基于SVPWM的三相混合开关电流型整流器的优化控制策略研究

图6 优化SVPWM扇区I内的矢量时序图 图7 优化SVPWM中扇区I到扇区Ⅱ的矢量时序图

4 仿真结果

对三相混合开关PWM电流型整流器使用优化空间矢量控制策略进行仿真验证。仿真电路的功率为300kW，直流侧电流为700A；网侧滤波器谐振频率为750Hz，滤波交流电感为100μH，等效串联电阻为0.047Ω，网侧三相滤波电容为450μF，则滤波器的品质因数约为10；电路的工作频率为2.4kHz。

图8 优化控制策略的网侧电流波形：（a）相网侧PWM电流波形；（b）各相网侧电流波形

图8为网侧电流波形。对网侧电流进行傅里叶分析，图8(b)中网侧电流Isa的THD≈11.66%，各次谐波分量列于表1。5次到19次谐波由滤波器谐振放大，49次和53次为开关频率及其边频谐波。通过增加谐振吸收电路来滤除低次谐波，网侧电流如图9所示。

图9 (a)吸收17次谐波后的网侧电流波形；（b）吸收5次、11次和17次谐波后的网侧电流波形

图10 传统控制策略的网侧电流波形:(a)a相网侧PWM电流波形；（b）a相网侧电流电压波形

图9(a)中，滤除17次电流谐波后，网侧电流Isa的THD≈9.21%。图9(b)中同时谐振吸收5次、11次和17次电流谐波后，Isa的THD≈5.89%。比较传统的电流型空间矢量来分配网侧电流脉冲，在相同的晶闸管关断时间和电路调制比条件下，电路的最高工作频率为1.2kHz。使用相同的电路拓扑参数进行仿真，网侧电流波形如图10所示。由于网侧滤波器的转折频率太接近于电路的工作频率，故开关频率及其边频的谐波不易滤除。图10(b)中最大谐波分量是基波的26.71%；网侧电流Isa的THD≈33.2%。要减小THD需要增加网侧滤波电感；另外开关频率降低一半后，直流侧滤波效果要到达原来的要求，滤波电容不变时，需要4倍原来的直流滤波电感。由仿真可见，通过优化空间矢量来提高开关频率，可减小滤波电感和电容，降低整体系统的体积和成本；虽会造成网侧电流一定的畸变，通过采用谐振吸收电路，可使电网侧电流谐波明显被抑制。

5 实验结果

设计了一套小功率样机验证策略的可行性。参数如下：主开关使用IGBT；整流桥使用普通晶闸管，设置TOFF=42μs；网侧电容为126.6μF,电感为1mH；fs=2.4kHz。图11(a)为a相晶闸管的驱动脉冲和PWM电流波形。图11(b)所示圆圈内，最小零矢量时间20μs后晶闸管可通过强制换流成功。验证了优化电流型空间矢量策略的可行性。

图11 优化控制策略下的电流波形: (a)a相上管的驱动脉冲和a相的PWM电流波形；(b)放大到200us/格的波形。

图12为滤波后的a相网侧电流和电压波形。可见网侧电流和电压同相位，电流波形基本为正弦波。图13为直流侧整流桥输出的电压波形和滤波电感后的电压波形，可见提高开关频率后，可以减小直流滤波器的体积。

图12 a相网侧电流Ias和电压波形Vas 图13 直流侧整流桥输出电压Vd和滤波后电压Vdc

结语
本文介绍了三相混合开关PWM电流型整流器使用晶闸管代替大功率可控开关管，使大功率PWM型整流器有低成本的解决方案。通过优化空间矢量方法，在保证晶闸管关断的同时提高了电路的工作频率，保证网侧电流谐波能更好的被抑制。通过仿真分析了优化控制策略的优缺点。最后通过实验验证了该优化电流型空间矢量的可行性。