电压型PWM整流器电流空间矢量控制研究

张祥，晋建厂



电压型PWM整流器电流空间矢量控制研究

张祥1，晋建厂2

（1. 中国舰船研究设计中心，武汉 410074；2. 海军装备部，北京 100071）

针对如何提高电压源型三相PWM整流器交流侧电流的控制速度问题，本文提出了控制和调制相结合的两种控制策略，即电流的空间矢量滞环控制策略和优化的电流空间矢量控制策略。本文分别对这两种控制策略进行了仿真，仿真结果验证了两种策略的有效性。

电流空间矢量控制策略 电压源型三相PWM整流器 电流直接控制

0 引言

随着开关器件性能的提高，以及电力电子控制技术的发展，PWM整流器越来越被各种工矿企业所接受。这种整流器虽然控制方面相对复杂，但是其动态响应速度比较快，储能器件体积相对比较小，不仅可以实现任意功率因数下能量的双向流动，还具有很低的输入电流畸变率。

在对三相电压源型和电流源型PWM整流器建模时可以发现，这种拓扑结构的整流器是一种多输入多输出非线性强耦合的系统，所以确定一种好的控制策略使得这种整流器具有良好的性能则变的极为复杂。各国学者对这种结构的整流器做出了很多的研究成果，一些文献提出了利用小信号线性化的方法，从而得到整流器在某一个工作点附近的近似线性数学表述[1]，另一些文献则利用非线性输入变换和功率平衡得到整流器的大信号线性模型[2,3]，这些文献中大部分都利用传统的PI控制器作为其控制策略，但是PI控制器参数的设计和其性能严格地依赖于系统的各个电量参数；还有一些文献中利用变量反馈线性化方法将整流器的数学模型线性化并利用极点配置的方法设计控制器[4]，或者利用李亚普诺夫函数设计控制器[5,6]，然而这些非线性控制策略数学处理及计算比较复杂实现起来相对比较困难；滞环控制方法不仅稳定裕度大，而且其性能不依赖于系统的参数，但是其开关频率不固定给电感或者变压器的设计带来很大的困难，一些学者提出了带开关频率闭环的滞环控制方案[7,8]，但是控制复杂度的提高却降低了系统的可靠性。

针对三相电压源型PWM整流器，如果只从交流电流调节速度考虑，不同的控制策略有着不同的控制速度，如滞环控制相对而言比传统的PI控制的控制速度快[9]。那么如何在整流器运行时，实时地根据系统的各个电量选择不同的开关状态使得变换器的电流控制速度最快就显得尤为重要。本文基于该问题提出了电流空间矢量滞环控制和优化的电流空间矢量控制策略，从而提高了电压源型三相PWM整流器的交流侧电流的控制速度。所提出的两种控制策略跟滞环控制一样，也是一种控制与调制相结合的控制方法，但是这两种控制策略又有比传统滞环控制更为优越的控制性能。本文对两种控制策略进行了理论推导和仿真。

1 电流空间矢量滞环控制策略

对于三相电压源型PWM整流器来讲，当其电压电流双闭环控制结构中的内部电流环采用传统的比例积分控制器时，若采用传统的SPWM调制方法，其输出的一系列开关序列的趋势就是使三相的电流误差减小，但这种控制方式对所输出的开关状态没有要求。当内部电流环采用滞环控制策略时，对于整流器各相的开关状态就有了一定的限定，这种限定使得其电流调节速度大于采用传统PI控制器时的电流控制速度，但是滞环控制器对某一相进行调节时，对其它两相的控制器的开关状态却没有限制，则其它两相的开关状态则会影响到本相电流调节的速度。对于电流空间矢量滞环控制策略，是在各种电量的空间矢量表达形式下，当出现电流误差时，使控制器输出一种开关状态，使得在这种开关状态的作用下，电流误差矢量以最快的速度减小，从而加快了电流环调节的速度。

1.1 三相电压源型PWM整流器的电路拓扑结构及数学模型

三相电压源型PWM整流器（VSR）的电路拓扑结构如下图1所示，其中为开关变换器交流侧的滤波电感，为电路等效损耗电阻如电感的内阻、线路的电阻和变换器死区效应引起的电阻等，为整流器直流侧的滤波电容，为整流器的等效负载。

假定整流器的交流输入电源三相平衡，电路三相结构及电路元件参数对称，则定义变换器的开关函数如下：

对于电压源型整流器来说，实际运行时应避免某一相桥臂的上下开关管同时导通而导致电路短路，则对变换器开关函数的数学约束为：

其中为某桥臂的上开关管，为该桥臂的下开关管。

则推导出三相电压源型PWM整流器的数学模型如下：

1.2 空间矢量滞环控制理论基础推导

定义空间矢量为：

则原三相电压源型PWM整流器交流侧的方程在空间矢量表达下的形式为：

由(2)－(1)得：

图2 开关变换器交流侧误差电流导数矢量

2 优化的电流空间矢量控制

图3 特定下的电流误差导数矢量图

式(4)所求出的解有无穷多个，选择最合适的解来组合所需要的电流误差导数矢量。

3 Matlab仿真结果

本节中，控制结构采用双环控制策略，内电流环采用所提出的两种电流空间矢量控制策略，外电压环采用传统比例积分控制（PI），具体结构如下图4所示。

图4中直流输出的电压误差经过外电压环控制器的调节后，其输出乘以由同步环节得到的电网电源同步信号，作为电流内环的电流给定指令，使稳态时整流器工作于单位因数整流状态，通过调节交流输入电流的幅值来调节直流侧输出电压的大小。

图4 基于两种空间矢量电流控制策略的控制结构图

为了验证本文所提出的两种电流控制策略的有效性和可靠性，本节分别列出了在这两种电流控制策略下所得到的Matlab仿真结果。主电路采用本文中图2所示的三相电压源型PWM整流器结构，其参数为三相交流输入电压110 V，频率为50 Hz，输入滤波电感为3 mH，输入侧等效电阻为0.3 Ω，直流侧滤波电容为4700 μF，直流侧额定输出电压为400 V，整流器额定功率为3kW，输出负载用一个固定的53 Ω电阻表示。控制部分采用本文中图4所示的控制结构，在这两种電流控制策略中采用相同的外电压PI控制器，PI控制器的参数为Kp=0.001、Ti=0.05。

本节中图5、图6和图7分别为Matlab的仿真结果，其中图5为稳态时交流电压和输入交流电流波形，从图中可以看出在两种电流控制策略下整流器的功率因数都为1，即整流器工作在单位因数功率整流状态下，且在两种电流控制策略下输入交流电流的谐波都很小，其中电流空间矢量滞环控制策略下的THD为4.39%，优化的空间矢量控制策略下的THD为3.40%；图6为在输出电压指令从350 V突变为400 V后输出电压跟随指令的变化情况，从图中可以看出在两种电流控制策略下，输出电压都具有很快的调节速度和很好的稳态特性，其中电流空间矢量滞环控制策略下的调节时间为0.0440 s ,优化的空间矢量控制策略下的调节时间为0.0418 s；图7是输出电压在350 V到400 V变化时输入交流电流的变化情况，从图5和图7可以看出，在两种电流控制策略下输出电压调节的稳态和动态，以及整流器交流电流都能在一个开关周期内跟踪电流指令，且优化的电流空间矢量控制策略不仅开关频率固定，而且具有更快的电流调节速度和更低的电流畸变率，是比较理想的电流控制策略。

(a)电流控制策略采用空间矢量滞环控制

(b)电流控制策略采用优化的空间矢量滞环控制

图5 交流输入电压和电流的稳态波形图

(a) 电流控制策略采用空间矢量滞环控制

(b)电流控制策略采用优化的空间矢量滞环控制

图6 输出直流电压的动态响应波形图

(a) 电流控制策略采用空间矢量滞环控制

(b) 电流控制策略采用优化的空间矢量滞环控制

图7 交流输入电压和电流的动态波形图

4 结论

如何根据系统的各个电量实时地选择不同的开关状态，使得整流器的交流侧电流控制速度最快，本文分别提出了交流电流的空间矢量滞环控制和优化的电流空间矢量控制两种方法，并对两种控制方法的原理进行了详细的理论分析。

本文对所提出的两种控制策略进行了Matlab仿真，仿真结果表明整流器不仅实现了单位功率因数整流，并且其交流电流的波形畸变率小于4.5%，在系统的动态及稳态时能使交流电流在一个开关周期内达到指令值。优化了电流空间矢量控制，电流调节速度快，而电流谐波更小且开关频率固定。这种优良的控制特性使得整流器的输出电压在大约两个工频周期达到稳态值。

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Two-space Vector Current Control Strategies for Three-phase Voltage Source PWM Rectifier

Zhang Xiang1, Jin Jianchang2

(1. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2. Naval Armament Department of PLAN, Beijing 100071, China)

TM 46

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1003-4862（2014）2-0027-05

2013-06-28

张祥(1987-)，女，硕士研究生。研究方向：电能质量控制技术。