三相PWM整流器

摘要

随着绿色能源技术的快速发展，PWM整流器技术己成为电力电子技术研究的热点和亮点。PWM整流器可成为用电设备或电网与其它电气设备的理想接口，因为它可以实现网侧电流正弦化和功率因数可调整。

本文首先分析了PWM整流器的基本原理，然后根据三相电压源型PWM整流器各相电压电流之间的关系和桥路的工作状态，给出系统在三相ABC坐标系和两相dq坐标系中的数学模型，利用电流反馈解耦控制，以及系统的基本控制框图。并设计了电压环和电流环数字化PI调节器，结合理论分析和实际对其参数进行了优化整定。

关键词：三相电压型PWM整流器；数学模型；dq变换。

1 三相电压源型PWM 整流器工作原理及数学模型

1.1 PWM 整流器原理

1.1.1 PWM 整流电路工作原理

将普通整流电路中的二极管或晶闸管换成IGBT 或MOSFET 等自关断器件，并将SPWM 技术应用于整流电路，这就形成了PWM 整流电路。通过对PWM 整流电路的适当控制，不仅可以使输入电流非常接近正弦波，而且还可以使输入电流和电压同相位，功率PWM 整流电路由于需要较大的直流储能电感以及交流侧LC 滤波环节所导致的电流畸变、振荡等问题，使其结构和控制复杂化，从而制约了它的应用和研究。相比之下，电压型PWM 整流电路以其结构简单，较低的损耗等优点，电压型PWM 整流电路的成功应用更现实鸭故选择电压型PWM 整流电路进行研究。下面分别介绍单相和三相PWM 整流电路的拓扑结构和工作原理。

图1-2 单相PWM 整流电路

图1-2为单相全桥PWM 整流电路，交流侧电感s L 包含外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必需的。电阻s R 包含外接电抗器的电阻和交流电源内部电阻。同SPWM 逆变电路控制输出电压相类似，可在PWM 整流电路的交流输入端AB 产生一个正弦调制PWM 波AB u ，AB u 中除含有和开关频率有关的高次谐波外，不含低次谐波成分。由于电感s L 的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流

s i 产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，当正弦信号波的频率和电源频率相同时，s i 为频率与电源频率相同的正弦波。

图1-3 单相PWM 整流电路等效电路

PWM 整流电路的单相等效电路如图1-3所示，其中s u 为交流电源电压。当s u 一定时，s i 的幅值和相位由AB u 中基波分量的幅值及其与s u 的相位差决定。改变AB u 中基波分量的幅值和相位，就可以使s i 与s u 同相位。图1-4给出了单相PWM 整流电路的相量图，其中以⋅s U 表示电网电压，AB U ⋅表示PWM 整流电路输出的交流电压，⋅L U 为连接电抗器s L 的电压，⋅R U 为电网内阻s R 的电压；在图1-4a)中，AB U ⋅滞后⋅s U 的相角为φ，s I ⋅与⋅s U 的相位完全相同，电路工作在整路流状态，且功率因数为1。在图1-4b)中，AB U ⋅超前⋅s U 的相角为φ，s I ⋅与⋅

s U 的相位相反，电路工作在逆变状态。这说明PWM 整流电路可以实现能量正反两个方向的流动，既可以运行在整流状态，从交流侧向直流侧输送能量；也可以运行在逆变状态，从直流侧向交流侧输送能量。而且这两种方式都可在单位功率因数下运行。

图1-4 PWM 整流电路两种运行方式向量图

a ）整流运行

b ）逆变运行

图1-5 三相PWM 整流电路

三相PWM 整流电路主要结构如图1-5所示，其工作原理和单相PWM 整流电路类似。通过对电路进行SPWM 控制，就可以在桥的交流输入端ABC 产生一个正弦调制PWM 波A u ，B u ，C u 。，对各相电压按图1-4a)的向量图进行控制，就可使各相电流sA i ，sB i ，sC i 为正弦波且和电压相位相同，功率因数为1。

2 三相VSR控制策略及控制系统设计

2.1 VSR的电流控制方法

VSR的工作原理分析表明，当其正常工作时，能在稳定直流侧电压的同时，实现网侧正弦波形电流控制。另一方面，当VSR应用于注入有源电力滤波器等领域时，其王测电流的控制性能决定了系统性能指标的优劣。因此，VSR的电流控制策略是十分重要的。

2.1.1 间接电流控制和直接电流控制的比较

为了使PWM整流电路在工作时功率因数近似为1，即要求输入电流为正弦波且和电源电压同相位，可以有多种控制方法，根据有没有引入电流反馈可以将这些控制方法分为两种，没有引入交流电流反馈的称为间接电流控制，引入交流电流反馈的称为直接电流控制。

间接电流控制也称为相位和幅值控制，其实质是，通过PWM控制，在VSR桥路交流侧生成幅值、相位受控的正弦PWM电压。该PWM电压与电网电动势共同作用于VSR交流侧，并在VSR交流侧形成正弦基波电流，而谐波电流则由VSR交流侧电感滤除。由于这种VSR电流控制方案通过直接控制VSR交流侧电压进而达到控制VSR交流侧电流的目的，因而是一种间接电流控制方式。这种间接电流控制由于无需设置交流电流传感器以构成电流闭环控制，因而是一种VSR简单控制方案。间接电流控制的优点在于控制简单，一般无需电流反馈控制。另外，间接电流控制还可分为稳态间接电流控制和动态间接电流控制。间接电流控制的主要问题在于，VSR电流动态响应不够快，甚至交流侧电流中含有直流分量，且对系统参数波动较敏感，因而常适合于对VSR动态响应要求不高且控制结构要求简单的应用场合。

相对于间接电流控制，直接电流控制以快速电流反馈控制为特征。在这种控制方法中，通过运算求出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。这种直接电流控制与间接电流控制在结构上的主要差别在于：前者具有网侧电流闭环控制，而后者则无网侧电流闭环控制。由于采用网侧电流闭环控制，使VSR网侧电流动、静态性能得到了提高，同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感，从而增强了电流控制系统的鲁棒性。直接电流控制可以获得较高品质的电流响应，但控制结构和算法较间接电流控制复杂。

直接电流控制中有不同的电流跟踪控制方法，常用的有：固定开关频率PWM电流控制、滞环PWM电流控制、空间矢量PWM电流控制等，这些电流控制方案各有其