华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
换器中含有直流环节，输入侧电力电子变换器先将输入的工频交流电压整流成直流电
输入(工频交流)
压，再将直流变换成高频交流电压输入到高频变压，输出侧电力电子变换器先将高频 变压器输出的高频电压变换成直流电压，让后逆变成工频交流电压给负载供电，其工 作原理于图 1.3 所示。
高频 AC/AC 信号 高频 高频 信号 AC/AC 输出(工频交流) 变压器
控制
输入(工频交流)
图 1. 2 不含直流环节的 EPT 原理图
高频 AC/DC/AC 高频 高频 信号 AC/DC/AC 输出(工频交流) 信号
变压器 控制
图 1. 3 含直流环节的 EPT 原理图
课题组采用含有直流环节的实现方案作为武钢电子电力变压器的实现方案，本论
文主要对输入侧电力电子变换器中的单相整流器控制策略进行研究。
1.3 电压型 PWM 整流器控制策略研究现状
由于电压型 PWM 整流器具有能量可以双向流动、直流侧电压恒定、网侧电流谐
波含量低、功率因数可调等优点，在无功补偿器、有源滤波器和变频调速系统中得到 了广泛的应用，学者们对电压型 PWM 整流器的控制策略进行了深入的研究。
电压型 PWM 整流器电流控制策略主要分成两类：一类是间接电流控制策略；另
[6]
一类是直接电流控制策略。间接电流控制策略
由学者 J.W. Dixon 提出，也就是幅相
控制策略，基本原理是根据 PWM 整流器稳态方程，由整流器直流侧电压和交流侧无
功功率来调节 H 桥交流侧电压的幅值和相位，从而调节电网侧电流的大小，对电网侧
电流进行开环控制，由于没有网侧电流反馈，这种控制策略的动态性能欠佳，但其控 制策略简单、成本低，在对 PWM 整流器动态性能要求不高的场合，间接电流控制仍
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然有一定的应用前景。直接电流控制策略是对交流电流进行直接控制使其跟随指令
电流的控制策略，一般采用直流电压外环，交流电流内环的控制策略，既可稳定直流
[8]
电压，又可实现单位功率因数控制，并且动态响应快，控制精度高，在实际系统中得 到广泛应用。直接电流控制包括滞环电流控制策略
[11]
[9]
、直接功率控制策略
[10]
、预测电 流控
制等，滞环电流控制具有动态响应快，控制精度高等优点，但是开关频率不固
定，不利于系统的设计；直接功率控制具有功率因数高，结构简单等优点，但是由于
使用了功率滞环比较，因此也存在开关频率不固定的缺点；预测电流控制动态响应快，
但是易受系统参数变化的影响。
PWM 整流器是一个非线性控制系统，上述电流控制策略采用的是 PWM 整流器
小信号模型，当系统受到比较大的干扰的时候，系统稳定性会变差，随着控制理论的
发展，各种非线性控制策略在 PWM 控制中得到了广泛的应用。主要有反馈线性化控
制策略、基于 Lyapunov 稳定性理论的控制策略、基于无源控制理论的控制策略、基
于模糊控制和基于人工神经网络理论的控制策略。
1.4 本文主要工作
本文以电子电力变压器输入级 PWM 整流器为研究对象，主要从以下几个方面对
单相 PWM 整流器进行了研究。
1. 单相 PWM 整流器建模
从单相 PWM 整流器的基本原理出发，介绍了单相 PWM 整流器在静止坐标系中
的数学模型和在旋转坐标系中的数学模型；介绍了单相 PWM 整流器的双闭环控制策
略以及控制参数的设计；介绍了单相 PWM 整流器交流侧三次谐波电流形成的原理及
其抑制策略；介绍了单相 PWM 整流器交流侧电压和直流侧电容的选择方法；介绍了
PWM 整流器中常见的锁相方法。
2. 单相 PWM 整流器重复控制器设计
为了实现对交流侧电流的无静差跟踪，采用重复控制器为电流环控制器。介绍了
重复控制器的基本原理和重复控制器设计的基本方法；设计了单相 PWM 整流器电流
环重复控制器，并对该控制策略进行了 MATLAB 仿真。
3. 单相 PWM 整流器反馈线性化控制器设计
介绍了微分几何理论基本概念和输入输出反馈线性化的基本方法；对单相 PWM
整流器进行了输入输出反馈线性化控制器设计和 MATLAB 仿真。
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4. 单相 PWM 整流器的硬件实现
设计了试验装置的硬件系统和软件系统，并且搭建了试验平台，对单相 PWM 整
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流器的重复控制策略和输入输出反馈线性化控制策略进行了试验研究。
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2 单相 PWM 整流器建模及系统分析
2.1 单相 PWM 整流器基本原理
传统的整流器一般采用二极管不控整流或晶闸管相控整流，它们存在以下缺点：
输入交流电流不是正弦的，含有大量谐波，会给电网造成谐波污染；能量只能从电网 侧传到负载侧，能量不能双向流动；网侧功率因数低。PWM 整流器的出现很好的解 决了这些问题，PWM 整流器具有能量可以双向流动、直流侧电压恒定、网侧电流谐 波含量低、功率因数可调等优点，可以用来提供直流电源，对系统进行无功补偿等， 在实际系统中得到广泛的应用。
2.1.1 单相 PWM 整流器拓扑结构
单相电压型 PWM 的拓扑结构如图 2.1 所示，其中 us 代表电网电压，L 代表 Boost
升压电感，R 代表电感内阻和系统开关损耗等效电阻，iL 代表流过电感的电流，S1 ~ S4
代表 H 桥 4 个开关管的驱动信号，u AB ? u A ? uB 代表 H 桥交流侧电压，C 代表 H 桥直
流侧电容， uDC 代表直流电容 C 两端的电压， iDC 代表 H 桥直流侧输出电流， iC 代表
直流电容 C 中流过的电流， iO 代表直流负载中流过的电流。
i
DC
??
S1
S3
iC
i
O
u
s
L
R iL
?iL
uA
u
DC
C
S
2
uB S4
图 2. 1 单相 PWM 整流器拓扑结构图
2.1.2 单相 PWM 整流器电压电流关系
单相 PWM 整流器的主电路结构如图 2.1 所示，系统在稳定运行的时候，电感电
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