王鹤霖 程启明 郭 凯 李 明 陈 根

(上海电力学院自动化工程学院， 上海 200090 )



电流型PWM整流器的SVPWM控制及仿真研究

王鹤霖 程启明 郭 凯 李 明 陈 根

(上海电力学院自动化工程学院， 上海 200090 )

为解决三相电流型PWM整流器的拓扑结构带来的系统阶次增加、并联谐振等问题，详细介绍了三相CSR的空间电流矢量的控制方法，包括系统的数学建模、控制策略、信号发生和实现调制等。在Matlab/Simulink 软件平台进行了三相CSR双闭环解耦SVPWM 控制方法的仿真，并通过与传统的SPWM控制方法进行对比，验证了该控制方法具有更好的动、静态特性，且动态响应快，能有效抑制网侧谐波，实现单位功率因数运行。该方法为三相CSR的控制方法提供了新思路，具有一定的理论和实际应用价值。

PWM整流器 空间电流矢量 双闭环解耦控制 电压型PWM整流器 空间矢量脉宽调制

Space vector pulse width modulation(SVPWM)

0 引言

近年来，基于电流型PWM整流器(current source PWM rectifier，CSR)同电压型PWM整流器(voltage source PWM rectifier，VSR)相比，具有输入功率因数可调、谐波电流抑制、短路保护和降压等优点，目前已在超导储能、电池组充电、电能质量调节器等场合有着广泛的应用[1]。

在拓扑组成上，电压型和电流型PWM整流器具有对偶的结构特征，因此基于VSR的一些先进控制策略可以同理直接移植至CSR控制中去，如电压定向控制、预测模型控制、直接功率控制等[2]。但是，由于CSR在交流输入侧增加了LC滤波环节，不仅增加了系统阶次，而且会引起并联谐振的问题，这就给系统中各控制参数的确定和优化增加了难度，因此有关CSR的控制策略优化方面还需进一步深入研究[3]。

电流空间矢量脉宽调制(SVPWM)和正弦脉宽调制(SPWM)是两种常见的调制方法。与传统的SPWM相比，SVPWM开关次数可减少1/3，直流电流利用率可提高15%，具有更好的鲁棒性和谐波抑制效果[4-5]。本文将结合CSR与VSR的差异，具体介绍三相CSR的空间电流矢量控制方法。此方法主要经过脉冲信号发生、电流矢量合成、扇区判断和矢量作用时间计算等步骤，实时切换三相CSR空间电流矢量，从而获得高品质控制电流[6-7]。仿真试验验证了本文方法的有效性和可行性。

1 CSR数学模型的构建

图1为三相CSR的拓扑结构。图1中，交流侧为LC低通滤波器，它由电感L和电容C组成，可以滤除高频开关分量；整流器由6个IGBT开关管与二极管串联的结构，二极管可增加反向续流的能力[8]；直流侧采用大电感Ldc与阻抗RL串联的形式，保证输出平滑的电流。

图1 三相CSR的拓扑结构

假定三相电路完全对称，开关元件为理想元件，其频率远大于电网频率，交流与直流侧的滤波电感L和Ldc均为线性，不考虑饱和。根据基尔霍夫的电压、电流定律，可以得出CSR在三相abc静止坐标系下数学模型为[9]：

(1)

(2)

(3)

式中：ek为三相电网电动势瞬时值，下标k=a、b、c，表示三相中某一相；uk和ik分别为网侧相电压和相电流瞬时值；isk为三相CSR交流侧相电流值；udc和idc为直流侧输出电压和电流的瞬时值；L、R和C分别为滤波电感、内阻和电容值；RL为输出负载阻值。

引入三值逻辑函数σk，且定义：

(4)

(5)

为了便于建立系统的线性模型，进而推导出在两相dq旋转坐标系下三相CSR的数学模型为[10]：

(6)

2 三相CSR空间电流矢量控制

2.1 脉冲调制信号的发生

同三相VSR相比，三相CSR的三值逻辑信号的产生要复杂得多，它主要包括调制信号预处理、PWM二值逻辑信号产生、二/三值逻辑转换、零状态判别和状态信号分配等几个方面[11]。三相CSR信号发生的结构框图如图2所示。

图2 三相CSR信号发生结构框图

三相CSR共有9种开关状态，需用三值逻辑函数来表示，即用二值逻辑函数的函数表示。二/三值逻辑转换状态见表1，表中的#7～#9为开关管的零状态。

表1 二/三值逻辑转换状态

2.2 空间电流矢量的合成与调制

类比三相VSR空间电压矢量合成原理，所谓三相CSR空间电流矢量合成就是利用空间电流矢量合成指令电流，并且若指令电流是三相正弦对称的，其矢量运动轨迹必为圆形[13]。由指令电流表达式，可得三相CSR的空间电流矢量分布示意图，如图3所示。

图3 三相CSR的空间电流矢量分布示意图

图3中的指令电流Ir可表示为：

(7)

三相CSR空间电流矢量调制的步骤如下：

(1)判断指令电流Ir所在的扇区；

(2)选择开关矢量的作用顺序；

(3)计算开关矢量的作用时间。

根据一个工作周期内仅有两相电流符号相同的特点，可以通过判断指令电流正负判别指令电流Ir所在的扇区。

定义开关函数为：

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

(8)

(9)

式(8)中的系数N与指令电流Ir所在扇区的分配关系见表2。

表2 N与指令电流Ir所在扇区的分配关系

本文采用双三角的合成模式，且遵循开关管切换次数最少的原则，指令电流Ir所在的扇区与其空间矢量的合成情况如表3所示。

表3 Ir所在的扇区与其空间矢量的合成情况

Tab.3 The synthesis situation of the sector

ofIrand its space vector

Ir扇区InIn+1I0II6I1I7III1I2I8IIII2I3I9IVI3I4I7VI4I5I8VII5I6I9

表3中，In、In+1和I0分别代表合成指令电流Ir的相邻空间矢量和零矢量。

假设指令电流Ir处于Ⅰ扇区，将指令电流Ir和空间电流矢量I6、I1分别分解到、坐标轴上，可得：

(10)

经计算得：

(11)

式中：Ts为IGBT的一个开关周期；T1、T2、T0分别为主矢量、辅助矢量和零矢量的作用时间。

在此引入通用变量X、Y、Z来计算时间T1、T2，并定义：

(12)

由此得到开关矢量作用时间与扇区的对应关系，如表4所示。

表4 不同扇区电流矢量的作用时间

3 SVPWM控制模型的分析

3.1 整体模型的构建

为了验证三相CSR的空间电流矢量控制，本文在Matlab仿真环境中搭建了系统模型。基于与电压型PWM整流器拓扑结构的差异，需增加二/三值逻辑转换、零状态判别等模块。系统主要由以下几个部分组成。

① 主电路：包含了三相对称电源、LC滤波电路、整流桥、直流输出大电感Ldc和系统负载RL等模块。

② 双闭环解耦控制：包括三相静止到两相旋转换、派克变换、双闭环解耦控制内环和外环控等模块。

③ SVPWM：包括二/三值逻辑转换、指令电流判别、开关作用时间计算、SVPWM脉冲触发信号生成等模块。

④ 示波器显示电路。

3.2 仿真结果与分析

本文采用双闭环解耦控制，区别于三相VSR，VCR整个系统需要进行5个PI参数的协调控制。仿真模型具体参数设置如下：电网相电压峰值311 V，频率50 Hz；滤波器电感5 mH；滤波器电容48 μF；输出直流侧电感0.5 H；直流侧负载30 Ω；采样频率10 kHz；仿真时给定直流电流的参考值为2.5 A，仿真时间为0.5 s，采用ode 45算法。

为证明三相CSR应用SVPWM调制方法的优越性，本文也采用了SPWM调制方式进行相同系统参数条件下的对比仿真验证。

图4为两种控制方法下直流侧输出电流波形。由图4可见，当CSR进入稳定运行时，两种控制方法均达到了给定电流值2.5 A，但SVPWM控制方式超调量较小，达到稳态时间约0.02 s，明显快于SPWM控制方式。

图4 两种控制方法下直流侧输出电流波形图

图5为a相电压与网侧电流波形。由图5可见，网侧电压与电流实现了同相位，满足单位功率因数要求，其中SVPWM调制方式网侧电流近似正弦，所用时间更短。另外，从网侧电流谐波分析图还可看到，采用SVPWM 控制方法的总谐波失真值(THD)更小，即系统的谐波含量最少，满足IEEE 519标准，从而证明了该控制方法在降低谐波污染、降低开关频率方面的优越性。

图5 两种控制方法下a相电压与网侧电流波形图

4 结束语

本文主要阐述了三相电流型PWM整流器空间电流矢量控制方法。从三相CSR的数学建模出发，具体介绍了SVPWM脉冲信号发生方式、空间电流矢量的合成与调制、空间电流矢量的调制步骤等。三相CSR的控制难点在于基于与三相VSR拓扑结构的差异，需解决降低系统阶次、二/三值逻辑转换、零状态判别等方面问题。为了验证方法的可行性，本文在Matlab/Simulink 软件平台进行了三相CSR双闭环解耦SVPWM 控制的仿真，详细列出了系统各功能模块的Simulink模型。通过与传统的SPWM控制方式进行对比，说明了SVPWM的调制方式系统动态响应速度更快、鲁棒性好和超调量较小，可以实现单位功率因数运行，并能有效抑制网侧电流畸变，体现了在降低谐波污染、减小开关频率方面的优势。该研究为PWM 整流器的控制方法提供了新思路。

[10]李玉玲,鲍建伟,张仲超.间接电流控制可调功率因数电流型PWM整流器[J].中国电机工程学报,2007,27(1): 49-53.

[11]张晶.三相电流型PWM整流器的控制技术研究[D].保定: 华北电力大学,2008.

[12]朱晓荣.电流型PWM整流器及其非线性控制策略的研究[D].保定: 华北电力大学,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

国家自然科学基金资助项目(编号：61304134)；

上海市重点科技攻关计划基金资助项目(编号：14110500700)；

上海市电站自动化技术重点实验室基金资助项目(编号：13DZ2273800)。

王鹤霖(1989-)，女，现为上海电力学院电机与电器专业在读硕士研究生；主要从事电力系统自动化、新能源发电控制方面的研究。

TP273；TH71

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601005

修改稿收到日期：2015-03-24。