关键词：单相PWM整流器；控制策略；仿真分析

1  引言

传统的晶闸管相控整流电路，存在网侧功率因数低、谐波含量大等缺点。近些年随着电力电子技术和控制技术的发展，牵引变流器中广泛采用PWM控制技术，具有功率因数高、直流侧电压稳定、输入电流谐波小、开关损耗小、谐波污染少等优点，因此，PWM整流器的控制技术是其发展的关键。其控制目标：一是保持中间直流侧的直流电压在允许的偏差范围内；二是在交流输入侧得到单位功率因数，同时确保交流输入电流谐波含量较小，而且瞬态响应速度快、稳态特性好^[1]，目前被广泛地应用于电力机车及动车组中。本文主要研究瞬态直接电流控制、预测直接电流控制两种常规的控制策略和基于d-q坐标系的有功与无功电流解耦控制策略，并对三种控制策略的仿真结果进行对比分析。

2  单相PWM整流器的工作原理

                                                                                      


       图1 单相PWM整流器结构                                                                                           

图2  开关等效电路图                                                                                 

3  单相PWM整流器的三种控制策略

3.1  瞬态直接电流控制

瞬态电流控制木质是将电压电流双闭环反馈控制与前馈控制相结合。单相脉冲整流器的瞬态电流控制框图如图3所示。

忽略网侧等效电阻的大小，瞬态直接电流控制的数学表达式为      

                       （1）                                                                              

图3  瞬态电流控制框图                                                                  

3.2  预测直接电流控制

预测电流控制算法的基本原理是：用固定的频率对输入电流采样，将本次釆样得到的实际电流值与下一采样时刻预测的电流参考值进行比较，求出最优控制，使得电流误差为最小，进而迫使下一次采样时刻的输入电流实际值以最优特性跟踪电流参考值^[4]。

忽略网侧等效电阻的大小，预测直接电流控制的数学表达式为

                               (2)                                                                                   

和分别是电压外环的比例系数和积分系数，预测直接电流控制图如图4所示。

图4  预测直接电流控制图                                                                           
                                                                                              

                                          (3)                                                                                                             

图5  d-q电流解耦控制图                                                                                       
4  三种控制策略的仿真分析                                                                                                                                          

4.1  瞬态直接电流仿真结果

                      (a)直流侧电压                       (b)直流侧电压谐波分析

                     图6  直流侧电压与谐波分析                                                                                                            

       (a)网侧电压、电流                 (b)网侧电流低次谐波分析                                                                          

图7  网侧电压电流与电流低次谐波分析                                                                    

图6、图7为瞬态直接电流控制的仿真图，由图6可知，直流侧电压可稳定在给定值，但是在直流侧产生了较大的二次脉动电压。由图7(a)可知，PWM整流器瞬态电流控制可实现接近单位功率因数运行；图7(b)可知，网侧电流谐波主要为3、5、7次等奇次谐波，其中3次谐波含量最大，为主要谐波。

4.2  预测直接电流仿真结果


                                                                          

                            (a)直流侧电压                         (b)直流侧电压谐波分析

             图8 直流侧电压及谐波分析                                                                                        


                                                                                                    

                        (a)网侧电压、电流                    (b)网侧电流低次谐波分析

图9  网侧电压电流与电流低次谐波分析                                                                          

图8、图9为预测直接电流控制的仿真图，由图8可知，直流侧电压可稳定在给定值，但在直流侧也产生了较大的二次脉动电压。由图9(a)可知，PWM整流器瞬态电流控制可实现接近单位功率因数运行；图9(b)可知，网侧电流谐波主要为3、5、7次等奇次谐波，其中3次谐波含量最大，为主要谐波。

4.3  d-q电流解耦控制仿真结果


                   
                     


                   (a)直流侧电压                            (b)直流侧电压谐波分析                                                                 
        












































































































                                                       





































     
                                              

图10  直流侧电压及谐波分析                                                                                        


   

  (a)网侧电压、电流                    (b)网侧电流低次谐波分析                                                                                               

图11  网侧电压电流与电流低次谐波分析                                                                                            

图10、11为d-q电流解耦控制的仿真图，由图10可知，直流侧电压也可稳定在给定值，但在直流侧产生了较大的二次脉动电压。由图11(a)可知，PWM整流器瞬态电流控制也可实现接近单位功率因数运行；图11(b)可知，网侧电流谐波主要为3、5、7次等奇次谐波，其中3次谐波含量最大，为主要谐波。

4.4  数据分析

根据上述三种控制策略的仿真，由傅里叶分析可得到数据如附表所示。

                                                                                                                                            

5  结论

直流侧脉动电压幅值和网侧电流谐波含量的微小差异与三种控制策略里各自选取的PI以及P调节器的参数有关。根据本文选取的参数以及图7-图11和附表可得出如下结论：

(1)三种控制策略下，直流电压都可稳定在给定值附近，相差不大，网侧电流的基波幅值也相差不大，但是预测电流控制的基波幅值要稍大于其他两种控制策略。

(2)无LC二次吸收回路时，不同的脉冲整流器控制策略均在中间直流侧产生了较大的二次脉动电压和网侧电流的低次谐波。

(3)三种控制策略均可实现高功率因数运行，由图可看出瞬态电流控制和d-q电流解耦控制的功率因数要高于预测电流控制。

    (4)d-q电流解耦控制的网侧电流中5、7、9次等低次谐波含量要大于其他两种控制策略。

(5)根据本文选取的控制参数，瞬态电流控制下二次脉动电压最小，而且三次谐波含量也最小。