单相PWM整流器直接电流控制策略的研究

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