基于DSP单相PWM整流器的控制器研究

电力电子技术 Power Electronics
Vol.43 No.3 March，2009
基于 DSP 单相 PWM 整流器的控制器研究
杨顺风， 冯晓云， 韩 坤， 黄 金 （西南交通大学， 四川 成都 610031）
摘要：对于单相 PWM 整流器，为了减少直流侧电压二次波动对网侧电流的影响 ，实现网侧电流正弦化及输入端高功
中 udc 为传统的控制策略不对直流侧电压波 形 进 行
滤波的波形，而 udc′为加入陷波滤波器的新控制器所
得到的直流侧电压的反馈波形。
（下转第 75 页）
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基于热管散热的 LED 器件封装热分析
热器与环境之间的热阻 RE-A-C 明显上升， 说明铜板 相变传热的扁平热管应该是一个很好的散热装置。
率 fc=2.5 kHz。 当 Q 分别取 1，2，5，10 时，利用 Matlab
对陷波滤波器进行频域分析，其结果如图 3 所示。
图 3 不同品质因数下的幅频、相频特性
可见，Q 值越大， 陷波滤波器的选频特性越好。
选取 Q=10，则陷波滤波器的传递函数就已确定为：
G（s）=
s2+6282 s2+（628/10）s+6282
4 二次谐波影响消除控制器设计
由上述分析可知， 单相 PWM 整流器的直流侧
二次波动会通过反馈环节对网侧电流产生影响，进
而会降低整流器的工作性能。为了消除这种影响，可
以设计一种能够消除特定次谐波的陷波滤波器[5]，在
采回的 udc 被送入 PI 控制器前将其中的二次波动值 滤掉， 从而消除直流侧电压二次波动对网侧电流的
频率和相位相结合，得到与电源电压同频率和相位
的 网 侧 电 流 给 定 值 is*； 而 is* 又 作 为 电 流 内 环 的 输 入信号，通过不同的控制方法来实现实际的网侧电
流 is 对 is* 的跟踪。 由传统控制方法的原理可知， 由于直流侧电压
有二次波动，PI 控制器的输出也必然会含有 2 次谐
（2）在输入功率小于 0.7 W 时，铜板具有较好的 散热效果，在输入功率为 2.5 W 时，铜板开始积温，
[2] Kim L，Choi J H，Jang S H，et al.Thermal Analysis of LED Array System with Heat Pipe[J].Thermochimica Acta，2007， 455：21-25.
軌U（n）=X（n）+1.891U（n-1）-0.951 7U（n-2）
（11）
Y（n）=0.975 9U（n）-1.891U（n-1）+0.975 9U（n-2）
式 中 ：X（n）为 nT 时 刻 的 输 入 序 列 ；Y（n）为 nT 时 刻 的 输 出 序
列 ；U（n）为 中 间 变 量 。
5 结果验证
在此以单相 PWM 整流器为研究对象， 探讨了 一种利用数字陷波滤波器消除直流侧电压二次波动 对网侧电流影响的控制算法， 并通过仿真和实验将 常 规 的 控 制 算 法 [3]与 该 方 法 进 行 了 对 比 验 证 ，结 果 证 实了其优越性。
2 单相 PWM 整流器工作原理
图 1a，b 分 别 示 出 单 相 PWM 整 流 器 的 主 电 路 及其交流量侧矢量图。 由图可见，该 PWM 整流器的 控制原理就是通过不同的控制方法，适当调节 uab 的 大小，控制输入电流的相位以控制系统功率因数；调 节 uab 的相位， 控制输入电流的大小以控制输入 功 率，也就控制了直流侧输出电压。 因此，通常采用电
（8）
T 为采样周期， 为了得到陷波滤波器在 z 域的
传函，通过双线性变换有：
s=
2 T
·11-+zz--11
（9）
由式（8），（9）可得 z 域传函为：
G（z）=A0
0.975 9-1.891 0z-1+0.975 9z-2 1-1.891 0z-1+0.951 7z-2
（10）
由式（10）可得，当 fc=2.5 kHz 时，在 DSP 中实现 陷波滤波器的算法为：
G（s）=A0
s2+ωn2 s2+ωn s/Q+ωn2
（7）
式中：A0 为滤波器增益；ωn 为特征角频率，代表所需滤除的角
频率；Q 为等效品质因数，代表陷波滤波器的选频特性。
在 系 统 所 采 用 的 陷 波 滤 波 器 中 ，A0=1， 需 要 滤 除 的谐波频率 f=100 Hz，则 ωn=2πf=628 rad·s-1，采样频
UsIssin2ωt 2ωCdUdc
（6）
从 式 （6） 可 见 ， 单 相 PWM 整 流 器 的 输 出 电 压
有两倍于电网频率的波动。 传统单相 PWM 整流器
采 用 的 控 制 方 法 为 ： 电 压 外 环 中 直 流 侧 电 压 值 udc 通过 PI 控制器跟踪给定的直流侧电压值 udc*；PI 控 制器的输出再与锁相环检测到的网侧电源电压的
5结论
（1）提出将扁平热管用于大功率 LED 散热的方 法， 研究了扁平热管和铜板两种散热方式在大功率 LED 散热中的 热 性 能 ，在 输 入 功 率 为 3 W 时 ，热 管 冷却 LED 时的结点温度为 52 ℃， 而铜板冷却 LED 时的结点温度为 83 ℃， 对应的系统总热阻分别为 8.8 K/W 和 19 K/W。
由图 1 可知，采用平均状态等效模型时，瞬时
输出功率为：
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第 43 卷第 3 期 2009 年 3 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.43 No.3 March，2009
Po=UdcIL+CdUdc
du軌dc dt
（4）
式中：Udc 和 IL 分别为输出 电 压 udc 和 电 流 iL 的 平 均 值 ； u軌dc 为
仿真系统参数：网侧电压有效值 UN=1 471 V，网 侧电感 L=2.3 mH， 直流侧稳压电容 Cd=8 800 μF，开 关频率 fs=2.5 kHz。 采用 Matlab/Simulink 分别对传统 控制策略及加入陷波滤波器的控制策略进行了仿
真，并得出了相应的仿真结果。
图稿 日 期 ：2008-09-01 作者简介：杨 顺 风 （1984-），男 ，重 庆 人 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方
向为电力电子与电力传动。
压外环和电流内环相结合的双闭环控制方式。
图 1 单相 PWM 整流器
PWM 整流器等值电路的电压平衡方程为：
us=L
dis dt
+Ris+uab
（1）
YANG Shun-feng， FENG Xiao-yun， HAN Kun， HUANG Jin
（Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China） Abstract：To reduce the infection of DC voltage fluctuations，draw a sinusoidal line current and achieve high power factor， a single phase PWM rectifier control strategy which can eliminate the 3rd harmonic of AC current is introduced.The work principle is analyzed and the reason of the DC voltage fluctuations is given，a new control strategy with a notch filter is designed.The new strategy is tested by both simulation and experimentation，and the results show its advantages that the new control approach can suppress 3rd harmonic effectively and lower harmonic distortion of AC current. Keywords：rectifier； control； filter / DC voltage fluctuations； notch filter
1前言
电网中由电力电子装置等带来的谐波污染越 来越严重，危害也越来越大，因此消除谐波污染并 提高功率因数已成为电力电子技术的一个热门研 究 方 向 。 [1-2] 目 前 ，单 相 PWM 整 流 器 在 不 间 断 电 源 （UPS ） 和 电 力 机 车 交 流 传 动 系 统 中 已 得 到 了 广 泛 应 用。 这种整流器具有高功率因数及低谐波分量的性 能。 高功率因数的实现降低了对供电电网容量的要 求和对电网的污染，省去了无功补偿电路和对谐波 滤波器的要求。
3 直流侧电压二次波动产生原理及影响[4]
假设 PWM 整流器网侧电压与电流同相位，即：
us= 姨 2 Uscosωt， is= 姨 2 Iscosωt
（2）
式中：Us，Is 分别为网侧电压电流的有效值。
则整流器输入功率为：
Pin=UsIs+UsIscos2ωt
（3）
式 中 ：UsIs 为 稳 态 分 量 ；UsIscos2ωt 为 波 动 分 量 。
波。 PI 的输出作为网侧电流给定值的幅值，再与和
电源电压同频同相的一个正弦信号相乘，会使 is* 含 有 3 次谐波，而电流内环控制的要求是 is 要跟踪 is*， 因此 is 也不可避免的会含有 3 次谐波。
由上述分析可知，udc 不可避免地会出现二次波 动，而 udc 的二次波动会通过电压外环反馈到控制系 统，进而对 is* 的峰值产生影响，降低 is 的正弦性，增 加 is 中的谐波含量。
侧电流的影响并改善网侧电流波形。
关键词：整流器； 控制； 滤波器 / 直流侧电压二次波动； 陷波滤波器
中 图 分 类 号 ：TM461
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1000-100X（2009）03-0063-02
Study on Single Phase PWM Rectifier Controller based on DSP
[3] Yang L，Jang S，Hwang W，et al.Thermal Analysis of High Power GaN -based LEDs with Ceramic Package [J].Ther mochimica Acta，2007，455：95-99.
率因数，探讨了一种消除直流侧二次波动对网侧电流影响的谐波抑制方法 。 分析了单相 PWM 整流器的工作原理和
直流侧电压二次波动的原因，并设计了消除二次波动对网侧电流影响的数字陷波滤波器及控制算法。 通过计算机仿
真及实验对该算法与常规控制算法进行对比，验证了该算法的优越性，即该算法能够有效消除直流侧二次波动对网
此时开始积温， 已经不能够及时地把 LED 发出 的
热量移走， 热管蒸发段与环境之间的热阻 RE-A-H 明 显降低，说明此时热管的性能开始优化，可以及时 地把 LED 发出的热量移走。 此时热管的散热能 力 明显优于铜板散热。
参考文献
[1] Hsu J T ，Han W K ，Chen C ，et al.Design of Multichips LED Module for Lighting Application[A].Proc. SPIE 4776[C]. 2002：26-33.
输出电压的波动值。
假设开关器件均为理想模型， 在换相过程中没
有功率损失和能量储存， 则交流侧与直流侧瞬时功
率 Pin，Po 应当相等，则有：
Pin=Po
（5）
那么输入输出功率所对应的稳态值与波动值也
应该相等。 联立式（3）～（5），可以得到直流侧的实际
电压 udc 的表达式为：
udc=Udc+u軌dc=Udc+
影响。 控制器框图如图 2 所示。
图 2 改进后的整流器控制原理框图 陷波滤波器相当于一个阻带为某一特定频率的 带阻滤波器，经过适当的设计，它对直流侧电压二次 谐波具有极强的抑制能力， 并且对两倍基波频率之
外的其它信号几乎没有影响。此外，陷波滤波器参数
易于设计，在 DSP 数字控制系统中易于实现。
二阶陷波滤波器的典型传递函数为：
图4未加滤波和经过滤波的仿真波形图6网侧电压和电流的实验波形图5实际系统电压采集值热器与环境之间的热阻reac明显上升说明铜板此时开始积温已经不能够及时地把led发出的热量移走热管蒸发段与环境之间的热阻reah明显降低说明此时热管的性能开始优化可以及时地把led发出的热量移走
第 43 卷第 3 期 2009 年 3 月