本文给出了一种基于Matlab/Simulink来建立双闭环单相PWM整流器仿真模型的实现方法，提出了一种可以有效改善PWM整流器输入电流波形的设计方法。仿真结果表明，该方法对输入电流中的三次谐波分量能够起到明显的抑制作用，可以得到高质量的输入电流波形。
单相PWM整流器相对于三相PWM整流器来说，所需要的功率开关器件少，造价低廉，适合在中小功率场合使用。为此，本文从单相PWM整流电路出发，通过控制方法的改进及控制算法的优化，同时利用电压外环PI控制器的自动调节能力，提出了一种简单有效的改善输入电流波形，以滤除三次谐波的设计方法，同时给出了基于Matlab/Simulink建立的仿真模型。仿真结果表明，该方法能够有效抑制输入电流中的三次谐波。
1PWM整流电路的控制方法
单相全桥PWM整流器拓扑结构采用具有4个功率开关管的H桥结构。图1所示是该单相全桥PWM整流器的拓扑结构。由图1可见，该结构由主电路开关管S1～S4、交流侧电感L、等效电阻Rs、直流侧电容Cd和负载Rl组成。
图1 单相全桥PWM整流器的拓扑结构图
单相电压型PWM整流器控制系统的结构框图如图2所示， 图中， 电流内环指令is*由电压外环PI调节器输出与同步信号合成而得。当负载电流增大时， 直流侧电容C放电使其电压udc下降， PI调节器的输入出现正偏差， 则使其输出Im增大， Im的增大又会使输入电流增大， 也使直流侧电压回升， 从而到控制效果。当负载电流减小时， 调节过程和上述过程相反。
图2 PWM 整流器的控制系统结构框图
2 仿真实现
仿真时， 可以基于Matlab/Simulink来建立仿真模型， 其主电路参数选择为： 交流侧电感L选1.8 mH， 等效电阻Rs=0.06 Ω、直流侧电容Cd=2.0μF、负载Rl=25 。输入电压取幅值为100 V的正弦交流信号， 输出直流参考为200 V。输入电流的仿真结果如图3所示， 图4所示是其输入电流快速傅里叶分析图(FFT)。
上述仿真结果表明， 单相PWM整流器的输入电压和输入电流基本同相位， 从而实现了单位功率因数整流。其输入电流近似为正弦波形， 但是， 谐波畸变率达到了9.29%， 其中主要是三次谐波。
图3 输入电流仿真结果波形图
图4 输入电流的FFT分析图
3 输入电流波形的改善
从图3所示的输入电流波形仿真曲线可以看出， 输入电流畸变比较严重， 而从图4中的快速傅里叶分析(FFT) 可知， 而输入电流中除了基波成分外， 还含有大量三次谐波。基于功率守恒原理可以计算得到输出直流电压udc与输出直流电压平均值
、角频率ω、直流侧电容C以及负载R有如下关系：
为了简化分析， 假设电压环的PI控制器只含有比例环节kup， 那么， 经过电压控制器得到的指令电流的幅值为：
指令电流为：
由式(1) ～ (3) 可得， 输出直流电压udc中的二次谐波使得指令电流is的幅值Im含有一定量的二次谐波， 因此直接导致指令电流is含有三次谐波。
假如式(2) 中的指令电流幅值Im不含二次谐波，那么， 指令电流is中的三次谐波就可以完全消除。
本文利用电压外环PI控制器的自动调节能力， 提出了一种简单有效的方法， 以期对Im每隔Ts/2周期进行一次采样保持， 其仿真结果验证了该方法的可行性。
输入电流的滤波原理如图5所示。若对指令电流is的幅值Im进行采样， 在TA时刻， 采样点为图中的A点， 二次谐波相位为φ， 那么有：
