单周期控制三相PWM整流器在不对称电网下的研究

摘要：传统的矢量模式单周期控制三相PWM整流器是基于对称电网系统下研究的，功率因数约为1，输入谐波低，且与双极型单周期控制相比，具有更低的开关损耗。当三相电网不对称时，三相输入电流跟踪电网电压的非零序分量，采用传统电网电压选择矢量区间不能保证三相PWM整流器具有较低的开关损耗，且在电网极端缺相故障时，系统不能正常工作。本文采用电网电压非零序分量选择矢量区间，并对矢量区间状态进行分析比较，结果证明所采取的方法能保证系统在任何情况下开关损耗最低。最后对三相PWM整流器工作于不对称电网情况下进行了仿真研究，仿真结果表明采用电网电压非零序分量选择矢量区间能保证电网电压在缺相故障时系统仍能正常工作，并且所采用的单周期控制同时满足对称电网系统。 叙词：单周期控制,不对称电网,三相PWM整流器,非零序分量
1 引言

近十几年来，随着对用电设备谐波污染的日益重视，三相高频PWM整流器技术已经成为电力电子领域研究的热点之一。由于三相电力电子装置在电网中占有很大比重，三相中大功率PFC成为近年研究的重点，而其中以三相六开关双向PWM整流器应用最广[1-2]。

在三相PWM整流器的各种控制方法中，单周期控制展现了其突出的优点：不需进行d-q坐标变换、无需乘法器、具有调制和控制的双重功能[2][4]，无论在稳态或暂态情况下，在控制周期内受控的输入电流平均值均能恰好正比于控制参考信号，具有动态响应快、开关频率稳定、鲁棒性强、易于实现等特点[4]。在实际电网中，由于电网故障、大容量不对称负载的使用等，都可造成电网的不对称，而一般都在电网对称情况下研究单周期控制的PWM整流器[1][2][4][7][8][9]。虽然单周期控制具有一定的抗扰动性能，但在不对称电网情况下，尤其是电网缺相故障时，基于电网电压选择矢量区间的单周控制存在着两个固有的缺点：（1）不能保证矢量模式的单周期控制具有最低的开关损耗；（2）不能保证在电网极端缺相故障时系统的正常运行。本文针对以上两个缺点，分析不对称电网的特点，采用非零序分量进行区间选择以改进传统的区间选择法，消除了以上两个固有的缺点，提高了矢量模式单周期控制三相PWM整流器的可靠性能。最后通过仿真实验，证实了该方法是实际可行的。

2 单周期控制三相PWM整流器的状态方程

图1是三相六开关PWM整流器主电路拓扑图。为了便于原理分析，假设：（1）三相输入是对称的，内阻为零，如图2所示，三相电压根据过零点被划分为6个区间；（2）各相电感相等，即La=Lb=Lc=L；（3）每个桥臂上、下两个开关互补运行；（4）开关频率远大于电网频率。节点a、b、c相对节点n的电压为：

（1）

三相六开关PWM整流器的平均数学模型[2]为：

（2）

由文献[3]可进一步推出输入电压与输出电压的关系：

（3）

图1三相六开关PWM整流器拓扑图

图2三相对称电网及矢量区间

其中d_an 、d_bn和d_cn分别是开关S_an 、S_bn和S_cn的占空比。在00～600中，B相桥臂保持[6] ，即d_bn=1代入式（3）得：

（4）
为了得到单位功率因数，三相PWM整流器控制的目标方程为：

（5）
令： （6）
其中Vm为电压补偿器输出电压，E为输出电压Vdc, Rs为电流传感器测量内阻，Re为三相等效负载。将（5）代入（4）得：
（7）

根据图2所示的矢量区间，同理可得其他区间的状态方程列于表1：（abc表示三相相电压与0的比较值，1表示相电压大于0，0表示相电压小于0）。

表1单周期控制核心状态方程

3 单周期控制不对称三相PWM整流器的分析

前面所讨论的单周期控制的核心方程式（7）是在假定三相电源电压对称的情况下推导出来的，其中Ua+Ub+Uc=0关系是成立的。而在三相不对称电网系统中，如图3所示，采用对称分量法将三相不对称电压分解为正序分量、负序分量及零序分量[5][10]。由于存在零序分量有Ua+Ub+Uc≠0。由文献[7]得在不对称三相电网下输出电压与输入电压非零序分量有如下关系：
（8）

（9）

其中V0=1/3(Va+Vb+Vc)。Van0、Vbn0、Vcn0和V0分别为三相电压非零序分量及零序分量。将单周期的核心方程（7）代入（8）式得不对称电网下单周期控制的目标方程：
（10）

若使三相输入电流仍跟踪三相电网电压，只有令：并代入（8）和（9）式，在I区间内有：

（11）

式（10）说明了在不对称系统中，输入电流与电网电压的非零序分量成比例，并且三相电压源承载相等的负载。但是传统矢量模式单周期控制的区间选择是基于三相电网电压，这显然不适于不对称电网系统。考虑一般性及极端情况，设A相正常，C相幅值降为额定的10%，相位超前A相1500，B相缺失，如图3所示。

图3 B相缺相时的不对称电网