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1、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
2、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24，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
3、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124789。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
4、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dan 、dbn和
5、dcn分别是开关San 、Sbn和Scn的占空比。在00600中，B相桥臂保持6 ，即dbn=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
6、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510。由于存在零序分量有Ua+Ub+Uc0。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
7、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 B相的过零点无法确定，00-3600各区间参数如表2，在区间1800-2400内控制参数不能确定，因此单周期控制器不能发出正确的驱动信号，即在电网缺相极端情况下，系统不能正常工作。图5所示为不对称三相电压及其对应的非零序分量，而三相电流与非零序电压分量成比例，在00-600区间内Van0、Vcn0有过
8、零点，由过零点划分矢量区间，则在00-600可继续划分区间1、2和3，分别对应C相桥臂开关、B相桥臂开关及A相桥臂开关保持开通或关断，而传统的矢量模式单周期控制在00-600只有B相保持开通或关断，因此开关损耗未能最小。本文采用三相电压非零序分量选择矢量区间，控制框图如图4。图4单周期控制电路框图 非零序电压分量矢量区间划分如图6所示。在区间I内： Vbn00，Vcn00即Sbn=1。从（9）式得Va Vb，Vc Vb，仍然包含于传统的矢量模式单周期控制的区间选择中。同理可划分其余区间如表3，vp、vn是对应区间内的线电压，ip、in是对应区间内相电流。从表中可知非零序分量矢量区间划分消除了极
9、端缺相不对称时的未定开关状态参数，保证了系统的可靠工作，提高了矢量模式单周期控制的可靠性能。另外在对称电网中由于零序分量V0=0，所以有Va= Van0，Vb=Vbn0，Vc=Vcn0，此时为传统矢量模式单周期控制，即同时满足对称电网系统。4 仿真实验结果 本文针对的三相电网是模拟高速永磁同步发电机发出的高频交流电，交流电网频率f为1kHz、相电压有效值为220V,开关频率fs为200kHz,三相交流侧电感L为0.065mH,直流母线侧电容为550uF，电流传感器的测量内阻为0.1。应用的仿真软件是PSIM，为了验证所采用的单周期控制的可行性，对以下3种情况进行了仿真。情况（1）：电网电压零序
10、分量v0为0即三相电网对称，如图7所示输入电流完全跟踪电网电压，输出电压稳定；情况（2）：电网电压B相缺失，C相电压幅值减少20%，相位超前A相1500，如图8（b）所示，输入电流跟踪电网电压非零序分量，负载在0.28s时过载30%，输出电压经0.06s后稳定，系统正常可靠工作；情况（3）：B相电压幅值减少30%，相位滞后A相1500，C相电压幅值减少20%，相位超前A相900，波形如图9所示。图8情况2电网缺相不对称图9情况3电网不缺相不对称5 结论 针对传统的矢量模式单周期控制三相PWM整流器在不对称电网时，具有两个固有缺点：（1）开关损耗不能保证最低；（2）在电网极端缺相时，系统不能正常可靠工作。应用对称分量法分析不对称电网电压的特点，得出三相输入电流分别与对应相电压非零序分量成比例。本文最后采用电网电压非零序分量选择矢量区间，通过分析比较，所采用的单周期控制能保证在系统任何情况，开关损耗最低。最后仿真验证了采用的单周期控制在电网极端缺相时仍能正常工作，提高了矢量模式单周期控制三相PWM整流器的可靠性能。