電壓型PWM整流器電流空間矢量控制研究

張祥，晉建廠

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電壓型PWM整流器電流空間矢量控制研究

張祥1，晉建廠2

（1. 中國艦船研究設計中心，武漢 410074；2. 海軍裝備部，北京 100071）

針對如何提高電壓源型三相PWM整流器交流側電流的控制速度問題，本文提出了控制和調制相結合的兩種控制策略，即電流的空間矢量滯環控制策略和優化的電流空間矢量控制策略。本文分別對這兩種控制策略進行了仿真，仿真結果驗證了兩種策略的有效性。

電流空間矢量控制策略 電壓源型三相PWM整流器 電流直接控制

0 引言

隨著開關器件性能的提高，以及電力電子控制技術的發展，PWM整流器越來越被各種工礦企業所接受。這種整流器雖然控制方面相對復雜，但是其動態響應速度比較快，儲能器件體積相對比較小，不僅可以實現任意功率因數下能量的雙向流動，還具有很低的輸入電流畸變率。

在對三相電壓源型和電流源型PWM整流器建模時可以發現，這種拓撲結構的整流器是一種多輸入多輸出非線性強耦合的系統，所以確定一種好的控制策略使得這種整流器具有良好的性能則變的極為復雜。各國學者對這種結構的整流器做出了很多的研究成果，一些文獻提出了利用小信號線性化的方法，從而得到整流器在某一個工作點附近的近似線性數學表述[1]，另一些文獻則利用非線性輸入變換和功率平衡得到整流器的大信號線性模型[2,3]，這些文獻中大部分都利用傳統的PI控制器作為其控制策略，但是PI控制器參數的設計和其性能嚴格地依賴于系統的各個電量參數；還有一些文獻中利用變量反饋線性化方法將整流器的數學模型線性化并利用極點配置的方法設計控制器[4]，或者利用李亞普諾夫函數設計控制器[5,6]，然而這些非線性控制策略數學處理及計算比較復雜實現起來相對比較困難；滯環控制方法不僅穩定裕度大，而且其性能不依賴于系統的參數，但是其開關頻率不固定給電感或者變壓器的設計帶來很大的困難，一些學者提出了帶開關頻率閉環的滯環控制方案[7,8]，但是控制復雜度的提高卻降低了系統的可靠性。

針對三相電壓源型PWM整流器，如果只從交流電流調節速度考慮，不同的控制策略有著不同的控制速度，如滯環控制相對而言比傳統的PI控制的控制速度快[9]。那么如何在整流器運行時，實時地根據系統的各個電量選擇不同的開關狀態使得變換器的電流控制速度最快就顯得尤為重要。本文基于該問題提出了電流空間矢量滯環控制和優化的電流空間矢量控制策略，從而提高了電壓源型三相PWM整流器的交流側電流的控制速度。所提出的兩種控制策略跟滯環控制一樣，也是一種控制與調制相結合的控制方法，但是這兩種控制策略又有比傳統滯環控制更為優越的控制性能。本文對兩種控制策略進行了理論推導和仿真。

1 電流空間矢量滯環控制策略

對于三相電壓源型PWM整流器來講，當其電壓電流雙閉環控制結構中的內部電流環采用傳統的比例積分控制器時，若采用傳統的SPWM調制方法，其輸出的一系列開關序列的趨勢就是使三相的電流誤差減小，但這種控制方式對所輸出的開關狀態沒有要求。當內部電流環采用滯環控制策略時，對于整流器各相的開關狀態就有了一定的限定，這種限定使得其電流調節速度大于采用傳統PI控制器時的電流控制速度，但是滯環控制器對某一相進行調節時，對其它兩相的控制器的開關狀態卻沒有限制，則其它兩相的開關狀態則會影響到本相電流調節的速度。對于電流空間矢量滯環控制策略，是在各種電量的空間矢量表達形式下，當出現電流誤差時，使控制器輸出一種開關狀態，使得在這種開關狀態的作用下，電流誤差矢量以最快的速度減小，從而加快了電流環調節的速度。

1.1 三相電壓源型PWM整流器的電路拓撲結構及數學模型

三相電壓源型PWM整流器（VSR）的電路拓撲結構如下圖1所示，其中為開關變換器交流側的濾波電感，為電路等效損耗電阻如電感的內阻、線路的電阻和變換器死區效應引起的電阻等，為整流器直流側的濾波電容，為整流器的等效負載。

假定整流器的交流輸入電源三相平衡，電路三相結構及電路元件參數對稱，則定義變換器的開關函數如下：

對于電壓源型整流器來說，實際運行時應避免某一相橋臂的上下開關管同時導通而導致電路短路，則對變換器開關函數的數學約束為：

其中為某橋臂的上開關管，為該橋臂的下開關管。

則推導出三相電壓源型PWM整流器的數學模型如下：

1.2 空間矢量滯環控制理論基礎推導

定義空間矢量為：

則原三相電壓源型PWM整流器交流側的方程在空間矢量表達下的形式為：

由(2)－(1)得：

圖2 開關變換器交流側誤差電流導數矢量

2 優化的電流空間矢量控制

圖3 特定下的電流誤差導數矢量圖

式(4)所求出的解有無窮多個，選擇最合適的解來組合所需要的電流誤差導數矢量。

3 Matlab仿真結果

本節中，控制結構采用雙環控制策略，內電流環采用所提出的兩種電流空間矢量控制策略，外電壓環采用傳統比例積分控制（PI），具體結構如下圖4所示。

圖4中直流輸出的電壓誤差經過外電壓環控制器的調節后，其輸出乘以由同步環節得到的電網電源同步信號，作為電流內環的電流給定指令，使穩態時整流器工作于單位因數整流狀態，通過調節交流輸入電流的幅值來調節直流側輸出電壓的大小。

圖4 基于兩種空間矢量電流控制策略的控制結構圖

為了驗證本文所提出的兩種電流控制策略的有效性和可靠性，本節分別列出了在這兩種電流控制策略下所得到的Matlab仿真結果。主電路采用本文中圖2所示的三相電壓源型PWM整流器結構，其參數為三相交流輸入電壓110 V，頻率為50 Hz，輸入濾波電感為3 mH，輸入側等效電阻為0.3 Ω，直流側濾波電容為4700 μF，直流側額定輸出電壓為400 V，整流器額定功率為3kW，輸出負載用一個固定的53 Ω電阻表示。控制部分采用本文中圖4所示的控制結構，在這兩種電流控制策略中采用相同的外電壓PI控制器，PI控制器的參數為Kp=0.001、Ti=0.05。

本節中圖5、圖6和圖7分別為Matlab的仿真結果，其中圖5為穩態時交流電壓和輸入交流電流波形，從圖中可以看出在兩種電流控制策略下整流器的功率因數都為1，即整流器工作在單位因數功率整流狀態下，且在兩種電流控制策略下輸入交流電流的諧波都很小，其中電流空間矢量滯環控制策略下的THD為4.39%，優化的空間矢量控制策略下的THD為3.40%；圖6為在輸出電壓指令從350 V突變為400 V后輸出電壓跟隨指令的變化情況，從圖中可以看出在兩種電流控制策略下，輸出電壓都具有很快的調節速度和很好的穩態特性，其中電流空間矢量滯環控制策略下的調節時間為0.0440 s ,優化的空間矢量控制策略下的調節時間為0.0418 s；圖7是輸出電壓在350 V到400 V變化時輸入交流電流的變化情況，從圖5和圖7可以看出，在兩種電流控制策略下輸出電壓調節的穩態和動態，以及整流器交流電流都能在一個開關周期內跟蹤電流指令，且優化的電流空間矢量控制策略不僅開關頻率固定，而且具有更快的電流調節速度和更低的電流畸變率，是比較理想的電流控制策略。

(a)電流控制策略采用空間矢量滯環控制

(b)電流控制策略采用優化的空間矢量滯環控制

圖5 交流輸入電壓和電流的穩態波形圖

(a) 電流控制策略采用空間矢量滯環控制

(b)電流控制策略采用優化的空間矢量滯環控制

圖6 輸出直流電壓的動態響應波形圖

(a) 電流控制策略采用空間矢量滯環控制

(b) 電流控制策略采用優化的空間矢量滯環控制

圖7 交流輸入電壓和電流的動態波形圖

4 結論

如何根據系統的各個電量實時地選擇不同的開關狀態，使得整流器的交流側電流控制速度最快，本文分別提出了交流電流的空間矢量滯環控制和優化的電流空間矢量控制兩種方法，并對兩種控制方法的原理進行了詳細的理論分析。

本文對所提出的兩種控制策略進行了Matlab仿真，仿真結果表明整流器不僅實現了單位功率因數整流，并且其交流電流的波形畸變率小于4.5%，在系統的動態及穩態時能使交流電流在一個開關周期內達到指令值。優化了電流空間矢量控制，電流調節速度快，而電流諧波更小且開關頻率固定。這種優良的控制特性使得整流器的輸出電壓在大約兩個工頻周期達到穩態值。

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Two-space Vector Current Control Strategies for Three-phase Voltage Source PWM Rectifier

Zhang Xiang1, Jin Jianchang2

(1. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2. Naval Armament Department of PLAN, Beijing 100071, China)

TM 46

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1003-4862（2014）2-0027-05

2013-06-28

張祥(1987-)，女，碩士研究生。研究方向：電能質量控制技術。