基于负载电流控制的PWM整流电路

段海军 吕广强

（南京理工大学自动化学院，南京 210094）

基于负载电流控制的PWM整流电路

段海军 吕广强

（南京理工大学自动化学院，南京 210094）

三相全桥 PWM整流电路的暂态过程，是一个非线性系统的暂态过程，从数学的角度对其进行精确分析是比较困难的。本文通过构造一个简单的开关函数 Sx(t)，在不同控制策略下，从数学的角度上，简单分析负载发生变化时系统的暂态过程。通过对传统控制策略的分析，针对其弊端，本文提出一种基于直流侧负载电流的 PWM 控制策略，能够快速识别负载变化，并做出动作；使直流侧电容电压快速稳定，并且波动不大。

电压型；PWM整流；负载电流

将PWM技术应用到整流器中，能够实现系统交流侧电流谐波含量低，功率因数高，能量双向流动等，因而 PWM整流器成为研究者的青睐。目前针对PWM整流器的控制方式多种多样，例如直接电流控制、电压电流双闭环控制等。

最先应用于理论研究的是直接功率控制。文献[1-2]提出直接功率控制，其主要是利用滞环功率比较器，通过比较实际瞬时有功功率、无功功率与理论值的差值进行控制，实现功率的跟踪。文献[3]提出基于电压电流双闭环的控制策略，其主要通过采集网侧电流，经dq变换后，利用PI控制器代替系统电感参数产生控制信号，对直流侧电压进行跟踪。文献[4]提出的基于稳态电压平衡关系的间接电流控制，其主要是利用系统稳定时直流侧电容电压与理论值的差值进行分析计算，调节整流器交流侧输入电压的幅值和相位，从而间接控制网侧电流。文献[5]提出一种基于网侧电流重构的电压定向矢量控制，其利用直流侧母线电流与开关函数、网侧电流的关系，通过采集直流侧母线电流和开关状态，推导出网侧电流，进而实现对开关管的控制。

上述控制方式均需要电压外环对直流侧电压进行调节、控制，无论采用的是直接控制还是间接电流控制，最终实现对直流侧电压的控制，进而实现对负载的稳定供电。当负载发生变化时，首先引起直流侧电压的变化，进而利用电压外环的控制，使系统再次稳定；由于负载变化时，网侧电流不能及时反映负载电流的变化，此时由电容对负载供电，使直流侧电容电压波动较大。针对这些问题，本文从能量传递角度出发，提出基于负载电流的控制策略，能够实现对直流侧电压和负载电流同时控制，避免了负载电流变化时，直流侧电压波动大的问题。

1 电压型PWM整流器的数学模型

三相电压型PWM整流器如图1所示。其中，Ua、Ub、Uc分别为整流器输入侧电压；Udc为整流器直流侧输出电压；idc为直流侧母线电流；icc为电容电流；il为负载电流。

图1 压型PWM整流器

假设三相交流电压对称，则整流器在三相静止坐标系下的数学模型为[6]

从式（2）可以看出，idc的大小由开关状态Sa、Sb、Sc决定。Sa=1，表示A相上桥臂开关导通；Sa=0，表示A相上桥臂开关断开。不同时刻的开关状态组成开关函数Sx(t)，其波形即为PWM波，Sx(t)与控制量之间的关系可简化为

式中，α 为待选择控制量，不同的控制策略所选择的控制量不同；ΔU为直流侧实际电容电压与给定值的差值。

2 不同控制策略性能分析

2.1 传统控制策略

直接功率控制，通过采样网侧电压ea、eb、ec，网侧电流 ia、ib、ic以及直流侧电容电压 Udc计算出参考功率（Pref、Qref）与实际功率（P、Q），通过滞环比较器得到Sx(t)，其控制原理图如图2所示（图中ΔU为实际电容电压与参考值的差值）；电压电流双闭环控制，通过采样网侧电流 ia、ib、ic，经 dq变换得到的 id、iq构成电流内环控制，通过采样直流侧电容电压Udc，经PI控制器得到的参考电流idref构成电压外环控制[7]，其控制原理如图3所示。

图2 直接功率控制原理图

图3 电压电流双闭环控制原理图

从图2和图3中可以看出，在传统控制策略中，参考功率、参考电流的求取是通过ΔU获得的，因此，实际电容电压不是稳定值，是在参考电压一定范围内波动的。根据系统的容量、电容电压允许的波动范围等选择合适的PI参数kp、ki，将ΔU转变为电流信号。整流过程可以理解为，整流器对电容充电与电容对负载放电两个环节，在一个开关周期内，电容充放电量相等，即Q充=Q放。用表达式可表示为

当负载发生变化时，以电压电流双闭环控制下系统突加负载为例，根据式（3），此时α 为ia、ib、ic，其未发生变化，ΔU在该时刻同样未发生变化，因此Sx(t)未对负载变化做出相应的动作。根据式（2）可知，il增大，idc未变化，为满足等式要求，电容放电，致使Udc变小，进而根据式（3）对负载变化做出相应的动作。

在做出相应动作的初始阶段，idc＜il，电容放电。由于ΔU不能突变，即idref不能突变，致使在一段时间内Qc放＞Qc充，当ΔU达到一定值后，才开始对电容充电。之后的充电过程类似。经多个周期的充放电过程，系统再次稳定。

2.2 基于负载电流的控制策略

基于负载电流的PWM整流控制是以三相瞬时无功功率理论中的能量流动关系为基础的[8]。基于此理论，若不考虑损耗，整流电路交流侧的瞬时有功功率将全部传递到直流侧，即交流侧和直流侧的能量交换取决于交流侧瞬时有功功率 P。因此，若能控制交流侧传递到直流侧的电流的大小，就可以实现直流侧电压的稳定及对负载的正常供电。

若直流侧电容电压为 Udc，负载电流为 Idc，则根据整流电路交直流侧能量的传递关系可得

式中，E、I分别为网侧相电压、相电流的有效值；功率因数cosφ 为1。

根据上式可得到网侧相电流有效值。而控制器一般利用的是经3/2变换后的值，则进一步变换得

则控制原理图如图4所示。

图4 基于负载电流控制原理图

从图4中可以看出，当突加负载时，根据式（3），此时α 为il，系统能够立刻检测到负载变化，并作出相应的动作；此外，il代替ΔUdc，避免了传统控制策略中指令电流不能突变的问题，从而减少了到稳定状态的过渡时间。

3 仿真及结果分析

3.1 参数设计

占空比可调的PWM整流电路，不仅具有交流侧功率因数为1的特点，还能够输出高于2.34E（E为电源电压有效值）的直流电压。给定网侧电源为三相对称的 220V交流电源，直流侧电压 Udc为800V；额定电流ilN为10A，最大工作电流ilM为20A，即负载可选择为两个并联的 80Ω电阻，通过投入电阻的个数控制负载电流大小。

1）电感的选择

交流侧电感的主要作用是滤除谐波电流，其选择范围为[9]

式中，T为开关周期；Δimax为交流侧电流允许最大波动范围。

当开关频率为5kHz，允许波动范围为20%时，电感可选择5mH。为保证在负载变化时具有较好的追踪效果，电感值不能取的过大。

2）直流侧电容的选择

直流侧电容的主要作用是稳定直流侧电压和抑制直流侧谐波电压，并且在负载变化时可减小电压波动。在选型时，根据负载由额定状态变为最大电流工作状态时电压允许的波动范围。其选择范围为[2]

式中，ΔUdc为电容电压允许波动范围。当ΔUdc= 5%Udc时，电容可选择2000μF。

3.2 仿真结果及分析

当负载电流从10A突变到20A时，从图5中可以看出，基于电压电流双闭环控制策略，直流侧电压需要经过一段时间（多个系统周期）才能稳定，且随着负载电流的增加，达到稳定状态所需时间也随之增加。由于直流侧电容电压在这个过渡过程中需要的时间较长，因此对直流侧电容的容量要求较高，以避免出现较大的电压波动；此外，波动的直流侧电压，也不利于在传统控制策略中，利用电压外环计算参考电流，可能使计算的参考电流大小存在误差。从图5中的网侧电流波形可以看出，在改变负载时，电流波形不对称，存在大量的谐波。

图5 传统控制策略下突加负载波形

从图6中可以看出，基于负载电流的控制策略，当突加负载时，直流侧电压波动不大，不足1%，且波动时间短，能够快速稳定。

图6 基于负载电流控制下突加负载波形

当突减负载时，其波形与图 5、图 6类似。若应用在实际中，基于负载电流控制能够有效避免突减负载时电容电压突增的问题。

从图7中可以看出，基于负载电流的控制策略，能够保证网侧功率因数为 1，此外，能够实现在无负载的情况下，直流侧电容电压依然能够维持在给定值，使整流器处于热备用状态。

图7 基于负载电流控制下电压电流波形

4 结论

本文通过对不同控制策略下整流电路的暂态过程分析，结合三相电压型PWM整流电路的数学模型，引入开关函数 Sx（t），使整流电路的暂态分析更为简洁、明了。从仿真结果可以看出，与传统控制方式相比，基于负载电流的PWM控制方式，当负载发生变化时，其直流侧电容电压波动不大，波动时间短，因此，提高了系统的稳定性，验证了该方法能够快速响应负载变化，并且能够保证网侧电流谐波含量低，功率因数为1的特点。

［1］王久和，李华德，王立明.电压型 PWM 整流器直接功率控制系统［J］.中国电机工程学报，2006，26（18）：54-60.

［2］王久和，张金龙，李华德.电压型PWM整流器直接功率控制系统主电路参数设计［J］.北京科技大学学报，2006（11）：1091-1095.

［3］王恩德，黄声华.三相电压型PWM整流的新型双闭环控制策略［J］.中国电机工程学报，2012，32（15）：24-30.

［4］熊健，张凯，裴雪军，等.一种改进的 PWM整流器间接电流控制方案仿真［J］.电工技术学报，2003，1（1）：57-63.

［5］汪之文.基于电流重构技术的 PWM 整流系统研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

［6］邵锐，杨捷.全数字三相 PWM 整流器的实现及Matlab仿真［J］.电气应用，2015，7（7）：96-99.

［7］许峰，周克亮，程明.风力发电用电压源型PWM整流控制器的分析和设计［J］.电气应用，2010（17）：28-31.

［8］王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制与无功功率补偿［M］.北京：机械工业出版社，1999.

［9］许井峰.基于改进型UPF和SVPWM控制技术的有源电力滤波器研究［D］.太原：太原理工大学，2012.

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

段海军（1990-），男，南京理工大学在读研究生，研究方向为有源滤波器系统设计。