李向超 張龍華 馬松花

摘 要：傳統(tǒng)PWM控制技術(shù)普遍使用在兩電平電路的驅(qū)動控制上，主要是將正弦脈寬調(diào)制波為正弦波，在通過三角載波和調(diào)制波得出交點并實施控制，它具有電壓利用率低，諧波含量大的特點。目前由于微處理器技術(shù)的發(fā)展與多電平電路的出現(xiàn)，涌現(xiàn)出如新PWM方式、滯環(huán)電流方式、空間電壓矢量方式，這些控制都優(yōu)化了傳統(tǒng)的PWM控制方法。本文通過分析三相電壓CSR技術(shù)的優(yōu)缺點，來探究未來新型三相電壓型PWM整流器控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：三相電壓PWM整流器;控制技術(shù);發(fā)展探究

0 引言

三相電壓型PWM整流器控制技術(shù)由于有能夠控制網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)以及穩(wěn)定直流側(cè)輸出電壓的特性被市場廣泛使用。目前國內(nèi)外都致力于對該技術(shù)的深入研究，目的是改善其系統(tǒng)性能，降低電網(wǎng)諧波造成的污染，提高能源的利用效率。其控制技術(shù)對整流器的要求特別高，主流PWM整流器的控制技術(shù)原理、特點都相同。對比得出各種技術(shù)的優(yōu)缺點，結(jié)合實際情況研究出最適用的三相電壓型PWM整流器控制技術(shù)。

1 整流器發(fā)展的3個階段

整流器發(fā)展分為不可控整流、相控整流與PWM整流三個階段。PWM整流器是一種效率高、安全性高且環(huán)保的電能變換器，有效解決了前兩種整流方式存在的交流側(cè)輸入電流畸變嚴(yán)重及網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)過低的不足。PWM整流器還具有雙向功率流動的特性，輸入的電流正弦化畸變率低，并且可調(diào)功率因數(shù)和直流電壓，因此被廣泛使用。PWM整流器可分電壓型（VSR）和電流型（CSR）兩種，因為VSR具有儲能效率高、體積小價格低、結(jié)構(gòu)簡單、控制便捷、響應(yīng)速度快、等有點，所以VSR一直是PWM變流器開發(fā)研究的主要方向。由于CSR的大電感中電阻成分損耗較大，而且交流側(cè)LC濾波器會導(dǎo)致電流畸變與振蕩等問題，因此制約了CSR的應(yīng)用與發(fā)展。目前超導(dǎo)技術(shù)快速發(fā)展卻有效地解決了CSR損耗大的問題，在電力超導(dǎo)系統(tǒng)中儲能線圈的直流電壓可實現(xiàn)從零開始調(diào)節(jié)，不需要另加直流電感，且具有電流源特性和良好的電流保護能力[1]。

2 電壓型PWM整流器控制技術(shù)分類

2.1 滯環(huán)電流控制

滯環(huán)電流控制系統(tǒng)，它主要將獲取的指令電流值與采樣得到的實際電流值通過比較后輸出到滯環(huán)比較器產(chǎn)生PWM波形。此設(shè)計優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、容易操作且魯棒性能較好，缺點是開關(guān)頻率不固定。

2.2 固定開關(guān)頻率PWM控制

固定開關(guān)頻率PWM控制系統(tǒng)，它的設(shè)計原理是將采樣到的電流值與指令電流值做比例和限幅調(diào)節(jié)后再進行三角調(diào)制，輸出具有寬度相同的脈沖波形，以此來控制開關(guān)的導(dǎo)通順序。這種設(shè)計的缺點是PI調(diào)節(jié)引入導(dǎo)致電流動態(tài)響應(yīng)速度過慢，無法對指令電流準(zhǔn)確定位進行實時跟蹤。

2.3 預(yù)測電流控制

預(yù)測電流控制系統(tǒng)其原理是根據(jù)預(yù)測未來的電流值來確定目前實際的工作狀態(tài)，進而控制輸出脈沖波形，屬于先做預(yù)判在行動。這種設(shè)計方法優(yōu)點是易于參數(shù)的整定，缺點是魯棒性較差。

2.4 單周期控制

單周期控制系統(tǒng)它的設(shè)計原理主要是實現(xiàn)對占空比的調(diào)制。通過對信號的采集與計算，生成占空比符合要求的PWM波形。該控制技術(shù)有優(yōu)點是開關(guān)頻率固定，容易數(shù)字管控、魯棒性也較強，其缺點是系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)慢，靈敏度比較差。

2.5 空間矢量PWM控制

空間矢量PWM控制系統(tǒng)，它的設(shè)計原理是經(jīng)坐標(biāo)變換與邏輯計算，主要目的是對實際電壓矢量與指令電壓矢量形成無誤差跟蹤。這種設(shè)計方法能提高直流側(cè)母線電壓利用率，缺點是由于PI控制技術(shù)的介入，致使系統(tǒng)動態(tài)性變緩慢。

2.6 直接功率控制

直接功率控制系統(tǒng)，它的設(shè)計原理是能實現(xiàn)對瞬時功率進行直接功率控制，這是調(diào)制技術(shù)的一大突破。它的優(yōu)點是靈敏度高且魯棒性能強，缺點是開關(guān)表的設(shè)計比較復(fù)雜。

3 三相電壓型PWM整流器控制方案

三相電壓型PWM整流器空間矢量控制框圖，它的設(shè)計由主電路和控制回路組成。其中控制回路部分主要由輸入電流和輸出電壓檢測、PI控制器坐標(biāo)變換、SVPWM脈沖產(chǎn)生等部分構(gòu)成，原理是將三相交流電通過三相電壓型整流電路整流成為穩(wěn)定的直流電壓;在控制回路對主電路的輸入電流和輸出直流電壓進行檢測，將檢測值與給定值在比較輸送給PI控制調(diào)節(jié)器，且輸出值與電流比較后輸出送入PI控制器轉(zhuǎn)變成電壓信號，再由坐標(biāo)變換送入SVPWM脈沖產(chǎn)生單元，最后完成電壓閉環(huán)控制[2]。

4 三相CSR控制方法中存在的問題

因為CSR控制方法不及VSR技術(shù)成熟，所以應(yīng)用上不及VSR普遍。CSR控制技術(shù)是新涌現(xiàn)的產(chǎn)物，因此CSR沒有完全采用VSR的控制理論，突出表現(xiàn)在線性控制中模型參考自適應(yīng)控制、內(nèi)?？刂啤⒆孕Ｕ刂?、灰色控制線性控制中的魯棒控制、非逆系統(tǒng)控制、無模型控制、基于智能優(yōu)化算法控制，這些控制模式目前沒有被引進在CSR控制系統(tǒng)中。另外，基于三相CSR數(shù)學(xué)模型是多輸入多輸出的非線性系統(tǒng)，而且狀態(tài)的變量之間存在耦合，這就使得三相CSR控制系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，目前針對此問題一直沒有有效的解決辦法，無法保持其精確程度，主流提出改善CSR控制的策略一般都需要先對控制變量解耦，其計算量超大難以實現(xiàn)，而且還需要電流、電壓傳感器等設(shè)備，其造價成本較高，也難以實現(xiàn)。

5 三相CSR控制系統(tǒng)的類別結(jié)構(gòu)

如今對CSR控制系統(tǒng)的研究主要為控制策略與不平衡條件下控制上。三相CSR控制有兩個目標(biāo)，其一是維持直流側(cè)電流恒定，其二是在可調(diào)功率因數(shù)下實現(xiàn)交流側(cè)電流波形正弦化，其中保持直流側(cè)電流恒定比較容易實現(xiàn)，由于CSR需要在交流側(cè)加入LC濾波電路，這樣就造成系統(tǒng)的超前功率因數(shù)，再進行功率因數(shù)控制時要格外注意，因此實現(xiàn)交流側(cè)電流波形正弦化就比較困難。

針對內(nèi)環(huán)控制方法有電流控制與直接功率控制兩種：

（1）內(nèi)環(huán)采用電流控制方式，其設(shè)計原理為內(nèi)環(huán)交流電流可在靜止與同步坐標(biāo)系中直接受控。這種控制方式具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、控制精度高、容易限流、魯棒性強、開關(guān)頻率固定的優(yōu)點，不足是由于為抑制非線性負載擾動需具備足夠高的帶寬，且在同步坐標(biāo)系下需要鎖相環(huán)節(jié)、需要寬頻帶、快速的電流傳感器等設(shè)備，導(dǎo)致投入成本過高[3]。

（2）內(nèi)環(huán)采用直接功率控制方式，其設(shè)計原理為通過控制輸出的有功與無功功率方法來間接控制交流電流，可實現(xiàn)整流保持高性能，根據(jù)交流瞬時功率及電源電壓，在開關(guān)表中選擇所需要的控制開關(guān)量。此控制方式能有效提高總功效率，使系統(tǒng)無電流環(huán)的復(fù)雜運算保持高效率、快響應(yīng)、抗諧波干擾、功率因數(shù)高，且系統(tǒng)動態(tài)性能好、魯棒性能強等優(yōu)勢。此方式還無需旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和解耦控制制，不需要PWM調(diào)制模塊，也可省略電網(wǎng)側(cè)電壓傳感器設(shè)備。

CSR的內(nèi)環(huán)電流控制分為直接電流控制和間接電流控制兩類。

（1）間接電流控制方式，原理是采用控制整流器輸入電壓基波的幅值與相位，間接控制輸入的電感電流，這樣使交流側(cè)輸入相電流與交流電源相電壓保持恒定。此設(shè)計方式的優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、無需電流傳感器、開關(guān)有良好的靜態(tài)特性，缺點是動態(tài)響應(yīng)慢，對參數(shù)變化過于靈敏容易存在直流分量偏移，最終導(dǎo)致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。

（2）直接電流控制方式，原理是先將計算得到交流側(cè)電流參考值，再引入交流側(cè)電流反饋信號，直接參與控制交流側(cè)電流的跟蹤參考數(shù)值。這種方式具有內(nèi)外雙電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)，在直流電流外環(huán)中控制直流電流;在交流電流內(nèi)環(huán)控制其功率因數(shù)。此方式優(yōu)勢是具有超強的抗干擾能力，且魯棒性好、系統(tǒng)響應(yīng)速度快、控制高精度，缺點是系統(tǒng)運算復(fù)雜、還需要電流與電壓傳感器設(shè)備配合，成本過高。

6 三相電壓型PWM整流器控制發(fā)展趨勢

6.1 新控制方法與集成控制方法

由于CSR控制方式可以采用多種復(fù)雜模式相組合，各具特點且適用范圍也廣泛，單獨一種控制方法難以解決實際中遇到的所有問題，所以可將不同種類的控制方法融合到一起，形成一套集成式CSR控制方法，保留每種方式的優(yōu)勢，合理避開不足，這樣集成后的控制系統(tǒng)能更具有高強的動靜態(tài)性能。

首先把反步法控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行結(jié)合再引入到CSR控制中，能有效解決三相CSR非線性復(fù)雜對象在電網(wǎng)平衡條件下產(chǎn)生的控制問題;其次把逆控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行結(jié)合，形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制后再引入到CSR控制中，它利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制來靠近被控對象的逆模型組，以此來實現(xiàn)對CSR非線性系統(tǒng)的線性化解耦控制[4]。

6.2 脫離傳感器設(shè)備控制

CSR控制系統(tǒng)中電流傳感器的成本較高，這是造成發(fā)展緩慢的主要原因，所以擺脫傳感器的制約也是目前主要的研究方向，取消CSR控制系統(tǒng)中的交流電壓傳感器設(shè)備，不僅能簡化設(shè)計結(jié)構(gòu)，還能降低控制系統(tǒng)的成本與安裝費用。無傳感器控制技術(shù)可采用觀測器重構(gòu)或者預(yù)測估算出網(wǎng)側(cè)電壓的電流，但要保持傳感器的測試精度，還需要進一步研究替代設(shè)備。

7 結(jié)語

目前在實際應(yīng)用中，雖然三相電壓型PWM整流器控制有諸多優(yōu)越性，但其不平衡性會引起網(wǎng)側(cè)電流產(chǎn)生諧波，這樣極易造成電網(wǎng)污染，因此要深入研究三相電壓型PWM整流器控制的系統(tǒng)優(yōu)化、智能控制方法。由于對三相電壓型PWM整流器的研究需要搭建一套能處理復(fù)雜數(shù)學(xué)計算模型的完善系統(tǒng)，所以要先研制出適用的數(shù)學(xué)計算系統(tǒng)來輔助數(shù)據(jù)收集。研究智能控制策略需建立電流波形為正弦的非機理模型，這樣就可實現(xiàn)整流器單位功率運行，所以對智能技術(shù)的開發(fā)研究會更符合實際需求。隨著逆變控制技術(shù)和并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，促使新能源技術(shù)被廣泛使用，通過逆變控制策略和并網(wǎng)技術(shù)將實現(xiàn)三相電壓型PWM整流器控制技術(shù)的快速優(yōu)化升級。

參考文獻：

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