楊俊蓮

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院（沈陽 110161）

三相PWM整流器電流控制策略探討

楊俊蓮

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院（沈陽 110161）

討論三相PWM整流器電流控制方法，分別分析電流間接控制和電流直接控制方法原理，通過比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，得出電流間接控制和電流直接控制的不同應(yīng)用場(chǎng)合。

PWM整流器 電流控制 PI調(diào)節(jié)器

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通、家庭等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，大量的非線性負(fù)載被引入電網(wǎng)，導(dǎo)致了日趨嚴(yán)重的諧波污染。電網(wǎng)諧波污染的根本原因在于電力電子裝置的開關(guān)工作方式，引起網(wǎng)側(cè)電流、電壓波形的嚴(yán)重畸變。在我國，當(dāng)前主要的諧波源一些整流設(shè)備，如化工、冶金行業(yè)的整流設(shè)備和各種調(diào)速、調(diào)壓設(shè)備以及電力機(jī)車。傳統(tǒng)的整流方式通常采用二極管整流或相控整流方式，采用二極管整流方式的整流器存在從電網(wǎng)吸取畸變電流，造成電網(wǎng)的諧波污染，而且直流側(cè)能量無法回饋電網(wǎng)等缺點(diǎn)。采用相控方式的整流器也存在深度相控下交流側(cè)功率因數(shù)很低，因換流引起電網(wǎng)電壓波形畸變等缺點(diǎn)。這些整流器從電網(wǎng)汲取電流的非線性特征，給周圍用電設(shè)備和公用電網(wǎng)都會(huì)帶來不利影響。為了抑制電力電子裝置產(chǎn)生的諧波，其中的一種方法就是對(duì)整流器本身進(jìn)行改進(jìn)，使其盡量不產(chǎn)生諧波，且電流和電壓同相位。這種整流器稱為高功率因數(shù)變流器或高功率因數(shù)整流器。為此，新型高功率因數(shù)的PWM整流器在國內(nèi)外引起廣泛關(guān)注。該類整流采用PWM技術(shù)整流橋中的自關(guān)斷器件進(jìn)行控制，使得交流輸入側(cè)電流接近正弦波，其相位與電源相電壓相位相同，輸入電流中只含有與開關(guān)頻率相關(guān)的高次諧波，這些高次諧波容易濾除，這樣，就使得輸入側(cè)的功率因數(shù)為1，從而可以有效的解決對(duì)電網(wǎng)的污染問題。

三相PWM整流器在控制方法上可以分為直接電流控制和間接電流控制兩種。直接電流控制是將整流器輸入電流作為反饋量和控制量，系統(tǒng)響應(yīng)速度快、電流控制精度高。間接電流控制是通過控制整流器輸入電壓，間接完成對(duì)輸入電流的控制。這種方法動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單，性價(jià)比較高。本文重點(diǎn)討論了三相電壓型整流器的間接電流控制和直接電流控制控制方法，比較這兩種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出了各自適合的應(yīng)用場(chǎng)合。

1 間接電流控制

圖1表示出復(fù)平面上三相VSR交流側(cè)基波電壓矢量V、電感基波電壓矢量VL、電流矢量I以及電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量E的靜態(tài)關(guān)系。

圖1中，矢量I與E間相角為θ;矢量V與E間相角為γ。由圖1并根據(jù)基爾霍夫電壓定律，得

圖1 三相VSR交流側(cè)靜態(tài)矢量關(guān)系

由圖1知三相VSR矢量關(guān)系，且以a相電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)為參考，易得三相VSR交流電網(wǎng)a相電動(dòng)勢(shì)ea（t）,a相基波電壓va（t）、交流側(cè)a相基波電流ia（t）時(shí)域表達(dá)式

式中Em是三相電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)峰值;

Vm是三相VSR交流側(cè)基波電壓峰值;

Im是三相VSR交流側(cè)基波電流峰值。

再由式（1）得三相VSR交流側(cè)電壓矢量V在α、β軸上投影為

式中X是三相VSR交流側(cè)每相感抗。

式（3）， （4）表明:當(dāng)三相VSR交流側(cè)參數(shù)（R，X，Em）已知時(shí)，可根據(jù)所要求的三相VSR網(wǎng)側(cè)電流峰值Im及相角θ，計(jì)算出三相VSR交流側(cè)基波電壓矢量V的α、β分量Vα、Vβ，從而獲得三相VSR間接電流控制時(shí)的V矢量控制算法，最終通過PWM控制，實(shí)現(xiàn)三相VSR間接電流控制。

2 直接電流控制

直接電流控制以快速電流反饋控制為特征，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能明顯改善。直接電流控制與間接電流控制的主要區(qū)別在于:直接電流控制具有網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制，在直接電流控制中，雙閉環(huán)控制是目前應(yīng)用最廣泛、最實(shí)用化的控制方式。由于采用網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制，使得VSR網(wǎng)側(cè)電流動(dòng)、靜態(tài)性能得到了提高，同時(shí)也使網(wǎng)側(cè)電流控制對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不敏感，增強(qiáng)了電流控制的魯棒性和較高品質(zhì)的電流響應(yīng)。

目前直接電流控制策略主要有固定開關(guān)頻率PWM電流控制、滯環(huán)電流控制等。這些電流控制方案各有其優(yōu)缺點(diǎn)。其中，固定開關(guān)頻率PWM電流控制的算法簡(jiǎn)單，物理意義清晰，且實(shí)現(xiàn)較方便。另外，由于開關(guān)頻率固定，因而濾波電感設(shè)計(jì)比較容易，并且有利于限制功率開關(guān)損耗。但主要缺點(diǎn)是在開關(guān)頻率不高的條件下，電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)相對(duì)較慢，而且電流動(dòng)態(tài)偏差隨電流變化率而相應(yīng)地變化。相比之下，滯環(huán)PWM電流控制則具有較快的電流響應(yīng)，而且電流跟蹤動(dòng)態(tài)偏差由滯環(huán)寬度確定，而不隨電流變化率變化而波動(dòng)。但該方案主要不足就是，開關(guān)頻率隨電流變化率變化而波動(dòng)，造成網(wǎng)側(cè)濾波電感設(shè)計(jì)困難，功率模塊應(yīng)力大以及開關(guān)損耗增大，因而在大功率應(yīng)用領(lǐng)域難以應(yīng)用。對(duì)整流器電流的反饋和控制可以基于不同坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行。

單位功率因數(shù)PWM整流器在abc坐標(biāo)系的電流控制原理如圖2。圖中電壓PI調(diào)節(jié)器通過調(diào)節(jié)電流指令信號(hào)的幅值穩(wěn)定輸出電壓，電流控制器的作用是使整流器輸入電流跟蹤指令電流信號(hào)，電流控制器可以根據(jù)需要選用不同的控制策略。應(yīng)用最普遍的電流控制器是PI調(diào)節(jié)器，abc坐標(biāo)下的PI電流控制又稱為平均電流控制。PI控制的優(yōu)點(diǎn)是:電流的控制和PWM調(diào)制分別由不同的環(huán)節(jié)完成，開環(huán)PWM調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)可以被充分利用;功率器件的開關(guān)頻率恒定;系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)和電流開環(huán)調(diào)試容易。另一種常用的控制器是滯環(huán)電流控制器，它將電流的控制和PWM調(diào)制合為一體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)是開關(guān)頻率不固定，濾波器設(shè)計(jì)困難。abc坐標(biāo)系的電流控制器也可以采用數(shù)字控制方式，但對(duì)控制器的計(jì)算速度和采樣速度要求較高。

圖2 PWM整流器在abc坐標(biāo)系的電流控制框圖

在abc坐標(biāo)系中，整流器輸入電流需要三個(gè)控制器獨(dú)立控制，實(shí)際上三相輸入電流并不獨(dú)立，通過坐標(biāo)變換可將三階關(guān)聯(lián)的電流方程變?yōu)槎A方程，這樣只需要兩個(gè)控制器即可實(shí)現(xiàn)電流的控制。圖3為基于坐標(biāo)系αβ的整流器控制原理，電流控制也分為電流控制和PWM調(diào)制兩個(gè)部分，圖中虛線框表示采用SPWM調(diào)制，實(shí)線框?yàn)闋顟B(tài)空間調(diào)制（SVM），兩者只取其一。在αβ坐標(biāo)下通過數(shù)字控制很容易實(shí)現(xiàn)SVM，而SPWM則要先將調(diào)制電壓轉(zhuǎn)換到abc坐標(biāo)，然后再進(jìn)行PWM調(diào)制。

圖2 PWM整流器在αβ坐標(biāo)系的電流控制框圖

在abc坐標(biāo)系和αβ坐標(biāo)系中，整流器的輸入電流在穩(wěn)態(tài)時(shí)都為工頻的時(shí)間變量，由于PI電流調(diào)節(jié)器的增益和帶寬有限，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致電流跟蹤的幅值和相位誤差。如果通過時(shí)變矩陣將三相正弦電流變換到與電流基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系，穩(wěn)態(tài)正弦電流變成了直流量，而PI調(diào)節(jié)器的直流增益為無窮大，因此可以實(shí)現(xiàn)電流的無差跟蹤控制。

通過坐標(biāo)變換，電流跟蹤系統(tǒng)變成了電流恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模分析與控制器設(shè)計(jì)相對(duì)比較容易。圖3為基于dq坐標(biāo)系的整流器電流控制框圖，穩(wěn)態(tài)時(shí)dq軸的電流指令信號(hào)都為直流量，如果要實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流或逆變，d軸指令電流設(shè)置為零，q軸指令電流的大小根據(jù)整流器的有功輸出調(diào)節(jié)。

圖3 PWM整流器在dq坐標(biāo)系的電流控制框圖

3 結(jié)語

間接電流控制的主要問題在于VSR電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)不夠快，甚至交流側(cè)電流中含有直流分量，且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)波動(dòng)較敏感，因而常用于對(duì)VSR動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高且控制結(jié)構(gòu)要求簡(jiǎn)單時(shí)的應(yīng)用場(chǎng)合。相對(duì)于間接電流控制，直接電流控制以快速電流反饋控制為特征，如滯環(huán)電流控制、固定開關(guān)頻率電流控制、空間矢量電流控制等。這類直接電流控制可以獲得較高品質(zhì)的電流響應(yīng)，因而常用于系統(tǒng)要求動(dòng)靜態(tài)性能要求較高的場(chǎng)合。

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齊婷婷）