基于DSP 的三相電壓型PWM 整流逆變系統設計與應用

高麗紅

（漳州城市職業學院電子信息工程系，福建 漳州 363000）

0 引言

現代多領域需大量變流裝置，以轉換電能頻率、幅值和相位，提升經濟效益。但這些裝置依賴整流模塊獲取直流電壓，傳統二極管和晶閘管整流方式易產生諧波和無功功率，增加損耗，降低效率，影響供電質量。因此，整流逆變器的控制得到廣泛關注，張薇琳等[1]采用擾動觀測器進行三相逆變器的預測控制，可以提升逆變器的魯棒性；楊興武等[2]在傳統FSCMPC（有限控制集模型預測控制）的基礎上，引入功率跟蹤目標函數進行PWM（Pulse Width Modulation）整流器的控制，可以解決傳統控制技術采樣頻率較低、控制精度較差等問題；袁敞等[3]利用能量函數確定PWM 整流器無源性控制方法收斂速度慢的原因，從而提出一種新型控制策略。經眾多學者的數十年研究，我國PWM 整流器技術逐漸成熟，但隨著電網技術的高速發展，PWM 整流逆變器的主電路發生較大變化。同時，在PWM 整流器的主電路類型上，三相電壓型成為主流，所以探討三相電壓型PWM 整流逆變系統設計與應用。

1 三相電壓型PWM 整流逆變系統的硬件設計

1.1 數據采樣芯片選型

綜合考慮三相電壓型PWM 整流逆變的實際情況，采用AMC1304M05QDWRQ1 芯片為系統的數據采樣芯片[4]。在AMC1304M05QDWRQ1 芯片中，設置SDFM 模塊（Sigma Delta Filter Module），各模塊均配置獨立的比較器與濾波器單元，在接收采樣電路輸出的數據流后，通過32 位數字濾波器輸出，所以該芯片的四通道數字濾波器模塊[5]。其外圍采樣電路如圖1。

圖1 芯片外圍采樣電路示意圖

1.2 DSP 控制芯片選型

在根據上述芯片完成電壓與電流信號的采樣工作后，利用DSP 控制芯片對信號進行處理，所以本章探討系統DSP（Digital Signal Processing/Processor）控制芯片的選型。采用TMS320FDSP28335 芯片作為控制芯片，技術指標見表1。

表1 DSP 控制芯片技術指標

2 三相電壓型PWM 整流逆變系統的軟件設計

2.1 雙閉環串級控制策略設計

滑模變結構基于狀態空間線性系統，較傳統方式有更高穩態精度和動態響應能力，其控制原理如下式：

式中，Y為一維非線性系統；f為狀態變量函數；X為狀態變量；g為控制律；t為時間。在式（1）所示的滑膜變結構中，關鍵在于控制律的選擇，采用下式的常值切換控制律：

式中，g0為未知的常數；sgn 為符號函數，取值為-1，0，1；h（X）為滑膜切換面函數。利用滑模變結構進行三相電壓型PWM 整流逆變電壓外環控制時，先確定滑膜切換面函數，再結合PWM 電壓變量切換控制規律，獲得一維非線性控制參數。設計一種解耦控制方式，三相電壓型PWM 整流逆變系統在dq坐標下的數學模型，其d、q兩軸為耦合狀態，電流內環控制策略時需對d、q兩軸的變量進行解耦操作，已知：

式中，Ud、Uq分別為d、q兩軸的輸出電壓值；kp、kd分別為電流內環控制結構的比例系數與積分系數這兩個PI 參數；D為控制度；Idref、Iqref分別為d、q兩軸的輸入電流；Id、Iq分別為d、q兩軸的電流變量；ω為權值；L為電感；ed、eq分別為d、q兩軸的控制誤差。根據式（3）看出，三相電壓型PWM 整流逆變的d、q兩軸方程中均包含對方軸的變量，所以通過解耦控制來獲取電流內環控制策略的PI 參數，在解耦過程將電流內環看成具有反饋的閉環結構，按典型Ⅰ型控制結構的開環傳遞函數，進行電流內環傳函的零極點對消后，即可求解出PI 控制參數，表達式如下：

式中，R為內環等效電阻；τ為內環中電流采樣周期的延時；T為PWM 開關周期。

2.2 電壓空間矢量調制算法設計

引入SVPWM 算法，將電壓空間矢量調制為脈沖信號，采用脈沖信號來驅動開關器件。首先對雙閉環串級控制策略得到的電壓空間矢量來說，將其映射在三相坐標系（a，b，c）下產生相應投影，再根據投影的正負對電壓矢量所在扇區進行定位，如果電壓矢量投影大于0，那么a=1、b=1、c=1，否則a=0、b=0、c=0，設定一個常數F，令F滿足下式所示條件：

根據式（5）所求F和扇區間的對應關系，即可對電壓矢量所在扇區進行定位。再根據扇區來獲取電壓矢量的兩個相鄰非零矢量的作用時間t1與t2，根據兩個作用時間求出電壓矢量的切換點T1、T2、T3，表達式如下：

最后將式（6）所求切換點T1、T2、T3和三角載波進行對比，完成電壓空間矢量的調制。

3 實際應用

3.1 實驗設置

在本次系統測試中，首先采用MATLAB 軟件搭建圖2 所示的三相電壓型PWM 整流逆變器仿真模型圖。

圖2 三相電壓型PWM 整流逆變仿真模型

圖2 采用可編程的三相電源作為整流逆變器電源，模型中復雜為純電阻負載。模型仿真參數見表2。

表2 三相電壓型PWM 整流逆變仿真參數設置

3.2 應用結果

分析三相電壓型PWM 整流逆變系統在A 相正弦輸入電壓初始相位角為0 時，系統帶動200 Ω 直流負載至穩定狀態后，負載突變至400 Ω 的性能。負載突變時三相電壓型PWM 整流逆變器直流側電壓的仿真模型，如圖3 所示。

圖3 三相電壓型PWM 整流逆變直流側電壓波形

從圖3 中可見，當三相電壓型PWM 整流逆變系統運行0.06 s 時，負載突變導致直流側電壓短暫下降50，但僅0.02 s 后即恢復穩定。說明設計的系統啟動迅速，有效控制直流側電壓迅速恢復穩定。

選取文獻[2]方法和文獻[3]方法為對比方法開展實驗，應用三種方法進行PWM 整流器的控制，將輸入給定進行突變，在0.02 s 時將給定直接電壓跳變到720 V，0.12 s 時又將電壓恢復至600 V，對比結果如圖4。

圖4 整流逆變控制性能對比

如圖4 所示，應用所提系統進行控制，其可在短時間內完成響應，并控制電壓進行相關變化，而應用兩種對比方法，其均存在控制不能跟隨突變變化的情況，無法對電路電壓進行控制，證明采用DSP 設計的三相電壓型PWM 整流逆變系統具有可行性和可靠性，應用效果較好。

4 結語

在當今電力系統中，各種耗電設備對電網造成嚴重污染。因此，使用一種對電網污染小、效率高的電能轉換裝置尤為重要。三相電壓型PWM 整流逆變器作為一種先進的電能轉換技術，具有功率因素高、諧波小、交流電流正弦化程度高以及能量可雙向流動等顯著優勢。設計基于DSP 的三相電壓型PWM 整流逆變系統。通過理論推導和計算機仿真，證明該系統在各種電力電子應用場景下的優越性能。