基于电压空间矢量的三相PWM整流器控制研究卢剑涛，王耀南，陈继华（湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082）摘要：首先建立了三相电压型PWM整流器的数学模型，并对其矢量控制策略进行了分析，在此基础上提出了一种简单的电压空间矢量算法，该算法根据参考电压矢量在 坐标系上的分量直接计算电压空间矢量在各个扇区内的作用时间，实验结果验证了本文所提出控制算法的可行性。关键词：整流器；PWM；空间矢量中图分类号：文献标识码：Control Research Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)Abstract: The mathematical model control strategy is analyzed in detail. A simple algorithm is proposed based frame. At last, experimental results verified the proposed scheme.Keywords：rectifier； PWM；space vector0 引言三相电压型PWM整流器（voltage source rectifier, 简称VSR）与传统的二极管整流器和可控硅整流器相比，具有交流侧输入、输出电流谐波分量小、功率因数可调、直流侧电压波动小、能量可以双向流动等优点。近几年来，无论是在理论上的研究还是工程上的具体应用都获得了广泛的关注。目前，PWM整流器的控制主要分为间接电流控制和直接电流控制两种。间接电流控制[1]以相幅控制为代表，优点是控制简单，一般无需电流反馈控制，但是由于对电流的动态响应慢，甚至交流侧电流含有直流分量，而且对系统参数的波动较为敏感，使得间接电流控制的应用范围较窄。直接电流控制[2]以快速电流反馈控制为特征，如滞环电流控制、固定开关频率控制和空间矢量控制等。本文先简要介绍了整流器的工作原理，较详细地给出了通用的矢量控制方案，在此基础上介绍了一种跟踪指令电压矢量的SVPWM电流控制策略，并对其性能进行了分析和仿真研究。1 PWM整流器工作原理三相电压型高功率因数整流器的主电路结构如图1所示。主要包括交流侧的电感、电阻、直流电容以及由全控开关器件和续流二极管组成的三相整流电路。 为电源电压， 为负载电阻。图1 三相PWM整流器主电路图三相VSR的数学模型为 （1）式中， 为开关函数， 第i相上管导通； 第i相下管导通，i＝a，b，c。图2是整流器a相输入电压 、输入电流 、交流侧控制电压 间的向量图。图2(a)中，整流器工作在单位功率因数整流状态，电流矢量 与电压矢量 平行且同向，此时整流器网侧呈现正电阻特性，负载从电网吸收有功功率。图2(b)图中，整流器工作在单位功率因数逆变状态，电流矢量 与电压矢量 平行但反向，此时整流器网侧呈现负电阻特性，负载向电网释放有功功率。(a)整流(b)逆变图2 整流器矢量图2 矢量控制策略研究三相静止对称坐标系中的VSR一般数学模型虽然具有物理意义清晰、直观等特点，但是在这种数学模型中，VSR交流侧均为时变交流量，不利于控制系统设计。通过坐标变换将三相对称静止坐标系转换成以电网基波频率同步旋转的(d,q)坐标系，三相VSR一般数学模型也转换成三相VSR dq模型。（2）式中， 、 是电网电动势矢量 的d、q分量， 、 是三相VSR交流侧电压矢量 的d、q分量， 、 是三相VSR交流侧电流矢量 的d、q分量。引入微分算子p，则模型可以表述为[3]（3）忽略三相VSR桥路自身损耗，则三相VSR交流侧有功功率 应与桥路直流侧功率 相等，即 而 （4）（5）由式(2)、(4)、(5)可得（6）如果需要考虑损耗时，只需适当减小交流侧负载电阻 进行等效。选取q轴与电网电动势矢量 重合，则q轴表示有功分量参考轴，而d轴表示无功分量参考轴。三相VSR控制系统设计采用双环控制，电压外环主要控制三相VSR直流侧电压，电流内环按照电压外环输出的电流指令进行电流控制，实现单位功率因数正弦波电流控制。（7）（8）式中, 、 是电流内环的比例调节增益喝积分调节增益， 、 为电流 、 的指令值。 如图3所示，给定指令电压 与实际直流侧电压 比较后经PI调节器得到电流有功分量指令 ， 、 与交流实际电流比较后经PI环得到指令电压 、 ，作为SVPWM控制的指令电压。3 SVPWM控制三相VSR不同开关组合时的交流侧电压可以用一个模为 的空间电压矢量在复平面上表示出来，由于三相VSR开关是双电平控制，其空间电压矢量只有23＝8种，且U 0(0,0,0)、U7(1,1,1)为零矢量[4]。图4 三相VSR空间电压矢量分布复平面上的三相VSR空间电压矢量Uk可以定义为： (9)由图3可知，三相VSR电流环调节运算确定后，三相VSR电流跟踪控制的指令电压矢量 也就被确定，可以利用三相VSR空间电压矢量 （k＝0,…,7）来合成 ，以实现VSR电流控制。当矢量 处于三相VSR电压矢量空间任一区域时，若矢量 与 轴夹角为 ， ，矢量 与所在三角形区域起始边界矢量 (k=1,…,6)的夹角为 ，则 ，k可以由以下方程求得[5]： (10)其中，k取1,…,6。图5矢量的合成则对于任意 ，设其位于k区，则 可由 和 两矢量合成，施加时间分别为 和 ，矢量作用周期为 [6]。为保证较高的矢量 合成精度，如图5所示，采用双三角形合成方案，可得可以求得(11)其中， 。将零矢量周期分成三段，其中矢量 的起、终点上均匀地分布矢量 ，而在矢量 中点处分布 ，且 。对应的三相PWM如图6所示，其中矢量 和 放置先后顺序以开关次数最少为准，各扇区开关矢量分配如表1所示。表1 各扇区开关矢量分配表扇区 开关矢量Ⅰ 000 100 110 111 111 110 100 000Ⅱ 000 010 110 111 111 110 010 000Ⅲ 000 010 011 111 111 011 010 000Ⅳ 000 001 011 111 111 011 001 000Ⅴ 000 001 101 111 111 101 001 000Ⅵ 000 100 101 111 111 101 100 0004 实验结果根据上述方案，采用双闭环矢量控制，外环采用PI控制，内环采用空间矢量调制。主电路IGBT采用富士公司的1200 V25 A IPM智能功率模块6MBP25RA120，内部集成了驱动电路，具有过压、过流、过热保护。控制回路采用TI公司的TMS320F240作为主控芯片。交流侧输入电压有效值100 V，频率50 Hz，主回路电感L＝6 mH，R＝0.3，直流侧电容C＝2200 F，直流侧电压Udc=250 V。开关频率为10 kHz。图7 网侧a相相电压和相电流波形 图8 直流侧输出电压波形从图7可以看出稳态时三相电压型PWM整流器交流侧电流为正弦波且同电源电压同相位、功率因数为1，图8显示稳态直流输出电压与给定值吻合。5 结论为达到三相电压型PWM整流器低谐波、高功率因数、快速动态响应及能力双向流动的要求，本文在矢量解耦控制的基础上，从功率平衡的理论出发，得到一阶惯性模型，从而得到整个系统的频域模型，利用输入电压空间矢量定向，根据参考电压计算矢量所在的扇区和作用时间，简化了整个系统的计算，最后的实验结果验证了控制算法的有效性。参考文献：[1] Wu R, Dewan S B, Slemon G R. Analysis with phase and amplitude control[J]. IEEE Trans， 1991,27: 355-364.[2] Zargari Performance invest- tigation trial Electronics Society, 1993: 1193-1197.[3] 张崇巍, 张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2003.[4] Chern-Lin Chen, he-Ming Lee, Rong-Jie Tu, etal. A 1999, 46(3): 512-515.[5] 张兴,张崇巍.PWM可逆变流器空间电压矢量控制技术的研究[J].中国电机工程学报, 2001(10): 102-105.[6] 杨德刚，刘润生，赵良炳.三相高功率因数整流器的电流控制[J].电工技术学报,2004(4): 83-87.

作者简介：卢剑涛（1979-），男，湖南大学电气与信息工程学院硕士研究生，主要研究方向为电力电子传动系统的智能控制、新能源发电与控制技术。王耀南（1957-），男，湖南大学电气与信息工程学院院长，教授，博士生导师，主要研究方向为智能控制理论与应用、数字图像处理等。联系方式卢剑涛，通讯地址：湖南大学电气与信息工程学院，邮编 410082，电话号码 13874801349，电子邮箱 jiantaolu@tom.com