單相PWM整流器直接電流控制策略的研究

1.前言

隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率電子設備的應用越來(lái)越廣泛，致使大量的非線(xiàn)性負載涌入電網(wǎng)，給電力系統的電壓和電流都帶來(lái)了越來(lái)越嚴重的諧波污染。而PWM整流器提高了系統的功率因數，降低了對電網(wǎng)的諧波污染，得到了人們的重視。

根據輸入電感電流狀態(tài)PWM整流器可分為電流斷續工作模式(DCM)和電流連續工作模式(CCM)，由于CCM模式具有輸入輸出電流紋波小、濾波容易、器件導通損耗小、適用于大功率場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn)，得到了更多地關(guān)注。在CCM模式中，根據是否直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋量，又可分為直接電流控制和間接電流控制。間接電流控制結構簡(jiǎn)單、無(wú)需電流傳感器，但是它最大的缺點(diǎn)是電流動(dòng)態(tài)響應緩慢，甚至交流側電流中含有直流分量，且對系統參數波動(dòng)較敏感。相對于間接電流控制，直接電流控制把整流器的輸入電流作為反饋和被控量，形成電流閉環(huán) 控制，使電流動(dòng)、靜態(tài)性能得到了提高，同時(shí)也使網(wǎng)側電流控制對系統參數不敏感，從而增強了電流控制系統的魯棒性。所以，直接電流控制技術(shù)有著(zhù)非常廣闊的應用前景和使用價(jià)值。

2.單相電壓PWM整流器原理框圖

單相電壓型PWM整流器的拓撲結構如圖1所示，它主要由三部分組成：交流回路、功率開(kāi)關(guān)橋路、直流回路。其中交流回路包括交流電動(dòng)勢UN 、網(wǎng)側電阻RN 及網(wǎng)側電感LN 等;直流回路包括由電感L2和電容C2組成的串聯(lián)諧振電路用來(lái)濾除電網(wǎng)的2次諧波分量、濾波電容Cd 及負載 RL等;功率開(kāi)關(guān)橋路由四個(gè)反并聯(lián)二極管的IGBT組成。

單相PWM逆變器的控制思路是：在保證直流側電壓穩定的情況下，使交流側的電流與電壓盡可能的保持同相位，從而使交流側的功率因數為1.

3.單相PWM整流器直接電流控制技術(shù)分析

直接電流控制根據控制方式的不同，又可分為滯環(huán)電流控制、峰值電流控制、預測電流控制、平均電流控制、狀態(tài)反饋控制單周控制等。

3.1 峰值電流控制

峰值電流控制的原理是實(shí)時(shí)比較實(shí)際電流和指令電流瞬時(shí)值的大小，指令電流值是實(shí)際電流的上限，實(shí)際電流一旦達到這個(gè)上限，立刻轉而向下衰減，電感值的大小，線(xiàn)路的阻抗和脈寬調制的開(kāi)關(guān)頻率影響了這一衰減的最終值。其控制原理框圖如下圖2所示。

峰值電流的優(yōu)點(diǎn)：①暫態(tài)閉環(huán)響應較快，對輸入電壓的變化和輸出負載的變化的瞬態(tài)響應均快;②控制環(huán)易于設計;③輸入電壓的調整可與電壓模式控制的輸入電壓前饋技術(shù)相妣美;④簡(jiǎn)單自動(dòng)的磁通平衡功能;⑤瞬時(shí)峰值電流限流功能，即內在固有的逐個(gè)脈沖限流功能;⑥自動(dòng)均流并聯(lián)功能。缺點(diǎn)有：①占空比大于5%時(shí)開(kāi)環(huán)不穩定性，峰值電流與平均電流的誤差難以校正;②閉環(huán)響應不如平均電流模式控制理想;③占空比大于0.5時(shí)系統產(chǎn)生次諧波振蕩;④對噪聲敏感，抗噪聲性差;⑤電路拓撲受限制;⑥對多路輸出電源的交互調節性能不好。

3.2 滯環(huán)電流控制

滯環(huán)電流控制方式作為峰值電流控制方式的改進(jìn)，只是增加了一條限制電流衰減的下限。其原理仍然是指令電流和實(shí)際電流的實(shí)時(shí)值比較，實(shí)際電流達到上限指令電流，隨即轉入衰減，衰減至下限指令電流，重新開(kāi)始上升，如此反復，實(shí)際電流將是一條在上下限指令電流跳動(dòng)的鋸齒波。

其控制原理圖如圖3所示，圖中將指令電流i *和實(shí)際電流i進(jìn)行比較，兩者的偏差△ i 作為滯環(huán)比較器的輸入，通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制電路主電路中開(kāi)關(guān)通斷的PWM信號，該PWM信號經(jīng)驅動(dòng)電路控制功率器件的通斷，從而控制電流i 的變化。

滯環(huán)電流控制的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，實(shí)現容易，具有很強的魯棒性和快速動(dòng)態(tài)響應能力。缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率不固定，濾波器設計困難，需要對電感電流全周期的檢測和控制。

3.3 平均電流控制

平均電流控制的工作原理是將電感電流信號與鋸齒波信號相加，當兩信號之和超過(guò)基準電流時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，當其和小于基準電流時(shí)，開(kāi)關(guān)管導通。取樣電流來(lái)自實(shí)際輸入電流而不是開(kāi)關(guān)電流。其控制原理圖如圖4.

平均電流控制的優(yōu)點(diǎn)是：①平均電感電流能夠高度精確地跟蹤電流編程信號;②調試好的電路抗噪聲性能優(yōu)越;③適合于任何電路拓撲對輸入或輸出電流的控制;④易于實(shí)現均流。缺點(diǎn)是：①電流放大器在開(kāi)關(guān)頻率處的增益有最大限制;②雙閉環(huán)放大器帶寬、增益等配合參數設計調試復雜。

3.4 預測電路控制

預測電流控制的原理是在每個(gè)調節周期開(kāi)始時(shí)通過(guò)對輸入、輸出電壓和輸入電流的采樣，根據實(shí)際電流和參考電流的誤差，選擇優(yōu)化的電壓矢量作用于下一個(gè)周期，使實(shí)際電流在一個(gè)周期內跟蹤上參考電流，實(shí)現穩態(tài)無(wú)誤差。預測電流控制原理框圖如圖5所示，其中Uref為給定電壓，Udc 為直流側反饋電壓。

這種控制的優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)關(guān)頻率固定，動(dòng)態(tài)性能良好，電流諧波小，器件開(kāi)關(guān)應力小，數字實(shí)現簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：要求較高的采樣頻率和開(kāi)關(guān)頻率，在低的采樣頻率下，會(huì )產(chǎn)生周期性的電流誤差。

3.5 無(wú)差拍控制

無(wú)差拍控制是一種在電流滯環(huán)比較控制技術(shù)基礎之上發(fā)展起來(lái)的全數字化控制技術(shù)，利用前一時(shí)刻的電流參考值和各種開(kāi)關(guān)狀態(tài)下變流器的電流輸出值，根據空間矢量理論計算出整流器下一時(shí)刻應滿(mǎn)足的開(kāi)關(guān)模式，選擇這種開(kāi)關(guān)模式作為下一時(shí)刻的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而達到電流誤差等于零的目標。采用無(wú)差拍控制的優(yōu)點(diǎn)數學(xué)推導嚴密、跟蹤無(wú)過(guò)沖、動(dòng)態(tài)性能好，易于計算機執行，可以消除穩態(tài)誤差，并在最短的時(shí)間內結束過(guò)渡過(guò)程但它也存在魯棒性較差、瞬態(tài)響應超調量大、計算實(shí)時(shí)性強因而對硬件要求很高等缺點(diǎn)。隨著(zhù)數字信號處理器應用的不斷普及，這是一種很有前途的控制方法。

3.6 狀態(tài)反饋控制

狀態(tài)反饋控制是針對電流型可逆整流器輸入濾波器容易出現振蕩以消除振蕩的控制方式。其控制原理圖如下圖6.

4.結語(yǔ)

直接電流控制是單相高功率因數整流器的主要控制方式，也是我們以后研究的重心。利用各種控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，采用多種控制策略相結合，形成互補關(guān)系，達到理想的效果，這也是控制技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。新的直接電流控制策略的研究將是另一個(gè)方向。隨著(zhù)數字信號處理器的普遍應用和人工智能技術(shù)的逐漸成熟。數字控制和智能控制也將是我們研究的目標，這將是直接電流控制技術(shù)的發(fā)展的主流。