王鶴霖 程啟明 郭 凱 李 明 陳 根

(上海電力學院自動化工程學院， 上海 200090 )

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電流型PWM整流器的SVPWM控制及仿真研究

王鶴霖 程啟明 郭 凱 李 明 陳 根

(上海電力學院自動化工程學院， 上海 200090 )

為解決三相電流型PWM整流器的拓撲結構帶來的系統(tǒng)階次增加、并聯(lián)諧振等問題，詳細介紹了三相CSR的空間電流矢量的控制方法，包括系統(tǒng)的數(shù)學建模、控制策略、信號發(fā)生和實現(xiàn)調制等。在Matlab/Simulink 軟件平臺進行了三相CSR雙閉環(huán)解耦SVPWM 控制方法的仿真，并通過與傳統(tǒng)的SPWM控制方法進行對比，驗證了該控制方法具有更好的動、靜態(tài)特性，且動態(tài)響應快，能有效抑制網側諧波，實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行。該方法為三相CSR的控制方法提供了新思路，具有一定的理論和實際應用價值。

PWM整流器 空間電流矢量 雙閉環(huán)解耦控制 電壓型PWM整流器 空間矢量脈寬調制

Space vector pulse width modulation(SVPWM)

0 引言

近年來，基于電流型PWM整流器(current source PWM rectifier，CSR)同電壓型PWM整流器(voltage source PWM rectifier，VSR)相比，具有輸入功率因數(shù)可調、諧波電流抑制、短路保護和降壓等優(yōu)點，目前已在超導儲能、電池組充電、電能質量調節(jié)器等場合有著廣泛的應用[1]。

在拓撲組成上，電壓型和電流型PWM整流器具有對偶的結構特征，因此基于VSR的一些先進控制策略可以同理直接移植至CSR控制中去，如電壓定向控制、預測模型控制、直接功率控制等[2]。但是，由于CSR在交流輸入側增加了LC濾波環(huán)節(jié)，不僅增加了系統(tǒng)階次，而且會引起并聯(lián)諧振的問題，這就給系統(tǒng)中各控制參數(shù)的確定和優(yōu)化增加了難度，因此有關CSR的控制策略優(yōu)化方面還需進一步深入研究[3]。

電流空間矢量脈寬調制(SVPWM)和正弦脈寬調制(SPWM)是兩種常見的調制方法。與傳統(tǒng)的SPWM相比，SVPWM開關次數(shù)可減少1/3，直流電流利用率可提高15%，具有更好的魯棒性和諧波抑制效果[4-5]。本文將結合CSR與VSR的差異，具體介紹三相CSR的空間電流矢量控制方法。此方法主要經過脈沖信號發(fā)生、電流矢量合成、扇區(qū)判斷和矢量作用時間計算等步驟，實時切換三相CSR空間電流矢量，從而獲得高品質控制電流[6-7]。仿真試驗驗證了本文方法的有效性和可行性。

1 CSR數(shù)學模型的構建

圖1為三相CSR的拓撲結構。圖1中，交流側為LC低通濾波器，它由電感L和電容C組成，可以濾除高頻開關分量；整流器由6個IGBT開關管與二極管串聯(lián)的結構，二極管可增加反向續(xù)流的能力[8]；直流側采用大電感Ldc與阻抗RL串聯(lián)的形式，保證輸出平滑的電流。

圖1 三相CSR的拓撲結構

假定三相電路完全對稱，開關元件為理想元件，其頻率遠大于電網頻率，交流與直流側的濾波電感L和Ldc均為線性，不考慮飽和。根據(jù)基爾霍夫的電壓、電流定律，可以得出CSR在三相abc靜止坐標系下數(shù)學模型為[9]：

(1)

(2)

(3)

式中：ek為三相電網電動勢瞬時值，下標k=a、b、c，表示三相中某一相；uk和ik分別為網側相電壓和相電流瞬時值；isk為三相CSR交流側相電流值；udc和idc為直流側輸出電壓和電流的瞬時值；L、R和C分別為濾波電感、內阻和電容值；RL為輸出負載阻值。

引入三值邏輯函數(shù)σk，且定義：

(4)

(5)

為了便于建立系統(tǒng)的線性模型，進而推導出在兩相dq旋轉坐標系下三相CSR的數(shù)學模型為[10]：

(6)

2 三相CSR空間電流矢量控制

2.1 脈沖調制信號的發(fā)生

同三相VSR相比，三相CSR的三值邏輯信號的產生要復雜得多，它主要包括調制信號預處理、PWM二值邏輯信號產生、二/三值邏輯轉換、零狀態(tài)判別和狀態(tài)信號分配等幾個方面[11]。三相CSR信號發(fā)生的結構框圖如圖2所示。

圖2 三相CSR信號發(fā)生結構框圖

三相CSR共有9種開關狀態(tài)，需用三值邏輯函數(shù)來表示，即用二值邏輯函數(shù)的函數(shù)表示。二/三值邏輯轉換狀態(tài)見表1，表中的#7～#9為開關管的零狀態(tài)。

表1 二/三值邏輯轉換狀態(tài)

2.2 空間電流矢量的合成與調制

類比三相VSR空間電壓矢量合成原理，所謂三相CSR空間電流矢量合成就是利用空間電流矢量合成指令電流，并且若指令電流是三相正弦對稱的，其矢量運動軌跡必為圓形[13]。由指令電流表達式，可得三相CSR的空間電流矢量分布示意圖，如圖3所示。

圖3 三相CSR的空間電流矢量分布示意圖

圖3中的指令電流Ir可表示為：

(7)

三相CSR空間電流矢量調制的步驟如下：

(1)判斷指令電流Ir所在的扇區(qū)；

(2)選擇開關矢量的作用順序；

(3)計算開關矢量的作用時間。

根據(jù)一個工作周期內僅有兩相電流符號相同的特點，可以通過判斷指令電流正負判別指令電流Ir所在的扇區(qū)。

定義開關函數(shù)為：

N=sign(Ia)+2sign(Ib)+4sign(Ic)

(8)

(9)

式(8)中的系數(shù)N與指令電流Ir所在扇區(qū)的分配關系見表2。

表2 N與指令電流Ir所在扇區(qū)的分配關系

本文采用雙三角的合成模式，且遵循開關管切換次數(shù)最少的原則，指令電流Ir所在的扇區(qū)與其空間矢量的合成情況如表3所示。

表3 Ir所在的扇區(qū)與其空間矢量的合成情況

Tab.3 The synthesis situation of the sector

ofIrand its space vector

Ir扇區(qū)InIn+1I0II6I1I7III1I2I8IIII2I3I9IVI3I4I7VI4I5I8VII5I6I9

表3中，In、In+1和I0分別代表合成指令電流Ir的相鄰空間矢量和零矢量。

假設指令電流Ir處于Ⅰ扇區(qū)，將指令電流Ir和空間電流矢量I6、I1分別分解到、坐標軸上，可得：

(10)

經計算得：

(11)

式中：Ts為IGBT的一個開關周期；T1、T2、T0分別為主矢量、輔助矢量和零矢量的作用時間。

在此引入通用變量X、Y、Z來計算時間T1、T2，并定義：

(12)

由此得到開關矢量作用時間與扇區(qū)的對應關系，如表4所示。

表4 不同扇區(qū)電流矢量的作用時間

3 SVPWM控制模型的分析

3.1 整體模型的構建

為了驗證三相CSR的空間電流矢量控制，本文在Matlab仿真環(huán)境中搭建了系統(tǒng)模型。基于與電壓型PWM整流器拓撲結構的差異，需增加二/三值邏輯轉換、零狀態(tài)判別等模塊。系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成。

① 主電路：包含了三相對稱電源、LC濾波電路、整流橋、直流輸出大電感Ldc和系統(tǒng)負載RL等模塊。

② 雙閉環(huán)解耦控制：包括三相靜止到兩相旋轉換、派克變換、雙閉環(huán)解耦控制內環(huán)和外環(huán)控等模塊。

③ SVPWM：包括二/三值邏輯轉換、指令電流判別、開關作用時間計算、SVPWM脈沖觸發(fā)信號生成等模塊。

④ 示波器顯示電路。

3.2 仿真結果與分析

本文采用雙閉環(huán)解耦控制，區(qū)別于三相VSR，VCR整個系統(tǒng)需要進行5個PI參數(shù)的協(xié)調控制。仿真模型具體參數(shù)設置如下：電網相電壓峰值311 V，頻率50 Hz；濾波器電感5 mH；濾波器電容48 μF；輸出直流側電感0.5 H；直流側負載30 Ω；采樣頻率10 kHz；仿真時給定直流電流的參考值為2.5 A，仿真時間為0.5 s，采用ode 45算法。

為證明三相CSR應用SVPWM調制方法的優(yōu)越性，本文也采用了SPWM調制方式進行相同系統(tǒng)參數(shù)條件下的對比仿真驗證。

圖4為兩種控制方法下直流側輸出電流波形。由圖4可見，當CSR進入穩(wěn)定運行時，兩種控制方法均達到了給定電流值2.5 A，但SVPWM控制方式超調量較小，達到穩(wěn)態(tài)時間約0.02 s，明顯快于SPWM控制方式。

圖4 兩種控制方法下直流側輸出電流波形圖

圖5為a相電壓與網側電流波形。由圖5可見，網側電壓與電流實現(xiàn)了同相位，滿足單位功率因數(shù)要求，其中SVPWM調制方式網側電流近似正弦，所用時間更短。另外，從網側電流諧波分析圖還可看到，采用SVPWM 控制方法的總諧波失真值(THD)更小，即系統(tǒng)的諧波含量最少，滿足IEEE 519標準，從而證明了該控制方法在降低諧波污染、降低開關頻率方面的優(yōu)越性。

圖5 兩種控制方法下a相電壓與網側電流波形圖

4 結束語

本文主要闡述了三相電流型PWM整流器空間電流矢量控制方法。從三相CSR的數(shù)學建模出發(fā)，具體介紹了SVPWM脈沖信號發(fā)生方式、空間電流矢量的合成與調制、空間電流矢量的調制步驟等。三相CSR的控制難點在于基于與三相VSR拓撲結構的差異，需解決降低系統(tǒng)階次、二/三值邏輯轉換、零狀態(tài)判別等方面問題。為了驗證方法的可行性，本文在Matlab/Simulink 軟件平臺進行了三相CSR雙閉環(huán)解耦SVPWM 控制的仿真，詳細列出了系統(tǒng)各功能模塊的Simulink模型。通過與傳統(tǒng)的SPWM控制方式進行對比，說明了SVPWM的調制方式系統(tǒng)動態(tài)響應速度更快、魯棒性好和超調量較小，可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行，并能有效抑制網側電流畸變，體現(xiàn)了在降低諧波污染、減小開關頻率方面的優(yōu)勢。該研究為PWM 整流器的控制方法提供了新思路。

[10]李玉玲,鮑建偉,張仲超.間接電流控制可調功率因數(shù)電流型PWM整流器[J].中國電機工程學報,2007,27(1): 49-53.

[11]張晶.三相電流型PWM整流器的控制技術研究[D].保定: 華北電力大學,2008.

[12]朱曉榮.電流型PWM整流器及其非線性控制策略的研究[D].保定: 華北電力大學,2009.

[13]Bierhoff M H,Fuchs F W.Active damping for three phase rectifier based on back stepping design[J].IEEE Transactions on Industrials Electronics,2009,56(2): 371-379.

SVPWM Control of Current Source Type PWM Rectifier and its Simulative Research

In order to solve the problems of the topological structure of three-phase current source type PWM rectifier,e.g.,increasing the system orders,and parallel resonances,etc.,the space current vector control method for three-phase CSR is introduced in detail,including mathematical modeling of the system,control strategy,signal generation and modulation implementation.The simulation of three-phase CSR double closed loop decoupling SVPWM control method is conducted on Matlab/Simulink software platform,and through comparing with traditional SPWM control method,the control method proposed possesses better dynamic and static characteristics,and the dynamic response is faster; it effectively suppresses harmonics to achieve unit power factor operation.The research provides new concept for three-phase CSR control method,if possesses theoretical and practical values.

PWM rectifier Space current vector Double closed-loop decoupling control Voltage source PWM rectifier

國家自然科學基金資助項目(編號：61304134)；

上海市重點科技攻關計劃基金資助項目(編號：14110500700)；

上海市電站自動化技術重點實驗室基金資助項目(編號：13DZ2273800)。

王鶴霖(1989-)，女，現(xiàn)為上海電力學院電機與電器專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事電力系統(tǒng)自動化、新能源發(fā)電控制方面的研究。

TP273；TH71

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601005

修改稿收到日期：2015-03-24。