基于双闭环控制的单相电压型PWM整流器仿真研究

冯典森，唐勇奇，伍玉凯，张曙云，曾丽琼

（1. 湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南株洲 412007；2. 湖南工程学院 电气信息学院，湖南湘潭 411101；3. 湖南五凌电力工程有限公司 湖南长沙，410000）

基于双闭环控制的单相电压型PWM整流器仿真研究

冯典森1，唐勇奇2，伍玉凯3，张曙云1，曾丽琼1

（1. 湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南株洲 412007；2. 湖南工程学院 电气信息学院，湖南湘潭 411101；3. 湖南五凌电力工程有限公司 湖南长沙，410000）

针对传统单相整流电路中低功率因数对电网产生较大谐波干扰等问题，为使整流电路性能可高效节能运行。文中从对单相电压型PWM整流器的原理及控制策略分析入手，将电压外环和电流内环构成的双闭环PWM控制策略引入到中小功率的单相整流电路中，并对这种控制策略的作用机理进行详尽阐述，表明该方法的先进性。然后利用MATLAB/Simulink仿真平台搭建仿真模型，通过仿真结果验证出该方法的引入使得系统具有可网侧高功率因数运行、网侧电流正弦化、快速动态响应等优点，从而大大降低了对电网的谐波污染。

功率因数；单相PWM整流；双闭环控制；MATLAB/Simulimk

本文引用格式：冯典森，唐勇奇，伍玉凯，等.基于双闭环控制的单相电压型PWM整流器仿真研究［J］. 新型工业化，2016，6（5）：8-14.

0 引言

在社会生产活动中电力电子技术应用变得十分广泛，而在电力电子技术应用的各种变流环节中，多处需要获得直流电压，比如HVDC，电解厂，风力发电等，而这获取的方式大都是靠整流实现；因为通常的整流环节，晶闸管相控整流电路、二极管不可控整流电路被广泛采用，因而，大量谐波及无功注入了电网，使得电网被严重“污染”。 整流器由于被看作是电网最主要的“污染”源，学术界对此的关注也是最早最多的，大量的研究工作随即迅速开展起来［1］。导致这种电网谐波“污染”主要原因是由于在常规整流环节中开关管的非全控性及控制方法的缺陷造成，使得这些整流系统在实现整流的过程中不可避免引起网侧电流的非正弦化运行，功率因数低，同时在能量变换过程不可以双向变换，难实现能量回馈利用；这与当前国家倡导的节能环保的政策相违背；因此，采用一种新的思路与方法来抑制、以至消除这种谐波“污染”是具有重要的理论和实际意义。

电力电子变流技术伴随着电力电子器件一步步的发展、成熟，也驶入了发展的快车道，特别是全控型器件IGBT及IGCT等新型器件的不断完善，使得更多的变流电路进入了全控时代，同时使电路的控制变得更加简洁；在控制电路的控制方法方面，采用了PWM这一新的控制方法，使得电力电子电路的性能有了很大改善，以前一些难以实现的控制策略借助这一技术而得以实现［2］。由于三相电压型的PWM整流研究较为广泛，而在中小功率场合应用较多的单相整流电路研究较少，为此，本文以单相电压型PWM整流电路为研究对象，引入新控制策略实现PWM控制，以全控型IGBT为开关管，合理设计主电路结构，通过研究分析来探究该策略的优越性；本文首先阐述PWM电压型桥式整流的拓扑结构和工作原理，重点对电流内环控制和电压外环控制的双闭环控制结构进行了详细分析，并设计出双闭环控制电路仿真结构；同时在MATLAB/Simulink仿真平台采用全控器件IGBT搭建单相全桥主电路，以电压外环和电流内环构成双闭环的PWM控制系统作为控制电路，通过建立的MATLAB仿真实验模型进行研究，并给出了仿真波形给予验证。

1 单相电压型PWM桥式整流器

1.1单相电压型PWM整流器的拓扑结构选择［3］

随着PWM整流技术的发展，不同类型的PWM整流器也随之设计而出；它们主要在PWM信号发生及控制策略、主电路结构、直流储能形式等方面均有各自的特点。按桥路结构的不同可以分为半桥电路和全桥电路，分别如图1单相半桥VSR拓扑结构和图2单相全桥VSR拓扑结构所示。在电压源型PWM整流器的诸多拓扑结构中，电压源型PWM整流器最显而易见的特征，是在其直流侧都采用电容来进行储能，使得直流侧呈现出电压源特性。

图1　单相半桥VSR拓扑结构Fig.1 VSR single-phase half bridge topology

图2　单相全桥VSR拓扑结构Fig.2 Single phase full bridge VSR topology

从中可以看出，单相半桥和单相全桥VSR的交流侧的电路结构是相同的，单相半桥VSR只有一个桥臂采用功率开关器件，另一个桥臂由两个串联的电容组成，可以作为直流侧储能电容；单相全桥VSR采用四个功率开关器件，构成H桥结构，每一个功率开关器件与一个续流二极管反并联，防止反电动势将其损坏。两者比较，前者的主电路造价低，结构简单，所以，一般被用在小功率、低成本的应用场合。但半桥电路直流电压为全桥电路的两倍，这样一来，功率开关器件的耐压要求则变得相对较高了，与此同时，需要引入电容均压控制来保持电路中点电位基本不变，能量输送的效率较低，控制相对复杂［4］。所以采用单相全桥VSR为主电路拓扑结构更为合适。

1.2单相电压型PWM桥式整流器的工作原理

如上图2所示为单相全桥PWM整流电路的主电路为例，对其原理进行分析，针对单相电压型整流电路，为建立一般数学模型，通常作出以下假设：

（1）网侧的单相电动势近似为平稳的纯正弦波电动势，不考虑其输入谐波；

（2）电网侧滤波电感L近似为是线性电感，不考虑其饱和；

（3）开关器件为理想开关，不考虑其过渡时间和功率损耗，其通断状态可以运用开关函数来描述；

（4）开关器件的开关频率远大于电网频率。

定义双极性二值逻辑开关函数为：

此时网侧电压和网测电流满足如下关系：

在交流电网侧电感Ls包含外接电抗器的电感和交流电源内部电感，电阻Rs包含交流电源内部电阻和外接电抗器的电阻。可以在PWM整流电路的交流输入端ab产生一个正弦调制PWM波Uab，Uab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。因为电感Ls的滤波作用，高次谐波电压只会使交流电流is产生微小脉动。如将此种脉动忽略，当电源频率和正弦信号波的频率相同时，is为与电源频率相同的正弦波［5］。

图3　单相PWM整流电路等效电路Fig.3 Equivalent circuit of single phase PWM rectifier circuit

图4　PWM整流电路两种运行方式向量图Fig.4 PWM rectifier circuit two operation mode vector

PWM整流电路单相等效电路如图3所示，其中Us为交流电源电压。当Us一定，is的相位和幅值由与Us的相位差和UAB中基波分量的幅值决定。改变UAB中基波分量的相位和幅值，is与Us便相位相同。如下图4所示，单相PWM整流电路的相量图已经给出，其电路可以四象限运行，但考虑到分析的针对性，因此在这里仅仅的对其整流与逆变运行两种状态进行分析；其中以Us表示电网电压，UAB表示PWM整流电路输出的交流电压，UL为连接电抗器L的电压，UR为电网的内阻RS电压；在图4a）中，UAB滞后Us的相角为θ，与Us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4b）中，UAB超前Us的相角为θ，Is与Us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［6-7］。

2 单相电压型PWM双闭环控制策略

在单相电压型PWM中有许多的控制方法可实现其控制，采用直接PWM控制芯片来产生脉冲开关信号输出，多是载波与调制波比较法控制开关器件的通断实现PWM控制，其方法实现简单，但是构造电路结果复杂，难以实现精准控制；而空间电压矢量法（SVPWM）目前应用研究热点，但其多应用于电机控制及三相逆变电路之中，在单相电路之中应用很少，同时难以做到跟踪输出来进行实时调节控制实现闭环控制；因此在本系统中采用以直流电压控制环为外环控制和以交流电流控制环为内环控制的双闭环控制。其中，电压外环的控制性能受电流内环的动态性的直接影响，利用电流内环及时，快速的抗扰性来抑制负载波动的影响，同时，由于电流内环对被控对象具有改造作用，电压外环调节大大的得到简化。对交流电流内环而言，它的控制方法主要分为间接电流控制和直接电流控制两大类，其中间接电流控制又被称为相位和幅值控制，这种方法是按照图4b）逆变运行的相量关系来控制整流桥交流输入端电压，使得输入电压与电流同相位，从而得到功率因数为1的控制效果；直接电流控制是通过运算求出交流电流的指令值，之后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［5］。

间接电流控制的优点就在于控制非常简单，一般不需要电流反馈控制，但是它存在一个重要问题：PWM整流器电流动态响应不够迅速，对系统参数变化较为敏感，适合于控制结构要求简单且动态响应要求不高的应用场合；直接电流控制以快速电流反馈控制为特征，它可以获得高品质的电流响应，同时具有网侧电流闭环控制，使网侧电流静态性能和动态性能得到了极大提高，同时，也使得网侧电流控制对系统参数不再敏感［8-9］。采用滞环电流比较的直接电流控制系统结果结构简单，电流响应速度较快，控制运算中没有使用电路参数，系统的鲁棒性好，应用较为广泛［6-7］；因此，结合以上分析，双闭环控制可兼顾电流和电压两种负反馈的互补作用，从而获得良好的静态性能、动态性能。其良好的动态性能体现在其抗电网电压扰动和抗负载扰动中，电流内环控制本文选用直接电流控制中的滞环电流控制。

2.1电流滞环跟踪PWM［10-11］

电流滞环跟踪型PWM电路是通过负载电流与一个设置的指令电流相比较，产生PWM脉冲，由于负载电流是不断变化的，所以对于PWM脉冲的频率是时时刻刻不断的进行调整变化；工作原理如图5所示；图中i*为给定的负载相电流参考值，也即是负载电流的跟踪目标，i为电路中实际负载电流的变化，为了避免开关状态的变化速度过快，而设计了两个宽度为△I的误差环，当i*-i≥△I时；滞环比较器输出为高电平，反之输出为低电平。在这种不断的变化中，使实际输出电流与给定值的偏差保持在-△I～△I之间；当给定电流为正弦波时，则输出电流也非常的接近正弦波。

图5　电流滞环跟踪型PWM电路电流波形Fig.5 Hysteresis current waveform PWM circuit

2.2电压外环

与电流内环相对应设计出电压外环，构建双闭环控制。电压外环是用输出侧实际的电压值进行反馈，电压外环的主要作用是实现直流电压的稳定。

MATLAB中的Simulink环境及模型库中建立双闭环控制仿真如图6所示，U1为网侧输入电压采集信号，U为输出直流电压指令值，i网侧输入电流采集信号，为U2为负载电压反馈信号；PWM1、PWM2开关信号控制1、4和2、3开关管。

图6　双闭环控制仿真图Fig.6 Double closed-loop control simulation

3 单相电压型PWM整流双闭环控制MATLAB/Simulimk仿真分析

使用MATLAB中的Simulink环境及模型库，搭建相应的建模与仿真平台。Simulink模型库包含了大量的仿真模块，只需直接调用即可，这为用户节省了大量的程序代码编写的工作；基于前述分析，本文在MATLAB 2010/SIMULINK仿真环境下建立电路的仿真模型。开关器件选带反并联二极管的IGBT，同时建立适当的滞环电路进行电压和电流反馈；在功率因数的测试方面，搭建功率因数测试子系统。仿真过程中设置电源电压AC为24V，频率50Hz，输出直流电压指令U为36V，网侧电感0.1mH，网侧电阻为0.001Ω，直流侧电容为200uF。

利用powergui将仿真设置为离散模型，Ts=5e-6s，同时仿真启动时间参数设为0，停止时间为0.5，其他为默认参数，启动仿真。输出直流电压波形如图7所示，测得直流电压平均值如图8所示输出电压为36.01V，基本满足控制器实现输出直流电压调节要求，从图7中可以看出直流侧电压值随时间波动，对其进行FFT分析，如图9所示，可知直流电压波动周期为0.001s，频率为工频两倍，这是由于单相电路的瞬时功率波动而导致。通过测量网侧的电流和电压波形如图10所示，可以看出电流电压近似是同相位的，即功率因数基本为1，也可以通过自建的功率因数测量子系统图如图11所示，测得功率因数为0.9999，这满足了控制器实现网侧电流正弦化，且高功率因数的要求。

图7　输出直流电压波形Fig.7 The output DC voltage waveform

图8　直流电压平均值Fig.8 The average value of DC voltage

图9　FFT分析参数设置及分析结果Fig.9 FFT analysis parameters setting and analysis results

图10　网侧电压与电流波形Fig.10 Network side voltage and current waveforms

图11　功率因数测量子系统图Fig.11 Power factor measurement subsystem diagram

4 结论

本文在建立单相电压型PWM整流模型的基础上，将电流滞环跟踪与电压外环控制的双闭环控制策略引入到其中，并对该方法进行了深入阐述与研究，通过在Simulink环境中建立双闭环的控制模型和单相电压型PWM整流双闭环控制的仿真模型；经参数调整和仿真分析表明，采用双闭环控制的PWM方法应用于单相电压型整流电路中，能使其具有有效的缓解给交流电网带来的干扰，使得网侧电流正弦化，同时也有功率因数高，可有效维持输出直流电压基本稳定等优点。

［1］ 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制［M］. 机械工业出版社，2003. Zhang Chongwei，Zhang Xing.PWM rectifier and its control［M］.Machinery Industry Press，2003.

［2］ 王兆安，刘进军.电力电子技术［M］. 机械工业出版社，2009. Wang Zhaoan，Liu Jinjun.Electric power electronic technology［M］.Machinery Industry Press，2009.

［3］ 黄勇.三相电压型PWM整流器的研究与设计［D］.广州：华南理工大学电力学院，2010. Huang Yong.Research and design of three phase voltage source PWM rectifier［D］.Guangzhou：School of electrical engineering，South China University of Technology，2010.

［4］ 刘坤.PWM整流器控制策略的研究［D］.北京；北方工业大学机电工程学院，2009. Liu Kun.Research on control strategy of PWM rectifier［D］.Beijing：College of mechanical and electrical engineering，North China University of Technology，2009.

［5］ 黄忠良.基于DSP的直接电流控制电压型整流器［D］.兰州：兰州理工大学电气工程与信息工程学院，2006. Huang Zhongliang.Direct current control voltage source rectifier based on DSP［D］.Lanzhou：School of electrical engineering and information engineering，Lanzhou University of Technology，2006.

［6］ 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿［M］.北京：机械工业出版社，2005. Wang Zhaoan，Yang Jun，Liu Jinjun.Harmonic suppression and reactive power compensation ［M］.Beijing：Mechanical Industry Press，2005.

［7］ 倪晗悦，丁嘉毅，曹婷，等.基于PID及PWM的无线传能系统研究［J］.新型工业化，2014，4（9）：56-61. Ni Hanyue，Ding Jiayi，Cao Ting，et al. Research on wireless transmission system based on PID and PWM［J］. The Journal of New Industrialization，2014，4（9）：56-61.

［8］ 高剑.单相半桥PWM整流器两种直接电流控制方法研究［J］.电气传动，2006（6）：56-59.Gao Jian.The single-phase half bridge PWM rectifier two direct current control method of ［J］. Electric drive，2006 （6）：56-59.

［9］ 刘也可，向大为，袁逸超，等.PWM变流器现场双脉冲测试方法研究［J］.新型工业化，2015，5（10）：16-20. Liu Yeke，Xiang Dawei，Yuan Yichao.PWM converter field double pulse test method research ［J］. The Journal of New Industrialization，2015，5（10）：16-20.

［10］ 林飞，杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真［M］.中国电力出版社，2009. Lin Fei，Du Xin.MATLAB simulation of power electronics application technology［M］.China Electric Power Press，2009.

［11］ Coto M，Arboleya P，Gonzalez-Moran C.Optimization Approach to Unified AC/DC Power Flow Applied to Traction Systems with Catenary Voltage Constraints［J］.Inter J of Electrical Power & Energy Systems，2013，53：434-441.

Simulation of Single Phase Voltage PWM Rectifier Based on Double Closed-loop Control

FENG Dian-sen1， TANG Yong-qi2， WU Yu-kai3， ZHANG Shu-yun1， ZENG Li-qiong1
（1.School of Electrical and Information Engineering， Hunan University of Technology， Hunan Zhuzhou 412007， China； 2.School of electrical and information， Hunan Institute of Engineering， Hunan Xiangtan 411101， China； 3.Hunan Wuling Power Engineering Co. Ltd.Hunan Changsha 410000， China）

To solve this problem of the conventional single-phdase rectifier circuit of low power factor on the grid have a greater harmonic interference， energy-efficient operation of the system. The text from the principle of the single-phase voltage type PWM Rectifier Control Strategy Analysis start the voltage double-loop PWM control strategy consisting of outer and inner current introduced into the small and medium-power single-phase rectifier circuit， and the control mechanism of this strategy will be elaborated， indicating that the advanced nature of this approach.The use MATLAB / Simulink simulation platform to build simulation models， results show that this method can be introduced into the network side so that the system has a high power factor， sinusoidal line current， fast dynamic response， etc.， thus greatly reducing the harmonic pollution on the grid.

Power factor； Single phase PWM rectifier； Double closed-loop control； MATLAB/Simulimk

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.05.002

FENG Dian-sen， TANG Yong-qi， WU Yu-kai， et al. Simulation of Single Phase Voltage PWM Rectifier Based on Double Closed-loop Control［J］. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（5）: 8-14.

国家自然科学基金（51177040）；湖南省教育厅科研项目（12C0054）；湖南工业大学研究生校级创新基金（CX1502）

冯典森（1992-），男，研究生，研究方向为现代电力电子技术及系统；唐勇奇（1964-），男，教授，研究方向为电力电子与电气传动，控制理论，计算机控制；伍玉凯（1992-），男，湖南五凌电力工程有限公司员工；张曙云（1992-），男，研究生，研究方向为微网并网控制；曾丽琼（1992-），女，研究生，研究方向为新能源并网技术