三相电流型PWM整流器的控制方法发展综述

28上涛余力2020年第4期三相电流型PWM整流器的控制方法发展综述
程启明1，程尹曼2，王鹤霖1，胡晓青1，白园飞1
(1.上海电力学院电力与自动化工程学院，上海200090;2.国网上海市电力公司市北供电公司，上海200041)
摘要:概括了三相电流型P W M整流器（CSR)控制方法的发展历史与现状，分析了这些方法的工作原理及优缺点;针对消除由电压不平衡产生的低次非特征谐波，介绍了加大滤波器尺寸、前馈补偿、反馈控制3种不平衡控制方法的特点;指出了当前三相C S R控制方法存在的问题及其控制方法的发展趋势。

关键词：三相电流型PW M整流器;控制方法；电流控制；双闭环控制
整流器的发展经历了 3个阶段，分别为不可 控整流阶段、相控整流阶段和PWM整流阶段。

PWM整流器是一种可靠、高效、绿色的电能变换 器，克服了前两种整流方式存在的交流侧输人电 流畸变严重以及网侧功率因数较低的缺点。

PWM整流器还具有双向功率流动的特点，其输人 电流正弦化，畸变率低，功率因数和直流电压可 调，因此得到了广泛的应用。

PWM整流器可分为 电压型（VSR)和电流型（CSR)两种。

由于VSR 具有储能效率高、体积小且价格低、结构简单、控 制方便、动态响应速度快、多电平及多重化容易等 特点，因此VSR —直是PWM变流器研究的重点；而CSR的大电感中电阻成分的损耗大，且交流侧 LC滤波器会导致的电流畸变、振荡等问题，使其 结构和控制相对复杂，从而制约了 CSR的应用和 发展。

但超导技术的快速发展较好地解决了 C SR 损耗大的问题m，电力超导系统中的储能线圈的 直流电压可从零开始调节，无需另加直流电感，具 有电流源特性，其具有良好的电流保护能力。

另外，CSR用于电动机驱动限流能力强，短路保护可 靠性高，具有动态响应快、便于实现四象限运行和 再生制动等优点。

近年来CSR已在有源电力滤 波、无功补偿、超导储能、电机调速、可再生能源的 并网发电、感应加热电源、电子负载等方面取得了 很好的应用。

因此，CSR技术已成为当前研究的 热占[2.3]…
本文将全面完整地综述三相CSR的各种控 制策略，并展望其发展前景，对该领域的研究有一 定的参考价值。

1三相C S R控制系统的结构与类别
目前，国内外学者对CSR的研究主要集中控制策略和不平衡条件下的控制等方面。

三相C SR
的两个控制目标是维持直流侧电流恒定和在可调
的功率因数下实现交流侧电流波形的正弦化，其
中直流侧电流控制通常比较容易实现，但由于 CSH需要在交流侧加入LC滤波电路，造成系统
具有超前的功率因数，对其进行功率因数控制时
需要特殊考虑，因此CSR的功率因数控制受到学
者们的关注，控制方法不断完善。

目前CSR通常
都采取直流、交流双电流环结构的控制方式，直流
电流外环控制直流侧电流，维持直流电流的恒定，
它的输出作为交流电流或功率内环的指令，利用
交流电流内环快速、及时地调整交流侧的电流，使
交流电流的实际值能够快速地跟踪指令值，同时
抑制负载扰动的影响，最终实现单位功率因数控
制。

内环的控制方法有电流控制和直接功率控
制141两种方式。

(1)内环采用电流控制方式是目前广泛采用 方法，内环交流电流可在静止或同步坐标系中直
接控制。

此方式的结构简单，响应速度快,控制精
度高，限流容易，鲁棒性较强，开关频率固定，设计
容易，但为抑制非线性负载扰动需具备足够高的
带宽，同步坐标系下需要锁相环节，需要宽频带、
快速的电流传感器。

(2)内环采用直接功率控制方式是通过控制 输出的有功、无功功率的方法来间接的控制交流
电流，为了实现高性能整流，要根据交流瞬时功率
及电源电压，在开关表中选择所需的控制开关量。

此方式提高了总功率因素和效率，系统无电流环
和复杂的算法,效率高、响应快、谐波干扰低、功率
因数高、动态性能好，鲁棒性强，无需旋转坐标变
换和解耦控制，无PWM调制模块，对交流侧电压
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不平衡和谐波失真也有一定补偿作用，可省略电 网侧电压传感器。

缺点是功率和直流电压跟踪能 力差，需要较高的开关频率以及高性能的A /D 转 换器和处理器，且滤波器设计闲难。

此外有功功 率和无功功率之间存在耦合，导致稳态时的负载 电流扰动会产生较大直流压降.而暂态时的直流 电压、有功功率会出现较大波动。

因此，内环控制方式一般采用电流控制。

根据网侧电流是否作为被控制和反馈量，
CSR 的（内环）电流控制分为直接电流控制[5]和 间接电流控制[6]两类。

(1)
间接电流控制是通过控制整流器输入电 压基波的幅值和相位，间接的控制输人电感电流， 使得交流侧输入相电流与交流电源相电压保持同 相位。

此方式的结构简单、无需电流传感器、开关 特性和静态特性良好、实现容易，但动态响应较 慢，对参数变化灵敏，存在直流分量的偏移，这可 能导致系统的不稳定运行。

(2)
直接电流控制是计算得到交流侧电流参 考值，引人交流侧电流的反馈信号,直接控制交流 侧的电流使其跟踪参考值3它具有外直流、内交 流的双电流环控制结构，在直流电流外环中对通 过调节交流电流的参考值来控制直流电流;在交 流电流内环中对无功功率的控制是通过对功率因 数角的控制来实现的。

此方式具有抗干扰能力 强、鲁棒性好、响应速度快、控制精度高、过流保护 容易等优点，但计算复杂、需要电流与电压传感 器，实现成本高。

目前CSR 通常均采用直接电流控制方式，此 方式也是CSR 控制的研究重点。

2三相C S R 的平衡控制方法发展与分析
由于三相CSR 的数学模型是一个非线性的
多输人多输出系统，且各状态变量之间存在耦合， 使得设计控制系统比较困难，因此三相CSR 的直 接电流控制方法也在不断地进行改进。

目前CSR 控制方法的研究主要集中在三相电网电压平衡条 件下的控制算法研究，这些控制方法可分为3大 类，分别为智能控制、线性控制和非线性控制。

2.1线性控制
整流器在交流小信号分析时被视为线性系 统，可用成熟的经典线性控制理论的方法研究。

但此类算法性能的好坏依赖于运行点的变化，若
变化较大便不能保证系统的稳定性
(1) P I 控制
P 1控制是CSR 最典型的控制方法，它采用三 相静止或两相同步旋转坐标系下P 1D 控制器。

此 法物理意义清晰、算法简单、鲁棒性较好、易于实 现，同步坐标系下交流电流可实现无静差控制。

但是，P 1D 控制局限在于适用于线性定常系统，而 对于非线性或模型参数大范围变化的系统，HD 控制难以满足精度高、响应快的控制要求;控制参 数整定比较困难；在静止坐标系下对正弦波形的 跟踪存在静差。

文献[7]设计了三相网侧电流的
PI 控制器。

(2) 状态反馈控制
该控制方法采用状态反馈来设计最优二次型 调节器或配置闭环系统极点，使CSR 控制系统的 谐波畸变率较低、瞬态响应良好。

文献[8]选择 控制变量为CSR 的输人电流，设计了一种基于状
态反馈的电流控制器，控制变量的暂态分量作为
状态反馈控制器的输出，前馈控制根据电路和运
行点关系算出控制变量的稳态分量，通过配置极 点来获得好的动态性能；文献[9]选用电感电流 和电容电压负反馈来控制整流器的交流侧输入电 流，在控制器的输出后增加一个陷波器以滤除状 态变量中的谐波。

上面两种方法抑制了暂态振 荡，提高了交流电流的响应速度;缺点在于需要多 次试凑极点，参数整定复杂,且为了对交流电流实 现无差跟踪，要求控制器具有无限的带宽。

文献 [10]选直流电流的2次方作为状态变量，用C SR 交直流两侧的功率平衡方程来代替直流侧的电压 方程,先得到CSR 的线性数学模型，然后设计了 直流电流和网侧电流q 轴分量的状态反馈控制 器。

此法实现了直接控制直流电流和无功功率且 响应速度快，但对系统模型依赖性强，鲁棒性差， 且未能解决模块的耦合问题。

(3) 模型预测控制
该方法内部模型是基于脉冲响应，利用过去 和将来的I /O 输人来预测输出状态，将模型预测 输出和实际输出相比较，误差实行反馈校正，再与 输人轨迹参考值进行比较，当前时刻系统的控制 动作经过二次型性能指标的动态优化计算得到。

文献[11]的预测模型是基于整流器网侧电流和 输人侧电流间的传递函数,推导出整流器的一阶 差分方程，实现网侧电流控制。

该方法鲁棒性强、
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跟踪快速，并且保留了预测控制的优点。

文献 [12]的预测模型是基于网侧电流的动态方程，预 测控制输出选择开关状态。

因为没有反馈校正，该模型对参数的变化非常敏感。

对此，采用了 P I 与MPC相结合的控制方法，此法具有快速的动态 响应、较强的鲁棒性，缺点是整定参数多、运算量 大和米样频率闻6
2.2非线性控制
由于C S R本质上是一个强非线性动态系统，用传统控制方法基于小信号模型难以获得满意的 控制效果，目前采用非线性控制技术使系统对外 来扰动和参数变化具有自适应性和鲁棒性，但这 些方法还不成熟。

(1)变结构控制
它根据被调量的导数及其偏差，设计出控制 规律使得系统按一定的趋近率到达并停留在已经 设计好的超平面上，在超平面上该系统由动态变 为滑动模态。

文献[13]在整流器控制上采用变 结构控制方法，将整流器的开关切换对应到变结 构的系统运动点高频地沿切换面切换。

此法鲁棒 性好、抗干扰能力强，不需要在线辨识，实现容易。

但是此法开关切换频繁高速，带来高频抖动甚至 不稳，输出纹波较大，采样频率要求高，而且理想 滑模切换面难以选取，各子控制器的参数难以确 定。

(2)输入/输出精确线性化方法
它通过选择适当的非线性状态反馈和非线性 坐标变换，将全局精确线性化或非线性系统大范 围化，同时可解耦状态变量，以便采用线性控制方 法来获得满意的性能。

文献[14]在三相C S R的网侧电流控制中实现输入/输出的精确线性化，输 出变量选择网侧电流d、q轴分量，解耦了有功功 率和无功功率，使网侧电流的直流、交流分量获得 较好的动态性能，但直流电流的控制是通过对交 流电流直轴分量的精确控制来间接实现的，使得 直流电流动态响应较慢，而且对于参数变化很敏 感。

文献[15]设计了基于网侧电流内环和直流 电流外环级联的双环非线性控制器结构，提高了 交流电流的跟踪能力和直流电流的动态响应。

(3) L y a p u n o v控制
先对系统构造L y a p u n o v能量函数，然后在保 证该函数变化率为负的前提下来设计控制器。

文 献[16]将其引入到C S R控制中，它根据电感储能的能量关系建立Lyapunov函数，并通过空间矢量 PWM约束条件和CSR数学模型推导出控制算法。

此法方法简单、物理意义清晰、理论严格、响应速度快、实现容易，解决了 CSR大范围、大扰动 的稳定性和鲁棒性问题，但是找出最佳能量函数 很困难，此外动态性能不理想的原因在于能量函 数朝系统期望点的收敛速度不可控。

(4)反演法
它的目标是Lyapunov能量函数的收敛性，引人虚拟控制量来进行静态补偿，从而将复杂的非 线性系统分解成若干子系统，通过虚拟控制后面 的子系统来保证镇定前面的子系统。

文献[17] 先通过前馈解将多变量的非线性系统分解为两个 单变量子系统:dq坐标系下的交流电流和直流电 流，再对每个子系统采用反步法设计一种控制器, 在全局渐进稳定，通过逐步构造虚拟反馈控制和 李亚普诺夫函数，使每个状态分量具有适当的渐 进特性，从而实现整个系统在大扰动下保持全局 一致渐进稳定。

此法鲁棒性强，设计过程简明，能 够维持系统的全局渐进稳定;保证跟踪误差渐近 收敛;给出了反向设计Lyapunov函数的方法；基 本上解决了该函数的构造问题，不要求非线性系 统满足增广条件、匹配条件以及增长性约束条件；解决反馈线性化需要抵消系统中的非线性问题，即使这些非线性对于系统的镇定和跟踪是有用 的。

但是需要计算回归函数，需要对象的数学模 型，计算量非常大，实现很难，仅适于具有严格参 数反馈的或可状态线性化的不确定非线性系统。

2.3智能控制
线性或非线性控制策略都离不开系统的数学 模型。

而考虑各种因素建立严格的数学模型实际 上是不可能的，事实上CSR的数学模型是建立在 电源电压平衡、滤波电感为线性且不饱和、略去开 关损失等假设的理想前提下的，因此建立的数学 模型既是困难的又不是很精确的。

智能控制策略 不需精确的数学模型，它能实时地保证CSR正弦 的电流波形和单位的功率因数要求，且对LC滤 波器引起的谐振也有抑制作用。

(1)模糊控制
它是对难以建立数学模型的对象实施的一种 模仿人的思维、基于模糊推理的控制方式。

文献 [18]将其应用到CSR控制中，增加参数摄动下的 稳定性，加快响应速度，获得直流电流波动小、交
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流电流谐波小的效果。

此法不依赖被控对象的精 确模型，鲁棒性和适应性较强、算法简单、响应速 度快、实现容易。

但只能用经验和反复的试探来 设计控制器,适应能力有限且不能保证模糊规则 库的完整性，因此常规的模糊控制精度不高，有可 能引发模糊振荡。

(2)神经网络控制
它将函数的映射关系分布在网络节点和连接 权的函数中，学习样本利用I/O数据，调节各层的 连接权值，使输入输出的对应关系可任意逼近非 线性动态系统。

文献[19]将其应用到CSR控制 中，此法适应电流波形变化的能力强、鲁棒性好、电流响应快，不需复杂控制结构和对象模型。

但 计算复杂、计算量大，物理意义不十分明确，隐层 数、网络结构及各层神经元数的确定缺乏理论支 持，训练时间长、对训练集要求高，难于分析稳定 性，且可能陷入局部最优和发散，收敛性不能保 证。

特别是硬件实现没有突破，还不能在线控制，不能真正实际应用。

3三相C S R的不平衡控制方法与分析
在三相CSR控制系统的设计中，一般均假设 电网的三相电压平衡，一旦出现不平衡状态这种 情况，以三相电压平衡为约束条件设计的三相 CSR会出现不正常的运行状态，主要表现在:在整 流器的交流侧会产生奇次谐波，对电网产生谐波 污染;在整流器的直流侧电流中产生偶次谐波，影 响负载的正常运行;产生三相不平衡电流，增加系 统的损耗，使系统性能下降，甚至损坏整流器。

CSR与VSR不同点在于：（l)CSR交流侧的 二阶LC滤波器使其功率平衡表达式不同于VSR,其指令电流的控制算法与VSR不同；（2) CSR交流侧弱阻尼的二阶滤波器比VSR的一阶 滤波器更易激起振荡，而且电流控制器更为复杂,设计困难。

因此VSR控制算法一般不一定能直 接用于CSR。

为了消除由电压不平衡产生的低次 非特征谐波，可采用前馈补偿、反馈控制、加大滤 波器尺寸3种办法。

3.1前馈补偿
在三相CSR不平衡控制系统中，为了抑制交 流侧负序电流和抑制直流侧二次谐波，一般需要 检测分离电网电压和电流的正、负序分量，目前常 用正、负序分量的分离方法是二次谐波滤除法(陷波法）、1/4周期延迟法、坐标变换法、虚拟导 纳法、谐振调节法等，其中最常用的滤波法产生的 延时会使系统的瞬态特性变差，从而降低控制系 统的带宽及稳定性。

前馈补偿法是通过前馈补偿 办法来消除谐波的影响，但网侧电流基本上还采 用开环控制，因而其功率因数不可控。

文献[20] 分析了 CSR在出现不平衡电压时的运行情况，指 出整流器输人电压的正负序分量和开关函数的正 负序分量的交叉乘积在直流电流中产生二次谐波 分量，提出了一种消除直流二次谐波的方法，该方 法选择开关函数的正、负序分量的相位和幅值。

此法采用电力系统中的对称分量法提取电网电压 的正、负序分量，计算量较大；文献[21]提出的 正、负序分量方法是将三相电网电压延时了 1/4 周期来提取电压，从而直接计算出能消除非特征 谐波的补偿开关函数，此法无需进行正、负序分 解，实现更为简单;文献[22]在双同步坐标系下，给出了指令电流的正、负序分量，推导表达式来补 偿不平衡电流，消除了网侧输人功率中的脉动分 量，从而获得较高的功率因数，但由于未考虑滤波 电感和电容上的脉动功率，并不能完全消除直流 功率中的脉动分量，系统响应较慢且受参数影响 较大;文献[23 ]提出了完全消除整流器低次非特 征谐波的方法，采用了来自交流电感的脉动功率 补偿网侧的脉动分量，消除了非特征低次谐波，保 证整流器的输人功率无脉动。

3.2反馈控制
此法的网侧电流采用闭环反馈控制，其功率 因数是可控的。

此法关键之处在于参考指令电流 的产生和电流的无差跟踪两方面。

尽管文献[24,25]提出了多种VSR的不平衡控制策略，但 由于CSR不同于VSR,这些控制策略一般不能直 接用于CSR。

目前在电网不平衡情况下CSR的反馈控制文章极少，仅有文献[26 ]推导了电网不 平衡时CSR交流侧瞬时有功功率平衡关系，在考 虑LC滤波器影响下提出了网侧指令电流的产生 算法，CSR的直流电流外环采用状态反馈控制，CSR的交流电流内环采用滑模控制策略,实现了 交流电流的无差跟踪。

此法不需独立检测正、负序电流分量，消除了直流电流中的谐波分量，实现 了网侧正弦的交流电流和受控的功率因数。

3.3增大滤波器尺寸
增大滤波器尺寸可降低非特性谐波，但增大
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了装置体积和损耗，降低了响应速度。

文献[27] 的设计分析了电网不平衡对PWM整流的影响, 给出了交流电流最大允许的总谐波畸变率和直流 电压纹波系数。

4三相C S R控制方法的存在问题与发展 趋势
4.1存在问题
由于CSR方法还不如VSR那样成熟,它的应 用也不如VSR那样普遍，CSR的控制技术只是近 年来才被关注，因此，CSR的控制方法也不像VSR那样几乎采用了控制理论上所有方法[28]，例 如，线性控制中的模型参考自适应控制、自校正控 制、内模控制、灰色控制、非线性控制中的鲁棒控 制、逆系统控制、基于PCHD模型的无源控制、自抗扰控制、无模型控制，智能控制中的专家控制、支持向量机控制、学习控制、基于智能优化算法的 控制以及多种方法集成控制中的模糊神经控制 等。

这些控制方法目前还没有被引入到CSR控 制中。

此外，由于三相CSR的数学模型是一个多 输入多输出的非线性系统，且状态变量之间存在 耦合，非线性和耦合使得三相CSR控制系统的设 计变得困难，目前已提出的多种控制方法都没有 完全解决这种复杂对象的精确控制问题，这些 CSR控制策略一般都需要对控制变量解耦，计算 量大，实现困难，并且一般需电流、电压传感器，成 本较高，尤其CSR的非线性控制还存在着问题：(1)存在一阶零动态，因此直流电流动态响应较 慢；（2)仅考虑了电流源负载，对电流源负载和电 压源负载通用的设计方法还有待深人研究。

因此，对三相CSR的非线性控制仍有很大的研究空 间。

在三相电网电压不平衡时还会在CSR直流 侧、交流侧的电流中分别产生偶数次、奇数次非特 征谐波，这会对电网产生谐波污染，并使系统运行 性能下降,而目前在三相电网不平衡时CSR的反 馈控制策略研究却不多，虽然反馈控制法是最好 的CSR的不平衡控制策略，但目前CSR的反馈控 制策略研究很少且很不成熟，因此探索CSR的不 平衡反馈控制方法仍是一项重要的研究工作。

4.2发展趋势
4.2.1新控制方法及集成控制方法研究
CSR可以采用的复杂控制方法很多，各有特点和适用范围，凭借单独一种控制方法很难实现
综合性和解决实际中的难点问题。

可将不同的控
制方法有机融合成集成而形成复合控制，取长补
短，使控制系统有更高的动静态性能。

可采用的复合控制方案有：
(1)可把反步法与神经网络相结合而形成自 适应神经网络反步法[29]引人到CSR的控制中，
解决三相CSR非线性复杂对象在电网平衡条件
下的控制问题，其中反步法用来处理系统中的非
匹配不确定性，而神经网络则用来估计系统的不
确定性，自适应地辨识CSR参数变化。

(2)可把逆控制与神经网络相结合而形成神 经网络逆控制[M]引人到CSR的控制中，它利用
NN来逼近被控对象的逆模型，从而实现对C SR
非线性系统的线性化解耦控制。

(3)可把基于智能优化的自抗扰控制方法 (ADRC)[31]引人到在电网不平衡情况下三相
CSR控制中,构建在旋转坐标系下结构完全对称
的正、负序分量双电流内环控制，其控制算法采用 ADRC方法，而ADRC的控制参数采用遗传算法
或粒子群算法进行优化，从而降低控制参数整定
难度，提高非线性CSR的控制效果。

4.2.2无传感器控制研究
CSR控制的交流侧的电压、电流和直流侧的
电压值一般需要通过电压、电流传感器来检测，部
分控制方案还需要负载侧安装电压、电流传感器，
成本较高，不满足经济性的原则。

无传感器控制
技术研究采用观测器重构或预测算法估算出网侧
电压或者电流[32]，可以取消交流电流和交流电压
传感器，从而简化了结构，降低了控制系统的成本
和安装费用。

5结语
控制技术是三相CSR整流器的关键问题，尽
管在该领域目前已经取得了很大的成就,但还是
存在一些问题没有得到令人满意的解决。

本文较
全面地综述性介绍了三相CSR型整流器在电网
电压平衡或不平衡条件下的各种控制策略，对这
些方法进行了科学分类，并分析了各自的原理、特
征、优缺点及适用范围，此外还展望了三相CSR
整流器控制技术的发展趋势，对该领域的研究有
一定的参考价值。