基于电压定向控制的三相PWM整流器设计

L
dib dt
udc sb
− uON
L
dic dt
+
Ric
=ec
− udc sc
− uON
c
dudc
dt
=
ia sa
+ ib sb
+ ic sc
− udc RL
（2）
其中，sa、sb、sc 表示三相桥式开关的开关状态， 在同一桥臂上只允许一只开关管开通，另一只关断。
例如，当 VT1 开通时，VT4 为关断状态，当 VT4
（ 6）
其中，kiP、kiI 分 别 为 PI 调 节 器 的 比 例 系 数 和积分系数。id*、iq* 分别为 d 轴和 q 轴的电流 给定值。
三相 PWM 整流器的双闭环控制系统结构框图 如图 2 所示 [4]。
工频
三相PWM
电网
整流器
udc ud*c + −
ia
id*+ PI
− id
3 整流器相关参数设计
三相 PWM 整流器可运行于整流、逆变两种状 态，图 3 为三相 PWM 整流器运行于整流状态时的 相电压矢量图，e 为三相平衡电压源有效值，UR、 UL 分别为交流侧阻抗、电感上的压降，Ux（x=a、b、 c）为整流器输入端 A、B、C 点的相电压。
β
Ix
e
α
URL
UL
Ux
UR
ed +
−
PI −
SVPWM
ib ic
abc/dq
ωL ωL
ea
ωe
iq
eb ec
abc/dq
d/dt ed
iq* =0
−
PI
−+
dq/αβ ωe
图 2 双闭环控制系统结构框图
在双闭环控制策略中，外部直流电压调节器用 于输出 d 轴电流给定值 id*，内部 d 轴电流控制回 路用于控制输出直流电压，内部 q 轴电流控制回路 用于控制输入网络侧的功率因数 , 在单位因素控制 模式下，iq* 的值应设置为 0。
图 3 相电压矢量图
17
技术交流 Technical Exchanges
由上述矢量图，可得 （ 7）
对于空间矢量 SVPWM，其电压利用率接近于 1，故直流侧电压 udc 取值如下
（8） 直流侧储能电容 C 主要作用是抑制直流电压 的纹波和超调。交流侧电感 L 的大小对系统的响应 速度、网侧电流的纹波有着重要的影响。其参数的 设计主要依据文献 [5，6]，其计算式为
220V 50Hz 50kW 0.05Ω 0.0025H 4700μF 50Ω 5kHz 5e-6s 9、20 0.3、3
技术交流 Technical Exchanges
基于电压定向控制的三相 PWM 整流器设计
熊国专，张悦超，张金强，何传珂，彭立新 ［龙源（北京）风电工程技术有限公司，北京 100034］
摘 要：针对电网侧易产生的谐波污染和低功率因素问题，设计了一种运行于单位功率因数的 PWM 整流器控制系统。首先对三相 PWM 整流器的拓扑结构进行了简要介绍，并列出了其对应的数学模型。 然后利用坐标变换得到基于电压外环、电流内环的双闭环控制策略，并设计了相应的控制参数。最 后通过 Matlab/Simulink 仿真软件进行了仿真分析。仿真结果表明，所设计的系统能够运行于高功率 因素，且具有较好的动态响应能力。 关键词：双闭环；功率因素；PWM 整流器
对式（4）进行拉氏变换得到电流环结构如下
ud =−(LS + R)id − ed + ωLiq uq =−(LS + R)iq − eq + ωLid （ 5）
由式（5）可见，dq 坐标系下的各个分量之间 存在耦合现象，这不利于控制器的设计，故采用 PI 控制器对电流环进行如下解耦控制 [3]
16
波电感是线性的，不考虑饱和。直流侧电容由 C 表 示，直流侧电压为 udc ；Rf 是直流侧负载阻抗。三 相 PWM 整流器的控制目标是 ：使直流环节电压恒 定，具有良好的动态响应能力，使输入电流为电网 正弦波。
三相 VSR 的数学模型如下
L
dia dt
+
Ria
=ea
− udc sa
− uON
0 引言
设电路处于理想运行状态。
三相 PWM 整流器具有直流侧直流电压可控、 功率因数可调、能量双向流动、电流谐波分量小 等优点 。 [1,2] 其在分布式发电、储能技术和微电网 的快速发展中起着非常重要的作用。为加速系统 的动态响应速度和增强系统抗非线性负荷干扰的 能力，三相电压源 PWM 整流器广泛采用内部电流 环和外部电压环组成的双闭环 PI 控制策略。合理 的设计双闭环 PI 调节器的控制系统及其相关参数， 可以大大提高电网的电能质量，延长储能系统的 寿命。
（ 10）
果如表 1 中所示，PWM 整流器的其他参数也列入 其中。
表 1
PWM 整流器相关参数
参数
数值
网侧相电压 e 电网频率 f 输出功率 P 网侧电阻 R 网侧电感 L 直流侧电容 C 负载电阻 Rf 开关频率 Ts 采样时间 ti、tu 电流环参数 kiP、kiI 电压环参数 kuP、kuI
（ 9）
其中，P 为输出功率，um 为相电压的幅值，Ts 为开关管的开关周期，∆imax 为允许的最大谐波电流 脉动量，Im 为交流侧电流的幅值。
一般情况下，电流环的两组 PI 控制器的参数 往往设计一样，故需设计的参数为电流环的 kiP、kiI 和电压环的 kuP、kuI，依据文献 [4] 进行参数整定， 结果如下
开通时，VT1 为关断状态。
由上述式（2）可知，N 点和 O 点之间的电压
uON 计算如下
uON
=
−
1 3
udc
(sa
+
sb
+
sc
)
（3）
2 PWM 整流器的控制策略
对式（2）进行坐标变换，有
（4）
其中 id、iq 分别表示 dq 坐标系中的有功和无 功电流分量，sd、sq 表示 dq 坐标系中的开关函数。 ud、uq 分别表示 dq 坐标系中的有功和无功电压源， ω 表示同步旋转角频率，R 代表开关功率器件的等 效电阻和电感的等效电阻之和。
1 三相 PWM 整流器拓扑结构
三相 PWM 整流器的拓扑结构如图 1 所示，假
图 1 三相 PWM 整流器的拓扑结构
ea、eb、ec 为三相平衡电压源的电压，ia、ib、ic 分别是三相电流，有
ieaa
+ eb + ec =0 + ib + ic =0
（1）
R 和 L 代表交流侧的输入电阻和输入电感，滤