1.前言

隨著電力電子技術的發展，功率電子設備的應用越來越廣泛，致使大量的非線性負載涌入電網，給電力系統的電壓和電流都帶來了越來越嚴重的諧波污染。而PWM整流器提高了系統的功率因數，降低了對電網的諧波污染，得到了人們的重視。

根據輸入電感電流狀態PWM整流器可分為電流斷續工作模式(DCM)和電流連續工作模式(CCM)，由于CCM模式具有輸入輸出電流紋波小、濾波容易、器件導通損耗小、適用于大功率場合等優點，得到了更多地關注。在CCM模式中，根據是否直接選取瞬態電感電流作為反饋量，又可分為直接電流控制和間接電流控制。間接電流控制結構簡單、無需電流傳感器，但是它最大的缺點是電流動態響應緩慢，甚至交流側電流中含有直流分量，且對系統參數波動較敏感。相對于間接電流控制，直接電流控制把整流器的輸入電流作為反饋和被控量，形成電流閉環 控制，使電流動、靜態性能得到了提高，同時也使網側電流控制對系統參數不敏感，從而增強了電流控制系統的魯棒性。所以，直接電流控制技術有著非常廣闊的應用前景和使用價值。

2.單相電壓PWM整流器原理框圖

單相電壓型PWM整流器的拓撲結構如圖1所示，它主要由三部分組成：交流回路、功率開關橋路、直流回路。其中交流回路包括交流電動勢UN 、網側電阻RN 及網側電感LN 等;直流回路包括由電感L2和電容C2組成的串聯諧振電路用來濾除電網的2次諧波分量、濾波電容Cd 及負載 RL等;功率開關橋路由四個反并聯二極管的IGBT組成。

單相PWM逆變器的控制思路是：在保證直流側電壓穩定的情況下，使交流側的電流與電壓盡可能的保持同相位，從而使交流側的功率因數為1.

3.單相PWM整流器直接電流控制技術分析

直接電流控制根據控制方式的不同，又可分為滯環電流控制、峰值電流控制、預測電流控制、平均電流控制、狀態反饋控制單周控制等。

3.1 峰值電流控制

峰值電流控制的原理是實時比較實際電流和指令電流瞬時值的大小，指令電流值是實際電流的上限，實際電流一旦達到這個上限，立刻轉而向下衰減，電感值的大小，線路的阻抗和脈寬調制的開關頻率影響了這一衰減的最終值。其控制原理框圖如下圖2所示。

峰值電流的優點：①暫態閉環響應較快，對輸入電壓的變化和輸出負載的變化的瞬態響應均快;②控制環易于設計;③輸入電壓的調整可與電壓模式控制的輸入電壓前饋技術相妣美;④簡單自動的磁通平衡功能;⑤瞬時峰值電流限流功能，即內在固有的逐個脈沖限流功能;⑥自動均流并聯功能。缺點有：①占空比大于5%時開環不穩定性，峰值電流與平均電流的誤差難以校正;②閉環響應不如平均電流模式控制理想;③占空比大于0.5時系統產生次諧波振蕩;④對噪聲敏感，抗噪聲性差;⑤電路拓撲受限制;⑥對多路輸出電源的交互調節性能不好。

3.2 滯環電流控制

滯環電流控制方式作為峰值電流控制方式的改進，只是增加了一條限制電流衰減的下限。其原理仍然是指令電流和實際電流的實時值比較，實際電流達到上限指令電流，隨即轉入衰減，衰減至下限指令電流，重新開始上升，如此反復，實際電流將是一條在上下限指令電流跳動的鋸齒波。

其控制原理圖如圖3所示，圖中將指令電流i *和實際電流i進行比較，兩者的偏差△ i 作為滯環比較器的輸入，通過滯環比較器產生控制電路主電路中開關通斷的PWM信號，該PWM信號經驅動電路控制功率器件的通斷，從而控制電流i 的變化。

滯環電流控制的優點是結構簡單，實現容易，具有很強的魯棒性和快速動態響應能力。缺點是開關頻率不固定，濾波器設計困難，需要對電感電流全周期的檢測和控制。

3.3 平均電流控制

平均電流控制的工作原理是將電感電流信號與鋸齒波信號相加，當兩信號之和超過基準電流時，開關管關斷，當其和小于基準電流時，開關管導通。取樣電流來自實際輸入電流而不是開關電流。其控制原理圖如圖4.

平均電流控制的優點是：①平均電感電流能夠高度精確地跟蹤電流編程信號;②調試好的電路抗噪聲性能優越;③適合于任何電路拓撲對輸入或輸出電流的控制;④易于實現均流。缺點是：①電流放大器在開關頻率處的增益有最大限制;②雙閉環放大器帶寬、增益等配合參數設計調試復雜。

3.4 預測電路控制

預測電流控制的原理是在每個調節周期開始時通過對輸入、輸出電壓和輸入電流的采樣，根據實際電流和參考電流的誤差，選擇優化的電壓矢量作用于下一個周期，使實際電流在一個周期內跟蹤上參考電流，實現穩態無誤差。預測電流控制原理框圖如圖5所示，其中Uref為給定電壓，Udc 為直流側反饋電壓。

這種控制的優點：開關頻率固定，動態性能良好，電流諧波小，器件開關應力小，數字實現簡單。缺點：要求較高的采樣頻率和開關頻率，在低的采樣頻率下，會產生周期性的電流誤差。

3.5 無差拍控制

無差拍控制是一種在電流滯環比較控制技術基礎之上發展起來的全數字化控制技術，利用前一時刻的電流參考值和各種開關狀態下變流器的電流輸出值，根據空間矢量理論計算出整流器下一時刻應滿足的開關模式，選擇這種開關模式作為下一時刻的開關狀態，從而達到電流誤差等于零的目標。采用無差拍控制的優點數學推導嚴密、跟蹤無過沖、動態性能好，易于計算機執行，可以消除穩態誤差，并在最短的時間內結束過渡過程但它也存在魯棒性較差、瞬態響應超調量大、計算實時性強因而對硬件要求很高等缺點。隨著數字信號處理器應用的不斷普及，這是一種很有前途的控制方法。

3.6 狀態反饋控制

狀態反饋控制是針對電流型可逆整流器輸入濾波器容易出現振蕩以消除振蕩的控制方式。其控制原理圖如下圖6.

4.結語

直接電流控制是單相高功率因數整流器的主要控制方式，也是我們以后研究的重心。利用各種控制策略的優缺點，采用多種控制策略相結合，形成互補關系，達到理想的效果，這也是控制技術發展的一個方向。新的直接電流控制策略的研究將是另一個方向。隨著數字信號處理器的普遍應用和人工智能技術的逐漸成熟。數字控制和智能控制也將是我們研究的目標，這將是直接電流控制技術的發展的主流。