基于PR的單相PWM整流器電流控制研究

摘要：單相PWM整流器電流控制系統被控量為單相正弦量,無法像三相PWM整流器雙閉環控制系統一樣,采用同步坐標系下的直流PI調節器實現網側電流的零靜差調節。本文將PR調節器應用于單相PWM整流器網側正弦電流的控制,克服了單相交流系統中PI調節器的缺陷,減小了諧波含量。同時對單相PWM整流器控制系統進行了仿真分析,結果表明系統能實現單位功率因數電能轉換和電能的雙向流動,電源電壓、頻率及負載變化時,網側電流均可以實現零靜差跟蹤給定正弦給定電流,同時直流側電壓有較好的穩定性和抗干擾性。

　　1.引言

　　單相PWM 整流器由于其所用電力電子器件少、控制系統簡單而被廣泛應用于電力機車 牽引[1]、可再生能源的并網發電[2]、能量可雙向流動的級聯型多電平變頻器的有源前端[3]等。 PWM 整流器交流側電流有多種控制方法，例如，電流滯環控制、線性PI 控制、預測電 流控制等。電流滯環控制結構簡單、魯棒性強，但是它有開關頻率不固定，存在滯環寬度兩 倍的電流誤差等缺點[4]。

　　對于三相PWM 整流器，可將靜止ABC 坐標系下的正弦電流轉換 到同步dq 坐標系下的直流量進行PI 調節以實現零靜差控制，但對于單相PWM 整流器，很難實現這種變換，PI 調節器無法實現電流的零靜差控制[2]，而預測電流控制的控制性能受被 控對象和給定預測電流的限制[5]。

　　本文針對以上問題，在單相PWM 整流器中引入PR 調節器進行正弦電流控制，該方法 不需要坐標變換，也不需要特別高的開關頻率就可以實現與dq 坐標系下PI 控制相媲美的穩 態及動態性能。國外已有文獻將PR 調節器應用于電力機車牽引[1]和可再生能源并網發電[2] 中的單相PWM 變流器的控制，但國內對此研究很少。本文結合能量可雙向流動的級聯型多 電平變頻器有源前端的具體要求，將PR 調節器用于其有源前端的控制，給出了單相電壓型 PWM 整流器的仿真模型，并對整流、逆變兩種工作模式，及負載和電網電壓、頻率變化等 情況進行了仿真分析。

　　2.單相 PWM 整流器控制策略及系統仿真模型的建立

　　2.1 網側電流控制

　　圖1(a)為單相PWM 整流器的拓撲結構圖，單相PWM 整流器由交流回路、功率開關橋 路和直流回路等組成[6]。其中交流回路包括交流電源 us 、網側電感L 及其等效電阻R 等；直 流回路包括負載電阻 RL 等；功率開關橋路為電壓源型。通過控制交流電壓v 即可實現PWM 整流器的四象限運行，其關鍵在于網側電流的控制[1]。

　　由圖 1(a)可得網側電流控制動態結構框圖，如圖1(b)所示。考慮開關頻率遠高于電網頻 率，為了便于分析忽略開關動作對系統的影響，將PWM 整流單元近似為一增益環節K ,其 中，G(s)為電流調節器傳遞函數。