1  引言

PWM整流器对电网不产生谐波污染，所以伴随着电力电子技术的发展，在有源滤波、超导储能、交流传动、高压直流输电、可再生能源(太阳能、风能)的并网、统一潮流控制以及四象限交流电动机驱动等场合PWM整流器已经得到越来越广泛应用。而PWM整流器发展的关键因素是控制技术的研究与发展，网侧电流的控制的好坏体现在能否使网侧电流波形较好地跟踪电压波形。间接电流控制策略和直接电流控制策略为目前最常用的两种电压型PWM整流器网侧电流控制策略。直接电流控制策略在电流响应的快速性和鲁棒性等方面比间接电流控制策略更有优势。本文提出了一种基于无直流偏移的改进型积分算法的直接电流控制策略，并将其运用于无电网电压传感器的虚拟磁链定向的PWM整流器中。^[1-3]
2PWM整流器拓扑结构

图1为PWM整流器的拓扑结构。其中e为电网电压，L，R是进线电抗器的电感与电阻，v为整流器输入电压，i为输入电流，v_o为整流器输出直流电压，i_o为整流器直流侧输出电流，i_L为负载电流。

                                                                                                             
图1  PWM整流器的拓扑结构                                                                                                            

2.1 数学模型

式中s_d、s_q分别为两相旋转d-q坐标系下开关器件函数。
2.2 虚拟磁链定向三相VSR数学模型
   将电网和PWM 整流器看成一台容量无限大的同步电机和逆变器。同步电机定子电阻和漏感分别为R和L，由逆变器供电、以同步速恒速运行的。PWM整流器中的电网电压相当于电机感应电势，公式为，则虚拟磁链滞后电压90°，因此由式（4）可得d轴虚拟电网磁链定向下数学模型：

          (5) 

d轴虚拟磁链定向的矢量图如图2所示。

图2  d轴虚拟磁链定向的三相VSR矢量图

3 PWM整流器虚拟磁链的定向

3.1 虚拟磁链PWM整流器控制框图

如果忽略进线线路的电阻R和电感L。此时α-β坐标系下的电压方程为：

                     (6)

两边同时积分可得：

式中ψ_α、ψ_β分别为虚拟电网磁链α、β的分量。定向虚拟磁链的关键是图2中虚拟电网磁链ψ的空间位置角θ的观测。由图2可得：

              (7)

这样就可以通过对ψ_α、ψ_β的估算来观测角。

图3为基于d轴虚拟电网磁链定向的无电网电压传感器三相PWM整流器控制框图。控制思路：由两相电流和开关器件信号估算出虚拟磁链的α、β分量，进而得到空间位置角θ的正弦、余弦值，以此进行坐标变换，获得无电网电压传感器的d轴虚拟磁链定向的同步旋转坐标系统，这样就实现了相应的矢量控制。

图3  虚拟磁链定向的PWM整流器矢量控制框图

3.2 传统虚拟磁链定向

传统虚拟磁链定向中积分初值一直是纯积分器观测存在的问题，如果正弦输入信号其初值不为峰值时，会导致一个直流偏移量叠加在积分的余弦信号上。通常将纯积分器1/s用一阶惯性滤波器1/(s+ω_c)来代替去解决这一问题。从一阶滤波器的表达式可以看出：当ω_c的值很小时，滤波器可视为积分器，当ω的值接近于ω_c的值时，一阶惯性滤波器会对初始分量起到衰减的作用。传统的方法在近似纯积分和衰减直流分量之间存在矛盾：要让直流分量衰减须保持ω_c为一常量，而近似积分环节则又要让ω_c远远小于ω，所以ω_c的选值往往折中，即ω_c＜0.1ω。图4为虚拟磁链观测器的原理框图。

图4 虚拟磁链观测器                                                                                                                                                    

3.3 无直流偏移的虚拟磁链定向

       图5 无直流偏移的虚拟磁链观测器

在MATLAB/Simulink中搭建了改进后的和传统的两种磁链观测器，如图6。从图中可以看出改进后的无直流偏移的虚拟磁链观测器响应速度较快。

           图6 两种观测方式的比较

4 仿真与实验

4.1 三相PWM整流器仿真搭建

利用MATLAB/Simulink搭建了无直流偏移的虚拟磁链定向的PWM整流器的仿真。其中输入交流电压有效值为110V，直流额定输出电压：v_o=360V，系统额定负载：R=15Ω，交流进线电阻：R=0.1Ω，交流侧输入电感：L=2mH，直流侧输出稳压电容：C=3400μF，输入电压频率：50Hz，开关频率：2kHz。其仿真波形如图7-图9。

        图7 直流侧V_o波形

      图8 a相电压与电流的对照波形

                                        图9 能量回馈时a相电流与电压的波形

4.2 三相PWM整流器实验

本文通过连接电路将搭建的无直流偏移虚拟磁链定向的PWM整流器的仿真系统与dSPACE实验平台连接起来。其实验波形如图10-图12。

              图10  a相电压与电流的对照波形

                     图11 直流侧电压Vo波形

            图12 能量回馈时a相电流与电压的波形

通过实验波形可以看出：采用改进后的无直流偏移的虚拟磁链定向PWM整流，输入电流总的谐波含量大大的降低，基本接近正弦；网侧电流与电网电压基本同相，实现单位功率因数运行，如图10。直流侧电压V_o的波形如图11，稳态时直流侧的电压波动也很小。能量回馈时a相电压和电流波形见图12，网侧功率因数接近-1。通过实验可见改进后的虚拟磁链定向的PWM整流器响应的快速性、稳定性和准确性。

5 结束语

本文提出了一种改进的基于直接电流控制的无直流偏移积分算法，设计出的无直流偏移虚拟磁链观测器，与传统的虚拟磁链定向观测器作了比较，体现出无直流偏移时响应的快速性。搭建的基于虚拟磁链定向三相PWM整流器的仿真和实验平台，验证了所提出的三相PWM整流器的可行性。