关键词：间接电流控制；功率因数；相位补偿

1 引言

不同于中小功率的单相PWM整流器，大功率PWM整流器往往无法拥有很高的开关频率，通常都在几百赫兹左右。较低的开关频率导致了在控制策略上无法选择较快的电流环搭配较慢的电压环，同时低开关频率也伴随着较低的网侧电流开关谐波频率，所以常采用间接电流控制^[1]。传统的间接电流控制由于没有引进网侧电流，电流环是一个开环，这就很难实现网侧电流的相位快速控制，导致无功功率的产生，造成能量的浪费。

对于这个问题，有学者将预测电流控制^[2]应用到了单相PWM整流，提出了基于软件锁相环的瞬时无功检测，对预测电流控制的电流给定值进行了相位补偿，实现了四象限变流器的单位功率因数运行。也有学者将重复控制^[3]应用到了单相PWM整流上，提出了基于重复控制的复合控制方案，抑制了网侧电流的周期性谐波，实现了无稳态误差控制。

这里，针对传统间接电流控制未引进网侧电流导致功率因数校正迟缓的问题，本文提出了一种对单相PWM整流间接电流控制的相位补偿策略，通过将无功电流引入控制结构中，利用无功电流环来补偿网侧电流在与网侧电压同相和垂直的两个方向上的分量，实现单位功率因数的能量双向流动。

2  传统间接电流控制

单相PWM整流器的拓扑结构如图1所示，主要由网侧输入电感、电阻、4个带续流二极管的组成的全桥结构、直流支撑电容和负载组成。

图1 单相PWM整流器拓扑结构                                                                                                                                     

图2  传统间接电流控制模型                                                                                                      

图3  矢量校正图                                                                                                                            

                     图4  基于相位补偿的间接电流控制模型

图5  传统间接电流控制的仿真整体波形                                                                              

图6  加入补偿的仿真整体波形                                                                       

其中加入补偿的空载稳态波形如图7所示，加入补偿的带载稳态波形如图8所示，加入补偿的能量反馈稳态波形如图9所示。

图7  加入补偿的空载稳态波形                                                                          

图8  加入补偿的带载稳态波形                                                                    

图9  加入补偿的能量回馈稳态波形                                                                 

                                                                                              
图10  加入补偿的空载启动波形                                                                      

                                                                                             
图11  加入补偿的空载稳态波形                                                                               

                                                                                             
图12  加入补偿的带载稳态波形                                                                                   

                                                                                             
图13  加入补偿的能量回馈稳态波形                                                                                

实验也证明了基于相位补偿的间接电流控制方案能够正常空载启动，在带载工况下能够实现功率因数接近1，在能量回馈工况下实现功率因数接近-1，验证了该方案的实用性。

5  结论

本文提出了一种基于相位补偿的单相PWM整流器的间接电流控制方案。首先分析了传统间接电流控制对于功率因数校正迟缓的问题，给出了相应的相位补偿方案，其次在Matlab/Simulink平台的S-Function模块下进行了仿真验证该方案的可行性，最后在基于DSP+FPGA的单相PWM整流器控制系统上进行了实际工况的实验验证，证明该方案的实用性。结果表明该方案能够有效提高功率因数校正的速度，实现单位功率因数的能量双向流动。