三相脉宽调制功率变换器中电流滞环控制方法的研究

王 峥

(华东电网有限公司，上海 200002)

0 引言

图1 三相电流滞环控制原理框图

1 基于矢量调制的滞环控制方法

在传统三相滞环控制中，每一相采用单独的滞环控制器，对各相电流的控制仅通过改变该相开关器件状态实现。事实上，相电流除了受该相开关状态决定外，还受其他二相的开关状态影响。因此，传统方法并不能达到理想的控制效果。为解决这一问题，文献[12，13-17]将矢量调制的概念引入到滞环控制中，通过对三相开关状态的整体选择，将电流误差矢量控制在期望的误差限之内。

Kazmierkowski等[13]提出了一种静止 α-β 坐标系下的基于空间矢量的电流滞环控制方法。检测到的电流经坐标变换后与参考值相比，结果送至三电平滞环比较器，输出dα、dβ，产生9种组合状态。当dα、dβ均为+1或－1时，可通过固化在EPROM中的开关状态选择表唯一确定一种输出开关状态;当dα、dβ、均为0时，输出零电压矢量;当dα、dβ有一个为0时，输出开关状态由非零相决定，这时可能有多个开关状态满足要求。当多个开关状态满足要求时，在满足要求的开关状态中任意选取一个，这使得开关状态变化存在不规律现象。另外，α-β坐标系下的参考电流是交流信号，其变化率不为0，这也使得开关状态变化不规律。最后，从对电流误差影响的角度看，两个零状态矢量完全等效，这使该方法存在进一步降低开关频率的可能性。

为使开关状态变化更加规律，文献[12-13]进一步提出了d-q坐标系下滞环控制方法。与α-β坐标系下的控制相比，参考电流是直流量，其变化率为0，这使得开关状态变化更加规律;其次通过引入同步d轴位置检测，避免了同时存在多个开关状态满足要求的情况，使得开关状态的选择更加准确;另外，同步坐标系下的两个电流分量在交流电机中具有特殊含义，通过合理选择d-q轴的滞环宽度，可以在不增加开关频率的情况下减小电机转矩脉动。该方法并未对两个零矢量状态的选择进行分析。

文献[15]提出了另一种静止α-β坐标系下的基于空间矢量的滞环控制方法，并首次将电流误差变化率矢量的概念引入滞环控制。开关状态的选择由电流误差矢量和其变化率矢量共同决定。该方法最大的优点在于当电流误差矢量和其变化率矢量的方向相反时，可以不进行开关状态的转换，从而极大地降低了开关频率。

文献[16-17]提出了一种静止A-B-C坐标系下的基于空间矢量的电流滞环控制方法。该方法的基本原理与d-q坐标系下滞环控制方法相同，也是引入了电压矢量的位置检测模块，只是所有的检测都是在A-B-C坐标系下完成的。

文献[18]通过开关状态反馈成功地解决了两个零矢量的选择问题，进一步降低了开关频率。

2 自适应环宽滞环控制方法

基于矢量调制的滞环控制方法虽然在不同程度上降低了开关频率，但开关频率仍是变化的，电流频谱中仍包含低频分量，为解决这一问题，文献[7-11]提出了多种自适应环宽滞环控制方法。这些方法都是通过改变滞环宽度，实现开关频率恒定这一目标。

文献[7]提出一种利用开关频率反馈使开关频率恒定的滞环控制方法，首先将给定的开关频率参考值和检测到的实际开关频率相比较，其偏差通过积分电路后，与给定的滞环宽度基值相加，作为实际的滞环宽度。积分控制的应用，从理论上保证了实际开关频率与参考频率相等。另外，该方法还利用了文献[16-17]中的思想，通过电压矢量位置检测使开关状态变化更加合理。该方法的主要问题在于开关频率的实时检测较困难。

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文献[9]提出一种利用锁相环(PLL)检测开关频率的方法，并且首次将电流误差进行了分解，分解为仅受该相开关状态决定的分量和受其他二相开关状态影响的分量。这一分解使得电流误差可以仅受该相开关状态决定，且PLL实现也变得简单，从而提高了控制的精度。

文献[8]从理论分析入手，推导了开关频率、滞环宽度及系统参数之间的关系，并以开关频率恒定为目标，推导了滞环宽度随系统参数变化的函数关系。将该函数存入单片机中，每次采样后，通过计算实时调整滞环宽度即可保证开关频率恒定。该方法的问题在于推导函数关系时，假定负载中点与直流侧中点有导线相连，这在很多场合是不满足的。

文献[11]对文献[8]中的方法做了进一步的研究，对负载中点和直流电源中点不相连情况下的开关频率、滞环宽度及系统参数之间的关系进行了推导，这就使得自适应电流滞环控制更加精确，开关频率更趋恒定。

文献[10]同样对文献[8]中的方法进行了改进，但与文献[11]中的思路不同，是将文献[9]中的基本思想导入其中，将电流偏差分成两部分，用仅受该相开关状态确定的分量计算滞环宽度。

3 正弦环宽滞环控制方法

文献[14]提出了一种正弦宽度滞环控制方法。该方法与传统的三相独立恒滞环宽度滞环控制的唯一区别在于滞环宽度是按正弦规律变化的，其出发点是改善输出电流的频谱特性。在该方法控制下，输出电流频谱特性有了很大改善，但开关频率却增加了。随着电力电子技术的发展，开关器件所能承受的开关频率将越来越高，当开关频率不再成为困扰设计者的问题时，该方法将充分展现其优势。

4 仿真比较

为对上述方法进行系统比较，本文利用MATLAB对各种控制方法进行了仿真。仿真中，三相逆变器的主要参数为:直流电压100 V，负载电阻1 Ω，负载电感10 mH，反电势20 V，参考电流峰值4 A，滞环宽度0.2 A，功率因数角π/6。

图2～5分别为恒定环宽、基于矢量调制、自适应环宽和正弦环宽的仿真结果。

从图2～5可以得出如下结论。

(1)除自适应环宽滞环控制外，其他三种控制方法的电流频谱均为连续分布，其中含有大量低频谐波分量。这是因为开关频率不恒定，从仿真结果可以看到，在这三种控制方法中，瞬时开关频率从几百Hz到3 kHz间变化。

图2 恒定环宽滞环控制仿真结果

图3 基于矢量调制的滞环控制仿真结果

(2)自适应滞环控制的电流谐波主要集中在3.1 kHz附近，这主要是因为通过改变环宽，使得开关频率基本稳定在设定值3 125 Hz。

(3)正弦环宽滞环控制中，在某些时刻开关频率非常高，这是因为滞环宽度是按照正弦规律变化的，当滞环宽度瞬时值为0时，从理论上讲，开关频率应该无穷大。因此，如果采用这种方法，一定要有辅助的开关频率限制措施。

图4 自适应环宽滞环控制仿真结果

图5 正弦环宽滞环控制仿真结果

为进一步比较各种方法的性能，图6给出了平均开关频率、电流THD，以及平均开关频率和电流THD乘积的仿真结果。

从图6可以得出如下结论。

(1)除了在调制比很低时，正弦环宽滞环控制的开关频率都是最高的。基于矢量调制滞环控制的开关频率是最低的。

(2)恒定环宽滞环控制的THD比其他三种控制方法高得多，在其他的三种方法中，正弦环宽的滞环控制的THD略低于其他两种。

图6 性能比较结果

(3)恒定环宽滞环控制的开关频率和电流THD的乘积最高，基于矢量调制的滞环控制最低。在调制比很低时，自适应环宽和恒定环宽的这一特性基本相同，这是因为在调制比很低时，由计算得到的环宽变化量与恒定部分相比很小。从该性能看，基于矢量调试的方法最好，但当调制比很高时，它与正弦环宽和自适应环宽的性能基本相当。

5 结语

本文介绍了三相功率变换器中电流滞环控制方法的发展过程及现状。通过仿真详细比较了各种方法的优缺点。从比较结果可以看出，基于矢量调制的滞环控制方法在各方面性能上都比较好。另外，从滞环控制方法的发展过程可以看出，进一步降低开关频率，并尽可能使开关频率恒定，将是今后一段时间的发展方向。

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