采用电流滞环调节器的电压矢量控制PWM整流器系统

采用电流滞环调节器的电压矢量控制PWM整流器系统1 前言在电能变换中，作为主动方式的PWM整流器克服了传统二极管或相控整流所引起的大量谐波、功率因数低的缺点，成为目前国内外研究的热点[1]。

电流滞环控制是PWM整流器控制系统中最易实现、最简单的方式，但其开关频率不固定，对电力电子器件性能要求高，开关损耗大，不容易设计输出滤波器[2][3]。

空间电压矢量控制易于数字化实现，直流电压利用率高，输入电流畸变率低，但需要快速微处理器，计算过程复杂[4][5]。

针对以上控制方式的不足，本文提出了一种基于电流滞环的电压矢量控制PWM整流器方法。

它结合二者的优点，采用80C196MC作为控制核心，组成一个以电流滞环控制为内环，输出直流电压控制为外环的控制系统，开关状态输出采用自适应开关逻辑表，不需要计算开关作用时间，过程简单，易实现。

仿真和实验证明了此种控制方式的优点和性能。

2 系统dq数学模型控制所依据的是三相电压型PWM整流器在dq坐标系下的数学模型。

假设电网三相电压对称，且正弦化，即，则数学模型的方程式为：(1) 其中式(1)表明整流器输入电流的分量之间存在耦合，直接控制输入电流需要进行解耦。

同时，需要引入电网电压前馈进行补偿，提高动态性能，但这种方法控制过程复杂，需要解耦处理。

在整流器系统中，有功功率和无功功率之间是解耦的，可以独立进行控制。

本文提出用控制系统有功功率和无功功率方法间接控制dq轴电流分量，不必进行输入电流解耦。

3 控制系统原理根据上述dq坐标系下数学模型，结合电流滞环控制的优点。

设计出采用电流滞环调节器的电压矢量控制PWM整流器系统，结构方框图如下：图1 电压型PWM整流器电流滞环矢量控制原理Fig.1 Principle of voltage vector-controlled PWM rectifier with current hysteresis 在dq坐标系下，电网电压矢量、电流矢量、电感上电压矢量以及三相电压型PWM整流器交流输入侧电压矢量之间的关系如图(2)所示，其中是落后于的相位角。

图2 整流器各矢量间的关系Fig.2 Relation of rectifier vectors 根据各个矢量在dq坐标系中的位置关系，有电压矢量，输入电流矢量，根据视在功率推出：，(2) 由于假定电网电压是标准的正弦波，且三相对称，因此。

电网电压没有q轴分量，只有d轴分量，它的模长等于电网相电压的幅值。

因此，式(2)简化为下式：，(3) 从式(3)得到用PWM整流器有功功率和无功功率表示的输入电流分量和之间是解耦的，功率和电流之间成比例关系。

所以，根据系统有功功率和无功功率的控制方法来间接控制输入电流两个分量和。

根据图(2)，输入电流的两个分量和表示如下：，(4) 因此，整流器输入有功功率和无功功率的表达式为：，(5) 从式(5)中得出通过控制电压矢量的大小和其相对于的相位角，可以控制有功功率和无功功率的大小和方向。

因此，用整流器桥臂8个离散电压矢量的合成矢量来间接控制输入电流的大小和方向，以达到控制目的。

4 电流滞环控制用霍尔元件检测到PWM整流器的三相输入电流，通过矢量变换矩阵转变为dq坐标系下的两个直流分量，可表示为：(6) 反馈输出直流电压和给定输出直流电压之间的误差作为外环电压调节器的输入。

采用PI调节，其输出量作为d轴电流指令。

在单位功率因数运行时，PWM整流器系统只消耗有功功率，不吸收无功功率。

因此，理想状态下。

将输入电流分量与指令电流分量相比较，其误差作为滞环比较器HCQ和HCD的输入，输出用于选择开关逻辑表中的电压矢量。

定义滞环比较器输入偏差为：，分别为两个比较器的滞环带宽，直接会影响输入电流的畸变率以及平均开关频率，且滞环输出电平多可以改善整流器性能。

考虑控制过程的复杂性，所用电流滞环调节器为两电平输出，图2为dq轴电流调节器HCR的输入输出特性。

根据式(3)，d轴电流滞环输入误差信号相当于给定有功功率和系统实际有功功率之间的误差信号，q轴电流滞环输入误差信号相当于给定无功功率和系统实际无功功率之间的误差信号。

图3 d和q轴的滞环电流调节器(HCR)的输入输出特性Fig.3 Output and input characteristics of current hysteresis regulator 考虑q轴的定义与d轴相同，只分析d轴电流滞环比较器的输入与输出关系如下：当时，；当时，若，则；若时，则；当时，； 5 电压矢量与开关逻辑控制表对于三相电压型PWM整流器，若用0、1表示整流桥开关状态，其中1表示整流器上桥臂导通，下桥臂关断；0表示整流器上桥臂关断，下桥臂导通，则共有8种开关状态，对应8个电压矢量。

通常矢量平面分成6个和12个扇区。

为了精确选择合适的电压矢量，而且可以改善输入电流谐波的分布，采用12个扇区。

设PWM整流器桥臂输入端相对于电网电压中性点的电压为，则桥臂合成电压矢量为表示为：当整流器开关状态确定后，则被唯一确定，如图4所示为空间电压矢量及其扇区分布。

图4 电压矢量和扇区分布Fig.4 voltage vector and sector distribution 根据文献[5][6][7]，用开关逻辑表电压矢量控制期望目标的思路是用一组反映控制量变化的开关状态组成逻辑表，通过外部输入量选择电压矢量，使控制目标在给定误差范围内变化。

在相邻的两个矢量之间包括两个扇区和，假定扇区A的位置靠近，扇区B的位置靠近。

以为例，d轴位于扇区2内。

此时，靠近扇区2的矢量为和考近扇区3的矢量为。

分析不同电流滞环比较器输出时，正确选取电压矢量的方法。

如图5为电压矢量与功率之间的关系，其中M点表示给定的有功功率和无功功率。

图5 电压矢量和功率关系Fig.5 Relation of voltage vector and power (1) 若，时，表明均为正值，且均在滞环带正半轴之外。

同时，表明系统有功功率和无功功率较小。

此时，选择的电压矢量应该使其同时朝增大方向变化，等同于使得的幅值增大和减小夹角，进而控制输入电流和分量朝增大方向变化。

根据图(5)，选择电压矢量。

(2) 若，时，表明为正值，且d轴电流分量在滞环带正半轴之外。

为负值，表明系统有功功率较小，而无功功率过大。

此时，选择的电压矢量应该使有功功率增大，无功功率减小，等同于使得的幅值增大，能够增加夹角，进而控制输入电流分量朝增大方向，分量朝减小方向变化。

根据图(5)，选择电压矢量。

（3）若，时，表明、均为负值，输入电流分量超过指令电流值。

同时，表明系统有功功率和无功功率过大，超过负载所需要的给定有功功率。

此时，整流器不与负载进行有功功率和无功功率的交换，自身形成回路消耗功率。

根据图(5)，选择电压矢量。

（4）若，时，表明为负值，为正值，输入电流超过指令电流值。

同时，表明有功功率过大，无功功率过小。

此时，不能与负载之间进行有功功率的交换，无功功率处于给定范围内。

根据图(5)，选择电压矢量。

在其它区间内用相同方法分析，得出表1的控制开关逻辑。

把表存于EPROM中，形成电压矢量开关表。

根据、和查询EPROM开关逻辑得电压矢量，直接输出PWM信号控制整流器。

从上述分析得出，三相电压型PWM整流器处于功率平衡时，无功功率只在三相之间形成回路流动，没有和负载之间发生交换。

系统输入的有功功率和负载功率平衡，保证了输入电流在指令电流的滞环带范围内变化。

表1 开关逻辑表0 1 101 111 100 000 110 111 010 000 011 111 001 000 0 0 111 111 000 000 111 111 000 000 111 111 000 000 1 1 101 100 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101 1 0 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101 101 100 6 仿真研究和实验(1) 用MATLAB/SIMULINK进行仿真,仿真参数为：电网电压为380V50Hz，输入电感L为7mH，电阻R为0.5 ,输出滤波电容为3400 ，负荷电阻为80 ，采样频率为50kHz，仿真步长为1e-5，滞环带宽为0.1A。

仿真结果如下：图6 三相输入电流图7 输出直流电压Fig.6 Three phase input current Fig.7 Output DC voltage 根据图6得出三相输入电流基本正弦化，电流畸变率比较低。

从图7得出输出直流电压动态响应速度快。

仿真证明了通过控制功率间接控制有功电流和无功电流方法的正确性，以及所提控制方式的优点。

（2）用80C196MC作为控制核心，把开关逻辑表存储于EPROM中。

图8为直流负荷时整流器a相输入电压和输入电流以及有功电流分量和无功电流分量的实验波形。

通过对其进行谐波分析，输入电流总畸变率约为，基本接近标准正弦波，而且电压和电流基本同相位，接近单位功率因数。

实验验证了所提控制方式的优点和正确性。

图8 a相输入电压和电流以及有功电流和无功电流实验曲线Fig.8 Experimental waveform for input current, voltage of a phase, active current and reactive current 7 结论通过分析整流器系统中功率和电流之间的关系，用控制有功功率和无功功率的方法间接控制有功电流分量和无功电流分量。

把电流误差作为滞环比较器的输入，其输出作为电压矢量开关逻辑表的选择信号，不必计算开关作用时间，控制方法简单，容易实现。

实验和仿真证明了此种控制方法的性能和优点，达到输入电流正弦化，保持单位功率因数运行的目的。