【正文】 詳細(xì)介紹同步PI控制和新型預(yù)測電流控制算法。隨著PWM整流器及其控制策略研究的深入，研究人員展開了多角度多層次的研究工作。為了解決PWM整流器在應(yīng)用中的既有缺點(diǎn)和障礙，一些較為新穎的系統(tǒng)控制策略相繼被提出。下面簡單的介紹其中的三種。首先，出現(xiàn)了對無電網(wǎng)電壓傳感器控制及無電網(wǎng)電流傳感器控制的研究。為進(jìn)一步簡化電壓型PWM整流器的信號檢測，Toshi Hiko Noguchi等學(xué)者提出了一種無電網(wǎng)電動勢傳感器的PWM整流器控制策略。[14]。無電網(wǎng)電動勢傳感器控制方式，其主要實(shí)現(xiàn)方案可以分為兩大類：矢量控制(VOC)和直接功率控制(DPC)。他們分別是虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制(VFOC)和虛擬電網(wǎng)磁鏈定向直接功率控制(VFDPC)。本文將對虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的矢量控制進(jìn)行控制策略和實(shí)驗(yàn)研究。另外，從而為無電網(wǎng)電流傳感器的PWM整流器研究奠定了基礎(chǔ)。第二種，PWM整流器的時(shí)間最優(yōu)控制。常規(guī)的基于dq模型的電壓型PWM整流器控制，一般通過前饋解禍控制，并采用兩個(gè)獨(dú)立的PI調(diào)節(jié)器，分別控制相應(yīng)的有功無功分量。而有功、無功分量間的動態(tài)禍合和PWM電壓利用率的約束，影響了電壓型PWM整流器有功分量的動態(tài)響應(yīng)。針對這一問題，Jong Woo choi等學(xué)者利用最優(yōu)控制理論，提出了確保直流電壓響應(yīng)的時(shí)間最優(yōu)控制。其基本思路就是，根據(jù)時(shí)間最優(yōu)控制算法求解出跟蹤指令電流所需的最優(yōu)控制電壓，并在動態(tài)過程中降低相應(yīng)無功分量的響應(yīng)速度，從而有效的提高了有功分量的動態(tài)響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)了三相電壓型PWM整流器直流電壓的時(shí)間最優(yōu)控制。第三種，很多學(xué)者專注于電網(wǎng)不平衡條件下的PWM整流器控制策略研究。在三相PWM整流器控制策略研究過程中，一般均假設(shè)三相電網(wǎng)是平衡的。而實(shí)際上，三相電網(wǎng)常處于不平衡狀態(tài)，即三相電網(wǎng)電壓的幅值、相位不對稱。一旦電網(wǎng)不平衡，以三相電網(wǎng)平衡為約束所設(shè)計(jì)的PWM整流器就會出現(xiàn)不正常的運(yùn)行狀態(tài)，主要表現(xiàn)在:PWM整流器直流側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)電流的低次諧波幅值增大，且產(chǎn)生非特性諧波，同時(shí)消耗相應(yīng)增大；PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流亦不平衡，嚴(yán)重時(shí)可使PWM整流器發(fā)生故障，甚至燒壞裝置。為了使PWM整流器在電網(wǎng)不平衡條件下仍能正常運(yùn)行，必須提出相應(yīng)的控制策略。為此，很多學(xué)者提出了解決不平衡控制的理論，比如不平衡條件下，網(wǎng)側(cè)電流和直流電壓時(shí)域表達(dá)式、電感電容設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、正負(fù)序兩套同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系獨(dú)立控制等。這方面控制策略仍有待更進(jìn)一步的研究。本文的輔電源試驗(yàn)臺項(xiàng)目對這方面研究做出了有益的嘗試。對于不同功率等級以及不同的用途，人們研究了各種不同的PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在小功率應(yīng)用場合，PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在減少功率開關(guān)和改進(jìn)直流輸出特性上。對于大功率PWM整流器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、變流器多重化以及軟開關(guān)技術(shù)上。多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PWM整流器主要應(yīng)用于高壓大容量場合。而對于大電流應(yīng)用場合，常采用變流器并聯(lián)多重化。與普通并聯(lián)不同的是，每個(gè)并聯(lián)的PWM整流器中的PWM信號發(fā)生采用相移PWM控制技術(shù)[ 16]，從而以較低的開關(guān)頻率獲得了等效的高開關(guān)頻率控制，即在降低功率損耗的同時(shí)，有效地提高了PWM整流器的電流、電壓波形品質(zhì)。 PWM整流器的研究狀況當(dāng)前對PWM整流器的研究主要是以下幾個(gè)方面:(1)關(guān)于PWM整流器的建模研究 PWM整流器數(shù)學(xué)模型的研究是PWM整流器及其控制技術(shù)研究的基礎(chǔ)。自從出現(xiàn)基于坐標(biāo)變換的PWM整流器的數(shù)學(xué)模型之后，各國學(xué)者對PWM整流器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了詳細(xì)的研究，, ，并將時(shí)域模型分解成高頻、低頻模型，且給出了相應(yīng)的時(shí)域解。而Chun Y Hu等則利用局部電路的dq坐標(biāo)變換建立了PWM整流器基于變壓器的低頻等效模型電路，并給出了穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性分析。在此基礎(chǔ)上，Hengchun Mao等人又建立了一種新穎的降階小信號模型，從而簡化了PWM整流器的數(shù)學(xué)模型及特性分析。(2)關(guān)于PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究 PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為電流型和電壓型兩大類。電壓型PWM整流器(VSR)最顯著的拓?fù)涮卣魇侵绷鱾?cè)采用電容進(jìn)行電流儲能，從而使VSR直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性。電流型PWM整流器(CSR)直流側(cè)則是采用大電感進(jìn)行電流儲能，使得CSR直流側(cè)呈高阻抗的電流源特性。 長期以來，因?yàn)殡妷盒驼髌鹘Y(jié)構(gòu)簡單、損耗較低、控制方便，所以一直是人們研究地重點(diǎn)。而電流型 PWM整流器由于需要較大的直流儲能電感，以及交流側(cè)LC濾波問題，制約了電流型PWM整流器地發(fā)展。但隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，因?yàn)槌瑢?dǎo)線圈可以直接作為直流儲能電感，電流型PWM整流器在超導(dǎo)儲能技術(shù)中有更大的優(yōu)勢。 在小功率場合，PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究集中在減少功率開關(guān)和改進(jìn)直流輸出性能上。一般Boost型變換器直流側(cè)電壓大于交流側(cè)電壓峰值，為了實(shí)現(xiàn)降壓功能，有學(xué)者對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，并取得了一定的成果。對于大功率PWM整流器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在多電平、變流器組合以及軟開關(guān)技術(shù)上。多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PWM整流器主要應(yīng)用于高壓大容量場合。而對大電流應(yīng)用場合，則常采用變流器組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即將獨(dú)立的電流型PWM整流器進(jìn)行并聯(lián)組合。與普通并聯(lián)不同的是，每個(gè)并聯(lián)的PWM整流器中PWM信號采用移相PWM控制技術(shù)，從而以較低的開關(guān)頻率獲得了高效的高頻控制，即在降低損耗的同時(shí)，提高了電流、電壓波形品質(zhì)。同樣，可以將電壓型PWM整流器串聯(lián)組合，以適應(yīng)高壓大容量的應(yīng)用場合。此外，在大功率PWM整流器設(shè)計(jì)上，還研究了基于軟開關(guān)(ZVS, ZCS)控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相應(yīng)的控制策略，這一技術(shù)有待進(jìn)一步完善。(3)關(guān)于電壓型PWM整流器的電流控制策略研究 為了使電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)受控電流源特性，其網(wǎng)側(cè)電流控制策略的研究顯得十分重要。在PWM整流器技術(shù)發(fā)展過程中，電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流控制策略主要分成兩類:；另一類就是目前占主導(dǎo)地位的直接電流控制策略。間接電流控制實(shí)際上就是所謂的“幅相”電流控制，即通過控制電壓型PWM整流器的交流側(cè)電壓基波幅值、相位，進(jìn)而間接控制其網(wǎng)側(cè)電流。由于間接電流控制的網(wǎng)側(cè)電流動態(tài)響應(yīng)慢，且對系統(tǒng)參數(shù)變化靈敏，因此這種控制策略己經(jīng)逐步被直接電流控制策略取代。直接電流控制以其快速的電流響應(yīng)和魯棒性受到了重視，出現(xiàn)了不同的控制方案，主要包括以固定開關(guān)頻率且采用電網(wǎng)電動勢前饋的SPWM控制，以及滯環(huán)電流控制。為了提高電壓利用率并降低損耗，基于空間矢量的PWM控制在電壓型PWM整流器中取得了廣泛的應(yīng)用，并提出了多種方案。目前電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流控制己開始將固定開關(guān)頻率、滯環(huán)及空間矢量控制相結(jié)合，以使其在大功率有源濾波等需快速電流響應(yīng)場合獲得優(yōu)越的性能。此外，控制策略上還出現(xiàn)了狀態(tài)反饋控制。(4) PWM整流器系統(tǒng)控制策略的研究①在對PWM整流器的研究過程中，出現(xiàn)了一些較為新穎的控制策略:1Q PWM整流器的時(shí)間最優(yōu)控制常規(guī)的dq模型的電壓型PWM整流器控制，一般通過前饋解禍控制并采用兩個(gè)獨(dú)立的PI調(diào)節(jié)器，分別控制相應(yīng)的有功、無功分量。而有功、無功分量間的動態(tài)禍合和PWM電壓利用率的約束，影響了電壓型PWM整流器有功分量的動態(tài)響應(yīng)。針對這一問題，有學(xué)者提出了直流電壓時(shí)間最優(yōu)控制。其基本方法是根據(jù)時(shí)間最優(yōu)控制算法求解出跟蹤指令電流所需的最優(yōu)控制電壓，并在動態(tài)過程中降低無功分量的響應(yīng)速度，提高有功分量的響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間最優(yōu)控制。②無電網(wǎng)電動勢傳感器和無網(wǎng)側(cè)電流傳感器控制為了簡化信號的檢測。這一研究主要包括兩類電網(wǎng)電動勢重構(gòu)方案:一種是通過功率估計(jì)另一種是通過電流的偏差求導(dǎo)重構(gòu)電動勢。，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無交流電流傳感器控制。③電網(wǎng)不平衡條件下的PWM整流器控制一般的策略研究總是假設(shè)電網(wǎng)是平衡的。實(shí)際上，電網(wǎng)經(jīng)常處于不平衡狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)不平衡時(shí)，以三相電網(wǎng)平衡為約束所設(shè)計(jì)的整流器會出現(xiàn)不正常運(yùn)行，表現(xiàn)為:PWM整流器直流側(cè)電壓和交流側(cè)的低次諧波幅值增大，且產(chǎn)生非特征波形，同時(shí)損耗相應(yīng)增大。PWM整流器的交流側(cè)電流不平衡，嚴(yán)重時(shí)可使整流器故障燒毀。 為了能使整流器在電網(wǎng)不平衡條件下仍能正常運(yùn)行，有學(xué)者提出了不平衡條件下，網(wǎng)側(cè)電流和直流電壓的時(shí)域表達(dá)式，認(rèn)為電網(wǎng)負(fù)序分量使導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流畸變的原因。電網(wǎng)不平衡條件下，常規(guī)的控制方法會使直流電壓產(chǎn)生偶次諧波分量，交流側(cè)會產(chǎn)生奇次諧波分量。，即通過負(fù)序分量地前饋控制來抑制電網(wǎng)負(fù)序分量地影響。但是由于該方法地負(fù)序分量在dq坐標(biāo)下不是直流量，導(dǎo)致PI調(diào)節(jié)不能實(shí)現(xiàn)無靜差控制。因此，又有學(xué)者提出了正、負(fù)序雙旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制，該方法實(shí)現(xiàn)了無靜差控制。但是，雙旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制度的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，運(yùn)算量大。④基于Lyapunov穩(wěn)定理論的PWM整流器控制針對PWM整流器的非線性多變量強(qiáng)禍合的特點(diǎn)，常規(guī)的控制策略和控制器的設(shè)計(jì)一般采用穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)小信號擾動線性處理方法，這種方法的不足之處是無法保證控制系統(tǒng)大范圍擾動的穩(wěn)定性。為此，有學(xué)者提出了基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的控制策略。這一新穎的控制方案以電感、電容儲能的定量關(guān)系建立了Lyapunaov函數(shù)，并由三相PWM整流器的dq模型以及相應(yīng)的空間矢量PWM約束條件，推導(dǎo)出相應(yīng)的控制算法。這一方案較好的解決了PWM整流器的大范圍穩(wěn)定控制問題。 (5)對電流型PWM整流器的進(jìn)一步研究 隨著超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，電流型PWM整流器克服了自身的一些缺陷，在近些年里取得了成功應(yīng)用。由于在超導(dǎo)儲能變流環(huán)節(jié)中應(yīng)用的電流型PWM整流器無需另加直流電感，并且具有良好的電流保護(hù)性能，因此與電壓型PWM整流器相比，電流型PWM整流器顯得更有優(yōu)勢。目前，電流型PWM整流器的研究主要集中在數(shù)學(xué)建模及特征分析、網(wǎng)側(cè)電流畸變和諧振抑制及控制策略、網(wǎng)側(cè)濾波參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和不平衡電網(wǎng)條件下的控制設(shè)計(jì)等上。 PWM整流器控制技術(shù)研究方向 控制技術(shù)是PWM整流器發(fā)展的關(guān)鍵。近年來，有關(guān)PWM整流器高頻整流控制技術(shù)的研究圍繞在以下幾個(gè)方面:(1)減少交流側(cè)輸入電流畸變率，降低其對電網(wǎng)的負(fù)面效應(yīng)。一般要求在整個(gè)負(fù)載波動范圍內(nèi)，交流側(cè)輸入電流的總諧波畸變率低于5%。(2)提高功率因數(shù)，減少整流的非線性，使之對電網(wǎng)而言相對是“純電阻”負(fù)載。(3)提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力，減少系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)時(shí)間。(4)降低系統(tǒng)的開關(guān)損耗，提高整個(gè)裝置的效率。(5)減少直流側(cè)紋波系數(shù)，縮小直流側(cè)濾波器體積，減輕重量。(6)提高直流側(cè)電壓利用率，擴(kuò)大調(diào)制波的控制范圍。 本論文在進(jìn)行了大量有關(guān)PWM整流器控制的文獻(xiàn)研究和資料分析的基礎(chǔ)上，主要完成以下工作:，對該系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)有了一定的了解。通過對電壓型PWM整流器的工作原理進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析，建立了整流器的數(shù)學(xué)模型，為后面的分析提供了理論基礎(chǔ)。(DSP)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的控制回路和檢測回路。，著重對電路設(shè)計(jì)用到的傳感器和開關(guān)管進(jìn)行比較和選擇，對驅(qū)動電路，直流電壓、交流電流采樣及電網(wǎng)電壓同步信號采樣電路和DSP控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。4. 對于系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，給出了PWM控制脈沖的生成方法和電網(wǎng)電壓同步信號獲取的正弦查表法，利用匯編和C語言的混合編程，編寫了其實(shí)現(xiàn)程序，完成了對PWM整流器的數(shù)字控制。52第二章 PWM整流器的工作原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型本章先對PWM整流器的工組原理進(jìn)行詳細(xì)的分析，剖析其改善功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動的原因，在此基礎(chǔ)上，闡述了多種PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并加以比較說明。接著，文章又建立了PWM整流器的兩種基本的數(shù)學(xué)模型，并在本章最后簡要介紹了幾種PWM整流器的控制方式。 PWM整流器的工作原理PWM整流器是與傳統(tǒng)整流裝置關(guān)鍵性的不同之處是用全控型功率器件取代了半控型功率開關(guān)或二極管，以PWM斬波控制整流取代了相控整流或不可控整流，因此，PWM整流器具有下列優(yōu)越性能: (1)網(wǎng)側(cè)電流為正弦波； (2)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控或?yàn)閱挝还β室驍?shù)； (3)電能雙向流動； (4)較快的動態(tài)控制響應(yīng)。由此可見，PWM整流器己不是一般傳統(tǒng)意義上的AC/DC變換器，由于能量的雙向傳輸，當(dāng)PWM整流器從電網(wǎng)吸取能量時(shí)，則運(yùn)行于整流工作狀態(tài)；而當(dāng)PWM整流器向電網(wǎng)傳輸電能時(shí)，則運(yùn)行于有源逆變工作狀態(tài)。單位功率因數(shù)指的是:當(dāng)PWM整流器運(yùn)行于整流狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓、電流同相位(正阻特性)；當(dāng)PWM整流器運(yùn)行于有源逆變狀態(tài)時(shí)，其網(wǎng)側(cè)電壓、電流反相(負(fù)阻特性)。 PWM整流器模型電路因此，PWM整流器實(shí)際上是一個(gè)其交、直流側(cè)可控的四象限運(yùn)行的變流裝置，下面從模型電路說明其基本原理。從圖2. 1可以看出，PWM整流器模型電路是由交流回路、功率開關(guān)橋路和直流回路組成的。其中交流回路包括交流電動勢。以及網(wǎng)側(cè)電感L等。直流回路包括負(fù)載電阻R及負(fù)載電勢e等。功率開關(guān)橋路為電壓型或電流型橋路組成。當(dāng)不計(jì)功率橋的損耗時(shí)，由交、直流側(cè)功率平衡關(guān)系可得 = dc dc ()式中，, 為模型電路交流側(cè)電壓、電流。,為模型電路直流側(cè)電壓、電流。 由式( 2. 1)可看到:通過模型電路交流側(cè)的控制，就可以控制其直流側(cè)，反之亦然。下面從模型電路交流側(cè)入手，分析PWM整流器的運(yùn)行狀態(tài)和控制原理。 為簡化分析，對于PWM整流器模型電路，只考慮基波分量而忽略PWM諧波分量，并且忽略交流側(cè)電阻。穩(wěn)態(tài)條件下，PWM整流器交流側(cè)矢量關(guān)系如圖2. 2所示 a純電感特性運(yùn)行 b正阻特性運(yùn)行 c純電容性運(yùn)行 d負(fù)阻特性運(yùn)行 整流器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系: ,交流電網(wǎng)電動勢矢量；,交流側(cè)電壓矢量；，交流側(cè)電感電壓矢量；，交流側(cè)電流矢量。，當(dāng)以電網(wǎng)電動勢矢量為參考時(shí)，通過控制交流電壓矢量V即可實(shí)現(xiàn)PWM整流器的四象限運(yùn)行。假設(shè)不變，也是固定不變，此時(shí)，PWM整流器交流電壓矢量V端點(diǎn)運(yùn)動軌跡為一個(gè)以為半徑的圓。當(dāng)電壓矢量端點(diǎn)位于圓軌跡A點(diǎn)時(shí)，電流矢量I比電動勢矢量E滯后900，此時(shí)PWM整流器網(wǎng)側(cè)呈純電感特性，