三相PWM整流器控制策略

冯晓艳 王凤 白玉

摘 要：经济的快速发展加大了对于电力的需求。在电力的使用过程中，各种电力电子装置的大量使用，其所产生的谐波污染使得电网的供电质量受到严重的影响，以往传统的整流装置会产生大量的谐波严重影响电网电能质量。三相PWM整流器是新型的整流装置，具有输出稳定、谐波污染度较低等的优点，其应用范围越来越广。本文在分析三相PWM整流器工作原理的基础上提出在三相PWM整流器的控制中，通过使用PI调节和模糊控制相结合的方式来做好对于三相PWM整流器的控制的策略。

关键词：三相PWM整流器；模糊控制；功率因数校正

中图分类号：TM46 文献标识码：A

随着经济和科学技术的发展，在电力电子变流装置中所采用的大量的二极管不控整流电路或是晶闸管相控整流电路在获得了直流电压的同时也会产生大量的谐波，这些大量的无用谐波进入到电网中将会对电网的供电质量造成严重的影响，为解决这一难题，可以在交变整流装置中采用三相PWM整流器作为主要的交变器件，以此可以在获得直流电压的同时最大限度的减少其对于电网的谐波影响。本文分析了三相PWM整流器中所采用的几种控制方法，以此来使得网侧电流的正弦化，提高供电质量。

1 三相PWM整流器的工作原理

整流器的发展经历了不控整流器、相控整流器直至现今所示使用的三相PWM整流器等的一系列的发展历程，最早的整流器所使用的晶闸管容易导致网侧电压波形的畸变，从而对电网的供电质量产生严重的影响，在相控整流器时代，虽然通过改善了网侧的功率因数，但是其所产生的谐波影响仍然较大。为更好的确保电网的质量，通过研发改进，使用了全控型功率开关取代了原先的功率部件，研发出了三相PWM整流器。三相PWM整流器是一个能够对交、直流侧都进行控制的四象限运行的交流装置，其主要是由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路等部分组成。三相PWM整流器交流侧工作关系图如图1所示。在三相PWM整流器工作时其在四象限的工作规律如下：

（1）在电压矢量工作在AB段时，整个三相PWM整流器处于整流状态，当三相PWM整流器在B点运行时，三相PWM整流器主要由单位功率因数整流控制，而当三相PWM整流器在A点运行时，三相PWM整流器则会从电网中吸收感性无功功率。

（2）当三相PWM整流器矢量在BC段运行时，整流器仍然处于整流状态，这一阶段，三相PWM整流器通过从电网中吸收有用功及容性无功功率，实现电能传输至直流负载端。

（3）当三相PWM整流器运行在CD段时，整个三相PWM整流器处于有源逆变状态，在这一阶段，电能将从电网到直流侧转换为从直流侧到电网的逆转变，同时，可以在D点时通过采用单位功率因数有源逆变实现对于三相PWM整流器的控制。

（4）当三相PWM整流器运行在DA段时，整个三相PWM整流器处于有源逆变状态，电能将从三相PWM整流器直流侧向电网侧进行传输。

做好对于三相PWM整流器的四象限控制法主要通过：

（1）控制三相PWM整流器的交流侧的电压从而实现对于三相PWM整流器的间接网侧控制。

（2）通过对网侧电流的闭环控制来实现对于三相PWM整流器的网侧电流的直接控制。

2 三相PWM整流器的控制策略

三相PWM整流器是一种较为典型的开关非线性控制系统，其工作状态主要根据的是开关的状态在多个线性系统间的周期性切换的过程。在对三相PWM整流器进行控制时，三相PWM整流器中的任意一相的PWM相关波形还会与另外两项的开关状态进行相互的影响，因此需要在做好三相PWM整流器的控制時引起足够的重视。在三相PWM整流器的控制中主要采取的是双闭环的控制策略。

2.1 三相PWM整流器的控制结构

在三相PWM整流器的控制结构中为了使得三相PWM整流器能够获得较为优良的整流输出特性，在三相PWM整流器整个控制结构主要采用的是由电压环和电流环所组成的双环控制结构，其中控制用的电压环主要用于对于整流输出电压的控制，而电流环则主要被应用于对三相PWM整流器网侧单位功率因数正弦波电流的控制。在三相PWM整流器控制结构主电路参数的选择上应当经过充分的、合理的计算确保参数选择的合理性，提高控制系统的工作性能。在三相PWM整流器直流电压的选择上，既要使得其能够满足负载对于电压的要求，同时也要使得其能够使得流过滤波电感中的电流的波形为正弦波，因此需要选择合理的直流电压。在交流电感值的选择上需要使得电感上的压降尽量取较小的值，在一个开关周期内交流侧电流的最大超调量尽可能的小。同时还需要控制交流侧的电流谐波失真，避免其对三相PWM整流器的控制造成影响。在三相PWM整流器直流侧电容的选择上需要确保电压环控制的跟随特性，并且电容的取值应当尽量较小，以使得三相PWM整流器的控制系统的直流侧电压能够实现快速的跟踪，在满足电压环控制的抗扰性能指标的基础上，应尽量选取较大值的电容，提高三相PWM整流器的控制性能。

2.2 三相PWM整流器中的双闭环整流系统的控制策略

在三相PWM整流器的控制系统中主要采用的是双环控制，分别是电流环和电压外环，在设计多环控制系统中其主要原则是从内环开始逐步向外环扩展。在三相PWM整流器的控制设计中采用的首先是从电流环入手，设计好三相PWM整流器中的电流调节器，而后将整个电流环作为是电压调节系统中的一个重要环节，而后再完成对于三相PWM整流器中电压调节器的设计。在电流环的设计中，为了确保实际使用时能够满足电流环的快速控制要求，在做好积分调节器的使用上需要做好相应的控制，在满足其静态特性的基础上只使用比例调节器，一般情况下，首先需要将电流环的增益调节到最大而后在完成对于电压外环增益的调节。在电压外环的设计过程中，整流器直流电压要远高于线电压的峰值，在调制比的选择上可以选取。当开关拼音要远远大于电网基波频率时，可以将电流内环的闭环传递函数简化为一个一阶惯性环节，同时在结构的选择上，电压调节器可以选用PI调节器，将电压采样延时时间与电流内环等效时间常数进行合并，提高三相PWM整流器控制的设计效果。完成了对于三相PWM整流器控制的设计后还需要根据实际情况进行一定的微调使其选取一组较为优化的PI参数。

在三相PWM整流器的控制方案的设计上，由于其控制是一个多输入、多输出的非线性控制，因此，做好对于三相PWM整流器的控制是一项复杂的工程，针对非线性的特点，采用较多的是建立一个小信号的模型来进行线性模拟，并通过对于三相PWM整流器控制的优化，可以使得其补偿设计更为简单，最后通过使用DSP来做好对于三相PWM整流器的控制。根据所建立的三相PWM整流器控制的模型使用两个独立的补偿网络，从而实现对于有功和无功分分量的控制，便于对于变换器的单位功率因数的运行，整个控制系统采用DSP进行控制处理，通过对三相PWM整流器进行数据采样后，对于采集好的电压与电流数据进行转换和处理，在控制中采用PI补偿网络，将电压环输出作为电流环的参考给定量的有功分量，电路工作在单位功率因数的条件下，做好对于三相PWM整流器的控制。在设计电流环PI补偿网络K的零点等于电流环控制对象的极点，从而抵消电流环控制对象低频极点R/L，取电流环带宽为开关频率的很小一部分，完成对于控制系统的补偿后其电流内环近似与一阶惯性环节。在设计电压环PI补偿网络零点等于电压环控制对象的极点，电压外环带宽多取开关频率的1/60。在整个三相PWM整流器控制系统中的传递函数所涉及的参数多为定量，同时还需要考虑到实际输入电网的变化范围在一定的范围内，使得整个控制系统中只有负载量，从而使得在设计补偿网络时能确保系统在一个大范围内的稳定性。

结语

三相PWM整流器的应用对于减小对于电网的影响，提高供电质量有着重要的意义。本文在分析三相PWM整流器工作原理的基础上对三相PWM整流器的控制策略进行了简单分析介绍。

参考文献

[1]徐鸿德.电力电子系统建模及控制[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]张崇巍，等.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]刘新伟，等.三相PWM整流器建模控制与实现[M].北京：电力电子技术，2008.