三相电压型单位功率因数整流器的新型间接电流控制方案

摘要：基于三相电压型PWM整流器主电路参数和控制参数间的稳态关系，提出一种新的间接电流控制方案。该方案不需检测电源电压，因而使得硬件和成本都得到减少。最后通过仿真验证了该方案。
 

关键词：三相整流器；功率因数校正；间接电流控制

图1三相电压型整流器主电路拓扑

1引言

三相电压型PWM整流器的控制方式可分为直接电流控制和间接电流控制。间接电流控制[1]又称幅值相位控制(PAC)，它对PWM整流器输入电流进行开环控制。尽管间接电流控制的动态响应不及直接电流控制，但由于它开关机理清晰，不需要电流传感器和电流控制回路，故控制简单，所需成本低，因而在对PWM整流器动态性能要求不太高时，PAC控制仍有一定的应用场合。本文将提出一种新的间接电流控制方案。

2传统的控制方案[1]

三相电压型PWM整流器主电路见图1。图中Vi、Vpi、Li(其中i=a,b,c)分别是三相输入电源电压、整流器输入端电压、输入电感，R为负载电阻，C为输出滤波电容。假定三相电路系统参数完全对称且开关管均是理想的,不计输入电阻。

间接电流控制是一种基于系统稳态模型的控制策略。传统的PAC控制所依赖的静态数学模型是三相静止坐标系下的低频数学模型，参见式（1）[2]：（1）

图2传统的PAC控制方案

图3单相基波相量图

式中：ω为电网角频率；

mi（i=a,b,c）为三相调制比；

Im为单位功率因数时输入电流基波幅值；

L=La=Lb=Lc。

在间接电流控制中是不检测电流的，故式(1)中的Im应视作控制信号Im＊，在稳态时Vo即为Vref，于是由式(1)即产生了如图2所示典型的控制方案。

3一种新的PAC控制方案

3.1新PAC控制方案的原理 由图2可知传统的PAC控制除了检测直流输出电压外，还要检测三相输入电源电压。本文提出一种新的PAC控制方案，该方案只检测直流输出电压(这是实现电压环控制所必需的)，因而省去了传统方案中的三相电源电压的检测电路和移相电路，从而使控制得到简化。

分析时假定输入电感L（输入电感的电阻很小通常可忽略）、电源角频率ω、负载电阻R等均为已知。根据三相电压型PWM整流器主电路各参数和控制参数间的稳态关系[3]可知，在单位功率因数(φ=0°)且已知直流输出电压Vo的情况下，调制比m与调制角δ必须满足下式（调制角的含义参见图4）：δ=arcsin(2)

即单位功率因数时调制比m与调制角δ只与系统参数ω、L、R等有关。同时，当给定输入电源电压与直流输出电压时，调制比m与调制角δ又满足电压传输比的约束关系[3]:

Gv==(3)

式中：Vm为电网相电压的幅值。

解式（2）和（3）可得：

m=（4）

由式（4）可见，调制比m只与系统参数与电压传输比Gv有关。因此，可以通过电压环的调节作用获取所需的调制比mr.(PI调节器的设计是关键，而在图2所示的传统控制方案中电压环的作用是产生Im＊)，按照单位功率因数运算法则〔式（2）〕可确定期望的δ，而它的实现又可避开检测输入电压。当电压调节环使输出电压稳定时，则相应的mr.、δ必然既满足电压传输比的约束，又满足单位功率因数的约束。当输入交流电压发生改变时，必然会使Gv发生波动，通过电压环的作用改变mr的值使其工作在另一稳定工作点。

设Vpm为三相输入端基波相电压的幅值，稳态时单位功率因数时的单相基波相量图见图3（下标1、2分别表示两种不同的稳态）。该控制方案的稳态运行轨迹见图3中的AB段，最后系统工作于满足电压传输比的某一点。

该控制方案的原理如图4所示。从图4可见，该方案不需检测输入电压，只需提供电源电压的同步信号即可。PI调节器的输出经限幅后作为调制比参考信号mr，由mr根据单位功率因数控制算法确定出相应的δ。

3.2新方案的仿真验证

为验证上述方案，本文用Saber5.1进行了仿真。假定系统参数为，Vm=311V，L=5mH，C=1000μF，

图4一种新的PAC控制方案原理图

(a)Vo的波形

(b)Va、ia的波形

(c)三相调制电压波形

图5新型PAC控制方案的仿真波形

R=15Ω，设计的电压调节器为PI调节器：0.8＋0.4/s,开关频率为20kHz，输出电压为600V。

仿真波形见图5，由仿真可知m=0.79,δ=20°,由此可见，理论分析与仿真结果基本一致。

4结语

本文提出的一种新的PAC控制方案，相对传统方案而言，不需检测输入电源电压，因而控制更简单，更能降低硬件成本，从而更能体现PAC控制的优点。最后本文通过仿真验证了该方案的正确性。