基于PR的单相PWM整流器电流控制研究

摘要：单相PWM整流器电流控制系统被控量为单相正弦量,无法像三相PWM整流器双闭环控制系统一样,采用同步坐标系下的直流PI调节器实现网侧电流的零静差调节。本文将PR调节器应用于单相PWM整流器网侧正弦电流的控制,克服了单相交流系统中PI调节器的缺陷,减小了谐波含量。同时对单相PWM整流器控制系统进行了仿真分析,结果表明系统能实现单位功率因数电能转换和电能的双向流动,电源电压、频率及负载变化时,网侧电流均可以实现零静差跟踪给定正弦给定电流,同时直流侧电压有较好的稳定性和抗干扰性。

　　1.引言

　　单相PWM 整流器由于其所用电力电子器件少、控制系统简单而被广泛应用于电力机车 牵引[1]、可再生能源的并网发电[2]、能量可双向流动的级联型多电平变频器的有源前端[3]等。 PWM 整流器交流侧电流有多种控制方法，例如，电流滞环控制、线性PI 控制、预测电 流控制等。电流滞环控制结构简单、鲁棒性强，但是它有开关频率不固定，存在滞环宽度两 倍的电流误差等缺点[4]。

　　对于三相PWM 整流器，可将静止ABC 坐标系下的正弦电流转换 到同步dq 坐标系下的直流量进行PI 调节以实现零静差控制，但对于单相PWM 整流器，很难实现这种变换，PI 调节器无法实现电流的零静差控制[2]，而预测电流控制的控制性能受被 控对象和给定预测电流的限制[5]。

　　本文针对以上问题，在单相PWM 整流器中引入PR 调节器进行正弦电流控制，该方法 不需要坐标变换，也不需要特别高的开关频率就可以实现与dq 坐标系下PI 控制相媲美的稳 态及动态性能。国外已有文献将PR 调节器应用于电力机车牵引[1]和可再生能源并网发电[2] 中的单相PWM 变流器的控制，但国内对此研究很少。本文结合能量可双向流动的级联型多 电平变频器有源前端的具体要求，将PR 调节器用于其有源前端的控制，给出了单相电压型 PWM 整流器的仿真模型，并对整流、逆变两种工作模式，及负载和电网电压、频率变化等 情况进行了仿真分析。

　　2.单相 PWM 整流器控制策略及系统仿真模型的建立

　　2.1 网侧电流控制

　　图1(a)为单相PWM 整流器的拓扑结构图，单相PWM 整流器由交流回路、功率开关桥 路和直流回路等组成[6]。其中交流回路包括交流电源 us 、网侧电感L 及其等效电阻R 等；直 流回路包括负载电阻 RL 等；功率开关桥路为电压源型。通过控制交流电压v 即可实现PWM 整流器的四象限运行，其关键在于网侧电流的控制[1]。
 

　　由图 1(a)可得网侧电流控制动态结构框图，如图1(b)所示。考虑开关频率远高于电网频 率，为了便于分析忽略开关动作对系统的影响，将PWM 整流单元近似为一增益环节K ,其 中，G(s)为电流调节器传递函数。

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　　单相PWM 整流器的控制系统包括外环直流电压控制和内环正弦电流控制。要实现网侧 单位功率因数控制要求网侧正弦交流电与电网电压同频同相，这里采用单相锁相环检测电网 电压，实现对网侧电流同步控制[8],由以上分析可得单相PWM 整流器控制系统的控制框图如 图2 所示。
 

　　图2.单相PWM 整流器控制系统框图

　　3.仿真及结果分析
 

　　图 3 为仿真结果，从中可以看出网侧实际电流可实现零静差跟踪给定正弦电流信号，且 可以实现单位功率因数控制，电网频率波动时网侧电流不受影响，仍可以实现零静差跟踪， 适当选择PR 调节器的参数可以使其具有要求的带宽，抑制电源频率波动的影响。负载和网 侧电压变化时直流侧电压快速稳定，该控制系统能对系统参数的变化能很快做出调整，动态 性能好。同时网侧电流谐波含量小，畸变率小，减小了对电网的谐波污染。
 

　　4.结论

　　本文将PR 调节器用于单相PWM 整流器的电流控制，仿真结果表明该控制方案无需坐 标变换即可以实现正弦电流的零静差控制，同时，直流侧电压对电网电压、频率的变化和负 载的变化有较好的自动调节能力。系统能实现单位率因数电能转换和电能的双向流动。

　　本文作者创新点：将新型调节器PR 调节器应用于单相正弦交流电流的零静差调节，实 现并推导出单相PWM 整流器的控制系统，系统稳定性和抗干扰性较好并给出了分析。