三相电压型PWM整流器控制技术的发展探究

李向超 张龙华 马松花

摘 要：传统PWM控制技术普遍使用在两电平电路的驱动控制上，主要是将正弦脉宽调制波为正弦波，在通过三角载波和调制波得出交点并实施控制，它具有电压利用率低，谐波含量大的特点。目前由于微处理器技术的发展与多电平电路的出现，涌现出如新PWM方式、滞环电流方式、空间电压矢量方式，这些控制都优化了传统的PWM控制方法。本文通过分析三相电压CSR技术的优缺点，来探究未来新型三相电压型PWM整流器控制技术的发展趋势。

关键词：三相电压PWM整流器;控制技术;发展探究

0 引言

三相电压型PWM整流器控制技术由于有能够控制网侧功率因数以及稳定直流侧输出电压的特性被市场广泛使用。目前国内外都致力于对该技术的深入研究，目的是改善其系統性能，降低电网谐波造成的污染，提高能源的利用效率。其控制技术对整流器的要求特别高，主流PWM整流器的控制技术原理、特点都相同。对比得出各种技术的优缺点，结合实际情况研究出最适用的三相电压型PWM整流器控制技术。

1 整流器发展的3个阶段

整流器发展分为不可控整流、相控整流与PWM整流三个阶段。PWM整流器是一种效率高、安全性高且环保的电能变换器，有效解决了前两种整流方式存在的交流侧输入电流畸变严重及网侧功率因数过低的不足。PWM整流器还具有双向功率流动的特性，输入的电流正弦化畸变率低，并且可调功率因数和直流电压，因此被广泛使用。PWM整流器可分电压型（VSR）和电流型（CSR）两种，因为VSR具有储能效率高、体积小价格低、结构简单、控制便捷、响应速度快、等有点，所以VSR一直是PWM变流器开发研究的主要方向。由于CSR的大电感中电阻成分损耗较大，而且交流侧LC滤波器会导致电流畸变与振荡等问题，因此制约了CSR的应用与发展。目前超导技术快速发展却有效地解决了CSR损耗大的问题，在电力超导系统中储能线圈的直流电压可实现从零开始调节，不需要另加直流电感，且具有电流源特性和良好的电流保护能力[1]。

2 电压型PWM整流器控制技术分类

2.1 滞环电流控制

滞环电流控制系统，它主要将获取的指令电流值与采样得到的实际电流值通过比较后输出到滞环比较器产生PWM波形。此设计优点是系统结构简单、容易操作且鲁棒性能较好，缺点是开关频率不固定。

2.2 固定开关频率PWM控制

固定开关频率PWM控制系统，它的设计原理是将采样到的电流值与指令电流值做比例和限幅调节后再进行三角调制，输出具有宽度相同的脉冲波形，以此来控制开关的导通顺序。这种设计的缺点是PI调节引入导致电流动态响应速度过慢，无法对指令电流准确定位进行实时跟踪。

2.3 预测电流控制

预测电流控制系统其原理是根据预测未来的电流值来确定目前实际的工作状态，进而控制输出脉冲波形，属于先做预判在行动。这种设计方法优点是易于参数的整定，缺点是鲁棒性较差。

2.4 单周期控制

单周期控制系统它的设计原理主要是实现对占空比的调制。通过对信号的采集与计算，生成占空比符合要求的PWM波形。该控制技术有优点是开关频率固定，容易数字管控、鲁棒性也较强，其缺点是系统动态响应慢，灵敏度比较差。

2.5 空间矢量PWM控制

空间矢量PWM控制系统，它的设计原理是经坐标变换与逻辑计算，主要目的是对实际电压矢量与指令电压矢量形成无误差跟踪。这种设计方法能提高直流侧母线电压利用率，缺点是由于PI控制技术的介入，致使系统动态性变缓慢。

2.6 直接功率控制

直接功率控制系统，它的设计原理是能实现对瞬时功率进行直接功率控制，这是调制技术的一大突破。它的优点是灵敏度高且鲁棒性能强，缺点是开关表的设计比较复杂。

3 三相电压型PWM整流器控制方案

三相电压型PWM整流器空间矢量控制框图，它的设计由主电路和控制回路组成。其中控制回路部分主要由输入电流和输出电压检测、PI控制器坐标变换、SVPWM脉冲产生等部分构成，原理是将三相交流电通过三相电压型整流电路整流成为稳定的直流电压;在控制回路对主电路的输入电流和输出直流电压进行检测，将检测值与给定值在比较输送给PI控制调节器，且输出值与电流比较后输出送入PI控制器转变成电压信号，再由坐标变换送入SVPWM脉冲产生单元，最后完成电压闭环控制[2]。

4 三相CSR控制方法中存在的问题

因为CSR控制方法不及VSR技术成熟，所以应用上不及VSR普遍。CSR控制技术是新涌现的产物，因此CSR没有完全采用VSR的控制理论，突出表现在线性控制中模型参考自适应控制、内模控制、自校正控制、灰色控制线性控制中的鲁棒控制、非逆系统控制、无模型控制、基于智能优化算法控制，这些控制模式目前没有被引进在CSR控制系统中。另外，基于三相CSR数学模型是多输入多输出的非线性系统，而且状态的变量之间存在耦合，这就使得三相CSR控制系统设计复杂，目前针对此问题一直没有有效的解决办法，无法保持其精确程度，主流提出改善CSR控制的策略一般都需要先对控制变量解耦，其计算量超大难以实现，而且还需要电流、电压传感器等设备，其造价成本较高，也难以实现。

5 三相CSR控制系统的类别结构

如今对CSR控制系统的研究主要为控制策略与不平衡条件下控制上。三相CSR控制有两个目标，其一是维持直流侧电流恒定，其二是在可调功率因数下实现交流侧电流波形正弦化，其中保持直流侧电流恒定比较容易实现，由于CSR需要在交流侧加入LC滤波电路，这样就造成系统的超前功率因数，再进行功率因数控制时要格外注意，因此实现交流侧电流波形正弦化就比较困难。

针对内环控制方法有电流控制与直接功率控制两种：

（1）内环采用电流控制方式，其设计原理为内环交流电流可在静止与同步坐标系中直接受控。这种控制方式具有结构简单、响应速度快、控制精度高、容易限流、鲁棒性强、开关频率固定的优点，不足是由于为抑制非线性负载扰动需具备足够高的带宽，且在同步坐标系下需要锁相环节、需要宽频带、快速的电流传感器等设备，导致投入成本过高[3]。

（2）内环采用直接功率控制方式，其设计原理为通过控制输出的有功与无功功率方法来间接控制交流电流，可实现整流保持高性能，根据交流瞬时功率及电源电压，在开关表中选择所需要的控制开关量。此控制方式能有效提高总功效率，使系统无电流环的复杂运算保持高效率、快响应、抗谐波干扰、功率因数高，且系统动态性能好、鲁棒性能强等优势。此方式还无需旋转坐标变换和解耦控制制，不需要PWM调制模块，也可省略电网侧电压传感器设备。

CSR的内环电流控制分为直接电流控制和间接电流控制两类。

（1）间接电流控制方式，原理是采用控制整流器输入电压基波的幅值与相位，间接控制输入的电感电流，这样使交流侧输入相电流与交流电源相电压保持恒定。此设计方式的优势是结构设计简单、无需电流传感器、开关有良好的静态特性，缺点是动态响应慢，对参数变化过于灵敏容易存在直流分量偏移，最终导致系统运行不稳定。

（2）直接电流控制方式，原理是先将计算得到交流侧电流参考值，再引入交流侧电流反馈信号，直接参与控制交流侧电流的跟踪参考数值。这种方式具有内外双电流环控制结构，在直流电流外环中控制直流电流;在交流电流内环控制其功率因数。此方式优势是具有超强的抗干扰能力，且鲁棒性好、系统响应速度快、控制高精度，缺点是系统运算复杂、还需要电流与电压传感器设备配合，成本过高。

6 三相电压型PWM整流器控制发展趋势

6.1 新控制方法与集成控制方法

由于CSR控制方式可以采用多种复杂模式相组合，各具特点且适用范围也广泛，单独一种控制方法难以解决实际中遇到的所有问题，所以可将不同种类的控制方法融合到一起，形成一套集成式CSR控制方法，保留每种方式的优势，合理避开不足，这样集成后的控制系统能更具有高强的动静态性能。

首先把反步法控制與神经网络进行结合再引入到CSR控制中，能有效解决三相CSR非线性复杂对象在电网平衡条件下产生的控制问题;其次把逆控制与神经网络进行结合，形成神经网络逆控制后再引入到CSR控制中，它利用神经网络逆控制来靠近被控对象的逆模型组，以此来实现对CSR非线性系统的线性化解耦控制[4]。

6.2 脱离传感器设备控制

CSR控制系统中电流传感器的成本较高，这是造成发展缓慢的主要原因，所以摆脱传感器的制约也是目前主要的研究方向，取消CSR控制系统中的交流电压传感器设备，不仅能简化设计结构，还能降低控制系统的成本与安装费用。无传感器控制技术可采用观测器重构或者预测估算出网侧电压的电流，但要保持传感器的测试精度，还需要进一步研究替代设备。

7 结语

目前在实际应用中，虽然三相电压型PWM整流器控制有诸多优越性，但其不平衡性会引起网侧电流产生谐波，这样极易造成电网污染，因此要深入研究三相电压型PWM整流器控制的系统优化、智能控制方法。由于对三相电压型PWM整流器的研究需要搭建一套能处理复杂数学计算模型的完善系统，所以要先研制出适用的数学计算系统来辅助数据收集。研究智能控制策略需建立电流波形为正弦的非机理模型，这样就可实现整流器单位功率运行，所以对智能技术的开发研究会更符合实际需求。随着逆变控制技术和并网技术的发展，促使新能源技术被广泛使用，通过逆变控制策略和并网技术将实现三相电压型PWM整流器控制技术的快速优化升级。

参考文献：

[1]段昱臻，王洪希，张宇，等.三相电压型PWM整流器微分平坦控制研究（英文）[J].机床与液压，2020，48（24）：155

-160+167.

[2]林宏博，贾文超，贾卓.三相电压型PWM整流器控制策略研究[J].长春工业大学学报，2020，41（6）：573-580.

[3]张萌，王琪，王晨.高功率因数三相整流器研究[J].电子设计工程，2020，28（21）：56-59+64.

[4]李晖，梅成林，林明耀，等.一种新型三相电压型PWM整流器无差拍预测直接功率控制[J].电网技术，2021，45（2）：

689-695.