彭 瑞，雷 力，褚仁林，柯萬宇

（武漢華中數(shù)控股份有限公司，武漢430223）

由二極管或晶閘管構成的整流系統(tǒng)由于非線性特性、能量僅單向流動及功率因數(shù)不高，大大降低了電網(wǎng)的質量及利用率，無法滿足綠色節(jié)能的要求。脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）整流器具有功率因數(shù)可控、能量雙向流動及直流電壓可控的優(yōu)點，因此在變頻調速系統(tǒng)、靜止無功發(fā)生器、有源濾波器以及新能源等領域有著廣泛的應用前景。

電壓型整流器（Voltage Source Rectifier，VSR）的控制目標一般為保持直流側電壓穩(wěn)定，盡量避免電網(wǎng)電壓波動及負載變化的影響，也要保持交流側電流的精確控制，實現(xiàn)相應的功率因數(shù)控制的要求。根據(jù)控制目標需要對直流側的電壓和交流側的電流設計相應的調節(jié)器，從而構成電壓外環(huán)、電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制控制結構。

目前，三相電壓型整流器的主要控制方法包括直接功率控制（Direct Power Control，DPC）和電網(wǎng)電壓定向控制（Voltage Oriented Control，VOC），分別借鑒了交流電動機的直接轉矩控制和矢量控制的思想。電流控制技術主要分為間接電流控制和直接電流控制兩種類型。間接電流控制無需電流反饋元件，但主要存在電流的動態(tài)響應慢，系統(tǒng)對參數(shù)波動較敏感等問題；直接電流控制依據(jù)PWM整流器的數(shù)學模型構造電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，直接控制網(wǎng)側電流跟蹤電網(wǎng)電壓，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度和輸出電流的波形質量，同時通過電流反饋元件實時監(jiān)測可實現(xiàn)過電流保護功能等優(yōu)點。而基于dq0旋轉坐標系的空間矢量電流控制還可以實現(xiàn)并網(wǎng)電流有功分量和無功分量的獨立控制，同時能消除電流穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。

1 三相PWM整流器的數(shù)學模型

三相電壓型PWM整流器的一般電路拓撲如圖1所示。主要包括三相交流電壓源、交流側電感、開關器件IGBT（含續(xù)流二極管）和直流側濾波電容。其中，ea、eb、ec為電網(wǎng)三相電壓；ua、ub、uc為整流前端輸出 PWM 電壓；ia、ib、ic為三相輸入電流；L為輸入電抗器的濾波電感；R為輸入電抗器的等效內阻；UDC為直流母線輸出電壓。

圖1 三相PWM整流器電路模型

在理想情況下，根據(jù)基爾霍夫定律可得三相電壓型PWM整流器的微分方程。PWM整流器在abc靜止坐標系下的狀態(tài)方程（1）可表示為:

三相靜止坐標系abc中的交流量轉換成同步旋轉坐標系dq0中即可得到直流量。因此，將三相靜止坐標系下的PWM整流器數(shù)學模型變換到以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉的dq0坐標系下，PWM整流器在dq0旋轉坐標系下的狀態(tài)方程（2）可表示為:

2 控制策略

在dq0旋轉坐標系下，三相電壓型PWM整流器通常采用電壓外環(huán)和電流內環(huán)控制的控制策略。電壓外環(huán)控制獲得穩(wěn)定的直流側輸出電壓，而電流內環(huán)根據(jù)外環(huán)的輸出指令進行電流控制，提供快速的電流響應。

為了減少交流側的電流畸變，直流電壓必須大于輸入端線電壓。然而直流電壓的指令值也不宜太高，因為受制于負載的額定工作電壓。本文采取了一種新型的控制方式，當外部三相電壓正常時，使用iq＝0的控制策略。當三相交流電壓超過常規(guī)電壓時時，q軸的電流指令不再為0，即采用注入無功電流，用降低基波功率因數(shù)的方法減少三相輸入電流的畸變。

2.1 電流環(huán)設計

由方程（2）可知，在同步坐標系中，id，iq存在交叉耦合，根據(jù)文獻［1］提出的前饋解耦控制策略，電流環(huán)采用PI調節(jié)器。得到解耦控制方程為

2.2 電壓環(huán)設計

電壓環(huán)主要的作用是使直流母線輸出電壓穩(wěn)定在一個設定值，采用PI控制器進行調節(jié)電壓，電壓指令和母線電壓反饋進行比較，其差值通過PI調節(jié)器的計算，從而得到有功電流的指令值。

根據(jù)上所的電壓環(huán)和電流環(huán)設計，忽略電壓擾動的影響，得到PWM整流控制系統(tǒng)的控制框圖如圖2所示。

圖2 PWM整流器控制系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)設計

3.1 軟件設計

控制軟件由TMS320F2808完成，主要包括主程序和三個中斷程序。采用前后臺工作形式，主程序在后臺運行，主要包括初始化部分，實時性不高的按鍵與LED顯示等，三個主要中斷分別為EPWM4_INT、ECAP3_INT、EPWM4_TZINT。其中 EPWM4_INT中斷程序進行電壓電流采樣，完成電壓環(huán)和電流環(huán)的運算，產(chǎn)生6路PWM信號。ECAP3_INT為捕捉單元的上升沿中斷，響應A相電壓過零檢測，EPWM4_TZINT則是高級別的中斷，響應IGBT短路時的報警，迅速關斷PWM信號。

圖3 中斷流程圖

3.2 同步相位角度設計

電網(wǎng)電壓采樣使用電阻分壓后，然后用比較器兩兩比較，從而獲得三相方波信號。該信號經(jīng)過光電耦合器隔離后送入DSP的捕獲端口，根據(jù)三相方波信號獲得電網(wǎng)的相序，每次A相過零上升沿到來時，ECAP3捕獲口產(chǎn)生中斷ECAP3_INT，由軟件設定此刻為控制周期的初始相位。電網(wǎng)電壓頻率為50Hz，實驗中取IPM開關頻率為10kHz，當電網(wǎng)電壓綜合矢量旋轉一周，EPWM4_INT中斷子程序運行200次。PWM刷新模式采用一個載波周期內雙次電流采樣雙次PWM刷新，即在載波上升沿和載波周期中點分別進行電流采樣和刷新PWM，兩次中斷之間空間電角度相差0.9°。這樣每運行一次EPWM中斷程序，電網(wǎng)電壓矢量空間角度將在上一次的基礎上增加 0.9°。

4 試驗研究

依據(jù)上述論述，設計了一臺11kWPWM整流器原理樣機，其主要參數(shù)如下:以TI公司TMS320F2808 DSP為控制核心，功率器件采用1200V/75A的IPM PM75RLA120，電抗器的電感是 1.85mH，輸入交流電壓380V，輸出直流電壓600V。

圖4 樣機實物圖

實驗采用Tektronix公司的TPS2014示波器以及HIOKI公司3390功率分析儀測量輸出波形，圖5是由空載突加負載時的電流、電壓輸出的波形。圖6是穩(wěn)定負載時的交流側電壓電流波形。

圖5 輸入電流與輸出電壓波形

圖6 輸入電壓和電流波形

5 結論

分析了三相PWM整流器的數(shù)學模塊和控制方法，搭建了11kW實驗平臺，并對三相PWM整流器的運行狀況進行了實驗研究。實驗結果表明，該控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)穩(wěn)定的直流電壓輸出，高功率因數(shù)的整流控制，并可實現(xiàn)能量的雙向流動。該整流器可以應用于公共直流母線的多軸伺服系統(tǒng)，也可用到其他需要能量雙向流動的應用場合，如電池充放電，無功功率補償、新能源等領域。