三相脈寬調制功率變換器中電流滯環控制方法的研究

王 崢

(華東電網有限公司，上海 200002)

0 引言

圖1 三相電流滯環控制原理框圖

1 基于矢量調制的滯環控制方法

在傳統三相滯環控制中，每一相采用單獨的滯環控制器，對各相電流的控制僅通過改變該相開關器件狀態實現。事實上，相電流除了受該相開關狀態決定外，還受其他二相的開關狀態影響。因此，傳統方法并不能達到理想的控制效果。為解決這一問題，文獻[12，13-17]將矢量調制的概念引入到滯環控制中，通過對三相開關狀態的整體選擇，將電流誤差矢量控制在期望的誤差限之內。

Kazmierkowski等[13]提出了一種靜止 α-β 坐標系下的基于空間矢量的電流滯環控制方法。檢測到的電流經坐標變換后與參考值相比，結果送至三電平滯環比較器，輸出dα、dβ，產生9種組合狀態。當dα、dβ均為+1或－1時，可通過固化在EPROM中的開關狀態選擇表唯一確定一種輸出開關狀態;當dα、dβ、均為0時，輸出零電壓矢量;當dα、dβ有一個為0時，輸出開關狀態由非零相決定，這時可能有多個開關狀態滿足要求。當多個開關狀態滿足要求時，在滿足要求的開關狀態中任意選取一個，這使得開關狀態變化存在不規律現象。另外，α-β坐標系下的參考電流是交流信號，其變化率不為0，這也使得開關狀態變化不規律。最后，從對電流誤差影響的角度看，兩個零狀態矢量完全等效，這使該方法存在進一步降低開關頻率的可能性。

為使開關狀態變化更加規律，文獻[12-13]進一步提出了d-q坐標系下滯環控制方法。與α-β坐標系下的控制相比，參考電流是直流量，其變化率為0，這使得開關狀態變化更加規律;其次通過引入同步d軸位置檢測，避免了同時存在多個開關狀態滿足要求的情況，使得開關狀態的選擇更加準確;另外，同步坐標系下的兩個電流分量在交流電機中具有特殊含義，通過合理選擇d-q軸的滯環寬度，可以在不增加開關頻率的情況下減小電機轉矩脈動。該方法并未對兩個零矢量狀態的選擇進行分析。

文獻[15]提出了另一種靜止α-β坐標系下的基于空間矢量的滯環控制方法，并首次將電流誤差變化率矢量的概念引入滯環控制。開關狀態的選擇由電流誤差矢量和其變化率矢量共同決定。該方法最大的優點在于當電流誤差矢量和其變化率矢量的方向相反時，可以不進行開關狀態的轉換，從而極大地降低了開關頻率。

文獻[16-17]提出了一種靜止A-B-C坐標系下的基于空間矢量的電流滯環控制方法。該方法的基本原理與d-q坐標系下滯環控制方法相同，也是引入了電壓矢量的位置檢測模塊，只是所有的檢測都是在A-B-C坐標系下完成的。

文獻[18]通過開關狀態反饋成功地解決了兩個零矢量的選擇問題，進一步降低了開關頻率。

2 自適應環寬滯環控制方法

基于矢量調制的滯環控制方法雖然在不同程度上降低了開關頻率，但開關頻率仍是變化的，電流頻譜中仍包含低頻分量，為解決這一問題，文獻[7-11]提出了多種自適應環寬滯環控制方法。這些方法都是通過改變滯環寬度，實現開關頻率恒定這一目標。

文獻[7]提出一種利用開關頻率反饋使開關頻率恒定的滯環控制方法，首先將給定的開關頻率參考值和檢測到的實際開關頻率相比較，其偏差通過積分電路后，與給定的滯環寬度基值相加，作為實際的滯環寬度。積分控制的應用，從理論上保證了實際開關頻率與參考頻率相等。另外，該方法還利用了文獻[16-17]中的思想，通過電壓矢量位置檢測使開關狀態變化更加合理。該方法的主要問題在于開關頻率的實時檢測較困難。

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文獻[9]提出一種利用鎖相環(PLL)檢測開關頻率的方法，并且首次將電流誤差進行了分解，分解為僅受該相開關狀態決定的分量和受其他二相開關狀態影響的分量。這一分解使得電流誤差可以僅受該相開關狀態決定，且PLL實現也變得簡單，從而提高了控制的精度。

文獻[8]從理論分析入手，推導了開關頻率、滯環寬度及系統參數之間的關系，并以開關頻率恒定為目標，推導了滯環寬度隨系統參數變化的函數關系。將該函數存入單片機中，每次采樣后，通過計算實時調整滯環寬度即可保證開關頻率恒定。該方法的問題在于推導函數關系時，假定負載中點與直流側中點有導線相連，這在很多場合是不滿足的。

文獻[11]對文獻[8]中的方法做了進一步的研究，對負載中點和直流電源中點不相連情況下的開關頻率、滯環寬度及系統參數之間的關系進行了推導，這就使得自適應電流滯環控制更加精確，開關頻率更趨恒定。

文獻[10]同樣對文獻[8]中的方法進行了改進，但與文獻[11]中的思路不同，是將文獻[9]中的基本思想導入其中，將電流偏差分成兩部分，用僅受該相開關狀態確定的分量計算滯環寬度。

3 正弦環寬滯環控制方法

文獻[14]提出了一種正弦寬度滯環控制方法。該方法與傳統的三相獨立恒滯環寬度滯環控制的唯一區別在于滯環寬度是按正弦規律變化的，其出發點是改善輸出電流的頻譜特性。在該方法控制下，輸出電流頻譜特性有了很大改善，但開關頻率卻增加了。隨著電力電子技術的發展，開關器件所能承受的開關頻率將越來越高，當開關頻率不再成為困擾設計者的問題時，該方法將充分展現其優勢。

4 仿真比較

為對上述方法進行系統比較，本文利用MATLAB對各種控制方法進行了仿真。仿真中，三相逆變器的主要參數為:直流電壓100 V，負載電阻1 Ω，負載電感10 mH，反電勢20 V，參考電流峰值4 A，滯環寬度0.2 A，功率因數角π/6。

圖2～5分別為恒定環寬、基于矢量調制、自適應環寬和正弦環寬的仿真結果。

從圖2～5可以得出如下結論。

(1)除自適應環寬滯環控制外，其他三種控制方法的電流頻譜均為連續分布，其中含有大量低頻諧波分量。這是因為開關頻率不恒定，從仿真結果可以看到，在這三種控制方法中，瞬時開關頻率從幾百Hz到3 kHz間變化。

圖2 恒定環寬滯環控制仿真結果

圖3 基于矢量調制的滯環控制仿真結果

(2)自適應滯環控制的電流諧波主要集中在3.1 kHz附近，這主要是因為通過改變環寬，使得開關頻率基本穩定在設定值3 125 Hz。

(3)正弦環寬滯環控制中，在某些時刻開關頻率非常高，這是因為滯環寬度是按照正弦規律變化的，當滯環寬度瞬時值為0時，從理論上講，開關頻率應該無窮大。因此，如果采用這種方法，一定要有輔助的開關頻率限制措施。

圖4 自適應環寬滯環控制仿真結果

圖5 正弦環寬滯環控制仿真結果

為進一步比較各種方法的性能，圖6給出了平均開關頻率、電流THD，以及平均開關頻率和電流THD乘積的仿真結果。

從圖6可以得出如下結論。

(1)除了在調制比很低時，正弦環寬滯環控制的開關頻率都是最高的。基于矢量調制滯環控制的開關頻率是最低的。

(2)恒定環寬滯環控制的THD比其他三種控制方法高得多，在其他的三種方法中，正弦環寬的滯環控制的THD略低于其他兩種。

圖6 性能比較結果

(3)恒定環寬滯環控制的開關頻率和電流THD的乘積最高，基于矢量調制的滯環控制最低。在調制比很低時，自適應環寬和恒定環寬的這一特性基本相同，這是因為在調制比很低時，由計算得到的環寬變化量與恒定部分相比很小。從該性能看，基于矢量調試的方法最好，但當調制比很高時，它與正弦環寬和自適應環寬的性能基本相當。

5 結語

本文介紹了三相功率變換器中電流滯環控制方法的發展過程及現狀。通過仿真詳細比較了各種方法的優缺點。從比較結果可以看出，基于矢量調制的滯環控制方法在各方面性能上都比較好。另外，從滯環控制方法的發展過程可以看出，進一步降低開關頻率，并盡可能使開關頻率恒定，將是今后一段時間的發展方向。

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