三相PWM整流器
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摘要
随着绿色能源技术的快速发展，PWM整流器技术己成为电力电子技术研究的热
点和亮点。PWM整流器可成为用电设备或电网与其它电气设备的理想接口，因为它
可以实现网侧电流正弦化和功率因数可调整。
本文首先分析了PWM整流器的基本原理，然后根据三相电压源型PWM整流器各相电压电流之间的关系和桥路的工作状态，给出系统在三相ABC坐标系和两相dq坐标系中的数学模型，利用电流反馈解耦控制，以及系统的基本控制框图。并设计了电压环和电流环数字化PI调节器，结合理论分析和实际对其参数进行了优化整定。
关键词：三相电压型PWM整流器；数学模型；dq变换。
1 三相电压源型PWM整流器工作原理及数学模型
1.1 PWM整流器原理
1.1.1 PWM整流电路工作原理
将普通整流电路中的二极管或晶闸管换成IGBT或MOSFET等自关断器件，并将SPWM技术应用于整流电路，这就形成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路的适当控制，不仅可以使输入电流非常接近正弦波，而且还可以使输入电流和电压同相位，功率PWM整流电路由于需要较大的直流储能电感以及交流侧LC滤波环节所导致的电流畸变、振荡等问题，使其结构和控制复杂化，从而制约了它的应用和研究。相比之下，电压型PWM整流电路以其结构简单，较低的损耗等优点，电压型PWM整流电路的成功应用更现实鸭故选择电压型PWM整流电路进行研究。下面分别介绍单相和三相PWM整流电路的拓扑结构和工作原理。
图1-2 单相PWM整流电路
图1-2为单相全桥PWM整流电路，交流侧电感sL包含外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必需的。电阻sR包含外接电抗器的电阻和交流电源内部电阻。同SPWM逆变电路控制输出电压相类似，可在PWM整流电路的交流输入端AB产生一个正弦调制PWM波ABu，ABu中除含有和开关频率有关的高次谐波外，不含低次谐波成分。由于电感sL的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流
si产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，当正弦信号波的频率和电源频率相同时，si为频率与电源频率相同的正弦波。
图1-3 单相PWM整流电路等效电路
PWM整流电路的单相等效电路如图1-3所示，其中su为交流电源电压。当su一定时，si的幅值和相位由ABu中基波分量的幅值及其与su的相位差决定。改变ABu中基波分量的幅值和相位，就可以使si与su同相位。图1-4给出了单相PWM整流电路的相量图，其中以sU表示电网电压，ABU表示PWM整流电路输出的交流电压，LU为连接电抗器sL的电压，RU为电网内阻sR的电压；在图1-4a)中，ABU滞后sU的相角为，sI与sU的相位完全相同，电路工作在整路流状态，且功率因数为1。在图1-4b)中，ABU超前sU的相角为，sI与sU的相位相反，电路工作在逆变状态。这说明PWM整流电路可以实现能量正反两个方向的流动，既可以运行在整流状态，从交流侧向直流侧输送能量；也可以运行在逆变状态，从直流侧向交流侧输送能量。而且这两种方式都可在单位功率因数下运行。
图1-4 PWM整流电路两种运行方式向量图
a）整流运行 b）逆变运行
图1-5 三相PWM整流电路
三相PWM整流电路主要结构如图1-5所示，其工作原理和单相PWM整流电路类似。通过对电路进行SPWM控制，就可以在桥的交流输入端ABC产生一个正弦调制PWM波Au，Bu，Cu。，对各相电压按图1-4a)的向量图进行控制，就可使各相电流sAi，sBi，sCi为正弦波且和电压相位相同，功率因数为1。
2 三相VSR控制策略及控制系统设计
2.1 VSR的电流控制方法
VSR的工作原理分析表明，当其正常工作时，能在稳定直流侧电压的同时，实现网侧正弦波形电流控制。另一方面，当VSR应用于注入有源电力滤波器等领域时，其王测电流的控制性能决定了系统性能指标的优劣。因此，VSR的电流控制策略是十分重要的。
2.1.1 间接电流控制和直接电流控制的比较
为了使PWM整流电路在工作时功率因数近似为1，即要求输入电流为正弦波且和电源电压同相位，可以有多种控制方法，根据有没有引入电流反馈可以将这些控制方法分为两种，没有引入交流电流反馈的称为间接电流控制，引入交流电流反馈的称为直接电流控制。
间接电流控制也称为相位和幅值控制，其实质是，通过PWM控制，在VSR桥路交流侧生成幅值、相位受控的正弦PWM电压。该PWM电压与电网电动势共同作用于VSR交流侧，并在VSR交流侧形成正弦基波电流，而谐波电流则由VSR交流侧电感滤除。由于这种VSR电流控制方案通过直接控制VSR交流侧电压进而达到控制VSR交流侧电流的目的，因而是一种间接电流控制方式。这种间接电流控制由于无需设置交流电流传感器以构成电流闭环控制，因而是一种VSR简单控制方案。间接电流控制的优点在于控制简单，一般无需电流反馈控制。另外，间接电流控制还可分为稳态间接电流控制和动态间接电流控制。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，因而常适合于对VSR动态响应要求不高且控制结构要求简单的应用场合。
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。在这种控制方法中，通过运算求出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。这种直接电流控制与间接电流控制在结构上的主要差别在于：前者具有网侧电流闭环控制，而后者则无网侧电流闭环控制。由于采用网侧电流闭环控制，使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，从而增强了电流控制系统的鲁棒性。直接电流控制可以获得较高品质的电流响应，但控制结构和算法较间接电流控制复杂。
直接电流控制中有不同的电流跟踪控制方法，常用的有：固定开关频率PWM电流控制、滞环PWM电流控制、空间矢量PWM电流控制等，这些电流控制方案各有其
优缺点。
本文主要研究基于(d，q)坐标系的固定开关频率PWM电流控制策略：
1）固定开关频率PWM电流控制算法简单，物理意义清晰。且实现较方便。
2）由于开关频率固定，因而网侧变压器及滤波电感设计较容易，并且有利于
限制功率开关损耗。
3）两相同步旋转坐标系(d，q)中的指令电流为直流时不变信号。
4）在两相同步旋转坐标系(d，q)中，电流控制方案易于有功和无功电流的
解耦控制。
2.1.2 三相VSR在dq坐标系下的直接电流控制
对于dq同步旋转坐标系，不考虑前馈解耦时的三相VSR固定开关频率PWM电流控制原理如图2-1所示。
图2-1 dq坐标系下三相VSR直接电流控制原理图
显然，电流指令di来自电压外环PI调节器输出，而且表示三相电流的有共分两；而电流指令qi则表示三相电流的无功分量，且可以独立给定，若是要求单位功率因数运行，则可以将其给定设为0。在dq同步坐标系中，指令电流是直流信号；其电流内环PI调节器可以实现无静差控制，稳态性能好；在两相dq同步旋转坐标系中，易于有功电流和无功电流的独立控制，也即解耦控制。
2.2 三相VSR控制系统的设计
在三相VSR控制系统设计中，一般采用双环控制，即电压外环和电流内环。电压外环作用主要是控制三相VSR直流侧电压，而电流内环作用主要是按电压外环输出的电流指令进行电流控制。
2.2.1 电流内环控制系统设计
1）电流内环的简化
由前面叙述可以知道，三相VSR的dq模型可以描述为
)12()(23LqqdddcqqqdqdddqdisisidtdvCveRiLidtdiLveRiLidtdiL
式中，de、qe——电网电动势矢量dqE的d、q分量；
dv、qv——三相VSR交流侧电压矢量dqV的d、q分量；
di、qi——三相VSR交流侧电流矢量的dqI的d、q分量。
从三相VSR的dq模型方程式（2-1）可以看出。由于VSR的d、q轴变量相互耦合，因此给控制器的设计造成一定困难。为此，可以采用前馈解耦控制策略。当电流调节器采用PI调节器时，则dv、qv的控制方程如下：
)22())((qdqqiIiPqeLiiisKKv
)32())((dqddiIiPdeLiiisKKv
式中，iPK、iIK——电流内环比例调节增益和积分调节增益；
qi、di——qi和di的电流指令值。
由此可以画出电流内环的解耦控制结构，如图2-2。
图2-2 三相VSR电流内环解耦控制结构
2）电流调节器设计
由于两电流内环的对称性，因而下面以qi控制为例讨论电流调节器的设计。考虑电流内环采样信号的延迟和PWM控制的小惯性特性，已经解耦的电流内环结构如图2-3所示。
图2-3 qi电流环结构
图2-3中，sT为电流内环电流采样周期，PWMK为桥路PWM等效增益。为简化分析，且将PI调节器传递函数写成零极点形式，即
)42(1iiPiIiiiPiIiPKKssKsKK，
将小时间常数sT/2、sT合并，得到简化的电流环结构。如图2-4所示。
图2-4 无扰动且忽略R时的近似电流内环结构
由此可以按照典型Ⅱ型系统设计电流内环调节器，从图2-4得到电流内环开环传递函数为
)52()15.1(1)(2sTssLKKsWsiiPWMiPoi
为了尽量提高电流响应的快速性，对典型Ⅱ型系统而言，可设计适当的中频宽ih，工程上常取55.1/siiTh。按照典型Ⅱ型系统参数设计关系有
)62(212iiiPWMiPhLKK
解得
)72(5.11261562)1(2PWMsiiPiIPWMsPWMiiiPKTLKKKTLKLhK
2.2.2 电压外环控制系统设计
三相VSR的电压环简化结构如图2-5所示。
