三相电流型整流器空间矢量调制仿真研究

三相电流型整流器空间矢量调制仿真研究肖永涛１，朱　理２（１．湖南人文科技学院，湖南娄底　４１７０００；２．湖南信息职业技术学院，湖南长沙　４１０２００）摘　要：相对于传统的电压型ＰＷＭ整流器而言，电流型ＰＷＭ整流器用于电机驱动具有动态响应快，便于实现再生制动和四象限运行，限流能力强，短路保护可靠性高，能在宽范围内精确控制转矩和速度等优点，在小、中等功率得到广泛的应用。利用三相电压型整流器（ＶＳＲ）的电压空间矢量调制技术（ＳＶＭ）实现三相电流型整流器（ＣＳＲ）的三逻辑空间矢量调制，对其数学模型进行了推导，并利用Ｍａｔｌａｂ建立了系统的仿真模型。仿真结果证明了该方法的有效性，实现了电流型整流器交流侧的单位功率因数和直流侧电流的平稳运行，对电力无功补偿和谐波抑制具有很好的效果。关键词：电压型整流器；电流型整流器；空间矢量调制（ＳＶＭ）；单位功率因数中图分类号：ＴＮ９１９３４；ＴＭ３４１　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１００４３７３Ｘ（２０１０）２４０２０００３ＳｔｕｄｙｏｆＳｐａｃｅＶｅｃｔｏｒＭｏｄｕｌａｔｉｏｎｆｏｒＴｈｒｅｅｐｈａｓｅＣｕｒｒｅｎｔＲｅｃｔｉｆｉｅｒＸＩＡＯＹｏｎｇｔａｏ１，ＺＨＵＬｉ２（１．ＨｕｎａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＨｕｍａｎｉｔｉｅｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｏｕｄｉ４１７０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＨｕｎａｎＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１０２００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＣｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｖｏｌｔａｇｅｓｏｕｒｃｅＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｏｕｒｃｅＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒｕｓｅｄｆｏｒｍｏｔｏｒｄｒｉｖｅｈａｓｆａｓｔｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｅａｓｙｔｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇａｎｄｆｏｕｒｑｕａｄｒａｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｃｕｒｒｅｎｔｌｉｍｉｔｉｎｇｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｓｈｏｒｔｃｉｒｃｕｉｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｗｉｄｅｒａｎｇｅｉｎｐｒｅｃｉｓｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｏｒｑｕｅａｎｄｓｐｅｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｓｍａｌｌａｎｄｍｅｄｉｕｍｐｏｗｅｒａｒｅａｓ．Ｔｒｉｌｏｇｉｃｓｐａｃｅｖｅｃｔｏｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆ３ｐｈａｓｅｃｕｒｒｅｎｔｓｏｕｒｃｅｒｅｃｔｉｆｉｅｒ（ＣＳＲ）ｉｓｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｂｙｓｐａｃｅｖｅｃｔｏｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＳＶＭ）ｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｖｏｌｔａｇｅｓｏｕｒｃｅｒｅｃｔｉｆｉｅｒ（ＶＳＲ）．ＴｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｓｄｅｒｉｖｅｄａｎｄａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙＭＡＴＬＡＢ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｏｂｔａｉｎｔｈｅｕｎｉｔｙｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒａｎｄｈａｓｂｅｔｔｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｎｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎａｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｏｌｔａｇｅｓｏｕｒｃｅｒｅｃｔｉｆｉｅｒ；ｃｕｒｒｅｎｔｓｏｕｒｃｅｒｅｃｔｉｆｉｅｒ；ｓｐａｃｅｖｅｃｔｏｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ收稿日期：２０１００７２００　引　言随着电力电子装置在工业市场和应用领域的不断扩大，特别是电力变换器的大功率化，带来了谐波污染、无功功率损耗等问题。电力电子装置的谐波污染问题成为电气工程领域关注的焦点问题之一［１２］。ＰＷＭ整流器可以实现交流侧电流正弦化，且运行于单位功率因数或者功率因数可调，谐波含量很小，被称之为“绿色电能变换器”。在ＰＷＭ整流器研究的基础上，先后对电流型ＰＷＭ整流器的数学模型，电流型ＰＷＭ整流器的直接电流控制中的空间矢量调制技术，介绍了三相电流型ＰＷＭ整流器的数学模型。研究了电流型ＰＷＭ整流器的直接电流控制，提出了电流型ＰＷＭ整流器三逻辑ＳＰＷＭ实现的一种新方法，利用三相电压型整流器（ＶＳＲ）的电压空间矢量调制技术（ＳＶＭ）实现三相电流型整流器（ＣＳＲ）的三逻辑空间矢量调制，实现电流型整流器交流侧的单位功率因数和直流侧电流的平稳运行。１　三相电流型ＰＷＭ整流器的数学模型１．１　电流型ＰＷＭ整流器在低频下的数学模型电流型ＰＷＭ整流器又称为Ｂｕｃｋ型整流器，交流侧由Ｌ，Ｃ组成二阶低通滤波器，以滤除交流侧电流中的开关谐波；直流侧接大电感，使直流侧电流近似为平滑的直流。开关器件由可控器件与二极管串联组成以提高器件的反向阻断能力。与电压型ＰＷＭ整流器相似，电流型ＰＷＭ整流器具有四象限运行的能力。三相电流型ＰＷＭ整流器的等效电路如图１所示［３４］。图１　三相电流型ＰＷＭ整流器低频等效电路图分析三相电流型ＰＷＭ整流器时假定三相电路完００２控制与测试肖永涛等：三相电流型整流器空间矢量调制仿真研究全对称，开关元件是理想的，并且开关频率远大于电网频率，电感线性，考虑电感的内阻，设交流侧滤波电感Ｌａ＝Ｌｂ＝Ｌｃ＝Ｌ，电感和线路的内阻Ｒａ＝Ｒｂ＝Ｒｃ＝Ｒ，Ｃ为交流侧滤波电容。Ｌｄｃ，Ｒｄｃ为直流侧滤波电感参数和负载等效电阻。ｎ为电网中点，Ｎ为三相电容的中点［５］。１．２　电流型ＰＷＭ整流器在高频下的数学模型前述的电流型ＰＷＭ整流器的低频数学模型是基于状态空间平均意义上的模型，这对于控制系统的研究是至关重要的。但是，低频模型忽略了与开关函数有关的高次谐波，不能反映整流器的开关过程，因而不能据此深入地讨论整流器本身的工作机理和调制特性。下面分析三相电流型ＰＷＭ整流器的高频模型［６７］。电流型ＰＷＭ整流器的上、下桥臂在任意时刻都必须有且仅有一个开关管导通，为了在三相电流型ＰＷＭ整流器数学模型中体现ＰＷＭ开关状态对整流器瞬态电路特性的影响，引入三值逻辑开关函数Ｓｊ，且定义：Ｓｊ＝１，下桥臂导通０，桥臂全通或关断－１，烅烄烆下桥臂导通其中，ｊ＝ａ，ｂ，ｃ。电流型ＰＷＭ整流器交流输入电流与直流电流的关系为：ｉｐｊ＝ｉｄｃＳｊ（１）　　忽略开关器件的功率损耗，由功率守恒定理，整流器交流输入侧的瞬时有功功率与直流侧的输出瞬时有功功率平衡，即：ｖｃａｉｐａ＋ｖｃｂｉｐｂ＋ｖｃｃｉｐｃ＝ｖｄｃｉｄｃ（２）得：ｖｄｃ＝ｖｃａＳａ＋ｖｃｂＳｂ＋ｖｃｃＳｃ（３）　　由图１及式（２），式（３）可以得到基于开关函数描述的三相电流型ＰＷＭ整流器的一般数学模型为：Ｌｄｉｓｊｄｔ＝ｅｊ－ｖｃｊ－ｉｓｊＲＣｄｖｃｊｄｔ＝ｉｓｊ－ＳｊｉｄｃＬｄｃｄｉｄｃｄｔ＝　　　　∑ｊ＝ａ，ｂ，ｃｖｃｊＳｊ－ｉｄｃＲ烅烄烆ｄｃ（４）式中：ｊ＝ａ，ｂ，ｃ。２　电流型ＰＷＭ整流器的调制策略对电流型ＰＷＭ整流器，输入电流的控制是整个系统控制的核心，选用合适的直接电流控制策略可以获得理想的稳态和动态电流控制效果。在研究直接电流控制时，实现了电流型ＰＷＭ整流器的三逻辑ＳＶＭ调制或电流空间矢量的直接ＳＶＭ调制［８］。利用三相电压型ＰＷＭ整流器的电压空间矢量调制（ＳＶＭ）技术实现三相电流型ＰＷＭ整流器的电流空间矢量调制技术，即二逻辑ＳＶＭ转化为三逻辑ＳＶＭ技术。验证了这种ＳＶＭ实现方法的可行性和合理性。电流型ＰＷＭ整流器的６个开关管总共有９种开关状态，零开关状态对应３种开关模式７，８和９。与电压型整流器类似，电流型整流器的９个开关状态构成的电流空间矢量如图２所示。Ｉｒ为调制波合成的空间电流参考矢量。图２　电流型ＰＷＭ整流器的空间矢量分布由图２可知，电流型ＰＷＭ整流器的空间矢量超前电压型ＰＷＭ整流器相应的空间矢量３０°（如Ｉ１超前Ｕ１３０°，依次类推）。因此就相位关系而言，可将电流型ＰＷＭ整流器的空间矢量看作是电压型ＰＷＭ整流器空间矢量的线信号。若将三相电压型ＰＷＭ整流器的每相桥臂对的开关函数重新定义为＋１表示开通、－１表示关断，则任一时刻此二逻辑ＳＶＭ信号可以构造出满足电流型ＰＷＭ整流器要求的三逻辑ＳＶＭ信号［９１０］。按此方法，电压型ＰＷＭ整流器参考电压位于第Ｉ扇区的二逻辑ＳＶＭ可以变换为电流型ＰＷＭ整流器参考电流位于第Ⅱ扇区的三逻辑ＳＶＭ，其他各扇区以此类推，不再赘述。３　控制系统仿真模型［４］三相电流型ＰＷＭ整流器有２个被控变量：直流侧电流和网侧电流。直流电流的控制目标主要是要求整流器直流侧提供恒定的直流电流，为此要求Ｉｄｃ控制具有良好的抗扰性能；而交流电流的控制目标主要是实现整流器网侧电流的正弦波控制，甚至要求网侧电流与电压同相位，因此网侧电流的控制更侧重电流的跟随性能［４］。因此，为了实现整流器输出直流电流的恒定和输入端接近单位功率因数，三相电流型ＰＷＭ整流器的控制实际上是一个双环控制系统。外环是直流电流控制环，其目的一般是保持Ｉｄｃ的恒定。在直流电流环中，采样的直流电流与给定值进行比较，产生的误差经过ＰＩ调节后，输出作为整流器的网侧电流峰值指令Ｉｓｍ，将Ｉｓｍ与同步信号（单位幅值正弦波）相乘，作为网侧电流１０２《现代电子技术》２０１０年第２４期总第３３５期　电源技术指令信号ｉｓｙ，由ｉｓｙ和ｉｓｙ经过一定的控制策略组成交流电流控制环，其目的是要求网侧电流ｉｓｙ跟踪给定电流ｉｓｙ，也实现了网侧电流对网侧电压的相位跟踪［６］。整个控制电路如图３所示（只画了Ａ相的控制电路）［５］。根据电流型整流器ＳＶＰＷＭ控制图，对整个控制系统在ＭＡＴＬＡＢ的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下进行仿真。４　仿真结果分析在此对上述２种实现电流型ＰＷＭ整流器的ＳＶＭ方式进行了仿真研究。电路的仿真参数如下：ｅＡ＝２２０Ｖ，Ｌ＝１５ｍＨ，Ｒ＝０．５Ω，Ｃ＝５０μＦ，Ｌｄｃ＝３００ｍＨ，Ｒｄｃ＝１５Ω，直流电流给定值Ｉｄｃ＝１０Ａ。开关频率ｆ＝３ｋＨｚ。图３　电流型整流器ＳＶＰＷＭ控制图图４表示直流端电流的变化情况，图５表示交流端Ａ相电压和电流的变化情况。由图５可以看出，电流和电压基本同相位，表明利用二逻辑ＳＶＰＷＭ实现的三逻辑ＳＶＰＷＭ是完全可行的。仿真结果表明应用三逻辑ＳＰＷＭ调制技术可以很好的实现电流型整流器交流侧的单位功率因数，并且性能良好，且直流端电流稳定在给定值１０Ａ左右。图４　直流端电流变化情况图５　交流端电压、电流变化情况５　结　语在此分别从低频和高频的角度，建立了三相电流型ＰＷＭ整流器在三相静止坐标系、两相静止坐标系的数学模型。利用三相电压型整流器（ＶＳＲ）的电压空间矢量调制技术（ＳＶＭ）实现三相电流型整流器（ＣＳＲ）的三逻辑空间矢量调制，并实现了电流型整流器交流侧的单位功率因数和直流侧电流的平稳运行。仿真结果证明了该方法的有效性。参　考　文　献［１］李玉玲，张仲超．三相电流型整流器的空间矢量调制技术研究［Ｊ］．电力系统及自动化学报，２００５，１７（１）：４１４４．［２］魏学森，刘志强，王娜．基于空间电压矢量脉宽调制的单位功率因数整流器［Ｊ］．电力传动，２００３，３３（４）：４０４３．［３］卫三民，孙旭东，刘丛伟．串联Ｈ桥多电平变频器电压空间矢量控制算法［Ｊ］．清华大学学报，２００３，４３（３）：３６６３６８，３７２．［４］李玉玲，鲍建宇，张仲超．电流型变流器的改进模型预测控制［Ｊ］．控制理论与应用，２００５，２２（６）：１３．［５］程善美，姜向龙．ＳＩＭＵＬＩＮＫ环境下空间矢量ＰＷＭ的仿真［Ｊ］．电气自动化，２００２，２４（３）：３９４１．［６］卢至锋，张波，邓卫华．三相电压型ＰＷＭ整流器非线性解耦控制研究［Ｊ］．电力电子技术，２００５，３９（１）：４０４４．［７］冷海滨，林忠岳，孙洪亮．新型ＰＷＭ整流器的研究［Ｊ］．技术探讨与研究，２００６，４（２）：１５２２．［８］卢至锋，张波，邓卫华．三相电压型ＰＷＭ整流器非线性解耦控制研究［Ｊ］．电力电子技术，２００５（２）：２１２５．［９］邓卫华，张波，丘东元，等．三相电压型ＰＷＭ整流器状态反馈精确线性化解耦控制研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２