电流型PWM整流器的SVPWM控制及仿真研究

电流型PWM整流器的SVPWM控制及仿真研究
王鹤霖;程启明;郭凯;李明;陈根
【摘要】为解决三相电流型PWM整流器的拓扑结构带来的系统阶次增加、并联
谐振等问题,详细介绍了三相CSR的空间电流矢量的控制方法,包括系统的数学建模、控制策略、信号发生和实现调制等.在Matlab/Simulink软件平台进行了三相CSR 双闭环解耦SVPWM控制方法的仿真,并通过与传统的SPWM控制方法进行对比,
验证了该控制方法具有更好的动、静态特性,且动态响应快,能有效抑制网侧谐波,实现单位功率因数运行.该方法为三相CSR的控制方法提供了新思路,具有一定的理论和实际应用价值.
【期刊名称】《自动化仪表》
【年(卷),期】2016(037)001
【总页数】5页(P16-20)
【关键词】PWM整流器;空间电流矢量;双闭环解耦控制;电压型PWM整流器;空间矢量脉宽调制
【作者】王鹤霖;程启明;郭凯;李明;陈根
【作者单位】上海电力学院自动化工程学院,上海200090;上海电力学院自动化工
程学院,上海200090;上海电力学院自动化工程学院,上海200090;上海电力学院自
动化工程学院,上海200090;上海电力学院自动化工程学院,上海200090
【正文语种】中文
【中图分类】TP273;TH71
近年来，基于电流型PWM整流器(current source PWM rectifier，CSR)同电压
型PWM整流器(voltage source PWM rectifier，VSR)相比，具有输入功率因数可调、谐波电流抑制、短路保护和降压等优点，目前已在超导储能、电池组充电、电能质量调节器等场合有着广泛的应用[1]。

在拓扑组成上，电压型和电流型PWM整流器具有对偶的结构特征，因此基于VSR的一些先进控制策略可以同理直接移植至CSR控制中去，如电压定向控制、预测模型控制、直接功率控制等[2] 。

但是，由于CSR在交流输入侧增加了LC滤波环节，不仅增加了系统阶次，而且会引起并联谐振的问题，这就给系统中各控制参数的确定和优化增加了难度，因此有关CSR的控制策略优化方面还需进一步深
入研究[3]。

电流空间矢量脉宽调制(SVPWM)和正弦脉宽调制(SPWM)是两种常见的调制方法。

与传统的SPWM相比，SVPWM开关次数可减少1/3，直流电流利用率可提高15%，具有更好的鲁棒性和谐波抑制效果[4-5]。

本文将结合CSR与VSR的差异，具体介绍三相CSR的空间电流矢量控制方法。

此方法主要经过脉冲信号发生、电
流矢量合成、扇区判断和矢量作用时间计算等步骤，实时切换三相CSR空间电流
矢量，从而获得高品质控制电流[6-7]。

仿真试验验证了本文方法的有效性和可行性。

图1为三相CSR的拓扑结构。

图1中，交流侧为LC低通滤波器，它由电感L和
电容C组成，可以滤除高频开关分量；整流器由6个IGBT开关管与二极管串联的结构，二极管可增加反向续流的能力[8]；直流侧采用大电感Ldc与阻抗RL串联
的形式，保证输出平滑的电流。

假定三相电路完全对称，开关元件为理想元件，其频率远大于电网频率，交流与直流侧的滤波电感L和Ldc均为线性，不考虑饱和。

根据基尔霍夫的电压、电流定律，可以得出CSR在三相abc静止坐标系下数学模型为[9]：
引入三值逻辑函数σk，且定义：
由此得到三相CSR在两相、静止坐标系下的数学模型为：
为了便于建立系统的线性模型，进而推导出在两相dq旋转坐标系下三相CSR的数学模型为[10]：
同三相VSR相比，三相CSR的三值逻辑信号的产生要复杂得多，它主要包括调制信号预处理、PWM二值逻辑信号产生、二/三值逻辑转换、零状态判别和状态信号分配等几个方面[11]。

三相CSR信号发生的结构框图如图2所示。

三相CSR共有9种开关状态，需用三值逻辑函数来表示，即用二值逻辑函数的函数表示。

二/三值逻辑转换状态见表1，表中的#7～#9为开关管的零状态。

在三值逻辑中，两个非零状态和一个零状态每隔60顺次切换，故将一个正弦周期划分为6个部分[12]，记为I～VI。

为了减少开关管的损耗，应保证状态切换时仅有一对开关管发生动作。

类比三相VSR空间电压矢量合成原理，所谓三相CSR空间电流矢量合成就是利用空间电流矢量合成指令电流，并且若指令电流是三相正弦对称的，其矢量运动轨迹必为圆形[13]。

由指令电流表达式，可得三相CSR的空间电流矢量分布示意图，如图3所示。

图3中的指令电流Ir可表示为：
三相CSR空间电流矢量调制的步骤如下：
(1)判断指令电流Ir所在的扇区；
(2)选择开关矢量的作用顺序；
(3)计算开关矢量的作用时间。

根据一个工作周期内仅有两相电流符号相同的特点，可以通过判断指令电流正负判别指令电流Ir所在的扇区。

定义开关函数为：
N=sign(Ia)+2sign(Ib)+4sign(Ic)
式(8)中的系数N与指令电流Ir所在扇区的分配关系见表2。

本文采用双三角的合成模式，且遵循开关管切换次数最少的原则，指令电流Ir所
在的扇区与其空间矢量的合成情况如表3所示。

表3中，In 、In+1 和I0分别代表合成指令电流Ir的相邻空间矢量和零矢量。

假设指令电流Ir处于Ⅰ扇区，将指令电流Ir和空间电流矢量I6、I1分别分解到、坐标轴上，可得：
经计算得：
在此引入通用变量X、Y、Z来计算时间T1、T2，并定义：
由此得到开关矢量作用时间与扇区的对应关系，如表4所示。

为了验证三相CSR的空间电流矢量控制，本文在Matlab仿真环境中搭建了系统
模型。

基于与电压型PWM整流器拓扑结构的差异，需增加二/三值逻辑转换、零状态判别等模块。

系统主要由以下几个部分组成。

① 主电路：包含了三相对称电源、LC滤波电路、整流桥、直流输出大电感Ldc和系统负载RL等模块。

② 双闭环解耦控制：包括三相静止到两相旋转换、派克变换、双闭环解耦控制内
环和外环控等模块。

③ SVPWM：包括二/三值逻辑转换、指令电流判别、开关作用时间计算、SVPWM脉冲触发信号生成等模块。

④ 示波器显示电路。

本文采用双闭环解耦控制，区别于三相VSR，VCR整个系统需要进行5个PI参数的协调控制。

仿真模型具体参数设置如下：电网相电压峰值311 V，频率50 Hz；滤波器电感5 mH；滤波器电容48 μF；输出直流侧电感0.5 H；直流侧负载30 Ω；采样频率10 kHz；仿真时给定直流电流的参考值为2.5 A，仿真时间为0.5 s，采
用ode 45算法。

为证明三相CSR应用SVPWM调制方法的优越性，本文也采用了SPWM调制方
式进行相同系统参数条件下的对比仿真验证。

图4为两种控制方法下直流侧输出电流波形。

由图4可见，当CSR进入稳定运行时，两种控制方法均达到了给定电流值2.5 A，但SVPWM控制方式超调量较小，达到稳态时间约0.02 s，明显快于SPWM控制方式。

图5为a相电压与网侧电流波形。

由图5可见，网侧电压与电流实现了同相位，
满足单位功率因数要求，其中SVPWM调制方式网侧电流近似正弦，所用时间更短。

另外，从网侧电流谐波分析图还可看到，采用SVPWM 控制方法的总谐波失
真值(THD)更小，即系统的谐波含量最少，满足IEEE 519标准，从而证明了该控
制方法在降低谐波污染、降低开关频率方面的优越性。

本文主要阐述了三相电流型PWM整流器空间电流矢量控制方法。

从三相CSR的
数学建模出发，具体介绍了SVPWM脉冲信号发生方式、空间电流矢量的合成与
调制、空间电流矢量的调制步骤等。

三相CSR的控制难点在于基于与三相VSR拓扑结构的差异，需解决降低系统阶次、二/三值逻辑转换、零状态判别等方面问题。

为了验证方法的可行性，本文在Matlab/Simulink 软件平台进行了三相CSR双闭环解耦SVPWM 控制的仿真，详细列出了系统各功能模块的Simulink模型。

通过与传统的SPWM控制方式进行对比，说明了SVPWM的调制方式系统动态响应
速度更快、鲁棒性好和超调量较小，可以实现单位功率因数运行，并能有效抑制网侧电流畸变，体现了在降低谐波污染、减小开关频率方面的优势。

该研究为PWM 整流器的控制方法提供了新思路。