基于SVPWM三相電流源整流器的研究

彭詠龍，李亞斌，齊炳新

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

近幾年來(lái)，無(wú)功功率和諧波電流對(duì)電力系統(tǒng)的污染越來(lái)越嚴(yán)重，尤其是傳統(tǒng)的晶閘管相控整流器接入電網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的諧波污染和無(wú)功損耗［1］。所以，研究用PWM整流器來(lái)解決這一問(wèn)題已成為當(dāng)今的熱門課題。隨著大功率整流技術(shù)的發(fā)展，電流型PWM整流器(CSR)以其優(yōu)良的保護(hù)性能，快速的電流響應(yīng)優(yōu)點(diǎn)，成為了整流電源研究的主要途徑。傳統(tǒng)的三相電流型整流器(CSR)采用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)與采用三邏輯SPWM技術(shù)相比，空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)直流電流利用率高、開關(guān)器件損耗低、便于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)［2－3］。本文重點(diǎn)闡述、分析 SVPWM 電流源整流技術(shù)。

1 SVPWM的基本原理

典型的三相電流型PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中輸入端的三相LC濾波器一方面濾除整流側(cè)電流Iw中的高次諧波，另一方面輔助開關(guān)器件換流。直流電感的作用是使直流電流更平直［4－5］。

圖1 三相電流型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在正常工作時(shí)，為了保持直流側(cè)的電流持續(xù)，整流器上、下橋臂在任意時(shí)刻都必須有且僅有一個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通，因此共有9種開關(guān)狀態(tài)，這9種開關(guān)分別對(duì)應(yīng)如圖2所示的電流空間矢量，其中Ir為調(diào)制合成的電流空間矢量，稱其為參考矢量［6］。

由圖2可知，9種開關(guān)狀態(tài)有6個(gè)非零矢量和3個(gè)零矢量，6個(gè)非零矢量開關(guān)狀態(tài)可將整個(gè)平面分成6個(gè)扇區(qū)?？臻g矢量控制技術(shù)通過(guò)控制不同開關(guān)狀態(tài)的組合，可以合成一個(gè)任意的給定參考電流矢量Ir。對(duì)于特定扇區(qū)內(nèi)的指令電流矢量Ir，均可以由相鄰的兩個(gè)空間矢量組合而成。如果指令電流為對(duì)稱的正弦波電流，則指令電流矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡必為圓形軌跡。嚴(yán)格意義上說(shuō)，由于開關(guān)頻率和矢量組合的限制，指令電流的合成只能步進(jìn)速度旋轉(zhuǎn)，從而使合成電流矢量的軌跡為多邊形準(zhǔn)圓軌跡［7］。假設(shè)參考矢量電流位于第二扇區(qū)，即第二扇區(qū)的邊界矢量合成Ir。設(shè)電流矢量合成過(guò)程中的I1、I2各段矢量施加時(shí)間分別為 T1、T2，且 PWM 周期為TS，則T1I6+T2I2=IrTs。為了彌補(bǔ)TS和T1+T2之間的時(shí)間差，在T1、T2合成I的過(guò)程中需要插入零矢量，其作用時(shí)間為T0=Ts－T1－T2。

圖2 電流空間矢量

2 三相電流型SVPWM整流器調(diào)制信號(hào)的生成

2．1 判斷指令電流Ir所在扇區(qū)

對(duì)于三相對(duì)稱的指令電流，可以按其每60°劃分區(qū)間，一個(gè)工作周期被劃分為6個(gè)區(qū)間。此區(qū)間的劃分特點(diǎn)是在每個(gè)區(qū)間中保證有兩相電流的符號(hào)是相同的，而與另一項(xiàng)的符號(hào)相反，所以控制系統(tǒng)只需檢測(cè)三相指令電流的正與負(fù)就可以判斷參考電流所在的扇區(qū)，如圖3所示。具體計(jì)算過(guò)程如下:N=na+2nb+4nc

計(jì)算得到N與參考電流Ir所在扇區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，扇區(qū)選擇的仿真模型如圖4所示。

表1 N與扇區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖3 電流矢量扇區(qū)的判斷

圖4 扇區(qū)選擇仿真波形

2．2 選擇開關(guān)矢量及其作用順序

電流矢量是由構(gòu)成其所在扇區(qū)的兩個(gè)空間矢量In和In+1合成的，而零矢量的選取有三種可能，即I0=I7、I0=I8、I0=I9?；谝粋€(gè)開關(guān)周期中的功率開關(guān)管切換次數(shù)最少的準(zhǔn)則，即每一個(gè)切換過(guò)程中只有一個(gè)功率開關(guān)管通斷，以此確定選擇開關(guān)矢量的原則。不同扇區(qū)各矢量的選擇如表2所示。

表2 不同扇區(qū)矢量的選擇

2．3 計(jì)算開關(guān)矢量的作用時(shí)間

假定空間電流矢量指令I(lǐng)r處于第Ⅱ扇區(qū)，將空間參考電流矢量Ir分解到α，β軸，由圖4容易得到如下關(guān)系:

式中:T1、T2、T0分別為對(duì)應(yīng)矢量的作用時(shí)間，Ts為開關(guān)周期。

用同樣的方法可以計(jì)算出參考電流矢量在任意扇區(qū)的合成矢量開關(guān)作用時(shí)間。表3是不同扇區(qū)各矢量作用時(shí)間的計(jì)算結(jié)果。定義

表3 不同扇區(qū)矢量作用時(shí)間計(jì)算

T1、T2的計(jì)算仿真模型如圖5所示。

對(duì)于信號(hào)的輸出，根據(jù)PWM作用時(shí)間和所在的扇區(qū)輸出不同的矢量向量，與傳統(tǒng)的三角波相比，輸出更簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。

3 仿真驗(yàn)證

整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型利用Matlab/Simulink搭建完成，主要的參數(shù)設(shè)置為Ea=220 V，L=5 mH，R=0．5 Ω，C=30 μF，Ldc=150 mH，Rdc=1 Ω，開關(guān)頻率為3 kHz。

三相整流器系統(tǒng)的仿真模型如圖6所示，仿真結(jié)果波形如圖7所示。由圖7a、圖b可以看出，網(wǎng)側(cè)相電流經(jīng)過(guò)電感和電容濾波后，電流波形接近正弦波，諧波含量小，且與電源電壓同相位，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)運(yùn)行。圖7c、圖d顯示了給定電流從100 A到160 A直流電流和交流電流的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。直流電力可以平穩(wěn)過(guò)度，交流電流由于交流LC濾波器的存在，經(jīng)過(guò)微小的震蕩也能夠過(guò)度到穩(wěn)定的狀態(tài)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了此整流器符合單位功率因數(shù)運(yùn)行、輸出直流電流穩(wěn)定的設(shè)計(jì)要求。

圖5 向量開關(guān)時(shí)間計(jì)算仿真模型

圖6 三相整流器系統(tǒng)仿真模型

圖7 電流波形

4 結(jié)束語(yǔ)

分析了三相電流型PWM整流器的基本原理，并且進(jìn)一步闡述了三相電流型整流器的SVPWM控制策略。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略是可行的，能夠達(dá)到網(wǎng)側(cè)電流的功率因數(shù)運(yùn)行和低諧波畸變率，與SPWM相比，具有直流電流利用率高、計(jì)算簡(jiǎn)便、易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

［1］張春雨，李和明．一種基于SVPWM三想CSR的控制策略［J］．電力電子，2006(1):32－35．

［2］余勇，張興，劉正之．大功率電流源型PWM AC－DC建模與解耦控制［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(5):45 －48．

［3］蘇娟莉，張雙運(yùn)，靳小軍．PMSM控制系統(tǒng)中SVPWM與SPWM的比較研究［J］．西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，9(2):55－58．

［4］胡開埂，楊貴杰．基于DSP的三相PWM可控整流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．電力電子，2007，24(10):51 －54．

［5］周憲英，宋偉健，黃越平．基于SVPWM的高功率因數(shù)整流器研究［J］．海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，25(1):27 －30．

［6］魏學(xué)森，劉志強(qiáng)，王娜．基于空間電壓矢量脈寬調(diào)制的單位功率因數(shù)整流器［J］．電氣傳動(dòng)，2003，4:40 －43．

［7］張崇巍，張興．PWM整流器及其控制［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．