基于电网电压定向的三相PWM整流器设计＊

彭 瑞，雷 力，褚仁林，柯万宇

（武汉华中数控股份有限公司，武汉430223）

由二极管或晶闸管构成的整流系统由于非线性特性、能量仅单向流动及功率因数不高，大大降低了电网的质量及利用率，无法满足绿色节能的要求。脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）整流器具有功率因数可控、能量双向流动及直流电压可控的优点，因此在变频调速系统、静止无功发生器、有源滤波器以及新能源等领域有着广泛的应用前景。

电压型整流器（Voltage Source Rectifier，VSR）的控制目标一般为保持直流侧电压稳定，尽量避免电网电压波动及负载变化的影响，也要保持交流侧电流的精确控制，实现相应的功率因数控制的要求。根据控制目标需要对直流侧的电压和交流侧的电流设计相应的调节器，从而构成电压外环、电流内环的双闭环控制控制结构。

目前，三相电压型整流器的主要控制方法包括直接功率控制（Direct Power Control，DPC）和电网电压定向控制（Voltage Oriented Control，VOC），分别借鉴了交流电动机的直接转矩控制和矢量控制的思想。电流控制技术主要分为间接电流控制和直接电流控制两种类型。间接电流控制无需电流反馈元件，但主要存在电流的动态响应慢，系统对参数波动较敏感等问题；直接电流控制依据PWM整流器的数学模型构造电流闭环控制系统，直接控制网侧电流跟踪电网电压，提高系统的动态响应速度和输出电流的波形质量，同时通过电流反馈元件实时监测可实现过电流保护功能等优点。而基于dq0旋转坐标系的空间矢量电流控制还可以实现并网电流有功分量和无功分量的独立控制，同时能消除电流稳态跟踪误差。

1 三相PWM整流器的数学模型

三相电压型PWM整流器的一般电路拓扑如图1所示。主要包括三相交流电压源、交流侧电感、开关器件IGBT（含续流二极管）和直流侧滤波电容。其中，ea、eb、ec为电网三相电压；ua、ub、uc为整流前端输出 PWM 电压；ia、ib、ic为三相输入电流；L为输入电抗器的滤波电感；R为输入电抗器的等效内阻；UDC为直流母线输出电压。

图1 三相PWM整流器电路模型

在理想情况下，根据基尔霍夫定律可得三相电压型PWM整流器的微分方程。PWM整流器在abc静止坐标系下的状态方程（1）可表示为:

三相静止坐标系abc中的交流量转换成同步旋转坐标系dq0中即可得到直流量。因此，将三相静止坐标系下的PWM整流器数学模型变换到以电网基波频率同步旋转的dq0坐标系下，PWM整流器在dq0旋转坐标系下的状态方程（2）可表示为:

2 控制策略

在dq0旋转坐标系下，三相电压型PWM整流器通常采用电压外环和电流内环控制的控制策略。电压外环控制获得稳定的直流侧输出电压，而电流内环根据外环的输出指令进行电流控制，提供快速的电流响应。

为了减少交流侧的电流畸变，直流电压必须大于输入端线电压。然而直流电压的指令值也不宜太高，因为受制于负载的额定工作电压。本文采取了一种新型的控制方式，当外部三相电压正常时，使用iq＝0的控制策略。当三相交流电压超过常规电压时时，q轴的电流指令不再为0，即采用注入无功电流，用降低基波功率因数的方法减少三相输入电流的畸变。

2.1 电流环设计

由方程（2）可知，在同步坐标系中，id，iq存在交叉耦合，根据文献［1］提出的前馈解耦控制策略，电流环采用PI调节器。得到解耦控制方程为

2.2 电压环设计

电压环主要的作用是使直流母线输出电压稳定在一个设定值，采用PI控制器进行调节电压，电压指令和母线电压反馈进行比较，其差值通过PI调节器的计算，从而得到有功电流的指令值。

根据上所的电压环和电流环设计，忽略电压扰动的影响，得到PWM整流控制系统的控制框图如图2所示。

图2 PWM整流器控制系统框图

3 系统设计

3.1 软件设计

控制软件由TMS320F2808完成，主要包括主程序和三个中断程序。采用前后台工作形式，主程序在后台运行，主要包括初始化部分，实时性不高的按键与LED显示等，三个主要中断分别为EPWM4_INT、ECAP3_INT、EPWM4_TZINT。其中 EPWM4_INT中断程序进行电压电流采样，完成电压环和电流环的运算，产生6路PWM信号。ECAP3_INT为捕捉单元的上升沿中断，响应A相电压过零检测，EPWM4_TZINT则是高级别的中断，响应IGBT短路时的报警，迅速关断PWM信号。

图3 中断流程图

3.2 同步相位角度设计

电网电压采样使用电阻分压后，然后用比较器两两比较，从而获得三相方波信号。该信号经过光电耦合器隔离后送入DSP的捕获端口，根据三相方波信号获得电网的相序，每次A相过零上升沿到来时，ECAP3捕获口产生中断ECAP3_INT，由软件设定此刻为控制周期的初始相位。电网电压频率为50Hz，实验中取IPM开关频率为10kHz，当电网电压综合矢量旋转一周，EPWM4_INT中断子程序运行200次。PWM刷新模式采用一个载波周期内双次电流采样双次PWM刷新，即在载波上升沿和载波周期中点分别进行电流采样和刷新PWM，两次中断之间空间电角度相差0.9°。这样每运行一次EPWM中断程序，电网电压矢量空间角度将在上一次的基础上增加 0.9°。

4 试验研究

依据上述论述，设计了一台11kWPWM整流器原理样机，其主要参数如下:以TI公司TMS320F2808 DSP为控制核心，功率器件采用1200V/75A的IPM PM75RLA120，电抗器的电感是 1.85mH，输入交流电压380V，输出直流电压600V。

图4 样机实物图

实验采用Tektronix公司的TPS2014示波器以及HIOKI公司3390功率分析仪测量输出波形，图5是由空载突加负载时的电流、电压输出的波形。图6是稳定负载时的交流侧电压电流波形。

图5 输入电流与输出电压波形

图6 输入电压和电流波形

5 结论

分析了三相PWM整流器的数学模块和控制方法，搭建了11kW实验平台，并对三相PWM整流器的运行状况进行了实验研究。实验结果表明，该控制系统可以实现稳定的直流电压输出，高功率因数的整流控制，并可实现能量的双向流动。该整流器可以应用于公共直流母线的多轴伺服系统，也可用到其他需要能量双向流动的应用场合，如电池充放电，无功功率补偿、新能源等领域。