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基于功率守恒的负载电流前馈三相 PWM
整流器控制研究
黄坤，邓先明**
作者简介：黄坤，（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：电力电子与电力传动
通信联系人：邓先明，（1970-），男，教授，主要研究方向：电机与电器. E-mail: huang0224kun@
（中国矿业大学信电学院，江苏 徐州 221008） 5
摘要：本文首先介绍了传统三相电压型 PWM 整流器的基本原理，在此基础上，针对传统三相
电压型 PWM整流器抗负载扰动能力不强的缺点，采用了一种基于功率守恒的负载电流前馈的
控制策略，以抵消负载扰动的影响，提高整流器的性能。给出了基于 Matlab/Simulink 的系
统仿真模型，对该控制策略进行了验证，取得了较好的效果。
关键词：PWM 整流器；功率守恒；负载电流前馈；抗负载扰动 10
中图分类号：TM346
Research on the Load Current Feedforward Control of
Three-phase PWM Rectifier Based on Power Conservation
Huang Kun, Deng Xianming 15
(School of Information and Electrical Engineering,CUMT, JiangSu XuZhou 221008)
Abstract: This paper introduct the principels of traditional three-phase voltage source PWM
rectifier(VSR) .For the traditional three-phase voltage source PWM rectifier has no enough ability
to anti-load disturbance, it uses a control of load current feedforward based on power
conservation , to offset the impact of load disturbance,and improve the performance of the rectifier. 20
Then thesimulation model is built based on Matlab / Simulink , and the simulation result is good.
Keywords: PWM rectifier; Power conservation; Load current feedforward; Anti-load disturbance
0 引言
随着电力电子器件的发展，PWM 整流器技术也日益发展。虽然 PWM 整流器的相关技25
术理论日益成熟，但还是存在着一定的问题，如目前常用的两电平三相电压型 PWM 整流器
就主要存在着抗负载扰动能力不强的问题，这就影响了实际应用的范围，特别是在电机控制
领域，PWM 整流器的抗负载扰动能力显得尤为重要[1][2]。
本文主要在传统三相 PWM 整流器的基础上，采用了基于功率守恒的负载电流前馈控制
方法，来改善控制系统的性能，并通过相关仿真模型对系统进行了验证。 30
1 三相电压型 PWM 整流器的拓扑结构和数学模型
如图 1 为本文所研究的 PWM 整流器的拓扑结构，其交流侧采用了电感滤波，直流侧利
用电容储能，因此电路具有 Boost 电路特性以及直流侧受控电流源特性。PWM 整流器的各
相桥臂的输出电压由基波电压和高次谐波电压相叠加而成，由于电感的滤波作用，交流侧电
流呈正弦波形，同时使得直流母线维持在给定值。 35
- 2 -
ai
0i Li
C
图 1 PWM 整流器拓扑图
Figure 1 Topology of 3-phase VSR
针对上述拓扑结构，采用基于开关函数的定义建立整流器的高频通用数学模型，能真实40
地反映整流器的高频运行机理，在建立数学模型前，一般作出如下假设[3][4]：电网电动势为
三相对称，刚性且稳定，为理想平衡电压；网侧滤波电感 L 是线性的，不考虑饱和；主电
路开关元件为理想元件，其通断控制由开关函数来描述。
定义单极性二值逻辑开关函数 ks 为：
( )cbaksk ,,0
1 =
⎩⎨
⎧= 通上桥臂关断，下桥臂导
断上桥臂导通，下桥臂关
(1) 45
经推导可得三相 VSR 在三相静止坐标下的高频数学模型的状态变量表达式为：
⎪⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎨
⎧
==
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −−=+
−=
∑ ∑
∑
∑
= =
=
=
cbak cbak
kk
cbaj
jkkk
k
L
cbak
kk
ie
ssveRi
dt
diL
isi
dt
dvC
,, ,,
,,
0
,,
0
0
3
1
(2)
可以看出不带中线的三相 VSR 的电容中点和电网中点之间的电位差为一个高频脉动
量，脉动规律由三相开关函数决定。从数学模型可以看出，PWM 整流器三相之间互相耦合，
是一个互相耦合的多阶非线性时变系统，每相输入电流由三个开关函数共同控制。对于带中50
线的三相 VSR 电容中点和电网中点的电位相等，因而它的高频模型是解耦的。
如图 2 所示，将 d 轴定位于电网电压合成矢量方向，经坐标变换后可得两相旋转 dq 坐
- 3 -
θ
ϕ
α
ω
d
β
q
E
v
V
v
I
v
IL
vω
γ
dV
v
qV
v
dI
v
qI
v
图 2 电网电压定向dq坐标系矢量图
Figure 2 Vector Diagram of the Voltage Oriented System 55
标系下的数学模型如下：
( )
⎪⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎨
⎧
−−−=
+−−=
−+=
dqqq
q
qddd
d
Lqqdd
iLRisve
dt
di
L
iLRisve
dt
diL
isisi
dt
dvC
ω
ω
0
0
0
2
3
(3)
其中 dsv0 ＝ dv ， qsv0 ＝ qv 。
2 三相 VSR 基于电网电压定向的矢量控制策略 60
由 PWM 整流器在两相旋转坐标系下的数学模型可知 di 和 qi 存在耦合关系，对此可以采
取 di qi 的状态反馈来消除。式 3 进行简化得：
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
−−−=
−−+=
q
q
dqq
d
d
qdd
Ri
dt
di
LLiev
Ri
dt
di
LLiev
ω
ω
(4)
这里采用 PI 控制器来对电流进行调节，可以得到两相同步旋转坐标系下调节器输出的
控制电压指令如下： 65
( )
( )⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
+−−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ +=
++−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ +=
qdqq
iI
iPq
dqdd
iI
iPd
eLiii
s
K
Kv
eLiii
s
KKv
ω
ω
**
**
(5)
式中 *di ， *qi 为电网电压定向下 VSR 系统电流环的给定，其中 *di 为电压外环的输出， *qi
根据对系统功率因数的要求进行设定，采用 0* =qi 控制时可以实现单位功率因数控制。由式
5 可以得到如图 3 所示的电流内环状态反馈解耦控制结构，实现dq电流的动态解耦，计算
得到 dq 坐标系下的指令电压矢量 *dv ， *qv 70
- 4 -
*
dv
*
di
+
+
+
+
*
qi
di
qi
+
de
qe
*
qv
Lω
Lω
图 3 电流内环解耦结构图
Figure 3 Diagram of Decoupling with Current State Feed-forward
由于电网电动势为三相对称的正弦波，则变换到同步旋转坐标系后的电流分量 *di ， *qi 均75
为直流量，采用 PI 调节器可以实现 di ， qi 的无静差调节，同时结合电压外环可以实现三相
整流器的电流控制。
3 基于功率守恒的负载电流前馈控制
由于 di 、 qi 与负载电流 Li 之间存在着一定的耦合，考虑负载扰动影响的的系统控制框
图如图 4 所示，图中 ( )sGi 表示电流环与 PWM 主电路的传递函数。从图中可以看到，当负80
载电流 0i 变化时，会直接影响直流母线电压 0v ，这时外环 PI 调节器工作，可以使系统再次
达到稳定。但是由于电压外环的调节速度相对内环较慢，当负载电流突然变化时，系统重新
进入稳态的时间较长，动态性较差。若系统的反应能力低于负载变化的程度，则动态过程中
整流器与负载之间输入输出能量的不平衡会造成电容充放电，使得直流母线电压出现波动
[5][6]。 85
0v+
−
*
0v
sC
1
)(sGv )(sGi
)(sGI
*i
0i
图 4 系统控制框图
Figure 4 System Control Block Diagram
根据以上分析为了提高系统的动态特性，可以加入负载电流前馈控制来消除负载扰动的90
影响，控制框图如图 4 所示，虚线部分 ( )sGI 为电流前馈补偿的传递函数。则直流母线电压
的传递函数为
( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ] ( ) ( ) ( )si
CsCs
sGsGsvsv
Cs
sGsGsv iIiv 0000
111
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −+−= ∗ (6)
此时若选取前馈控制器的传递函数为：
( ) ( )sGsG iI
1= (7) 95
- 5 -
则
( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]svsv
Cs
sGsGsv iv 000
1 −= ∗ (8)
这样就可以完全消除负载电流 0i 的变化对系统直流输出电压 0v 的影响。但在实际电路
中，可以把 ( )sGi 看做一个小时间常数的一阶惯性环节，在稳态时 ( )sGi 可以等效为一个放
大倍数确定的比例环节，但是由于 PWM 整流器系统是非线性的，在负载变化的过程中 ( )sGi100
也随着负载变化而变化，整流器的时间常数 Ti 和放大倍数 Ki 都不能确定，因此求取一个能
完全补偿负载电流扰动的 ( )sGI 函数是不太现实的。
因此，这里采用基于功率守恒的负载电流前馈控制方法，控制系统框图如图 5 所示，通
过交流侧输入功率与直流侧输出功率相等计算出前馈电流值如式（9）所示，这样就能尽可
能的消除负载扰动对直流电压的影响。 105
m
L
E
ivi
3
2 0
f0 ＝ (9)
0v+
−
*
0v
sC
1
)(sGv )(sGi
*i
Li
－＋＋
＋
mE3
2
f0i
图 5 基于功率守恒的负载前馈的系统控制简图
Figure 5 Control Diagram with Load Current Feed-forward Based on Power Balance
110
基于上述分析，本文设计的三相 PWM 整流器控制框图如图 6 所示，图中包含了状态反
馈解耦和负载电流前馈解耦环节。系统采用双闭环直接电流控制方式，电压外环的 PI 调节
器输出有功电流给定 *di 使得整流器的直流侧电压保持恒定；通过给定无功电流 0* =qi ，使
得整流器的功率因数为 1。
dq
αβ
uα
∗
uβ
∗
θ
θ
115
图 6 PWM 整流器控制框简图
Figure 6 Control diagram of PWM Rectifier
- 6 -
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4 仿真验证
利用 MATLAB/simulink 搭建出三相 PWM 整流器仿真模型，采用电网电压定向方式，
参数设置如下：输入交流相电压电压幅值为 V147 ，频率为 50Hz，；交流侧电阻 R=Ω；120
直流母线电压 Vv 5400 = ；负载电阻值R=16Ω；交流侧电感L=2mH；直流侧稳压电容C=3300
μF；开关频率 2KHz。所得仿真波形如下图所示
0
0
100
200
300
400
500
600
t / s
U
dc
/
V
1
539
540
541
t / s
U
dc
/
V
图 7 直流侧电压波形 图 8 稳态时直流电压的放大波形
Figure 7 Waveform of DC side Figure 8 Amplified Waveform 125
on Steady-state of Vo
-150
-100
-50
0
50
100
150
t / s
ia
bc
/
A
-200
-100
0
100
200
t / s
ea
/V
&
ia
/A
图 9 网侧电流波形 图 10 A 相电压电流波形
Figure 9 Phase Current Waveform Figure 10 Waveform of A-phase 130
at ac-side Voltage and Current
1
460
480
500
520
540
560
580
600
t / s
U
dc
/
V
加入负载前馈
不加前馈负载
图 11 负载突变时直流侧电压响应对比
Figure 11 Dynamic Response of Vo 135
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从图 7 和图 8 可以看出，系统动作后，直流母线电压很快稳定在给定值，调节时间小于
，电压的超调小于 15%，稳态时的误差为±，可见采用电网电压定向的矢量控制策
略具有较好的动静态性能；从图 10 中可以看出网侧电压电流基本同相位，功率因数基本为
1，表明系统的有功和无功分量得到了有效控制；图 11 为负载突变时，系统直流侧电压响应140
曲线，其中 1 秒时突减负载， 秒时突加减负载，分别采用普通控制策略和基于负载电流
前馈的控制策略对系统进行仿真，可以看出加入负载电流前馈控制后，系统的抗负载扰动能
力明显增强，本文所述的基于功率守恒的负载电流前馈控制策略具有较好的效果。
5 结论
本文首先介绍了三相 PWM 整流器的拓扑结构和数学模型，对传统的基于电网电压定向145
的矢量控制策略作出了介绍；针对传统 PWM 整流器抗负载扰动能力不强的缺点，采用一种
基于功率守恒的负载电流前馈控制方法对系统进行改进；最后对系统进行了仿真验证，结果
表明，本文所用的控制方法具有较好的抗负载能力，对实际应用具有一定的帮助作用。
[参考文献] (References) 150
[1] 陈伯时,陈敏狲.交流调速系统[M].北京：机械工业出版社，2005.
[2] 李永东.交流电机数字控制系统[M].北京：机械工业出版社，2002.
[3] . Bose, Modern Power Electronics and AC Drives[M]. Prentice Hall PTR, 2000.
[4] 张崇魏，张兴.PWM 整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003
[5] 赵仁德，贺益康，刘其辉.提高 PWM 整流器抗负载扰动性能研究[J].电工技术学报，2004,19（8）：67-72 155
[6] 谭国俊，张亮，张文明，赵艳萍.提高风力发电网侧变流器低电压运行能力的研究[J].电气传动，
2011,41(01):18-21
