基于PR的單相PWM整流器電流控制研究

摘要：單相PWM整流器電流控制系統(tǒng)被控量為單相正弦量,無法像三相PWM整流器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)一樣,采用同步坐標(biāo)系下的直流PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的零靜差調(diào)節(jié)。本文將PR調(diào)節(jié)器應(yīng)用于單相PWM整流器網(wǎng)側(cè)正弦電流的控制,克服了單相交流系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的缺陷,減小了諧波含量。同時(shí)對單相PWM整流器控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果表明系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)電能轉(zhuǎn)換和電能的雙向流動,電源電壓、頻率及負(fù)載變化時(shí),網(wǎng)側(cè)電流均可以實(shí)現(xiàn)零靜差跟蹤給定正弦給定電流,同時(shí)直流側(cè)電壓有較好的穩(wěn)定性和抗干擾性。

　　1.引言

　　單相PWM 整流器由于其所用電力電子器件少、控制系統(tǒng)簡單而被廣泛應(yīng)用于電力機(jī)車 牽引[1]、可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電[2]、能量可雙向流動的級聯(lián)型多電平變頻器的有源前端[3]等。 PWM 整流器交流側(cè)電流有多種控制方法，例如，電流滯環(huán)控制、線性PI 控制、預(yù)測電 流控制等。電流滯環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)，但是它有開關(guān)頻率不固定，存在滯環(huán)寬度兩 倍的電流誤差等缺點(diǎn)[4]。

　　對于三相PWM 整流器，可將靜止ABC 坐標(biāo)系下的正弦電流轉(zhuǎn)換 到同步dq 坐標(biāo)系下的直流量進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)零靜差控制，但對于單相PWM 整流器，很難實(shí)現(xiàn)這種變換，PI 調(diào)節(jié)器無法實(shí)現(xiàn)電流的零靜差控制[2]，而預(yù)測電流控制的控制性能受被 控對象和給定預(yù)測電流的限制[5]。

　　本文針對以上問題，在單相PWM 整流器中引入PR 調(diào)節(jié)器進(jìn)行正弦電流控制，該方法 不需要坐標(biāo)變換，也不需要特別高的開關(guān)頻率就可以實(shí)現(xiàn)與dq 坐標(biāo)系下PI 控制相媲美的穩(wěn) 態(tài)及動態(tài)性能。國外已有文獻(xiàn)將PR 調(diào)節(jié)器應(yīng)用于電力機(jī)車牽引[1]和可再生能源并網(wǎng)發(fā)電[2] 中的單相PWM 變流器的控制，但國內(nèi)對此研究很少。本文結(jié)合能量可雙向流動的級聯(lián)型多 電平變頻器有源前端的具體要求，將PR 調(diào)節(jié)器用于其有源前端的控制，給出了單相電壓型 PWM 整流器的仿真模型，并對整流、逆變兩種工作模式，及負(fù)載和電網(wǎng)電壓、頻率變化等 情況進(jìn)行了仿真分析。

　　2.單相 PWM 整流器控制策略及系統(tǒng)仿真模型的建立

　　2.1 網(wǎng)側(cè)電流控制

　　圖1(a)為單相PWM 整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，單相PWM 整流器由交流回路、功率開關(guān)橋 路和直流回路等組成[6]。其中交流回路包括交流電源 us 、網(wǎng)側(cè)電感L 及其等效電阻R 等；直 流回路包括負(fù)載電阻 RL 等；功率開關(guān)橋路為電壓源型。通過控制交流電壓v 即可實(shí)現(xiàn)PWM 整流器的四象限運(yùn)行，其關(guān)鍵在于網(wǎng)側(cè)電流的控制[1]。
 

　　由圖 1(a)可得網(wǎng)側(cè)電流控制動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1(b)所示?？紤]開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻 率，為了便于分析忽略開關(guān)動作對系統(tǒng)的影響，將PWM 整流單元近似為一增益環(huán)節(jié)K ,其 中，G(s)為電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)。

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　　單相PWM 整流器的控制系統(tǒng)包括外環(huán)直流電壓控制和內(nèi)環(huán)正弦電流控制。要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè) 單位功率因數(shù)控制要求網(wǎng)側(cè)正弦交流電與電網(wǎng)電壓同頻同相，這里采用單相鎖相環(huán)檢測電網(wǎng) 電壓，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)側(cè)電流同步控制[8],由以上分析可得單相PWM 整流器控制系統(tǒng)的控制框圖如 圖2 所示。
 

　　圖2.單相PWM 整流器控制系統(tǒng)框圖

　　3.仿真及結(jié)果分析
 

　　圖 3 為仿真結(jié)果，從中可以看出網(wǎng)側(cè)實(shí)際電流可實(shí)現(xiàn)零靜差跟蹤給定正弦電流信號，且 可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，電網(wǎng)頻率波動時(shí)網(wǎng)側(cè)電流不受影響，仍可以實(shí)現(xiàn)零靜差跟蹤， 適當(dāng)選擇PR 調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以使其具有要求的帶寬，抑制電源頻率波動的影響。負(fù)載和網(wǎng) 側(cè)電壓變化時(shí)直流側(cè)電壓快速穩(wěn)定，該控制系統(tǒng)能對系統(tǒng)參數(shù)的變化能很快做出調(diào)整，動態(tài) 性能好。同時(shí)網(wǎng)側(cè)電流諧波含量小，畸變率小，減小了對電網(wǎng)的諧波污染。
 

　　4.結(jié)論

　　本文將PR 調(diào)節(jié)器用于單相PWM 整流器的電流控制，仿真結(jié)果表明該控制方案無需坐 標(biāo)變換即可以實(shí)現(xiàn)正弦電流的零靜差控制，同時(shí)，直流側(cè)電壓對電網(wǎng)電壓、頻率的變化和負(fù) 載的變化有較好的自動調(diào)節(jié)能力。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)單位率因數(shù)電能轉(zhuǎn)換和電能的雙向流動。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：將新型調(diào)節(jié)器PR 調(diào)節(jié)器應(yīng)用于單相正弦交流電流的零靜差調(diào)節(jié)，實(shí) 現(xiàn)并推導(dǎo)出單相PWM 整流器的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾性較好并給出了分析。