摘要：提出了一种新型脉宽调制(PWM)瞬态电流控制方法。该方法针对整流器启动瞬时电流过冲现象，当电流在阈值范围内变化时，采用常规瞬时电流控制方法以实现整流器的功能目标;而当电流越限时，采用瞬态电流过冲控制器以抑制电流过冲。实验结果显示，采用新型电流控制策略时，PWM整流器在可控整流启动过渡过程中未出现明显的电流过冲现象。该控制方法实现简单，易于工程应用。
1 引言
在PWM整流器系统控制中，网侧电流控制是决定整流器性能的关键技术。然而，实际工程中发现，在PWM电流控制中，特别是在控制初始阶段，电流会出现较大的过冲现象。引起电流过冲存在多方面原因，如系统电感、电容等储能元件随开关状态变化而产生的谐振，再如当控制系统采用PI闭环控制时引起的系统超调。对于前者，由于与系统容量及元件参数选择有关，不易做太大制参数，在一定程度上缓解电流过冲现象，但同时也会影响系统稳定性及响应速度等其他控制性能指标，且该方法对抑制电流过冲无明显效果。
基于上述情况，这里提出一种新型PWM整流器瞬态电流控制方法。在传统PWM整流器瞬态电流控制的基础上，针对整流器启动瞬时电流过冲现象，采用瞬态电流过冲控制器以抑制电流过冲。
2 瞬时电流过冲抑制原理
该方法按电流方向将三相电流划分成若干区间，当检测到电流越限时，按三相电流所在当前区间选择开关器件的通断状态，将过冲电流强制抑制在允许范围内。区间划分应依据整流器的功能特点，最大区间数不超过8。具体控制原理分析如下：设电流限值为Imax，电流参考方向取流入整流器方向为正方向。为便于分析，以统一电源格式(UPF)整流器为例分析问题，将三相电流在一个周波内按照图1划分成6个区间。
下面首先以|ia|>Imax越限为例分析不同区间的电流过冲抑制方法及各开关器件的通断状态。各区间电流过冲抑制原理如图2所示。设开关管Vi(i=1～6)的开关状态为Si，Si=1表示Vi开通，Si=0表示Vi关断。
I区间：ia>0，ib<0，IC>0(参照图2a)
首先，为抑制ia，应让其向反方向变化，此时必须有S1=1，S2=0;其次，由于ib<0，对V3，V4而言，若S3=1，S4=0，则ia会经过V1，V3形成回路②，促使ia进一步增长，因此，必须存在S3=0，S4=1，此时ia通过V1，电容C及V4形成回路①，迫使ia向反方向变化;最后，对于V5，V6而言，由于ic与ia同方向，不影响ia的变化，因此，V5，V6的两种开关状态都可选。实际上，V5，V6的开关状态应综合考虑ic的情况，这里待定。
Ⅱ区间：ia>0，ib<0，ic<0(参照图2b)
首先，同理I区间，由于ia>0，ib<0，为抑制ia而让其向反方向变化，必须有S1=1，S2=0和S3=0，S4=1，让ia通过V1，C及V4形成回路①，迫使ia向反方向变化，避免回路③的形成;其次，由于ic<0，必须使S5=0，S6=1，让ia通过V1，C及V6形成回路②，迫使ia向反方向变化;否则，S5=1，S6=0，ia将通过V1和V5形成回路④，ia同向增加。
Ⅲ区间：ia>0，ib>0，ic<0(参照图2c)
由于ia>0，同上，必须有S1=1，S2=0;首先，分析V5，V6开关状态，由于此时ic<0，同理I区间的ib<0，符号与ia相反，此时必须使S5=0，S6=1，ia通过V1，C及V6形成回路①，迫使ia向反方向变化;对于V3，V4，由于ib>0，同理I区间的ic>0，符号与ia相同，V3，V4的开关状态待定。
Ⅳ区间：ia<0，ib>0，ic<0(参照图2d)
首先，为抑制ia而让其向反方向变化，必须有S1=0，S2=1;其次，由于ib>0，对于V3，V4而言，必须存在S3=1，S4=0，此时ia通过V3，C及V2形成回路①，迫使ia向反方向变化;最后，同理I区间的V5，V6，由于ic方向与ia一致，V5，V6状态待定。
V区间：ia<0，ib>0，ic>0(参照图2e)
同理Ⅳ区间，由于ia<0，必须有S1=0，S2=1;而对V3，V4和V5，V6而言，由于ib>0，ic>0，方向与ia相反，必须有S3=1，S4=0和S5=1，S6=0，让ia通过V3，C及V2形成回路①，通过V5，C及V2形成回路②，迫使ia向反方向变化。
Ⅵ区间：ia<0，ib<0，ic>0(参照图2f)
首先，由于ia<0，必须有S1=0，S2=1;其次，对V5，V6而言，由于ic>0，方向与ia相反，必须有S5=1，S6=0，让ia通过V5，C及V2形成回路①，迫使ia向反方向变化;最后，由于ib<0，方向与ia相同，因此V3，V4的状态待定。
通过以上对|ia|>Imax时6个区间的开关状态的分析可总结出如下规律(设过冲电流|ix|>Imax，x=a，b，c)：
规律1：当ix>0时，其对应相的开关状态(为便于叙述，开关指上桥臂开关，对应相下桥臂开关状态相反，下同)必须为1;相反，当ix<0时，对应相的开关状态必须为零。
规律2：x相之外其他相开关状态的确定方法为：该相电流方向与ix相反时，其开关状态必须与x相相反;该相电流与ix同向时，开关状态待定。
按照上述规律，可分别给出|ib|>Imax和|ic|>Imax时对应6个区间的开关状态，结合|ia|>Imax时的开关状态一起列出，如表1所示(未列出V2，V4，V6的状态，分别与V1，V3，V5相反)。
分析表1，列向观察任一个区间可发现，与该区间对应的3行(|ix|>Imax)中，除待定开关外，其他开关状态一致，下面重点分析待定开关的状态。仍以第I区间第1行|ia|>Imax为例。参照图2a，前面分析表明，对于ia的控制而言，V5，V6的两种状态模式均可选，这里取S5=1，S6=0，主要考虑两方面：其一，在该状态下ic经V5，C及V4形成回路④对C充电，可增强C的充电响应速度;其二，可与该区间第2行|ib|>Imax和第3行|ic|>Imax的V5，V6状态相统一。同理，对于第1区间第3行|ic|>Imax中待定开关V1，V2而言，选择S1=1，S2=0。
综上所述，对第I区间而言，当存在电流过冲时，不论过冲电流所处相位、数目，开关状态保持一致，即S1=1，S3=0，S5=1。同理，其他区间待定开关状态均可按上述规律确定，如表2所示。
3 新型PWM整流器瞬态电流控制方法
所介绍的新型PWM整流器瞬态电流控制方法，将传统瞬时电流控制方案和瞬态电流过冲抑制方法优化组合，即当电流在一定范围内变化时，采用常规电流控制方法实现整流器的功能目标;而当电流超过该限定范围时，采用所提新型电流过冲控制方法，将过冲电流抑制在允许范围内，其基本控制原理结构简图如图3所示。
图中，电流越限判断器实时检测三相电流，首先比较输出三相电流最大值，然后判断该最大电流是否越限：若在限定范围内，则选择常规电流控制器;若最大电流越限，则选择过冲电流控制器。此外，电流越限判断器还需保证两种控制器PWM控制脉冲在切换时平缓过渡。
4 实验
设定PWM整流器工作在UPF整流状态，选择整流器可控整流启动阶段过渡过程分析问题。图4a为常规电流控制下PWM整流器直流电压Udc和网侧电流ia波形，可见，在整流启动初始阶段1～2个周期内，ia出现较大过冲;图4b为采用所提PWM整流器启动瞬时电流过冲控制策略时的Udc和ia波形，可见，在整个整流启动阶段，ia未出现较大过冲，但过渡过程较常规方法延长，主要原因是较小的充电电流降低了电容的充电速度，实际工程中可根据情况适当提高电流阈值。
5 结论
采用所提新型瞬时电流控制策略时，脉宽调制整流器在可控整流启动过渡过程中，未出现明显的电流过冲现象，且过渡过程结束后，整流器进入正常的整流状态。该方法实现简单，易于工程实现，主要体现在：该方法无需复杂的控制算法，当检测到电流越限时，只需判断当前三相电流所处的按照一定规则划分的区间，即可确定各开关的通断状态，实时抑制电流过冲。
本文关键字：整流器 整流电路技术，电源动力技术 - 整流电路技术
