pwm整流器控制策略研究

摘要
现代工业生产中，电力电子装置的大量应用带来谐波，其对电网产生了污染，影响了电能质量，降低了电网质量因数。

随着社会对绿色清洁能源的普遍要求，PWM整流技术开始被重视起来，并进行了相关的研究工作。

PWM整流器比起传统的整流器，具备诸多优点，例如输出的电压稳定，通过调控，输入电流达到正弦，功率因数可调整性强。

因此，电力电子行业比较关注对PWM整流器的研究。

常规的整流策略大多使用二极管整流或者相控整流，这两种整流方式存在着自身的缺陷，虽然能实现电能的调控，但是产生了无法消除的谐波，电力变换的电压利用率不高，能耗较大，引起发热，对电力电子的器件寿命造成影响。

PWM整流不同于传统的整流方式，它可以实现能量的双向流动，既可以工作在整流状态，作为负载的稳压电源，又可以从交流侧向交流侧通过逆变回馈能量。

本文针对电压型PWM整流器，研究其工作原理和控制策略，论述和研究的方向如下：
首先，需要分析三相电压型PWM整流器的工作原理和状态，必须建立数学模型。

其次，通过对三相电压PWM整流器模型的研究，总结出其电流模式的控制方式，从控制原理、控制器参数、优缺点等方面对几种控制策略进行比较。

本文重点引入定频和双滞环结合的定频滞环控制算法，描述了其控制机理和实现方法。

定频滞环控制策略的控制方法是双滞环，对整流器交流侧线电流进行控制，通过内滞环的开关状态控制来减少高次谐波分量，通过外滞环的开关状态控制来加快电流响应速度，此种策略加强了电流的跟踪控制。

最后，结合对以上控制策略的理论研究，构建整流系统的实验平台，使定频滞环控制算法得以在实验平台上仿真，论证控制策略的合理性以及控制方式的可行性。

关键词：PWM整流器；空间电压矢量；电流滞环；固定开关频率；单位功率因数
Abstract
In the modern industrial field, a large number of applications of electrical devices generates lots of harmonics, which may pollute grid, affect the quality of power, and reduce the power factor. With the increasing requirement of clear power in the whole society, PWM based converting technology has been taken more and more seriously. This phenomenon can be found in the related studies in the field of power conversion and transmission. Compared with the traditional converters, PWM rectifier has many advantages, such as, it has the stable output voltage, the sine-shaped input current. Besides, the power factor of PWM converter can be regulated between -1 to 1. Thus, the power electronics industry is more concerned with the study of PWM rectifiers than the traditional converter.Most conventional power conversion strategies apply diode based rectification and phase-controlled based rectification. These two rectification methods have the own defects. For example, although the energy regulation with these two methods can be realized, the harmonics cannot be eliminated obviously. Moreover, compared with the PWM rectification based method, the traditional converting method has the low DC voltage utilization efficiency during the power conversion, the larger power loss and tends to the extra heat, these demerits reduce the remaining life of the electronic device.Different from the traditional converting methods, PWM rectifier has an ability to realize the dual-direction energy flowing between the AC side and the DC side. This property makes the PWM rectifier can run in the AC / DC state, and also can work in the AC / DC state.This paper focuses on the control method for the voltage source based PWM rectifier, and first introduces the related working principle and the existing control strategy, the main content shows as follows,
First, this paper presents the research object, the basics of PWM rectifier, the working states, and constructs the mathematical model of PWM rectifier.
Second, according to the mathematical model of three-phase PWM rectifier, this paper concludes and compares the typical current based control strategies, from the controlling principle, critical parameters, advantages, and disadvantages. After that, this paper proposes a fixed frequency hysteresis control algorithm with fixed frequency and double hysteresis loops. This control strategy restrains the high harmonics through the switch state of the inner hysteresis loop and keeps the current response speed with the outer loop of voltage.
At last, on the basis of the proposed control strategy, this paper sets up the experimental platform and verifies the proposed fixed frequency hysteresis control strategy.
Keywords: PWM Rectifier; SVPWM; Current Hysteresis; Fixed Switching Frequency; Unit Power Factor
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
第一章绪论 (1)
1.1研究背景与意义 (1)
1.2国内外研究现状 (3)
1.2.1 PWM整流器现状 (4)
1.2.2 PWM整流器控制策略的发展现状 (6)
1.3研究内容 (10)
第二章 PWM整流器的控制原理分析及建立模型 (12)
2.1PWM整流器的工作原理 (12)
2.2PWM整流器的数学模型 (14)
2.2.1 在三相静止坐标系下的数学模型 (14)
2.2.2 在两相静止坐标系下的数学模型 (15)
2.2.3 在两相旋转坐标系下的数学模型 (18)
2.3本章小结 (20)
第三章 PWM整流器的电流模式控制策略 (21)
3.1传统电流模式控制策略 (21)
3.1.1 滞环电流控制 (21)
3.1.2 固定开关频率控制 (25)
3.2定频滞环电流控制策略 (28)
3.2.1 交流侧线电流解耦算法 (30)
3.2.2 SVPWM及双滞环调节算法 (31)
3.3仿真波形比较与分析 (33)
3.4本章小结 (43)
第四章设计PWM整流器软硬件系统 (44)
4.1总体设计 (44)
4.2主电路硬件设计 (44)
4.2.1 主电路器件参数及其选取 (44)
4.2.2 交流侧电感设计 (46)
4.2.3 直流侧电容设计 (477)
4.3基于DSP/TMS320F28335的控制电路硬件设计 (49)
4.3.1 DSP/TMS320F28335处理器简介 (50)
4.3.2 驱动电路 (51)
4.3.3 电流检测电路 (52)
4.3.4 输出电压检测电路 (55)
4.4软件程序设计 (56)
4.4.1 程序模块设计 (56)
4.4.2 主程序设计 (56)
4.4.3 中断服务子程序设计 (57)
4.5SVPWM软件设计 (62)
4.6实验结果 (63)
4.7本章小结 (65)
第五章结论 (66)
5.1全文总结 (66)
5.2研究展望 (677)
参考文献 (68)
致谢 (73)
第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
在工业生产中已经越来越普遍地使用基于电力电子技术的电能转换设备，例如整流器、逆变器、变频器、励磁电源以及光伏发电设备等，通过运用这些电子设备，人们能更高效的开展工业生产活动，同时给人们的生活也带来很多方便。

尽管如此，使用电子设备，还会引发各类隐患：由于这些采用电能转换装置的大量使用将会在某种程度上污染电网。

大量电力电子装置在应用中带来的谐波污染问题以及对其他设备的干扰问题已经受到了普遍关注。

电力电子器件需要经过整流（AC/DC）才能获得直流电压，图1-1所示，通过分析这些变流装置的电路拓扑，这种自然换向或者相控整流桥得到的直流电压虽然能够稳定输出，但是这些变流装置的输入端会生成电流的谐波，进入电网造成影响。

举例说明，包含二极管的不控整流器尽管性能稳定且使用年限长，但是内部电路构造相对简单，当输入的三相电压失衡的时候，流经该设备会产生谐波，也就是说不能稳定的输入直流电压，系统鲁棒性不够；另外一个缺点是负载侧的变动会极大的影响到电路电感及电容的相关参数；使用晶闸管的相控整流电路，尽管能在一定程度上调整相位，从而完成对输出电压的调节，可是电能浪费、谐波含量高的缺陷并未有本质改善。

图1-1 二极管整流和晶闸管整流电路拓扑
Fig.1-1 Diode rectifier circuit and thyristor rectifier topology
IEEE标准中对谐波的定义如下：“谐波是电网的基波电流发生畸变而产生的，谐波的频率不定，一般是基波频率的倍数”。

谐波影响电力系统、电气设备、通信设备等，可以体现在以下几个方面：
（1）谐波对电力系统的危害：谐波往往容易引起设备的并联、串联谐振现象，并且由于发生了谐振，该现象将会将谐波的危害扩大，进而进一步地削弱了用电设备的功率因数，提高了电能传输损耗，使电能传输线路和输配电装置过热，导致设备和线路损毁，对电力系统的安全性带来极大的威胁；
（2）谐波影响电气设备的工作：谐波的频率不固定引起电压电流波动，干扰测量设备，带来偏差，影响测量的精确度。

对电机造成附加损耗和发热，还会造成振动以及噪音。

使用电设备老化，寿命缩短，最后导致损坏。

（3）谐波造成通信设备的干扰：谐波使通信设备产生噪音，影响通信质量，比较严重的谐波还会影响通信设备周围的电磁波，使得通信设备不能稳定运转。

当前国际行业协会已制定IEEE555-2标准，对各类电气设备的有功功率、无功功率以及电压电流失真程度进行明确限制，主要目的是防止电网受到谐波所带来的危害，欧盟之后也出台并执行相应IEC-1000-3-2标准。

行业内目前主要是通过无功功率来实现补偿，为有效抑制部分频率的谐波，运用了有电容器及电抗器构成的LC无源滤波器，可大大的降低或消除谐波影响。

LC无源滤波器的运行可靠度很高，架构相对简单，成本低廉，但是，它只对某些频段的谐波有抑制效果，并未彻底消除谐波的不利影响。

电网中往往包含的有丰富的低能量谐波，如果需要对各次谐波进行有效地抑制，则需要额外增加多组专用的滤波设备，例如有源电力滤波器等。

相应的问题随之而来，因为运用了多组LC滤波器，会与电网产生并联或串联形式的谐振，导致谐波增大，产生的过电流危及滤波器的正常使用。

现如今，比较流行的做法是运用有源滤波技术（APF）针对用电设备实现一定的谐波补偿，该项技术在相关领域有广泛的推广使用，并发挥越来越重要的作用。

这一技术装置造价很高，并且APF的控制过程相对复杂，尽管对于特定阶次的谐波有很好的抑制作用，但是对于低频能量值相对较高的谐波而言，往往无能为力，还是需要专用的大容量LC装置进行来消除谐波的影响。

最近几年，在负载无功补偿方面，最常用的是静止无功补偿装置(SVG)，该装置的在无功功率补偿方面性能表现突出，可是抑制谐波时，效果并不明显。

为了使电力电子装置的整流效果更加高效、清洁无谐波，一些研究人员试图将PWM 调制技术带入到整流领域，最终实现的目的是希望保持交流侧电流接近正弦化，同时还可以对用电设备的功率因数进行调节，以便达到单位功率因数运行的效果。

就其实现的目的来说，PWM整流器比传统整流器有着更多的优点，如输出的电压稳定，通过调控，输入电流达到正弦，功率因数可调整性强，谐波较少等。

PWM 整流器使用的器件是全控型功率型，电路拓扑比较直观明了，控制器的工作频率比较高，对电压电流的控制比较容易实现。

往往只需要控制开关器件的关断和连通就能实现整流器输入的电流波形控制，电网侧的功率因数较高，近似达到1。

输出电流的谐波较少，且能控制直流侧的电压，PWM型整流器可实现四象限的运行，既可工作
第一章 绪论
在整流状态，也可工作在逆变状态，是比较理想的绿色装置，所以近年来比较重视对 PWM 整流器的研究。

根据国家电网相数的不同，可将PWM整流器分为单相、三相以及多相整流器；依
照开关调制技术的不同，可将其划分为软开关调制和硬开关调制；按照硬件拓扑桥路
结构划分为半桥型PWM电路和全桥型PWM电路。

所以PWM整流器的分类方式是多样化的，但是归根结底各种PWM整流器都可分为
电压型和电流型两个大类。

无论是电压型整流器，还是电流型PWM整流器，它们在主
电路结构、控制策略以及PWM信号产生等不同的方面都有各自的特点，他们的物理电
路也有对偶性的特点。

其他各种分类的PWM整流器可以按照主电路拓扑结构，归类于
电压型或电流型PWM整流器之间。

电流型PWM整流器（CSR）的直流侧通过电感实现直流电能的储能，所以电流型PWM整流器的直流侧体现了高阻抗的电流源特点。

一般电流型PWM整流器根据电路结构有单相和三相两种类型。

相对其直流侧通过电感储能，而其交流侧使用了滤波电容，和电网侧的电感一起作为LC三阶低通滤波器，用来消除整流器电网侧的谐波电流，同时抑制交流侧的谐波电压。

将二极管串联到整流器的功率开关管电路支路上，对反向电流有抑制作用，避免对整流器带来逆向电流的影响，同时提高反向耐压性能。

电压型PWM整流器(VSR)的直流侧通过大电容实现直流电能储能，所以电压型PWM 整流器的直流侧呈低阻抗的电压源特点。

其电路拓扑结构比较简单，方便控制功能的
实现，对电流的响应速度较好，在实际的生产和研究过程中比较常见。

电压型PWM整流器按照拓扑结构来说，有多种结构，本文针对三相电压型PWM整
流器来研究PWM整流器的控制策略。

1.2 国内外研究现状
学者针对PWM技术的研究源于20世纪70年代，但是局限于电力电子器件的工艺水平，直到八十年代，自关断器件技术有大幅提升，电控技术也迅猛发展，基于PWM 的自关断器件电能变换控制技术的开发研究上了一个新的高度。

研究人员陆续研究出了很多种控制技术，例如基于电流反馈模式的控制策略、基于电压反馈模式的控制策略等，这些理论成为了PWM整流器基础思想，后续的理论成果正是基于这种基础思想，不断拓展和丰富了PWM整流的控制方法。

到了80年代后期，A.W.Green通过坐标
变换理论建立了整流器在两相旋转坐标系条件下的电压、电流矢量关系的数学模型，分别是在连续、离散动态两种状态下实现了逆变器的两种控制方案并取得了良好的实验效果。

针对整流器的拓扑结构来说，概括整流器的发展历程，初期的整流器的电路结构主要是半控型桥路，已经发展为全控型自关断型器件桥路；早期整流器使用的单相、三相控制电路，现如今都已使用多相、多电平拓扑电路；在过去，控制器件的开关主要是硬开关，随着软开关技术的发展应用，已普及使用软开关控制器件；在器件功率方面，之前基本上都是千瓦级别的，现在已普及使用兆瓦级。

当前，器件的承压能力有明显增加，所以整流器的功率也是持续变大的。

1.2.1 PWM 整流器现状
图1-2 三相电压型PWM 整流器
Fig.1-2 Three-phase voltage-type PWM rectifier topology of main circuit
现如今，在工业领域较为常见的是电压源型的整流装置，其装置拓扑如图1-2所示，电压源型的整流装置主要由功率器件、交流电网回路、直流输出回路三大主体构成。

因为电容具有稳压和储能的功能，所以电压源型整流器的直流侧大多使用电容器件来保证电压稳定，同时能保证电压源型整流器在直流侧的低阻抗。

图1-3展示了典型的三电平电路拓扑结构，它的电路架构使用中点钳位式，这种拓扑结构的优点是可以将运行的容量做的很大，这种拓扑结构的技术难点在于需要通过变换器的组合方式以及三电平驱动的方式等等。

在一些需要满足高压和大容量的使用要求的地方，可以使用基于多电平技术的PWM 整流器，相比较常规的两电平电路拓扑，多电平技术的变流器的各个开关器件承受电压较低、谐波较小、开关的频率相对少，在考虑到器件自
第一章 绪论
身的功率局限性的前提下，可以将整个设备的功率提高，进而具有很好的优势。

所以这种多电平的整流器常常被利用在高压直流输电、后备电源的一些设计和应用中。

图1-3 三电平PWM整流器
Fig.1-3 Three-level neutral point clamped PWM rectifier
低压高电流的应用，属于另一研究方向，软开关技术被广泛的利用，图1-4的三电平谐振变换器正是基于软开关技术而设计的，与常规的整流器相比，这种基于三电平调制的谐振变换器可以避免由于强迫开关方式所带来的直流侧电压脉动以及电流噪声的危害，并且该型整流器的输出电压相对较为平稳，输出电流的谐波较少，由于较低的开关频率，从而器件的自身损耗也相对较低，受到较小的电磁干扰。

图1-4 全桥三电平LLC谐振变换器
Fig.1-4 Full-Bridge three-Level LLC Converter
当前，有的专家在改良优化旧式LC滤波器时，充分运用了整流器的开关频率特性，效果显著。

PWM整流器的开关频率通常为2-15kHz。

整流器的开关频率太高所产生的谐波，会严重影响网测输入电的形波，为充分抑制这一问题，在1998年，M.Lindgren 等人发现在PWM整流器中增加一个三阶LCL滤波装置，可以有效的抑制整流器在并网时产生的谐波尖峰，其电路拓扑如图1-5所示。

图1-5 三相 PWM 整流器（基于 LCL 滤波器）
Fig.1-5 LCL filter based three-phase PWM rectifier topology
1.2.2 PWM 整流器控制策略的发展现状
对这一整流器进行控制，其目标有两个：（1）整流器的输出直流侧的电压是稳定的并且电压的鲁棒性强；（2）设备可以处于单位功率因数状态下运行。

为了达到以上两个控制目标，研究人员提供了一些整流器控制策略，比较典型和常规的有：对电流实施直接或间接控制法。

（1）间接电流控制
充分利用PWM 调制控制技术，会产生正弦方波参考电压信号，其幅值及相位都处于受控状态，将产生的参考电压信号和实际电压信号进行比较，从而生成开关调制信号。

图1-6表示这种控制方法的控制结构原理图，根据交流侧的交流电流和交流电压的矢量关系，并且在分析过程中，忽略开关器件的器件损耗和压降：L E U U =+，L U LI ω=（说明：E 代表电网端电动势，U 代表整流器交流侧的端电压，L U 是整流器的交流侧电感的电压，I 是整流器交流侧的电流），控制交流侧电压矢量U 的数值，网侧电流I 也会发生相应的变化，这样整流器网侧电流控制的目的就达到了，所以这是一种比较间接的调整交流侧电流的方法。

总结而言，这种方法的控制器设计起来容易实现，思路也较为简单，因为它没有利用交流侧电流传感器来构成电流反馈闭环，所以控制器的控制参数比较容易设计。

整体来说，间接电流控制策略的动态性能一般，它的优势是控制方法简单、硬件电路成本不高，在不要求整流器动态性能的情况下，间接电流控制策略仍有一些应用的意义。

但它的缺点也是很明显的，如下所示：
A、系统动态性能不佳，整流器输入电感的时间常数较大，电感的时滞作用无法通
第一章 绪论
过幅相控制进行补偿；
B、控制器不具备限流的功能，在系统的动态响应过程中，直流侧的电流偏移和电流过冲不能纠正，起不到过流保护的作用；
C、控制器系统参数的变化会引起控制信号明显变化，不利于系统的稳定性。

根据上面描述的简洁电流控制策略的缺点，针对性的引入调优方法，例如可以通过电流微分的串联或零极点对消的方式改善整流器的电流响应特性。

可以通过引入模糊控制器前馈补偿交流侧的电压幅值和相位，能实现单位功率因数的保护功能，确保直流输出电压的稳定。

引入这些调优方案，可以客服间接电流控制的一些缺陷，使其实用性更佳。

,,a b c
e
图1-6 间接电流控制拓扑 Fig.1-6 Indirect current control
（2）直接电流控制
间接电流控制的缺陷如：不能快速实现动态响应、对参数变动过于敏感。

直接电流控制可以对电网侧的电流实现闭环控制，降低控制器系统参数的变化对控制信号的影响，增强了系统的稳定性。

直接电流控制策略是将电流传感器加入到整流器的电网侧，可以使用霍尔传感器或者电流互感器，从而将反馈电流引入到控制系统中，在控制环节加入了电流反馈，必要条件下，为了抵消电源端对PWM 整流器控制稳定性的作用，还会引入电源端的交流电流前馈调节环节。

通过对电流环的引入，这种控制方法可以很好地控制交流侧动态电流波形，其动态控制性能较为优异，对系统参数变化进行有效地补偿，同时还可以抵消或者降低开关管压降，以及开关死区等因素所带来谐波。

常用且有效的控制方法有固定开关频率电流控制(CCFF)和滞环电流控制(HCC)两种。

如图1-7(1) 的拓扑所展示，滞环电流控制方案利用整流器的网侧电流瞬时值作为反馈值，即对比整流器网测电流及指令电流信号，会产生电流差值i Δ将其输送到滞环电流比较器中，实现电路差值输入。

当i Δ>0时，即实际反馈的网侧电流比指令电流要
高，当调整其开关状态时，必须减小电流误差。

如果iΔ<0，即网侧反馈电流低于指令电流值，整流器的开关状态也会发生调整，目的在于增大电流误差值。

为了对指令电流值进行跟踪，在滞环电流比较器中，关键是需要设定合适的电流滞环宽度h，因为合适的环宽可以保证网侧反馈电流值始终能够围绕指令参考电流信号进行调整，此外，由于是发生了电流比较会引起开关状态跳变，因此电流滞环比较器的输出信号占空比变化的方波。

电流滞环算法具有良好稳定的性能，系统内的各项硬件具有清晰的构造，可实现性比较强，因为滞环宽度h是恒定值，由此而来，开关器件的通断频率就会发生变化，由此产生的负载电流的变化势必会引起开关器件的平均开关频率的波动，进而提高了网侧滤波电感参数和驱动电路的实现难度。

关于固定开关频率控制方法，图1-7(2) 为固定开关频率的控制方案结构图，固定开关频率调节方法利用恒定的开关频率去调节电流数值，常用的调节方法是运用三相PWM整流器，通过电流电压反馈控制的的双闭环调节方式。

通过外环的电压调节器（例如PI调节器），外环电压的偏差信号得到了给定正弦波电流信号，再经过电流控制器（例如PI调节器）后产生电流参考指令信号，把这两种电流信号进行对比，经过电流控制器后生成PWM调制信号，PWM调制波信号和特定的载波信号做差运算，进而生成开关器件动作需要的PWM调制波。

基于开关频率恒定的整流器控制方案的拓扑结构的控制思路较为清晰，调节性能也相对于间接调节方案较好，PWM整流器只需要通过电流内环指令限幅便能够恒定电流（恒定功率）运行。

相对于电流滞环控制策略而言，固定开关频率控制虽然能够解决滤波电感不易设置和开关频率变化引起的开关损耗等问题，但是与滞环电流调节方法相比较而言，开关频率恒定的调节方式具有较大的电流动态跟踪偏差的缺点。

(1) 滞环电流控制
第一章 绪论
(2) 固定开关频率控制
图1-7 直接电流控制原理图
Fig.1-7 Direct current control
（3）非线性控制
以上两种控制策略各有优缺点，间接电流控制采用了稳态模型，虽然开关模式比较优越，但是在网测电压里产生的直流分量得不到有效的控制。

上文提到的滞环电流控制方案，尽管内部控制构造并不复杂，具备良好的鲁棒性，可这种方法有着不可避免的缺陷，例如电流滞环的宽度会影响开关频率的变化，而变化的开关频率对于驱动启动的设计提出了新的要求，此外，不管变化的开关频率对于死区，以及因为死区时间的不同带来的谐波分布，也会对电网的质量造成危害。

直接电流控制的固定开关频率控制可以有效的减少网侧谐波，在开关频率降低到一定的幅值时无法确保电流的快速响应，还比较容易受到系统设计参数的影响。

以上器件自身的非线性和电流模式控制导致控制器的缺陷，研究人员尝试利用非线性控制理论来改善这些缺陷。

比较典型的策略是直接功率控制状态反馈线性化，参见图1-8所示。