单相PWM整流器直接电流控制策略的研究

　　摘要：通过对单相PWM整流器的控制思路的提出，分析并总结了单相PWM整流器直接电流控制的几种控制策略，分析了每种策略的工作原理和优缺点，并总结和展望了单相PWM整流器直接电流控制技术的发展趋势。
　　1.前言
　　随着电力电子技术的发展，功率电子设备的应用越来越广泛，致使大量的非线性负载涌入电网，给电力系统的电压和电流都带来了越来越严重的谐波污染。而PWM整流器提高了系统的功率因数，降低了对电网的谐波污染，得到了人们的重视。
　　根据输入电感电流状态PWM整流器可分为电流断续工作模式（DCM）和电流连续工作模式（CCM），由于CCM模式具有输入输出电流纹波小、滤波容易、器件导通损耗小、适用于大功率场合等优点，得到了更多地关注。在CCM模式中，根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈量，又可分为直接电流控制和间接电流控制。间接电流控制结构简单、无需电流传感器，但是它最大的缺点是电流动态响应缓慢，甚至交流侧电流中含有直流分量，且对系统参数波动较敏感。相对于间接电流控制，直接电流控制把整流器的输入电流作为反馈和被控量，形成电流闭环控制，使电流动、静态性能得到了提高，同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感，从而增强了电流控制系统的鲁棒性。所以，直接电流控制技术有着非常广阔的应用前景和使用价值。
　　2.单相电压PWM整流器原理框图
　　单相电压型PWM整流器的拓扑结构如图1所示，它主要由三部分组成：交流回路、功率开关桥路、直流回路。其中交流回路包括交流电动势UN 、网侧电阻RN 及网侧电感LN 等；直流回路包括由电感L2和电容C2组成的串联谐振电路用来滤除电网的2次谐波分量、滤波电容Cd 及负载 RL等；功率开关桥路由四个反并联二极管的IGBT组成。

　　单相PWM逆变器的控制思路是：在保证直流侧电压稳定的情况下，使交流侧的电流与电压尽可能的保持同相位，从而使交流侧的功率因数为1.
　　3.单相PWM整流器直接电流控制技术分析
　　直接电流控制根据控制方式的不同，又可分为滞环电流控制、峰值电流控制、预测电流控制、平均电流控制、状态反馈控制单周控制等。
　　3.1 峰值电流控制
　　峰值电流控制的原理是实时比较实际电流和指令电流瞬时值的大小，指令电流值是实际电流的上限，实际电流一旦达到这个上限，立刻转而向下衰减，电感值的大小，线路的阻抗和脉宽调制的开关频率影响了这一衰减的最终值。其控制原理框图如下图2所示。

　　峰值电流的优点：①暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快；②控制环易于设计；③输入电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相妣美；④简单自动的磁通平衡功能；⑤瞬时峰值电流限流功能，即内在固有的逐个脉冲限流功能；⑥自动均流并联功能。缺点有：①占空比大于5%时开环不稳定性，峰值电流与平均电流的误差难以校正；②闭环响应不如平均电流模式控制理想；③占空比大于0.5时系统产生次谐波振荡；④对噪声敏感，抗噪声性差；⑤电路拓扑受限制；⑥对多路输出电源的交互调节性能不好。
　　3.2 滞环电流控制
　　滞环电流控制方式作为峰值电流控制方式的改进，只是增加了一条限制电流衰减的下限。其原理仍然是指令电流和实际电流的实时值比较，实际电流达到上限指令电流，随即转入衰减，衰减至下限指令电流，重新开始上升，如此反复，实际电流将是一条在上下限指令电流跳动的锯齿波。

　　其控制原理图如图3所示，图中将指令电流i *和实际电流i进行比较，两者的偏差△ i 作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制电路主电路中开关通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路控制功率器件的通断，从而控制电流i 的变化。
　　滞环电流控制的优点是结构简单，实现容易，具有很强的鲁棒性和快速动态响应能力。缺点是开关频率不固定，滤波器设计困难，需要对电感电流全周期的检测和控制。
　　3.3 平均电流控制
　　平均电流控制的工作原理是将电感电流信号与锯齿波信号相加，当两信号之和超过基准电流时，开关管关断，当其和小于基准电流时，开关管导通。取样电流来自实际输入电流而不是开关电流。其控制原理图如图4.

　　平均电流控制的优点是：①平均电感电流能够高度精确地跟踪电流编程信号；②调试好的电路抗噪声性能优越；③适合于任何电路拓扑对输入或输出电流的控制；④易于实现均流。缺点是：①电流放大器在开关频率处的增益有最大限制；②双闭环放大器带宽、增益等配合参数设计调试复杂。
　　3.4 预测电路控制
　　预测电流控制的原理是在每个调节周期开始时通过对输入、输出电压和输入电流的采样，根据实际电流和参考电流的误差，选择优化的电压矢量作用于下一个周期，使实际电流在一个周期内跟踪上参考电流，实现稳态无误差。预测电流控制原理框图如图5所示，其中Uref为给定电压，Udc 为直流侧反馈电压。

　　这种控制的优点：开关频率固定，动态性能良好，电流谐波小，器件开关应力小，数字实现简单。缺点：要求较高的采样频率和开关频率，在低的采样频率下，会产生周期性的电流误差。
　　3.5 无差拍控制
　　无差拍控制是一种在电流滞环比较控制技术基础之上发展起来的全数字化控制技术，利用前一时刻的电流参考值和各种开关状态下变流器的电流输出值，根据空间矢量理论计算出整流器下一时刻应满足的开关模式，选择这种开关模式作为下一时刻的开关状态，从而达到电流误差等于零的目标。采用无差拍控制的优点数学推导严密、跟踪无过冲、动态性能好，易于计算机执行，可以消除稳态误差，并在最短的时间内结束过渡过程但它也存在鲁棒性较差、瞬态响应超调量大、计算实时性强因而对硬件要求很高等缺点。随着数字信号处理器应用的不断普及，这是一种很有前途的控制方法。
　　3.6 状态反馈控制
　　状态反馈控制是针对电流型可逆整流器输入滤波器容易出现振荡以消除振荡的控制方式。其控制原理图如下图6.

　　4.结语
　　直接电流控制是单相高功率因数整流器的主要控制方式，也是我们以后研究的重心。利用各种控制策略的优缺点，采用多种控制策略相结合，形成互补关系，达到理想的效果，这也是控制技术发展的一个方向。新的直接电流控制策略的研究将是另一个方向。随着数字信号处理器的普遍应用和人工智能技术的逐渐成熟。数字控制和智能控制也将是我们研究的目标，这将是直接电流控制技术的发展的主流。（作者：张荣佳，刘春海，王莹，侯转转）