三相PFC 整流器改进单周期控制策略

韦 徵 陈 新 陈 杰 龚春英 樊 轶

（南京航空航天大学自动化学院 南京 210016）

1 引言

在供电系统和用电设备中，由于输入电源的多样性，故改善整流器的性能，减小输入电流谐波含量，提高系统的功率因数具有重要意义[1-8]。目前根据系统接线方式可以分为 3P3W(three-phase threewire)系统以及3P4W(three-phase four-wire)系统。其中3P3W 系统中应用较广的主要电路拓扑有三相三桥臂整流拓扑和维也纳整流拓扑等，如图 1a、1b所示。除此之外，一些应用场合出于防雷、绝缘及中线电流补偿等考虑，需要采用3P4W 的连接方式，如并联有源电力滤波器[9-11]、动态电压恢复器[12]和不间断电源等[13]。常见的3P4W 系统拓扑分为三桥臂-分裂电容拓扑以及四桥臂-全桥拓扑，其主电路分别如图1c、1d 所示。由于三桥臂-分裂电容拓扑输入相电压只能在两个电平(-Udc/2,Udc/2)间跳变，谐波抑制效果相对较差，从而输入电流波形的畸变度也较高[14,15]。对于四桥臂-全桥拓扑（下文以三相四桥臂整流器进行表述），由于增加了一个桥臂，对于电路结构而言，增加了其复杂性。但是在控制上，桥臂的增加使得对电路的控制更为灵活。

单周期控制的PFC 变换器无需产生输入电流基准，因而不需要使用乘法器和采样输入电源电压，简化了控制结构，降低了经济成本，在中小功率场合得到了广泛的应用[16]。在传统单周期控制策略中，载波信号幅值是由电压调节器产生，变换器输入电感电流采样直接作为调制信号与载波交割产生PWM 信号，并经过相应的逻辑变换生成功率管控制信号，因此传统单周期控制策略中的PWM 信号可视为是通过SPWM 方式所获得。在这种调试方式下，三相PFC 变换器输出电压较高，直流母线电压利用率不足，不利于降低开关管耐压等级和提高系统效率。目前，国内外文献关于降低单周期控制策略下的PFC 电路输出直流电压，提高直流母线电压利用率鲜有讨论。

本文针对3P4W 系统中的三相四桥臂整流拓扑分析了传统控制单周期控制策略。提出变革传统单周期控制策略的调制波形，将3 次谐波注入PWM（SAPWM）调制引入到传统单周期控制策略中，分析了改进后的单周期控制策略，给出了三相四桥臂整流器改进单周期控制策略示意图。通过改进的单周期控制策略可以降低三相四桥臂整流器输出电压，提高直流母线电压利用率，且不影响系统正常工作。同时，改进的单周期控制策略可推广至其他三相PFC 变换器。系统仿真与实验表明了理论分析的正确性。

图1 3P3W 及3P4W 系统主要拓扑Fig.1 Main topologies of 3P3W and 3P4W System

2 三相四桥臂整流器传统单周期控制理论

2.1 传统单周期控制理论

图1d 所示的三相四桥臂整流拓扑，其中eA、eB、eC为变换器三相输入电源，iLA、iLB、iLC为三相输入电流，L 为三相输入滤波电感，Cf为直流侧滤波电容，Uo为输出直流电压，RL为输出负载电阻。四个桥臂的每对开关以互补的方式运行，令S1、S2的占空比分别为1-dan、dan，S3、S4的占空比分别为1-dbn、dbn，S5、S6的占空比分别为1-dcn、dcn，S7、S8的占空比分别为1-don、don。

由文献[17,18]可得

为了实现单位功率因数整流，必须使得系统的三相电流呈正弦对称波形，且每相系统电流与输入电压保持同相位。从系统电源输入侧看，单位功率因数时的三相输入阻抗可以等效为纯电阻负载，当三相输入电源对称时，理想情况下中性线电流为零，故系统的控制目标为

式中，Re为系统单位功率因数补偿后，从电源输入侧看三相等效电阻。

综合式（1）与式（2）可得

式中，um=k1udcRs/Re为电压调节器输出值；Rs为输入电流的采样电阻。

由式（3）可得三相输入电流及中性线电流，各桥臂的开关占空比和电压调节器输出电压之间的关系，该式同时为三相四桥臂整流器实现单周期控制的理论依据。

2.2 单周期控制策略实现

由于三相整流器输入电流为关于x 轴对称的正弦波，因此希望载波信号也为关于x 轴对称，从而方便获得三相四桥臂整流器各个功率管的控制逻辑信号。根据三相四桥臂整流器单周期控制理论分析，其单周期控制电路示意图如图2 所示，主要由电压调节器，关于x 轴对称的载波生成电路以及脉宽调制环节组成。其中载波生成电路可由带复位的积分器，脉冲发生器等模拟器件构成实现[19]。

由式（1）得

式（4）表明，当采用传统的单周期控制策略时，三相四桥臂整流器直流侧输出电压需大于交流侧输入电源电压峰值的2 倍。输出电压的提高进一步要求整流器的开关器件具有更高的耐压等级，同时也延长了变换器功率管开关的导通时间，增加了变换器的导通损耗，降低了系统效率。

图2 三相四桥臂整流器传统单周期控制电路示意图Fig.2 Circuit diagram of traditional OCC of three-phase four legs rectifier

3 三相四桥臂整流器改进单周期控制策略

在传统的三相PFC 变换器单周期控制策略中，电压调节器产生载波信号幅值，输入电感电流采样直接作为调制信号与载波交割产生PWM 信号，并经过相应的逻辑变换生成功率管控制信号。因此传统单周期控制策略中的 PWM 信号可视为是通过SPWM 调制方式所获得。为了降低整流器直流侧输出电压，提高直流母线电压利用率，本文提出改变传统单周期控制策略中的调制方式，将3 次谐波注入PWM（SAPWM）调制引入到传统单周期控制策略中以实现对三相四桥臂整流器的单周期控制。

3.1 SAPWM 调制波的傅里叶分析

图3 所示的SAPWM 前半个周期的波形，其表达式可写成函数:

图3 SAPWM 调制波形Fig.3 Modulation waveform of SAPWM

式（5）为定义在[0,π]上的函数，对它进行奇延拓可展开为正弦级数。故其延拓后的函数傅里叶级数为[20]

3.2 三相四桥臂整流器改进单周期控制策略

单周期控制策略采用SAPWM 控制方式时，令此时变换器三相调制信号为Rs(iLA+ki3rd)、Rs(iLB+ki3rd)、Rs(iLC+ki3rd)，其中 Rski3rd为三相输入电感电流采样所合成的3 次谐波信号，k 为3 次谐波注入系数，k ∈[0.15,0.2]。

当采用SAPWM 调试时，三相四桥臂整流器的单周期控制策略理论公式可改写为

综合式（2）、式（6）和式（7）可得

三相四桥臂整流器改进单周期控制策略示意图如图4 所示。

图4 三相四桥臂整流改进单周期控制策略示意图Fig.4 Circuit diagram of improved OCC of three-phase four legs rectifier

4 改进单周期控制策略的推广

根据上述理论分析，改进的单周期控制策略同时可以推广至3P3W 系统中的三相三桥臂整流拓扑以及三相维也纳整流拓扑，其改进单周期控制策略示意图分别如图5a 和图5b 所示。

图5 三相三桥臂及三相维也纳整流的改进单周期控制策略示意图Fig.5 Circuit diagram of improved OCC of three-phase three legs and Vienna rectifier

5 仿真及实验验证

针对上述分析，对三相四桥臂整流器分别按传统的单周期控制策略以及改进单周期控制策略进行了仿真比对。电路具体仿真参数为:三相输入电压对称，均为AC115V、400Hz，输出电压为DC300V，输出功率为4 500W，开关频率25kHz，三相输入电感为240µH。

图6a 为采用传统的单周期控制策略时，三相四桥臂整流器一相输入电压及输入电流、直流侧输出电压仿真波形，波形显示整流器输出直流电压很好的稳定在300V 且变换器输入功率因数较高，由于直流侧输出电压较低使得直流母线电压利用率不足，从而导致输入电流产生较严重畸变。图6b 为采用改进单周期控制策略时，三相四桥臂整流器一相输入电压、输入电流、直流侧输出电压，一相调制波及载波仿真波形。仿真波形表明，当采用改进的单周期控制策略，变革调制波为注入 3 次谐波的SAPWM 控制，整流器直流侧输出电压稳定在300V 的同时，提高了直流母线电压利用率，输入电流畸变度低。

图6 不同控制策略下三相四桥臂整流器仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of three-phase four legs rectifier under different control strategy

按照相同的仿真电气参数，图7a 和图7b 分别给出了3P3W 系统中三相三桥臂整流器及三相维也纳整流器采用改进单周期控制策略时，一相输入电压及输入电流、输出直流电压、一相调制波及载波仿真波形。仿真波形显示变换器工作正常，从而证明改进的单周期控制策略同样适用于其他三相PFC 电路。

图8 为采用改进的单周期控制策略时，三相四桥臂整流器主要电量稳态实验波形。其中图8a 为A相输入电压及三相输入电流波形，图8b 为A、B 相桥臂电压及输出直流电压波形。波形显示三相四桥臂整流器桥臂间电压在三个电平（-Udc，0，Udc）间跳变，相比较三桥臂-分裂电容整流拓扑对谐波具有较好抑制效果。三相输入电流畸变度低，系统功率因数达到0.98 以上，输出电压很好的稳定在300V。

图7 改进单周期控制策略的三相三桥臂及三相维也纳整流仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of three-phase three legs and Vienna rectifier under different modulations

图8 改进单周期控制策略下整流器稳态实验波形Fig.8 Steady experimental waveforms under improved OCC

图9a 和图9b 分别为输出负载功率由1.5kW 突加至4.5kW 以及由4.5kW 突卸至1.5kW 的整流器动态实验波形。波形显示在负载突加、突卸过程中，整流器输出电压均很好地稳定在给定的300V，变换器具有良好的动态特性。

分别采用传统与改进单周期控制策略的三相四桥臂整流器系统效率曲线如图10 所示（当采用传统单周期控制策略，整流器输出电压为330V）。可以看出，采用改进单周期控制策略的整流器，由于直流母线电压利用率的提高，直流侧输出电压的降低使得系统效率明显优于传统单周期控制策略下的整流器。

图9 整流器动态实验波形Fig.9 Dynamic experimental waveforms

6 结论

（1）由于直接采样输入电感电流作为调制信号，三相PFC 变换器传统单周期控制策略中的PWM信号可视为是通过SPWM 控制方式所获得。三相PFC 变换器输出电压较高，直流母线电压利用率不足，不利于降低开关管耐压等级和提高系统效率。

图10 不同控制策略下整流器效率曲线Fig.10 Variations of efficiency with load under different control strategy

（2）变革传统单周期控制策略的调制方式，改变其调制波形，将3 次谐波注入PWM（SAPWM）调制引入到传统单周期控制策略中，分析了3P4W系统中三相四桥臂整流器改进后的单周期控制策略。同时改进的单周期控制策略可以推广至3P3W系统中的三相三桥臂整流和三相维也纳整流等拓扑。

（3）改进单周期控制策略有助于降低三相PFC 直流侧输出电压，提高直流母线电压利用率，进而提高系统效率。仿真与实验结果表明理论分析的正确性。

[1]方宇,裘迅,邢岩,等.基于预测电流控制的三相高功率因数PWM 整流器研究[J].中国电机工程学报,2006,26(20):69-73.Fang Yu,Qiu Xun,Xing Yan,et al.Research on three-phase high power factor correction based on predictive digital current controller[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(20):69-73.

[2]方宇,裘迅,邢岩,等.三相高功率因数电压型PWM 整流器建模和仿真[J].电工技术学报,2006,21(10):44-49.Fang Yu,Qiu Xun,Xing Yan,et al.Modeling and simulation of three phase high power factor PWM rectifier[J].Transactions of China Electrontechnical Society,2006,21(10):44-49.

[3]Li Zixin,Li Yaohua,Wang Ping.Control of threephase boost-type PWM rectifier in stationary frame under unbalanced input voltage[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(10):2521-2530.

[4]Hyunjae Yoo,Kim J,Seung-ki Sul.Sensorless operation of a PWM rectifier for a distribute generation[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2007,22(3):1014-1018.

[5]Lijun Hang,Sensen Liu,Gang Yan.An improved deadbeat scheme with fuzzy controller for the grid-side three-phase PWM boost rectifier[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26(4):1184-1191.

[6]张颖超,赵争鸣,袁立强,等.三电平PWM 整流器直接功率控制[J].电工技术学报,2008,23(5):62-68.Zhang Yingchao,Zhao Zhengming,Yuan Liqiang,et al.Direct power control for three-level PWM rectifier[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2008,23(5):62-68.

[7]Batista F A B,Barbi I.Spaced vector modulation applied to three-phase three switches two-level unidirectional PWM rectifier[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2007,22(6):2245-2252.

[8]孙蔚,伍小杰,戴鹏.基于LCL 滤波器的电压源型PWM 整流器控制策略综述[J].电工技术学报,2008,23(1):90-97.Sun Wei,Wu Xiaojie,Dai Peng.An overview of current control strategy for three-phase voltage-source rectifier with LCL-filter[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2008,23(1):90-97.

[9]Montero M I M,Cadaval E R.Comparison of control strategies for shunt active power filters in three-phase four-wire systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2007,22(1):229-236.

[10]Vodyakho O,Mi C C.Three-level inverter-based shunt active filter in three-phase three-wire and four-wire systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(5):1350-1363.

[11]Vodyakho O,Kim T.Shut active filter based on three-level inverter for three-phase four-wire system[J].IET Power Electronics,2009,2(3):216-226.

[12]Kaifei W,Fang X,Yandong L.Three-phase four-wire dynamic voltage restorer based on a new SVPWM algorithm[C].IEEE Power Electronics Specialist Conference (PESC),Dallas,2004:3877-3882.

[13]Wei Yu,Dehong Xu,Kuian Ma.A novel accurate active and recative power calculation method for paralleled UPS system[C].IEEE Annual Conference of Applied Power Electronics(APEC),Washington,USA,2009:1269-1275.

[14]陈瑶,金新民,童亦斌.三相四线系统中三相电压型PWM 整流器控制策略[J].电工技术学报,2007,22(7):64-69.Chen Yao,Jin Xinmin,Tong Yibin.Control strategy of three-phase voltage source PWM rectifier in three-phase four-wires systems[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2007,22(7):64-69.

[15]陈瑶,金新民,童亦斌.三相四线系统中SPWM 与SVPWM 的归一化研究[J].电工技术学报,2007,22(12):123-129.Chen Yao,Jin Xinmin,Tong Yibin.Study of the unification of SPWM and SVPWM in three-phase four-wires systems[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2007,22(12):123-129.

[16]杜雄,周洛维,罗全明,等.单周期控制三相 PFC积分常数的影响[J].中国电机工程学报,2006,26(9):120-125.Du Xiong,Zhou Luowei,Luo Quanming,et al.The effect of integration time constant of one cycle controlled three-phase power factor correction[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(9):120-125.

[17]Wang Yong,Shen Songhua,Cao Yu.Study on the three-phase four-legs active filter based on one-cycle control[C].IEEE Electrical Machines and Systems(ICEMS),Nanjing,2005:1301-1306.

[18]梅军,郑建勇,胡敏强.基于单周期控制的三相四线制APF 直流侧电压控制的分析与研究[J].电力系统保护与控制,2008,36(13):21-29.Mei Jun,Zheng Jianxiong,Hu Mingqiang.Analysis and research of DC voltage control of three-phase four-leg APF based on one-cycle control[J].Power System Protection and Control,2008,36(13):21-29.

[19]江涛,毛鹏,谢少军.单周期控制PFC 变换器的输入电流畸变研究[J].中国电机工程学报,2011,31(12):51-57.Jiang Tao,Mao Peng,Xie Shaojun.Distortion issue on input current of OCCPFC converter and its solution[J].Proceedings of the CSEE,2011,31(12):51-57.

[20]李杰,陈国呈.三相 PWM 整流器直接电流控制中进行 SAPWM 调制的新方法[J].电工电能新技术,2007,26(4):36-41.Li Jie,Chen Guocheng.A new method for SAPWM in direct current control of PWM rectifier[J].Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy,2007,26(4):36-41.