２００７年６月第２ｌ卷第３期装甲兵工程学院学报ＩｏｕｒｎａｌｏｆＡｃａｄｅｍｙｏｆＪｕｎ．Ｖ０１．２ｌ２００７ＡｒｍｏｒｅｄＦｏｍｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＮｏ．３文章编号：１６７２－１４９７（２００７）０３—００６５—０４单相电压型ＰＷＭ整流器控制系统设计与仿真黄群李方正／装甲兵工程学院控制工程系，北京１０００７２）摘要：针对传统的不控整流和相控整流中存在的谐波污染问题，采用直接电流控制中的滞环电流控制策略，设计了单相全桥电压型ＰＷＭ整流器的控制系统，建立了系统的ＳＩＭＵＬＩＮＫ模型并进行了仿真。仿真结果表明：该控制系统结构设计合理，参数选取适当．能实现有效控制。关键词：谐波污染；电压型；ＰＷＭ整流；仿真；滞环中图分粪号：ＴＭ４６１文献标志码：ＡＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｏｆＳｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅＶｏｌｔａｇｅＴｙｐｅＨＵＡＮＧＱｕｎ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｄＰＷＭＲｅｃｔｉｆｉｅｒＬＩＦａｎｇ—ｚｈｅｎｇＦｏｒｃｅＣ仰ｔｍｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ａｃａｄｅｍｙ０ｆＡ册ｏｒａｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。ＢｅＵｉｎ９１０００７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｈａｒｍｏｎｉｃｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｐｈａｓｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｏｒｕｎ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ，ａｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅｆｕｌｌ—ｂｒｉｄｇｅｖｏｌｔａｇｅ・ｔｙｐｅｒｅｃｔｉｆｉｅｒｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｗｈｉｃｈｔｈｅｈｙｓ－ｔｅｒｅｓｉｓ－ｂａｎｄｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｃｕｌＴｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌＰＷＭｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｄｉｒｅｃｔｌｙｃｕｒｒｅｎｔ・ｃｏｎｔｒｏＨｅｄｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｉｓａ－ｄｏｐｔｅｄ．ＡｎｄｔｈｅＳＩＭＵＬＩＮＫｍｏｄｅｌｈａｓｂｅｅｎｂｕｉｌｔｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｔｈｕｓｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｏｆｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｐｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈａｒｍｏｎｉｃｐｏｌｌｕｔｉｏｎ；ｖｏｌｔａｇｅ－ｔｙｐｅ；ＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ近年来。随着电力电子装置的应用日益广泛，电网中谐波电流和无功功率对电力系统的污染也日益严重。消除谐波污染并提高功率因数，己经成为电力电子技术中的一个重大课题。作为解决这一问题途径之一的ＰＷＭ整流器，因其能够实现任意功率因数运行，直流输出稳定，动态响应好，且几乎不产生谐波，而得到众多学者的研究。针对传统的不控整流和相控整流存在的谐波污染问题，笔者采用直接电流控制中的滞环电流控制策略，设计了电压型单相全桥ＰＷＭ整流电路的控制系统，建立了系统的ＳＩＭＵＬＩＮＫ模型并进行仿真，结果表明，该系统可有效减少对电网的谐波污染。１单相全桥电压型ＰｗＭ整流器工作原理图ｌ（ａ）为单相全桥ＰＷＭ整流器拓扑结构，图１（ｂ）为等效电路，图１（ｅ）为系统电压基波向量图，图１（ｄ）为系统运行于整流状态时的电压基波向量图，图１（ｅ）为系统运行于逆变状态时的电压基波向量图。图中ｕ。为电源电压；，。为网侧电流；，。。为网侧电流基波有效值；Ｒ．．为电阻负载；Ｕ。为直流侧输出电压；，。为直流侧输出电流；Ｒ．为电源等效内阻，通常情况下其值较小，可以忽略不计；￡．为交流侧储能电感，隔离和平衡交流侧电压与整流器桥臂终端电压，起到传递能收藕日期：２００７－０３・１０作者简介：黄群（１９８４－）．男。江苏铜山人．硬士研究生万方数据装甲兵工程学院学报第２ｌ卷量、抑制交流侧电流高次谐波的作用；ｃ为直流侧滤波电容，用于缓冲交流侧与直流负载间的能量交换，为直流侧高次谐波电流提供低阻抗通路，减少直流电压纹渡，稳定直流侧电压。斟；卜啼。帑ｑ曲原理图（ｂ）等效电路户叫ｑＰ＝墨Ｊ一Ｃ虬函‰孓彰扣）电压摹渡向量图ｊ吐＾Ｊｍ‘１‘‘＾（ｄ１整流状态电压基渡向量囝ｑ‘．置（曲逆变状态电压基波向量用图１单相垒桥ＰＷＭ整流电路适当控制开关管Ｔ。一Ｌ的开闭，可以使整流器工作在３种开关模式下，使交流侧输出电压在ｕ。在Ｕ。０、一Ｕ。之间切换，所以如果选择合适的控制方式，如ＳＰＷＭ控制．忽略高次谐波的影响，可以使以。的基波为与调制波同相位、幅值成比例的正弦渡。在电源电压Ｕ．不变的情况下，Ｌ的相位和幅值决定于Ｕ。。中基波成分的幅值以及与电源电压的相位差，所以控制ｕ．。的相位和幅值，就可以控制系统中的功率流向和功率因数角，即可以使电路工作在整流（口＝０）和逆变（８＝ｗ）２种状态，而且在这２种状态下，功率因数都可以达到１。２式中些ｄｔ＝等一等ＲＣｕ：。’Ｃ，㈣…ｕ：为直流输出参考电压。若Ｕ。不变，对式（２）进行拉普拉斯变换，得到‘到Ｕａ的传递函数矾（。）为Ｗｏ（。）＝坠：，．（。）坠墨！Ｕ：（１＋ＲＬＣｓ）（３）若电流内环滞环ＰＷＭ开关频率足够高，则电流内环可由一个小惯性环节代替，即网侧参考电流ｒ到，．的传递函数形ｍ，为１控制系统设计桥路输入输出功率平衡方程式为甲ｍ）２矗乞，式中Ｅ为电流内环等效时间常数。（４）为了滤除直流电压偏差中的二次纹波，可设计¨。川ｃ警＋譬．在工作点稳定运行时，式（１）可近似为㈩一个低通滤波器，若采用简单的一阶低通滤渡器，则截止频率（ｆｏ＝１／ｔ）一般选在１／２基波频率以下，即滤波器传递函数为万方数据第３期黄群等：单相电压型ＰＷＭ整流器控制系统设计与仿真６７Ｇ。１）＿南．结构如图２所示。（ｓ）％＝而而嘉嚣罴诼而－（７）由此可得滞环电流控制的全桥ＰＷＭ整流系统３仿真及结果分析系统仿真参数如下。交流侧：Ｕ。＝１５Ｖ，ｆ＝５０Ｈｚ；直流侧：Ｕｄ＝２４图２控制系统结构图Ｖ，Ｒ。＝１ｏ。主电路储能元件参数为：￡．＝０．５图２中ＰＩ调节器的传递函数Ｒ。，为ｍＨ，Ｃ＝３０００‰＝即掣，“Ｆ。“口（６）利用三阶对称最佳整定”１，确定ＰＩ调节器的参数为：置ｌ＝２．７，ｆ１＝３００。取一阶低通滤波器的截止频率，－＝２４Ｈｚ，滞环宽度ｄ＝２Ａ。式中臣。为ＰＩ调节器比例系数，ｆ，为ＰＩ调节器的积分时间常数。显然，由于ｒ，《ｒｏ，ｔ《Ｒ。ｃ，因而电流内环等效小惯性环节可以忽略不计。由此可得控制系统闭环传递函数Ⅳ。为根据以上分析和设计，利用ＭＡＴＬＡＢ电力电子工具箱对系统进行仿真实验。单相全桥ＰＷＭ整流器整个控制系统的仿真模型如图３所示。图３控制系统ＳＩＭＵＬＩＮＫ模型图３中包含电流环、电压环、滞环比较、全桥整流、滤波、ＰＩ调节以及输出接口模块等部分，并对整流器部分进行了封装，整流器子系统的内部结构仿真模型如图４所示。该子系统包括６个输入和３个输出端口，输人为交流侧电压２个端口和４个ＰＷＭ信号ＰＷＭＩ、ＰＷＭ２、ＰＷＭ３、ＰＷＭ４，输出为直流侧电容电压输出端和２个接负载的端口。仿真结果如图５—７所示。从图５中可看出交流侧电流为一规则正弦波且与交流侧电压同相位。从图６中可看出直流侧电压响应较快，超调量小，最终稳定在参考电压值。从图７中可以看出交流侧电流总谐波畸变ＴＨＤ＝０．０１３。万方数据装甲兵工程学院学报第２１卷图４单相全桥ＰＷＭ整流器ＳＩＭＵＬＩＮＫ模型：嚣至。５：一５。一１００凸＿０■１１ｒ—１丁一ｎ１５０２００２５０．３０如图７交流侧电流总谐波畸变波形４结论针对传统整流器中存在的谐波污染问题，笔者设计了单相全桥ＰＷＭ整流器的控制系统并进行了仿真。仿真结果表明，所设计的控制系统具有直流图５交流侧电流电压波形电压响应速度快，系统超调量小，直流输出电压稳定，交流侧电流波形为正弦渡，畸变小且与交流电压相位相同的特点．说明该系统结构设计合理，参数选取适当，可实现有效控制，并可减少对电网的谐波污染，对工程实际有一定的参考价值。参考文献：［１］张祟巍，张兴，ＰＷＭ整流器及其控制［Ｍ］北京：机械工业出版社．２００３．［２］王晴．单相高功率因数可逆整流器的研究［Ｄ］．福州：福州大学．２００４．［３］唐丽丽，郑琼林单相ＰＷｂｌ整流器主电路参散选择探讨［Ｊ］图６直流侧电压波形［４］北方交通大学学报２０００，２４（４）：１００—１０２．王孝武现代控制理论基础［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９８（责任编辑：牛燕平）万方数据