作者张毅
基于电流型PWM整流器(current sourcePWM rectifier，CSR)同电压型PWM整流器(voltagesource PWM rectifier，VSR)相比,具有输入功率因数可调、谐波电流抑制、短路保护和降压等优点，目前已在超导储能、电池组充电、电能质量调节器等场合有着广泛的应用。
在拓扑组成上，电压型和电流型PWM整流器具有对偶的结构特征，因此基于VSR的一些先进控制策略可以同理直接移植至CSR控制中去，如电压定向控制、预测模型控制、直接功率控制等。但是，由于CSR在交流输入侧增加了LC滤波环节，不仅增加了系统阶次，而且会引起并联谐振的问题，这就给系统中各控制参数的确定和优化增加了难度，因此有关CSR的控制策略优化方面还需进一步深入研究。
电流空间矢量脉宽调制( SVPWM)和正弦脉宽调制( SPWM)是两种常见的调制方法。与传统的SPWM相比，SVPWM开关次数可减少1/3，直流电流利用率可提高15%，具有更好的鲁棒性和谐波抑制效果。本文将结合CSR与VSR的差异，具体介绍三相CSR的空间电流矢量控制方法。此方法主要经过脉冲信号发生、电流矢量合成、扇区判断和矢量作用时间计算等步骤，实时切换三相CSR空间电流矢量，从而获得高品质控制电流。仿真试验验证了本文方法的有效性和可行性。
1 CSR数学模型的构建
图1为三相CSR的拓扑结构。图1中，交流侧为LC低通滤波器，它由电感L和电容C组成，可以滤除高频开关分量；整流器由6个IGBT开关管与二极管串联的结构，二极管可增加反向续流的能力；直流侧采用大电感Ldc与阻抗RL串联的形式，保证输出平滑的电流。
假定三相电路完全对称，开关元件为理想元件，其频率远大于电网频率，交流与直流侧的滤波电感L和Ldc均为线性，不考虑饱和。根据基尔霍夫的电压、电流定律，可以得出CSR在三相abc静止坐标系下数学模型为：
式中：ek为三相电网电动势瞬时值，下标k-a、b、c，表示三相中某一相；uk和ik分别为网侧相电压和相电流瞬时值；isk为三相CSR交流侧相电流值；Udc和idc为直流侧输出电压和电流的瞬时值；L、R和C分别为滤波电感、内阻和电容值；RL为输出负载阻值。
引入三值逻辑函数σk，且定义：
由此得到三相CSR在两相a、β静止坐标系下的数学模型为：
式中：ea、eβ、ya、uβ和屯、iβ分别为电网电压、三相CSR交流侧电压和电流在a、β轴上的分量。
为了便于建立系统的线性模型，进而推导出在两相dq旋转坐标系下三相CSR的数学模型为：
2 三相CSR空间电流矢量控制
2.1脉冲调制信号的发生
同三相VSR相比，三相CSR的三值逻辑信号的产生要复杂得多，它主要包括调制信号预处理、PWM二值逻辑信号产生、二／三值逻辑转换、零状态判别和状态信号分配等几个方面。三相CSR信号发生的结构框图如图2所示。
三相CSR共有9种开关状态，需用三值逻辑函数来表示，即用二值逻辑函数的函数表示。二／三值逻辑转换状态见表1，表中的#7~#9为开关管的零状态。
在三值逻辑中，两个非零状态和一个零状态每隔60°顺次切换，故将一个正弦周期划分为6个部分，记为I~ VI。为了减少开关管的损耗，应保证状态切换时仅有一对开关管发生动作。
2.2空间电流矢量的合成与调制
类比三相VSR空间电压矢量合成原理，所谓三相CSR空间电流矢量合成就是利用空间电流矢量合成指令电流，并且若指令电流是三相正弦对称的，其矢量运动轨迹必为圆形。由指令电流表达式，可得三相CSR的空间电流矢量分布示意图，如图3所示。
三相CSR空间电流矢量调制的步骤如下：
(1)判断指令电流Ir所在的扇区；
(2)选择开关矢量的作用顺序；
(3)计算开关矢量的作用时间。
根据一个工作周期内仅有两相电流符号相同的特
点，可以通过判断指令电流正负判别指令电流Ir所在的扇区。
定义开关函数为：
式(8)中的系数N与指令电流Ir所在扇区的分配关系见表2。
本文采用双三角的合成模式，且遵循开关管切换次数最少的原则，指令电流Ir所在的扇区与其空间矢量的合成情况如表3所示。
表3中，In、L+l和Io分别代表合成指令电流Ir的相邻空间矢量和零矢量。
假设指令电流Ir处于I扇区，将指令电流Ir和空间电流矢量I6、I1分别分解到a、β坐标轴上，可得：
式中：Ts为IGBT的一个开关周期；T1、T2、To分别为主矢量、辅助矢量和零矢量的作用时间。
在此引入通用变量X、Y、Z来计算时间T1、T2，并定义：
由此得到开关矢量作用时间与扇区的对应关系，如表4所示。
3 SVPWM控制模型的分析
3.1整体模型的构建
为了验证三相CSR的空间电流矢量控制，本文在Matlab仿真环境中搭建了系统模型。基于与电压型PWM整流器拓扑结构的差异，需增加二／三值逻辑转换、零状态判别等模块。系统主要由以下几个部分组成。
①主电路：包含了三相对称电源、LC滤波电路、整流桥、直流输出大电感Ldc和系统负载RL等模块。
②双闭环解耦控制：包括三相静止到两相旋转换、派克变换、双闭环解耦控制内环和外环控等模块。
③SVPWM:包括二／三值逻辑转换、指令电流判别、开关作用时间计算、SVPWM脉冲触发信号生成等模块。
④示波器显示电路。
3.2仿真结果与分析
本文采用双闭环解耦控制，区别于三相VSR，VCR整个系统需要进行5个PI参数的协调控制。仿真模型具体参数设置如下：电网相电压峰值311 V，频率50 Hz；滤波器电感5 mH；滤波器电容48μF；输出直流侧电感0.5 H；直流侧负载30Ω；采样频率10 kHz；仿真时给定直流电流的参考值为2.5 A，仿真时间为0.5 s，采用ode 45算法。
为证明三相CSR应用SVPWM调制方法的优越性，本文也采用了SPWM调制方式进行相同系统参数条件下的对比仿真验证。
图4为两种控制方法下直流侧输出电流波形。由图4可见，当CSR进入稳定运行时，两种控制方法均达到了给定电流值2.5 A，但SVPWM控制方式超调量较小，达到稳态时间约0. 02 s，明显快于SPWM控制方式。
图5为a相电压与网侧电流波形。由图5可见，网侧电压与电流实现了同相位，满足单位功率因数要求，其中SVPWM调制方式网侧电流近似正弦，所用时间更短。另外，从网侧电流谐波分析图还可看到，采用SVPWM控制方法的总谐波失真值(THD)更小，即系统的谐波含量最少，满足IEEE 519标准，从而证明了该控制方法在降低谐波污染、降低开关频率方面的优越性。
4结束语
本文主要阐述了三相电流型PWM整流器空间电流矢量控制方法。从三相CSR的数学建模出发，具体介绍了SVPWM脉冲信号发生方式、空间电流矢量的合成与调制、空间电流矢量的调制步骤等。三相CSR的控制难点在于基于与三相VSR拓扑结构的差异，需解决降低系统阶次、二／三值逻辑转换、零状态判别等方面问题。为了验证方法的可行性，本文在Matlab/Simulink软件平台进行了三相CSR双闭环解耦SVPWM控制的仿真，详细列出了系统各功能模块的Simulink模型。通过与传统的SPWM控制方式进行对比，说明了SVPWM的调制方式系统动态响应速度更快、鲁棒性好和超调量较小，可以实现单位功率因数运行，并能有效抑制网侧电流畸变，体现了在降低谐波污染、减小开关频率方面的优势。该研究为PWM整流器的控制方法提供了新思路。
5关于摘要：为解决三相电流型PWM整流器的拓扑结构带来的系统阶次增加、并联谐振等问题，详细介绍了三相CSR的空间电流矢量的控制方法，包括系统的数学建模、控制策略、信号发生和实现调制等。在Matlab/Simulink软件平台进行了三相CSR双闭环解耦SVPWM控制方法的仿真，并通过与传统的SPWM控制方法进行对比，验证了该控制方法具有更好的动、静态特性，且动态响应快，能有效抑制网侧谐波，实现单位功率因数运行。该方法为三相CSR的控制方法提供了新思路，具有一定的理论和实际应用价值。
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