink进行验证，证明三相升—降压PWM整流器拓宽了输出直流电压的范围。

升—降压PWM整流 Cuk电路 双闭环控制 Matlab/simulink

0 引言

传统三相电压型PWM整流器有诸多优点，正常工作时，能使输入功率因数为1、电流波形趋近于正弦波、输出直流电压电压可控[1]。但传统的电压型PWM整流器为升压型变换器，运行在单位功率因数下，其直流输出电压高于交流电源电压的峰值[2]。Ching一Tsai Pan等学者提出的三相电压型PWM整流器与Cuk电路相结合的三相升—降压PWM整流器[3,4]不仅具备上述传统PWM整流器的优点，而且能拓宽输出直流电压的范围，即可以使整流器成为升—降压变换器。而在传统电压型PWM整流器的各种控制方法中，电压电流双闭环控制[5]最为普遍，因此本文将采用电压电流双闭环控制策略来对三相升—降压PWM整流器进行控制，并通过Matlab/ Simulink进行仿真研究，验证该整流器不但具有传统PWM整流器的优点，而且使输出直流电压既可以高于也可以低于交流电源电压的峰值，即正常工作时整流器成升—降压变换器。

1 主电路拓扑及工作原理

Ching一Tsai Pan等学者提出的三相升-降压PWM整流器拓扑结构[3,4]如图1所示；在图1中，1，2，…，6为等效开关管，1为1的串联等效电阻；图2为一个开关周期内6个开关管的驱动信号等效示意图。

拓扑结构在一个开关周期内工作过程如下：

1）开关周期的0时段内，三个桥臂都应处于直通状态，即6个开关管同时导通，二极管D截止，三相交流电源处于短路状态，电容1的电压通过直通开关管对负载、0、L放电；

2）在开关周期的(1 –0)期间，二极管正向导通，桥臂上的六个开关管按传统PWM整流电路的工作模式经给1充电；同时，由于二极管正向导通，则可以对通过电感L的电流进行续流，从而向负载供电；通过控制电容1的充放电时间可以实现对输出电压的控制，电路相当于分别工作在传统三相PWM整流电路阶段与Cuk电路阶段。

图1 三相升-降压PWM整流器开关等效电路

图2 开关管的驱动信号示意图

2 控制系统设计

2.1 SVPWM零矢量拓展

在Ching一Tsai Pan提出的拓扑结构中可以存在上下桥臂直通的情况，因而SVPWM中的零矢量从2个拓展到21个[6,7,8]。若作如下定义：

其中W代表开关管S的通断状态，=1，2，3，4，5，6；当S导通时，W记为1，关断时记为0；用表示对应定义下状态的电压空间矢量，则所有SVPWM零矢量如表1所示：

表1 零矢量拓展列表

表2　改进SVPWM控制扇区开关状态分布

由该三相升-降压PWM整流器的工作原理可知，在其正常工作时需要有一段上下桥臂同时导通的直通时间。由于PWM整流器的工作原理可知，如果采用表1中A，B，C类中的零矢量，可能会使某段时间的电流无法连续，因此，本文选取零矢量来代替传统SVPWM控制策略中的零矢量和，其6个扇区开关状态分布如表2所示。

2.2控制策略的选取

文献[5]中介绍了PWM整流器电压电流双闭环控制策略，控制结构如图3所示。从三相交流输入端中采集三相输入交流电压a、b以及输入电流a、b，输出直流电压dc，并且分别将a、b和a、b从三相静止坐标系转换为以电网基波频率的同步旋转坐系下d、q和d、q。d轴分量表示用功分量，q轴分量表示无功分量。电压环作为外环，输出直流电压的给定dc*和反馈dc得到电压误差，经过PI控制器进行响应的计算，得到输出有功电流给定d*，电流环作为内环，为了使输入功率因数为1，必须使无功电流为零，因此无功电流给定q*为零。d*、d和q*、q得到的误差分别经过各自的PI控制器以及前馈解耦控制后，进行相应的计算，得到SVPWM控制策略算法，经SVPWM调制后输出6路脉冲驱动信号，控制PWM整流器中的开关器件。

3 仿真分析

为了验证上述方案的可行性和有效性，本文使用Matlab/simulink搭建了仿真平台，采用Matlab2012版本，并进行仿真验证。系统的仿真的模型结构如图5所示。仿真参数：三相交流输入相电压为50 Hz/16 V（有效值），交流侧电感为16 mH，交流侧电阻为0.1 Ω，直流侧电容1为1000 μF，直流侧电容0为1000 μF，直流侧电感L为50 mH，负载电阻R为10 Ω。根据上文分析的整流器工作原理，PWM整流电路通过二极管D给1充电，因此，1两端电压0通过PWM整流电路获得，则SVPWM所对应输入的直流电压为0。

分别验证dc*=15 V和dc*=30 V时，输出直流电dc和三相交流电a相的电压与扩大10倍后电流，对应波形如图4，如图5。

图3 电压电流双闭环PWM整流控制结构

图4dc*=15 V对应波形

图5 Udc*=30 V对应波形

通过仿真结果得知，三相升—降压PWM整流器可以输出平滑的15 V和30 V的直流电，且交流输入侧电流是正弦波，并与交流输入相电压同相位，功率因数为1。15 V直流电压低于交流输入相电压的峰值，30 V直流电压高于交流输入相电压的峰值，可以看出三相升—降压PWM整流器拓宽了输出直流电压的范围。

图5 系统仿真模型

4 结论

本文分析了三相升—降压PWM整流器工作原理，并拓展了SVPWM的零矢量，采用双闭环控制策略进行控制，并进行仿真验证研究，通过仿真波形可以看出，三相升—降压PWM整流器正常工作时，输出直流电压既可以高于也可以低于交流输入相电压的峰值，相比于传统三相电压型PWM整流器，拓宽了输出直流电压的范围。

参考文献：

[1] Singh B, Singh B N, Chandra A, et a1．A review of three-phase improved power quality AC-DC converters[J]．IEEE Transaction on Industrial ElectroniCS, 2004, 51(3)：641-660.

[2] 张崇巍, 张兴. PWM整流器及其控制［M］. 北京：机械工业出版社, 2012.

[3] 2005. C. T. Pan and J. J. Shieh．A single stage three-phase boost buck AC/DC converter based on generalized zero voltage space vectors[J]．IEEETrans Power Electron, 1999, 14（3）：949-958.

[4] Ching-Tsai Pan, Jenn-JongShieh．New Space-Vector Control Strategiesfor Three-Phase Step-Up/Down AC/DC Converter[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2000, 47(1)：25-34．

[5] 胡开埂, 杨贵杰. 基于DSP的三相PWM可控整流系统的设计[J]. 电气应用, 2007,(10)：51-54.

[6] Pican E, Omerdic E, Toal D, et al. Direct interconnectionof offshore electricity generators[J]. Energy, 2011, 36(3):1543-1553. C. T. Pan and T. C. Chen．Step-up/down three-phase AC to DC converter with sinusoidal input currents and unity power factor[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics , 1994, 141(2)：143-151．

[7] 李帅, 李槐树, 李文艳, 等．三相升-降压PWM整流器SVPWM控制策略研究[J]．电气传动, 2012, 42(6)：22-26．

[8] 李帅, 李槐树, 李文艳, 等．三相升-降压PWM整流器Fuzzy-PI控制算法[J]．电力系统及其自动化学报, 2012, 24(4): 120-125.

Simulation of Three-phase Step-up/down PWM Rectifier

Zeng Bo, Meng Guangwei, Song Yawei, Fang Wei

( Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM461

A

1003-4862（2016）10-0061-04

2016-05-09

曾博（1990-），男，硕士在读，研究方向：电力电子与电力传动。

孟光伟，男，博士，副教授。研究方向：电力电子与电力传动。