三相電壓型PWM整流器控制技術的發展探究

李向超 張龍華 馬松花

摘 要：傳統PWM控制技術普遍使用在兩電平電路的驅動控制上，主要是將正弦脈寬調制波為正弦波，在通過三角載波和調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的發展與多電平電路的出現，涌現出如新PWM方式、滯環電流方式、空間電壓矢量方式，這些控制都優化了傳統的PWM控制方法。本文通過分析三相電壓CSR技術的優缺點，來探究未來新型三相電壓型PWM整流器控制技術的發展趨勢。

關鍵詞：三相電壓PWM整流器;控制技術;發展探究

0 引言

三相電壓型PWM整流器控制技術由于有能夠控制網側功率因數以及穩定直流側輸出電壓的特性被市場廣泛使用。目前國內外都致力于對該技術的深入研究，目的是改善其系統性能，降低電網諧波造成的污染，提高能源的利用效率。其控制技術對整流器的要求特別高，主流PWM整流器的控制技術原理、特點都相同。對比得出各種技術的優缺點，結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。

1 整流器發展的3個階段

整流器發展分為不可控整流、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輸入電流畸變嚴重及網側功率因數過低的不足。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，并且可調功率因數和直流電壓，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、結構簡單、控制便捷、響應速度快、等有點，所以VSR一直是PWM變流器開發研究的主要方向。由于CSR的大電感中電阻成分損耗較大，而且交流側LC濾波器會導致電流畸變與振蕩等問題，因此制約了CSR的應用與發展。目前超導技術快速發展卻有效地解決了CSR損耗大的問題，在電力超導系統中儲能線圈的直流電壓可實現從零開始調節，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整流器控制技術分類

2.1 滯環電流控制

滯環電流控制系統，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比較器產生PWM波形。此設計優點是系統結構簡單、容易操作且魯棒性能較好，缺點是開關頻率不固定。

2.2 固定開關頻率PWM控制

固定開關頻率PWM控制系統，它的設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節后再進行三角調制，輸出具有寬度相同的脈沖波形，以此來控制開關的導通順序。這種設計的缺點是PI調節引入導致電流動態響應速度過慢，無法對指令電流準確定位進行實時跟蹤。

2.3 預測電流控制

預測電流控制系統其原理是根據預測未來的電流值來確定目前實際的工作狀態，進而控制輸出脈沖波形，屬于先做預判在行動。這種設計方法優點是易于參數的整定，缺點是魯棒性較差。

2.4 單周期控制

單周期控制系統它的設計原理主要是實現對占空比的調制。通過對信號的采集與計算，生成占空比符合要求的PWM波形。該控制技術有優點是開關頻率固定，容易數字管控、魯棒性也較強，其缺點是系統動態響應慢，靈敏度比較差。

2.5 空間矢量PWM控制

空間矢量PWM控制系統，它的設計原理是經坐標變換與邏輯計算，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。這種設計方法能提高直流側母線電壓利用率，缺點是由于PI控制技術的介入，致使系統動態性變緩慢。

2.6 直接功率控制

直接功率控制系統，它的設計原理是能實現對瞬時功率進行直接功率控制，這是調制技術的一大突破。它的優點是靈敏度高且魯棒性能強，缺點是開關表的設計比較復雜。

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控制器坐標變換、SVPWM脈沖產生等部分構成，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控制調節器，且輸出值與電流比較后輸出送入PI控制器轉變成電壓信號，再由坐標變換送入SVPWM脈沖產生單元，最后完成電壓閉環控制[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技術成熟，所以應用上不及VSR普遍。CSR控制技術是新涌現的產物，因此CSR沒有完全采用VSR的控制理論，突出表現在線性控制中模型參考自適應控制、內模控制、自校正控制、灰色控制線性控制中的魯棒控制、非逆系統控制、無模型控制、基于智能優化算法控制，這些控制模式目前沒有被引進在CSR控制系統中。另外，基于三相CSR數學模型是多輸入多輸出的非線性系統，而且狀態的變量之間存在耦合，這就使得三相CSR控制系統設計復雜，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，而且還需要電流、電壓傳感器等設備，其造價成本較高，也難以實現。

5 三相CSR控制系統的類別結構

如今對CSR控制系統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，其一是維持直流側電流恒定，其二是在可調功率因數下實現交流側電流波形正弦化，其中保持直流側電流恒定比較容易實現，由于CSR需要在交流側加入LC濾波電路，這樣就造成系統的超前功率因數，再進行功率因數控制時要格外注意，因此實現交流側電流波形正弦化就比較困難。

針對內環控制方法有電流控制與直接功率控制兩種：

（1）內環采用電流控制方式，其設計原理為內環交流電流可在靜止與同步坐標系中直接受控。這種控制方式具有結構簡單、響應速度快、控制精度高、容易限流、魯棒性強、開關頻率固定的優點，不足是由于為抑制非線性負載擾動需具備足夠高的帶寬，且在同步坐標系下需要鎖相環節、需要寬頻帶、快速的電流傳感器等設備，導致投入成本過高[3]。

（2）內環采用直接功率控制方式，其設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，可實現整流保持高性能，根據交流瞬時功率及電源電壓，在開關表中選擇所需要的控制開關量。此控制方式能有效提高總功效率，使系統無電流環的復雜運算保持高效率、快響應、抗諧波干擾、功率因數高，且系統動態性能好、魯棒性能強等優勢。此方式還無需旋轉坐標變換和解耦控制制，不需要PWM調制模塊，也可省略電網側電壓傳感器設備。

CSR的內環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，這樣使交流側輸入相電流與交流電源相電壓保持恒定。此設計方式的優勢是結構設計簡單、無需電流傳感器、開關有良好的靜態特性，缺點是動態響應慢，對參數變化過于靈敏容易存在直流分量偏移，最終導致系統運行不穩定。

（2）直接電流控制方式，原理是先將計算得到交流側電流參考值，再引入交流側電流反饋信號，直接參與控制交流側電流的跟蹤參考數值。這種方式具有內外雙電流環控制結構，在直流電流外環中控制直流電流;在交流電流內環控制其功率因數。此方式優勢是具有超強的抗干擾能力，且魯棒性好、系統響應速度快、控制高精度，缺點是系統運算復雜、還需要電流與電壓傳感器設備配合，成本過高。

6 三相電壓型PWM整流器控制發展趨勢

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，保留每種方式的優勢，合理避開不足，這樣集成后的控制系統能更具有高強的動靜態性能。

首先把反步法控制與神經網絡進行結合再引入到CSR控制中，能有效解決三相CSR非線性復雜對象在電網平衡條件下產生的控制問題;其次把逆控制與神經網絡進行結合，形成神經網絡逆控制后再引入到CSR控制中，它利用神經網絡逆控制來靠近被控對象的逆模型組，以此來實現對CSR非線性系統的線性化解耦控制[4]。

6.2 脫離傳感器設備控制

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

7 結語

目前在實際應用中，雖然三相電壓型PWM整流器控制有諸多優越性，但其不平衡性會引起網側電流產生諧波，這樣極易造成電網污染，因此要深入研究三相電壓型PWM整流器控制的系統優化、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雜數學計算模型的完善系統，所以要先研制出適用的數學計算系統來輔助數據收集。研究智能控制策略需建立電流波形為正弦的非機理模型，這樣就可實現整流器單位功率運行，所以對智能技術的開發研究會更符合實際需求。隨著逆變控制技術和并網技術的發展，促使新能源技術被廣泛使用，通過逆變控制策略和并網技術將實現三相電壓型PWM整流器控制技術的快速優化升級。

參考文獻：

[1]段昱臻，王洪希，張宇，等.三相電壓型PWM整流器微分平坦控制研究（英文）[J].機床與液壓，2020，48（24）：155

-160+167.

[2]林宏博，賈文超，賈卓.三相電壓型PWM整流器控制策略研究[J].長春工業大學學報，2020，41（6）：573-580.

[3]張萌，王琪，王晨.高功率因數三相整流器研究[J].電子設計工程，2020，28（21）：56-59+64.

[4]李暉，梅成林，林明耀，等.一種新型三相電壓型PWM整流器無差拍預測直接功率控制[J].電網技術，2021，45（2）：

689-695.