PWM整流器瞬时功率PI控制与电流解耦控制

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PWM整流器分类介绍

工作原理：
• 在系统瞬时功率不变的前提下，将三相静止坐标系下的整流桥相电压变换到两相静止坐标系下（即3/2变换），用一个模为2Uo/3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，电压矢量只有2*2*2 = 8种，其中Uo (0 ，0，0)、U7 (1, 1,1) 为零矢量，其余6个非零矢量对称均匀分布在复平面上。在每个开关周期中对任何给定空间电压矢量U均可用相邻两个有效开关矢量和零矢量来等效。 • 在一个载波周期内，开关管的导通总是以零矢量开始并以零矢量结束。
•
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，，将与同步信号(单位幅值正弦波) 相乘，作为网侧电流指令信号，由及组成交流电流控制环，其目的是要求网侧电流跟踪给定电流，也即实现了网侧电流对网侧电压的相位跟踪。
3 .PWM整流器的分类
• （1）按输出滤波方式分为：电压型和电流型；电流型PWM整流器输出端采用串联滤波电感以维持输出电流低纹波，具有近似电流源的特性。电流型PWM整流器又称为Buck型整流器，如图2-1所示。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扩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.
• 以下将详细介绍: • （１）基于虚拟磁链的电压型PWM整流器直接功率控制：

四象限变流器的空间矢量解耦控制

四象限变流器的空间矢量解耦控制冷旭东【摘要】本文介绍一种新型的基于空间矢量调制的三相电压型四象限变流器解耦控制,给出了基于虚磁链的功率估算式,设计了功率调节器参数,对有功功率调节器和无功调节器之间的相互耦合影响关系做了分析,并做了仿真研究。

研究和分析表明,三相电压型四象限变流器基于空间矢量调制的解耦控制系统具有结构和算法简单、高功率因数、低谐波、开关频率固定等优点。

%This paper introduces a novel decoupling control for four quadrant converter. The active and reactive powers are used as the pulse width modulated （PWM） control variables instead of the three-phase line currents being used. Moreover, line voltage sensors are replaced by a virtual flux estimator. The theoretical principle of this method is discussed. The results of exhibits several features, such as a simple algorithm, good dynamic response, constant switching frequency, and particularly it provides sinusoidal line current when supply voltage is not ideal.【期刊名称】《电气技术》【年(卷),期】2012(000)002【总页数】4页(P39-41,69)【关键词】四象限变流器;解耦控制;虚磁链;空间矢量【作者】冷旭东【作者单位】深圳市泰昂能源科技股份有限公司,广东深圳518057【正文语种】中文【中图分类】TM615与感应电机磁场定向的直接转矩控制相似，三相四象限变流器基于电压的解耦控制[1]和基于虚拟磁链定向的解耦控制[2]是通过直接对整流器输入输出功率进行控制，即通过估算功率和给定功率的偏差来实时确定开关状态的选择，以实现整流器直流侧和网侧能量的平衡。

直驱式风力发电PWM整流电路设计(硬件)王汐

摘要直驱式风力发电机是一种由风轮直接驱动发电机的风力发电机组，亦称无齿轮风力发电机组，在配合传统整流器使用时一直存在着输出电流谐波含量较高，输出功率因数较低等问题，是电网主要的谐波污染源之一。

而PWM整流技术可以有效改善这一状况。

PWM整流技术能够使整流器网侧电流正弦化并且运行于单位功率因数状态，消除了传统整流器的弊端，促进了整流技术的长远发展，得到了广泛的研究和工程应用。

本文围绕PWM整流中的三相电压型整流展开研究，详细分析了三相PWM整流器在输入三相交流平衡电压时的数学模型、工作原理；研究了电感和电容参数设计方法；深入研究了基于旋转坐标系电流解耦控制算法，设计了基于SVPWM的电压电流双闭环控制器。

以TMS320F2812 DSP为内核以DIP-IPM为驱动搭建硬件电路，解决了直驱式风力发电机向电网输电效率低、电力污染等问题。

在控制方法方面有创新，仿真证明了DSP控制PWM整流能够有效地抑制注入电网的谐波。

对PWM整流器及其控制方法进行了仿真验证。

仿真结果验证了本文所设计的三相PWM整流器控制方案的正确性。

试验结果表明：采用基于旋转坐标系的电流解耦控制算法，能够使三相电压型整流系统实现高功率因数整流，电网侧相电压、电流基本同相位，电流跟随速度快，具有优良的动态和静态控制特性。

关键词：DSP控制;PWM整流;直驱式风力发电;DIP-IPM; TMS320F2812ABSTRACTDirect driving type wind turbine is a driven directly by the rotor of wind power generator unit, also say no gear wind power generators in traditional rectifier, with use always existed output current harmonic content is higher, the output power factor is low, is one of the main grid harmonics pollution sources.The PWM rectifier technology can effectively improve the situation. PWM rectifier technology enables network side current sinusoidal rectifier operating in the unit of power factor and the state, eliminating the drawbacks of the conventional rectifier, the rectifier technology to promote long-term development has been extensive research and engineering applications.This article focus on the three-phase voltage source PWM rectifier launched research, detailed analysis of rectifying the three-phase PWM converter 3-phase balance in the input voltage of the mathematical model, when working principle; Research the inductance and capacitance parameter design method; Based on a deep research on current rotating coordinate system, and the decoupling control algorithm PSIM simulated, and the accuracy of this algorithm was verified, the voltage is designed on the basis of SVPWM current double closed loop controller. Take TMS320F2812 DSP as the kernel build hardware circuit, solve the wind generator direct driving type to grid transmission efficiency, low power pollution problems. Innovation in the control method, using experiments prove the DSP control PWM rectifier can effectively restrain harmonics into power grid. And the control method of PWM rectifier testified experimentally.Experiment results show that the design of the three-phase PWM converter control solutions, and theoretical analysis is correct. Based on the experimental results show that: the current rotating coordinate decoupling control algorithm, can make three-phase voltage source rectifier system to realize high power factor rectifier, grid side phase voltage, current basic phase with fast speed, current tracking, good dynamic and static control characteristic.KeyWords：DSP control; PWM control; Direct driving type wind power; DIP-IPM; TMS320F2812目录第一章概述............................................................................................ - 1 -1.1 直驱式风力发电机概况................................................................................ - 1 -1.2 直驱风力发电机组特点................................................................................ - 2 -1.3 我国直驱型风力发电机组制造概况............................................................ - 2 -1.4 直驱风力发电机组发展前景........................................................................ - 4 -第二章系统的技术分析................................................................................ - 5 -2.1课题背景与意义............................................................................................. - 5 -2.2 整流和控制方式的选择................................................................................ - 6 -2.2.1 PWM整流技术研究现状与发展 ....................................................... - 6 -2.2.2 控制方式的选择................................................................................. - 7 -2.3 课题的目的和任务........................................................................................ - 8 -第三章系统设计方案.................................................................................... - 9 -3.1 PWM整流器主电路设计方案 ...................................................................... - 9 -3.2 PWM整流系统常用控制策略 .................................................................... - 10 -3.2.1 幅值相位控制................................................................................... - 10 -3.2.2滞环电流控制..................................................................................... - 11 -3.2.3双闭环电流解耦控制........................................................................ - 12 -3.3 PWM整流系统控制方案 ............................................................................ - 12 -第四章硬件电路设计.................................................................................. - 14 -4.1电源电路设计............................................................................................... - 14 -4.2 采样电路设计.............................................................................................. - 16 -4.2.1 电压采样设计................................................................................... - 16 -4.2.2 电流采样设计................................................................................... - 17 -4.3 IGBT驱动电路设计..................................................................................... - 18 -4.3.1 IGBT驱动电路设计要求.................................................................. - 18 -4.3.2三菱DIP-IPM技术参数................................................................... - 19 -4.3.3 PS21865引脚介绍 ............................................................................ - 21 -4.3.4驱动电路设计.................................................................................... - 22 -4.4 DSP控制系统设计....................................................................................... - 22 -4.4.1 DSP控制系统构成............................................................................ - 22 -4.4.2 DPS系统的设计过程........................................................................ - 23 -4.4.3 DSP硬件电路设计............................................................................ - 23 -第五章系统仿真及结果分析...................................................................... - 27 -5.1 三相PWM整流系统仿真波形 .................................................................. - 27 -5.2 仿真总结...................................................................................................... - 29 -结束语........................................................................................................ - 31 -参考文献.................................................................................................. - 32 -致谢............................................................................................................ - 34 -附录A ............................................................................................................ - 35 -附录B ............................................................................................................ - 36 -附录C ............................................................................................................ - 37 -附录D ............................................................................................................ - 38 -第一章概述1.1 直驱式风力发电机概况直驱式风力发电机，是一种由风轮直接驱动发电机的风力发电机组，亦称无齿轮风力发电机组，这种风力发电机采用多极发电机与风轮直接连接进行驱动的方式，免去了齿轮箱这一传统部件。

三相PWM整流器控制系统研究

ｔｃｎｌｇｓｃｒｉｄｏｔｏｏｂｙｆｄｗｎｏｒｇｎｒｔｒｃｎｒｌｐａｆｒ，ｅｅｐｒｎａｅｕｔｄｍｏｓａｅｈｔｅｈｏｏｙｉａｒｕｎｄｕｌｅｉｄｐｗｅｅｅａｏｏｔｏｌｔｍｔｘｅｉｅｏｈｍｅｔｌｒｓｌｅｎｔｔｓｔａｒｔｅｔｒｅｐａｅＰｈｈｅ — ｈｓＷＭｅｔｉｒｃｎｉｌｍｅｔｆｕ — ｕｄａｔｏｅａｉｎｎｏｅｅｏｐｉｇｃｎｒｌｔｓｇｄｏｎｒｃｉｅａｍｐｅｎｏｒｑａｒｎｓｐｒｔｓａｄｐｗｒｄｃｕｌｏｔｆｏｎｏｈｅｄｅｉｎｅｃ —
摘要：为验证三相ＰＷＭ整流器的性能，计了基于Ｔ２３６的三相Ｐ设ＭＳ８４ＷＭ整流器系统。为方便控制建立两相旋转坐标系统，引入矢量控制技术。为实现直流侧电压的稳定控制和有功与无功功率的解耦控制，取了电压外环和电采流内环的控制策略。为保证系统稳定，制系统中实现直流电压和功率的速率调节控制。在搭建的双馈风力发电控控制实验平台上采用空间矢量脉宽调制技术进行了实验研究，实验结果表明三相ＰＷＭ整流器能够实现能量四象限传递和功率解耦控制，设计的控制器具有很好的稳态和动态性能。所

单相pwm电流整流电路

单相pwm电流整流电路单相PWM电流整流电路是一种常见的电源电路，它可以将交流电转换为直流电，广泛应用于各种领域，如工业自动化、家庭电器等。

本文将从以下几个方面进行详细介绍。

一、单相PWM电流整流电路的基本原理单相PWM电流整流电路的基本原理是利用半桥或全桥逆变器将交流输入转换为直流输出，并通过PWM控制器对逆变器开关管进行调制，实现直流输出的稳定性和精度。

具体来说，当输入交流信号通过半桥或全桥逆变器时，逆变器内部的开关管会根据PWM控制信号打开或关闭，从而使得输出信号在时间上被分成若干个周期，每个周期内包含一个高电平和一个低电平。

通过调节PWM控制信号的占空比可以改变高低电平之间的时间比例，从而实现对输出直流信号的调节。

二、单相PWM电流整流电路的主要组成部分单相PWM电流整流电路主要由以下几个组成部分构成：1. 输入滤波器：用于对输入交流信号进行滤波和去噪处理，在保证输入稳定性和精度的同时，减少对逆变器开关管的干扰。

2. 逆变器：用于将输入交流信号转换为直流输出信号，通常采用半桥或全桥结构。

3. PWM控制器：用于控制逆变器内部开关管的开关时间和占空比，从而实现对输出直流信号的调节。

4. 输出滤波器：用于对输出直流信号进行滤波和去噪处理，在保证输出稳定性和精度的同时，减少对负载的干扰。

5. 保护电路：用于保护整个电路不受过压、过流、短路等异常情况的影响，并防止逆变器开关管损坏。

三、单相PWM电流整流电路的工作原理单相PWM电流整流电路的工作原理可以分为以下几个步骤：1. 输入滤波：将输入交流信号通过输入滤波器进行滤波和去噪处理，使得输入信号稳定性和精度得到保证，并减少对逆变器开关管的干扰。

2. 逆变：经过输入滤波后，交流信号被送入半桥或全桥逆变器中进行逆变操作。

在逆变过程中，PWM控制器会根据设定的占空比控制开关管的开关时间，从而实现对输出直流信号的调节。

3. 输出滤波：逆变后的直流信号经过输出滤波器进行滤波和去噪处理，使得输出信号稳定性和精度得到保证，并减少对负载的干扰。

单相全桥PWM整流器输入电流内环式控制方法的分析与仿真比较

单相全桥PWM整流器输入电流内环式控制方法的分析与仿真比较宋芸;冯乃光【摘要】There are lots of input current inner ring control methods for single-phase full-bridge PWM rectifier. PI and PR control methods are relative mature technologies, but the deadbeat control, repetitive control, adeptive prediction current con-trol and other digital algorithm control are still not mature. In the practical application, the selection of control method might seriously affect the properties of products. The theoretical analysis and simulation comparison for many control methods is car-ried out in this article. It has a certain reference value for practical projects.%单相全桥型PWM整流器的输入电流内环式控制方法多种多样.PI控制、使用虚拟坐标变换的PI控制、PR控制等控制方法技术较成熟,而无差拍电流控制、重复控制、自适应预测电流控制等数字算法控刳尚不成熟.在实际应用中究竟选择何种控制方式,对产品性能影响很大.在此控制方法进行理论分析比较,并利用仿真比较得出一些重要结果,对实际工程有一定的实用参考价值.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2013(036)004【总页数】4页(P111-114)【关键词】单相全桥PWM整流器;输入电流内环式控制;PI控制;PR控制【作者】宋芸;冯乃光【作者单位】南京林业大学信息科学技术学院,江苏南京210037;四川广播电视大学,四川成都610073【正文语种】中文【中图分类】TN964-34随着电力电子技术和计算机技术的发展，出现了以PWM控制技术为基础的各类变流装置。

三电平PWM整流器控制方法研究

三电平PWM整流器控制方法研究近年来，随着电力系统的发展和电力负荷的增加，对于电力变换和控制技术的需求也在不断增加。

而三电平PWM整流器作为一种重要的电力变换设备，其控制方法的研究显得尤为重要。

本文将就三电平PWM整流器的控制方法进行研究探讨。

首先，三电平PWM整流器的控制方法主要包括两种，即传统的基于脉宽调制的控制方法和基于模型预测控制的方法。

传统的脉宽调制方法主要通过调节开关器件的开关频率和占空比来控制输出电压的波形，以实现电力变换的目的。

而基于模型预测控制的方法则是通过建立数学模型，预测系统的状态和输出，并根据预测结果进行控制。

其次，在传统的脉宽调制方法中，常用的控制策略有三种，即基于电流控制的方法、基于电压控制的方法和基于电流电压双闭环控制的方法。

其中，基于电流控制的方法主要通过控制输入电流来实现对输出电流的控制，以保证输出电流稳定。

基于电压控制的方法则是通过控制输出电压来实现对输出电流的控制，以保证输出电压稳定。

而基于电流电压双闭环控制的方法则是综合考虑了输入电流和输出电压的控制要求，以实现更为精确的控制。

最后，基于模型预测控制的方法是近年来较为新兴的一种控制方法。

该方法通过建立系统的数学模型，并根据模型的预测结果进行控制，以实现对输出波形的精确控制。

相比于传统的脉宽调制方法，基于模型预测控制的方法具有更高的控制精度和响应速度，能够更好地适应电力系统的需求。

综上所述，三电平PWM整流器的控制方法研究涉及传统的脉宽调制方法和基于模型预测控制的方法。

在传统的方法中，基于电流控制、电压控制和电流电压双闭环控制是常用的策略。

而基于模型预测控制的方法则是一种较新的控制方法，具有更高的精度和响应速度。

在未来的研究中，我们还可以探索更多的控制策略，以进一步提高三电平PWM整流器的控制性能。

基于前馈解耦的三相PWM整流器研制

了设计要求
关键词：脉宽调制：整流器；功率因数／智能功率模块中图分类号：Ｍ６Ｔ４１文献标识码：Ａ文章编号：００１０（０６０－０８０１０ — ０Ｘ２０）２０２ — ２
ＲｅｅｒｈｏＷＭｎｅｔｒｂｓｄｏｃｕｌｇＣｏｔｏｔａｅｙｓａｃｎＰＣｏｖｒｅａｅｎＤｅｏｐｉｎｒｌｒｔｇｎＳ
２三相ＰｗＭ整流器的控制原理
图１出三相电压型Ｐ示ＷＭ整流器拓扑结构。
Ｊ
由式２可见．三相ＰＷＭ整流器的ｄｑ轴变量，
ｌｚ＿＜Ｊ－ｒＩ一＜一广 — ＿【ｃ
ｌ
％ｃ成一定困难。为此，采用前馈解耦控制，当电流调节器采用Ｐ调节时，Ｉ
（西安交通大学，陕西西安７０４）１０９
摘要：Ｐ从ＷＭ整流器的矢量控制原理出发，。建立了整流器输入电流控制所需的ｄｑ模型，出了ｄｑ苗先，提，轴电流的状态解耦控制策略，并详细介绍了基于ＩＭ的主电路设计和基于ＴＳ２Ｌ２０Ａ的控制电路设计。样ＰＭ３０Ｆ４７机实验结果表明，该整流器能获得单位功率因数的正弦输入电流、定的直流输出电压和快速的动态响应，稳满足
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第４０卷第２期
２００６年４月
电力电子技术
ＰｗｒＥｌｃｒｎｃｏｅｅｔｏｉｓ
Ｖ０．０．ｏ２１４Ｎ．

介绍几种PWM控制方法

介绍几种PWM控制方法控制方法采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.PWM控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率.PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现.直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术,微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论,非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展.到目前为止,已出现了多种PWM控制技术,根据PWM控制技术的特点,到目前为止主要有以下8类方法.1 相电压控制PWM1.1 等脉宽PWM法[1]VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的,其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压.等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的,是PWM法中最为简单的一种.它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化.相对于PAM法,该方法的优点是简化了电路结构,提高了输入端的功率因数,但同时也存在输出电压中除基波外,还包含较大的谐波分量.1.2 随机PWM在上世纪70年代开始至上世纪80年代初,由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管,载波频率一般不超过5kHz,电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注.为求得改善,随机PWM方法应运而生.其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中,各频率能量分布是均匀的),尽管噪音的总分贝数未变,但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱.正因为如此,即使在IGBT已被广泛应用的今天,对于载波频率必须限制在较低频率的场合,随机PWM仍然有其特殊的价值;另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率,随机PWM技术正是提供了一个分析,解决这种问题的全新思路.1.3 SPWM法SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值.该方法的实现有以下几种方案.1.3.1 等面积法该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释,用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点.1.3.2 硬件调制法硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形.其实现方法简单,可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制,就可以生成SPWM波.但是,这种模拟电路结构复杂,难以实现精确的控制.1.3.3 软件生成法由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易,因此,软件生成法也就应运而生.软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法,其有两种基本算法,即自然采样法和规则采样法.1.3.3.1 自然采样法[2]以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法.其优点是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制.1.3.3.2 规则采样法[3]规则采样法是一种应用较广的工程实用方法,一般采用三角波作为载波.其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法.当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的,这种方法称为对称规则采样.当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称,这种方法称为非对称规则采样.规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单,便于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦.其缺点是直流电压利用率较低,线性控制范围较小.以上两种方法均只适用于同步调制方式中.1.3.4 低次谐波消去法[2]低次谐波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法.其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开,表示为u(ωt)=ansinnωt,首先确定基波分量a1的值,再令两个不同的an=0,就可以建立三个方程,联立求解得a1,a2及a3,这样就可以消去两个频率的谐波.该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波,但是,剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大,而且同样存在计算复杂的缺点.该方法同样只适用于同步调制方式中.1.4 梯形波与三角波比较法[2]前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的,从而忽视了直流电压的利用率,如SPWM法,其直流电压利用率仅为86.6%.因此,为了提高直流电压利用率,提出了一种新的方法--梯形波与三角波比较法.该方法是采用梯形波作为调制信号,三角波为载波,且使两波幅值相等,以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制.由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时,其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值,从而可以有效地提高直流电压利用率.但由于梯形波本身含有低次谐波,所以输出波形中含有5次,7次等低次谐波.2 线电压控制PWM前面所介绍的各种PWM控制方法用于三相逆变电路时,都是对三相输出相电压分别进行控制的,使其输出接近正弦波,但是,对于像三相异步电动机这样的三相无中线对称负载,逆变器输出不必追求相电压接近正弦,而可着眼于使线电压趋于正弦.因此,提出了线电压控制PWM,主要有以下两种方法.2.1 马鞍形波与三角波比较法马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入PWM方式(HIPWM),其原理是在正弦波中加入一定比例的三次谐波,调制信号便呈现出马鞍形,而且幅值明显降低,于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下,可以使基波幅值超过三角波幅值,提高了直流电压利用率.在三相无中线系统中,由于三次谐波电流无通路,所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波[4].除了可以注入三次谐波以外,还可以注入其他3倍频于正弦波信号的其他波形,这些信号都不会影响线电压.这是因为,经过PWM调制后逆变电路输出的相电压也必然包含相应的3倍频于正弦波信号的谐波,但在合成线电压时,各相电压中的这些谐波将互相抵消,从而使线电压仍为正弦波.2.2 单元脉宽调制法[5]因为,三相对称线电压有Uuv+Uvw+Uwu=0的关系,所以,某一线电压任何时刻都等于另外两个线电压负值之和.现在把一个周期等分为6个区间,每区间60°,对于某一线电压例如Uuv,半个周期两边60°区间用Uuv本身表示,中间60°区间用-(Uvw+Uwu)表示,当将Uvw和Uwu作同样处理时,就可以得到三相线电压波形只有半周内两边60°区间的两种波形形状,并且有正有负.把这样的电压波形作为脉宽调制的参考信号,载波仍用三角波,并把各区间的曲线用直线近似(实践表明,这样做引起的误差不大,完全可行),就可以得到线电压的脉冲波形,该波形是完全对称,且规律性很强,负半周是正半周相应脉冲列的反相,因此,只要半个周期两边60°区间的脉冲列一经确定,线电压的调制脉冲波形就唯一地确定了.这个脉冲并不是开关器件的驱动脉冲信号,但由于已知三相线电压的脉冲工作模式,就可以确定开关器件的驱动脉冲信号了.该方法不仅能抑制较多的低次谐波,还可减小开关损耗和加宽线性控制区,同时还能带来用微机控制的方便,但该方法只适用于异步电动机,应用范围较小.3 电流控制PWM电流控制PWM的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号,把实际的电流波形作为反馈信号,通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断,使实际输出随指令信号的改变而改变.其实现方案主要有以下3种.3.1 滞环比较法[4]这是一种带反馈的PWM控制方式,即每相电流反馈回来与电流给定值经滞环比较器,得出相应桥臂开关器件的开关状态,使得实际电流跟踪给定电流的变化.该方法的优点是电路简单,动态性能好,输出电压不含特定频率的谐波分量.其缺点是开关频率不固定造成较为严重的噪音,和其他方法相比,在同一开关频率下输出电流中所含的谐波较多.3.2 三角波比较法[2]该方法与SPWM法中的三角波比较方式不同,这里是把指令电流与实际输出电流进行比较,求出偏差电流,通过放大器放大后再和三角波进行比较,产生PWM波.此时开关频率一定,因而克服了滞环比较法频率不固定的缺点.但是,这种方式电流响应不如滞环比较法快.3.3 预测电流控制法[6]预测电流控制是在每个调节周期开始时,根据实际电流误差,负载参数及其它负载变量,来预测电流误差矢量趋势,因此,下一个调节周期由PWM产生的电压矢量必将减小所预测的误差.该方法的优点是,若给调节器除误差外更多的信息,则可获得比较快速,准确的响应.目前,这类调节器的局限性是响应速度及过程模型系数参数的准确性.4 空间电压矢量控制PWM [7]空间电压矢量控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法.它以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通,由它们的比较结果决定逆变器的开关,形成PWM波形.此法从电动机的角度出发,把逆变器和电机看作一个整体,以内切多边形逼近圆的方式进行控制,使电机获得幅值恒定的圆形磁场(正弦磁通).具体方法又分为磁通开环式和磁通闭环式.磁通开环法用两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的电压矢量,若采样时间足够小,可合成任意电压矢量.此法输出电压比正弦波调制时提高15%,谐波电流有效值之和接近最小.磁通闭环式引入磁通反馈,控制磁通的大小和变化的速度.在比较估算磁通和给定磁通后,根据误差决定产生下一个电压矢量,形成PWM波形.这种方法克服了磁通开环法的不足,解决了电机低速时,定子电阻影响大的问题,减小了电机的脉动和噪音.但由于未引入转矩的调节,系统性能没有得到根本性的改善.5 矢量控制PWM[8]矢量控制也称磁场定向控制,其原理是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia,Ib及Ic,通过三相/二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1及Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1及It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿对直流电动机的控制方法,实现对交流电动机的控制.其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制.通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制.但是,由于转子磁链难以准确观测,以及矢量变换的复杂性,使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果,这是矢量控制技术在实践上的不足.此外.它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制,在这种矢量控制系统中需要配置转子位置或速度传感器,这显然给许多应用场合带来不便.6 直接转矩控制PWM[8]1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(Direct Torque Control简称DTC).直接转矩控制与矢量控制不同,它不是通过控制电流,磁链等量来间接控制转矩,而是把转矩直接作为被控量来控制,它也不需要解耦电机模型,而是在静止的坐标系中计算电机磁通和转矩的实际值,然后,经磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行最佳控制,从而在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,能方便地实现无速度传感器化,有很快的转矩响应速度和很高的速度及转矩控制精度,并以新颖的控制思想,简洁明了的系统结构,优良的动静态性能得到了迅速发展.但直接转矩控制也存在缺点,如逆变器开关频率的提高有限制.7 非线性控制PWM单周控制法[7]又称积分复位控制(Integration Reset Control,简称IRC),是一种新型非线性控制技术,其基本思想是控制开关占空比,在每个周期使开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例.该技术同时具有调制和控制的双重性,通过复位开关,积分器,触发电路,比较器达到跟踪指令信号的目的.单周控制器由控制器,比较器,积分器及时钟组成,其中控制器可以是RS触发器,其控制原理如图1所示.图中K可以是任何物理开关,也可是其它可转化为开关变量形式的抽象信号.单周控制在控制电路中不需要误差综合,它能在一个周期内自动消除稳态,瞬态误差,使前一周期的误差不会带到下一周期.虽然硬件电路较复杂,但其克服了传统的PWM控制方法的不足,适用于各种脉宽调制软开关逆变器,具有反应快,开关频率恒定,鲁棒性强等优点,此外,单周控制还能优化系统响应,减小畸变和抑制电源干扰,是一种很有前途的控制方法.8 谐振软开关PWM传统的PWM逆变电路中,电力电子开关器件硬开关的工作方式,大的开关电压电流应力以及高的du/dt和di/dt限制了开关器件工作频率的提高,而高频化是电力电子主要发展趋势之一,它能使变换器体积减小,重量减轻,成本下降,性能提高,特别当开关频率在18kHz以上时,噪声将已超过人类听觉范围,使无噪声传动系统成为可能.谐振软开关PWM的基本思想是在常规PWM变换器拓扑的基础上,附加一个谐振网络,谐振网络一般由谐振电感,谐振电容和功率开关组成.开关转换时,谐振网络工作使电力电子器件在开关点上实现软开关过程,谐振过程极短,基本不影响PWM技术的实现.从而既保持了PWM技术的特点,又实现了软开关技术.但由于谐振网络在电路中的存在必然会产生谐振损耗,并使电路受固有问题的影响,从而限制了该方法的应用.9 结语本文较详细地总结了各种PWM控制方法的原理,并简单说明了各种方法的优缺点.PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一.。

单相电压型PWM整流器预测直接功率控制

２．ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｎｇａｈａｉ２０００７２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｄｉｒｅｃｔｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｉｓａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｏｓｉｎｇｌｅ — ｐｈａｓｅｖｏｌｔａｇｅｓｏｕｒｃｅｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＰＷＭ）ｒｅ —
ａｔｉｏｎａｒｙｆｒａｍｅａｎｄｔｗｏ－－ｐｈａｓｅｒｏｔａｔｉｎｇｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｆｒａｍｅａｒｅｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｆｏｒｓｉｎｇｌｅ－－ｐｈａｓｅｖｏｌｔａｇｅｓｏｕｒｃｅＰＷＭｒｅｃｔｉｉｆｅｒ．ｈｅＴｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｐｏｗｅｒｍｏｄｅｌｏｆｒｏｔａｔｉｎｇｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｆｒａｍｅｉｓｄｅｒｉｖａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｉｎｓｔａｎ．ｔａｎｅｏｕｓｐｏｗｅｒｍｏｄｅｌｔｏｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｏｆｈｅｔｒｅｃｔｉｉｆｅｒ，ａｎｄｈｕｔｓｇｅｎｅｒａｔｅａｔｉｇｒｇｅｒｐｕｌｓｅｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｒｅｃｔｉｉｆｅｒ．ｈｅＴｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｈａｓｓｏｍｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｓｕｃｈａｓｅａｓｙｄｅｓｉｇｎｉｎｇ，ｉｆｘｅｄｓｗｉｔｃｈｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｗｉｔｈｆａｓｔｓｔｅｐ

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PWM整流器瞬时功率PI控制与电流解耦控制陈国璋;卢泉;卢子产【摘要】为控制直流侧电压恒定,保证整流器单位功率因数运行,从能量守恒的角度,根据Lyapunov稳定性理论,提出一种新的瞬时功率控制策略,该控制策略包含一个PI控制器和负载电流前馈补偿,给出了瞬时功率控制应用PI控制器的理论依据,同时提出一种规范化极点配置电流解耦方案,解耦方法简单易行,实现d-q轴电流解耦.仿真结果验证了该方法的正确性和有效性.%In order to keep the dc voltage constant and ensure unity power factor of the PWM rectifier , a novel instantaneous power control strategy for PWM rectifier based on Lyapunov stability theory is introduced from the point of view of the conservation of energy. The proposed strategy consists of a PI controller plus a feed forward compensation of the load current. And the theoretical basis for the PI application of the instantaneous power control approach is given. Meanwhile, a normal pole assignment for current decoupling control strategy is proposed. With this method, the d-q axis current decouple is realized easily. The simulation results have verified the proposed instantaneous power control strategy.

【期刊名称】《广西大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(036)006 【总页数】7页(P1023-1029) 【关键词】PWM整流器;瞬时功率控制;Lyapunov理论;电流解耦【作者】陈国璋;卢泉;卢子产【作者单位】广西大学电气工程学院,广西南宁530004;广西大学电气工程学院,广西南宁530004;广西大学电气工程学院,广西南宁530004

【正文语种】中文【中图分类】TP461

三相电压型PWM整流器具有交流侧电流谐波低、单位功率因数、能量双向流动及高恒定直流侧电压等优点，普遍应用于各类电力电子系统中［1-5］。PWM整流器系统的高性能主要取决于其控制策略，所以研究简单高效的PWM整流器控制策略具有重要意义。在电力电子装置的控制系统中，广泛采用电压外环电流内环的双闭环结构［3-4］。PI控制器具有结构简单、物理概念强、易于实现数字化控制等优点，在工业现场中获得了广泛应用，而且通过PI参数的合理调整，总能使控制系统获得满意的性能指标。对PWM整流器双闭环系统，文献［6］从消除稳态误差的角度提出了PI调节器加精确线性化解耦的控制策略，该解耦策略需要对整个系统进行线性化，其运算量大;文献［7］提出外环采用PI调节器，内环采用输入输出反馈的电流解耦控制策略，这是一种反向构造解耦方法;为了提高系统对负载变化的抗干扰能力，文献［8］提出一种双环PI控制加负载电流前馈补偿的控制策略，取得了良好的控制效果;文献［9］从输入输出功率平衡的角度，提出了一种瞬时功率PI控制方法;文献［10］～［12］提出了一种直接功率控制策略，采用直流电压与其PI调节器误差的乘积作为有功功率的给定。以上这些PI控制策略均没有给出PI调节器应用的理论依据，文献［13］～［14］根据无源化理论证明了电压环采用自适应PI调节器的PWM变流器系统的渐近稳定性，然而它的证明过程中间参数过多，计算复杂，文献［15］根据此理论设计的无源控制器，比起线性PI控制器，其结构复杂，但控制效果没有明显改善，而且该方法不易为一般的工程技术人员所掌握。本文在上述文献的基础上，对三相电压型PWM整流器，根据Lyapunov稳定性理论，提出一种电压外环PI控制加电流内环解耦的瞬时功率控制策略，给出了PI控制器应用的理论依据，而且在d-q旋转坐标系下，提出一种规范化电流解耦方案。该方案首先将电流环解耦成纯积分系统，然后再对解耦后的系统进行极点配置。 1 三相电压型PWM整流器的数学模型三相PWM电压型整流器电路拓扑如图1所示。假设三相电网电压对称且平衡，只考虑基波分量，为了简化控制系统的设计，将三相PWM整流器模型变换到d-q坐标系中，d-q坐标系下的三相PWM整流器模型［7］为:

式中，id、iq分别为电网电流d-q轴分量;usd、usd分别为电网电压d-q轴分量;ud、uq分别为整流器输入电压d-q轴分量;udc为直流侧输出电压;idc为整流器输出的直流电流。图1 三相电压型PWM整流器的拓扑结构Fig.1 Topology of three phase PWM rectifier 2 控制器设计 2.1 直流侧电压控制器设计外环电压的控制对整个控制系统的优劣起着重要作用，本文从功率平衡的角度对直流电压进行控制。忽略整流桥自身损耗，三相电压型PWM整流器的交流侧有功功率应与直流侧功率平衡。功率平衡关系为其中，Pin为总输入功率，PC为电容功率，Pload为负载功率。考虑到系统单位功率因数运行，对有效值为U的三相对称电源，取有功分量和无功分量为

则功率平衡关系化简为设直流侧指令电压为，实测反馈电压为udc，定义误差e=-udc，则误差动态方程为

取Lyapunov能量函数为则其对时间的微分为则取有功电流指令值为可使≤0，且当且仅当e=0时=0，由LaSalle不变集定理可知，平衡点e=0为渐进稳定，即udc→，实现直流侧电压的渐进跟踪。由式(2)可见，内环有功电流给定值，从功率平衡的角度看是负载功率前馈加PI反馈的形式，且比例积分系数分别为kp=k2、ki=k1，这是一种瞬时功率控制方案，控制结构如图2所示。这里通过Lyapunov稳定性理论给出了瞬时功率控制和直接功率控制应用PI调节器理论依据，弥补了前述文献的不足。 2.2 电流环解耦本文提出的电流解耦算法，首先将电流环状态空间方程化为纯积分型解耦形式，然后再利用状态反馈进行极点配置。电流模型的状态空间方程为其中控制律取为状态反馈和输入变换的形式，如图3所示，其中K为2×2矩阵，L为2×2矩阵，v为2×1参考输入，即有

图2 瞬时功率控制Fig.2 Instantaneous power control 图3 输入变换和状态反馈的系统框图Fig.3 Input transform and state feedback system block 2.2.1 解耦算法 ① 将系统化为积分型解耦系统取输入变换阵和状态反馈阵，得系统状态空间表达形式为

欲使其传递函数为则有由式(4)可得 ② 对解耦规范型进行状态反馈极点配置由于完全能控，可任意配置极点，选取状态反馈矩阵为

则系统状态方程为 ③ 求原系统的状态反馈和输入变换矩阵由于进行极点配置后的解耦系统为所以反馈增益阵和状态变换阵分别为 2.2.2 任意配置极点后的系统传递函数任意配置极点后的系统传递函数为

所以解耦以后的电流环传递函数为若取参考输入信号为则电流环系统为惯性环节，稳态时可达到指令电流跟踪的目的。 2.2.3 控制律导出由公式(1)、(3)、(5)、(6)可以推导出控制律为

3 仿真结果在MATLAB/Simulink环境下对PWM整流器系统进行仿真，整个控制系统的结构如图4所示，其中电压外环控制器输出作为内环有功电流的给定值，为实现单位功率因数运行，无功电流给定值 =0，通过电流环解耦算法，得到整流器输入电压指令值ud、uq，再变换到三相静止坐标系中进行PWM调制，θ是用于旋转变换的电网相角。仿真模型的参数选择:电网电压有效值220 V，开关频率10 kHz，交流侧滤波电感L=0.001 H，直流滤波电容C=5 000 μF;给定直流电压=800 V，电压外环PI控制器参数为kp=10、ki=100，电流内环惯性时间常数为k1=k2=2 000。图4 PWM整流器控制系统框图Fig.4 Block of PWM rectifier control system 由图5可知稳态时系统在单位功率因数下运行。由图6可见，直流侧电压能快速跟踪给定输入值，响应速度快。图7所示为给定电压由800 V突加到1 000 V时的A相电压电流响应，由功率平衡关系可知，直流电压升高时，交流电流经过短暂的暂态响应后也会相应升高。由图8可见，直流侧电压较好地跟踪了给定输入，且其响应曲线平滑，鲁棒性强，响应时间小于0.02 s。图9所示为给定电压由800 V突降到600 V时的A相电压电流响应，电流经过短暂的暂态响应后进入稳态。由图10可见，直流电压响应时间小于0.01 s。图11、图12所示为负载突加30 A时，直流侧电压的响应情况，图13、图14所示为负载突降30 A时，直流侧电压的响应情况，可见，当负载突加时，直流侧的电压随着负载的变化波动较大，但较快进入稳态，无稳态误差，负载变动时直流侧电压恢复到稳定值的时间很短，约为0.1 s。图5 A相电压和电流波形Fig.5 Voltage and current wave of phase A 图6 直流侧电压波形Fig.6 DC voltage wave 图7 A相电压和电流波形Fig.7 Voltage and current wave of phase A 图8 直流侧电压波形Fig.8 DC voltage wave 图9 A相电压和电流波形Fig.9 Voltage and current wave of phase A 图10 直流侧电压波形Fig.10 DC voltage wave 图11 A相电压和电流波形Fig.11 Voltage and current wave of phase A 图12 直流侧电压波形Fig.12 DC voltage wave 图13 A相电压和电流波形Fig.13 Voltage and current wave of phase A 图14 直流侧电压波形Fig.14 DC voltage wave 4 结论