PWM整流器中相序调整的新方法

　　建立三相电压型PWM 整流器的数学模型，并在此基础上针对PWM 整流器输入端的相序与电网相序不能匹配问题，通过对整流器输入端的电压、电流相位和内部算法中扇区号排列顺序的分析，提出一种新的三相电源相序调整方法，能有效匹配整流器与电网的相序。最后通过仿真和实际运行验证了该方法的可行性。

　　1 引言

　　PWM整流器不仅可以控制AC/DC 变换性能，而且可实现网侧单位功率因数和正弦波电流控制，甚至能使电能双向传输[1],因此被广泛应用于功率因数补偿、高性能整流器、电能回馈、有源滤波等领域。整流器的输入端来自电网的三相电源，其相序a,b,c 在保证相位差120°的前提下只是一个相对量，而整流器算法中三相电源的相序涉及大量的数学变换以及PWM 波的输出，需在输入端定义。这样如果输入端接线错误，就不能实现算法功能。因此在不同的电网环境，必须先用仪器测量相序，再让整流器工作，这样的过程繁琐且容易出错。在此提出一种新的三相电源相序调整方法，有效地解决了上述问题。

　　2 PWM 整流器的数学模型及控制策略

　　2.1 PWM 整流器的基本结构

　　图1 示出三相VSR 主电路结构。可见，该电路由交流侧三相电感、三相全控桥、直流侧滤波电容组成。当VSR 正常工作时，通过PWM 波控制开关管的关断顺序，实现能量的双向传输。

图1 三相桥式电压型PWM 整流器

　　桥臂上下两个功率开关管的导通是互补的，即上桥臂开关管导通时，对应的下桥臂功率开关管关断，其相应的逻辑开关函数为：

　　2.2 数学模型及控制策略

　　设定电网电压为：

　　式中：u_ao,u_bo,u_co分别为交流侧a,b,c 与电源中点o 间的电压；U_p为峰值电压。

　　由式（1）可得出三相静止坐标系下的开关函数数学模型为：

　　式中：i_a,i_b,i_c为交流侧电流；U_dc为直流侧的负载电压。

　　为判别相序，将三相电压转换成线电压。根据Clarke 变换，将a,b,c 坐标系转换为α，β 坐标系：

　　式中：u_ab,u_cb分别为线电压，且以b 相为参考点；u_α,u_β,i_α,i_β分别为α，β 坐标系中的电压和电流。

　　根据Park 变换，将α，β 坐标系转换为两相旋转d,q 坐标系：

　　式中：u_d,u_q,i_d,i_q分别为d,q 坐标系中的电压和电流；θ=2πft,f 为电网频率，0≤t≤T_uα,T_uα为u_α的周期。

　经过以上变换后，在d,q 坐标系中的三相电压型PWM 整流器的数学模型为：

　　令交流侧电压矢量在d,q 轴上的分量分别为u_pd=U_dcS_q,u_pq=U_dcS_d.在式（6）中，d,q 轴变量互相耦合，因而不能对其电流进行单独控制。通过i_d,i_q的前馈解耦控制，对u_d,u_q进行前馈补偿，并且采用电流预测法对电流环进行控制，方程如下：

　　式中：i_d^* 为电压环PI 的输出值；i_q^*=0.

　　将第k+1 次采样周期时输入电流的采样值，用给定值i_d*（k+1），i_q*（k+1）来代替，计算出符合电流变化的输出电压矢量。在PWM 中运用空间矢量法合成输出电压矢量，使下一次采样时刻的实际电流以最佳特性跟随下一时刻的参考电流。

　　控制系统的电压外环采用PI 调节器，其输出得到三相参考电流幅值基准i*,i* 就是d,q 旋转坐标系下的电流给定值i_d*（k+1），i_q*（k+1）。只要在开关周期内实现式（7），即可实现电流无差拍控制。

　　3 相序调整原理

　　设a,b,c 为电网的三相端，a′，b′，c′为整流器三相输入端，其连接方式有：①a′-a,b′-b,c′-c;②a′-b,b′-c,c′-a;③a′-c,b′-a,c′-b;④a′-c,b′-b,c′-a;⑤a′-b,b′-a,c′-c;⑥a′-a,b′-c,c′-b.连接法①是相位直接匹配，在连接法②，③中，电网和整流器相位依次交错但相序一致，用这3 种连接方法能产生正确的驱动波形，线电压分别为：

　　连接法④~⑥中，仅两相交错连接，相序改变，从而影响驱动波形的输出，线电压分别为：

　　式（11）和（8）、式（12）和（9）、式（13）和（10）中线电压互换，又因为式（8）~（10）的输出线电压一致，可推出式（11）~（13）的输出线电压一致，所以整流器的线电压u

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