三相电压源型PWM整流器

1 PWM整流器

PWM整流器技术是中等容量单位功率因数采用的主要技术,一般需要使用自关断器件。三相PWM整流器在几乎不增加任何硬件的基础上,即可以实现能量的双向流动,_日电路性能稳定其控制策略的实用性研究是电力电子领域的一个热点。

PWM整流器的发展和现状

PWM整流器的出现是基于功率因数校正和谐波抑制。70年代初,国外就开始了该项技术的基础研究,80年代后期随着全控型器件的问一世,采用全控型器件实现PWM整流的研究进入高潮。

PWM整流器主电路拓扑结构

PWM整流器的主电路拓扑结构近几十年来没有重大突破,主电路设计的基本原则是在保持系统的基础上,尽量简化电路拓扑结构,减少开关元件数,降低总成本,提高系统的可靠性。

电压型PWM整流器主电路拓扑结构

单相全桥PWM整流器，通过开关V1-V4进行PWM控制,就可在桥的交流输入端产生正弦调制PWM波UAN、,UAN中不含低次谐波成分,只含有和被调正弦信号波同频率月幅值成比例的基波分量以及与三角载波有关的高频谐波。由于电感Ls的滤波作用,高次谐波只会使交流电流iN产生很小的脉动,在理想情况下,当被调正弦信一号波的频率和电源频率相同时, iN是与电源同频率的正弦波,对UAN中基波分量的幅值和相位进行控制,可以达到使交流侧电流波形正弦化且功率因数接近1的目的。

三相全桥PWM整流器,通过对电路进行正弦波PWM控制,使得整流桥的交流输入端产生正弦PWM电压,对各相电压进行控制,就可以使各相电流i。i为i`「为正弦波且和电压相位相同,从而使功率囚数为1。当电路工作在整流状态下,能量从电网侧流向直流侧的负载;当电路工作在再生状态下,类似于三相PWM电压型逆变器,可以将直流侧的能量回馈到交流电网侧。

2)电流型PWM整流器主电路拓扑

电流型PWM整流电路。利用正弦波调制的方法控制直流电流在各开关器件的分配,使交流电流波形近似与电源电压同相位的正弦波,实现功率因数近似为1,但其交流侧电流波形中含有较多的谐波成分。

就现状而言,山于电压型PWM整流器的实现相对容易,并月.具有较简单的拓扑结构和响应速度(相对电流型PWM整流整流器而一言),配置简单的输入滤波器即可实现较低的电磁干扰等特点.

PWM整流控制技术研究方向

控制技术是PW整流器发展地关键。近年来,有关PWM整流器高频整流控制技术地研究紧紧围绕以下儿方面地要求;

1)减少AC侧输入电流畸变率,降低其对电网的负面效应。一般要求在整个负载波动范)Ifll内,AC侧输入电流地总谐波畸变率低于5%。

2)提高功率因数,减少整流的非线性,使之对电网而言相对于“纯阻性负载”。

3)提高系统的动态响应能力,减少系统的动态响应时间。

4)降低系统的开关损耗,提高整个装置的效率。

5)减少直流侧纹波系数,缩小直流侧滤波器体积,减轻重量。

6)提高直流侧电压利用率,扩大调制波的控制范围。

整流器经历了不可控整流、相控整流和PWM整流三个阶段的发展，其中前两种整流存在交流侧输入电流畸变严重、网侧功率因数较低等问题，而PWM 整流器克服了这些缺点，它是一种高效、可靠、绿色的电能变换器，具有双向的功率流动、低畸变率且正弦化的输入电流、单位或可调的功率因数、可调的直流电压等特点。因此PWM 整流器得到了广泛的应用。根据直流侧电源类型，PWM 整流器可分为电压源型整流器(VSR) 、电流源型整流器(CSR)和Z 源整流器(ZSR)。由于VSR 的结构简单、储能效率高、损耗较低、动态响应快、控制方便。因此VSR 一直是PWM 整流器研究和应用的重点。根据并网交流信号不同，VSR 又可分为电压控制和电流控制。由于电流控制的方法简单、直接，且具有限流和短路保护作用，因此使用比较广泛。VSR 的电流控制方案一般采用以直流电压为外环、交流电流为内环的双环控制结构。根据电流内环是否引入交流电流反馈，可分为直接、间接两种电流控制，由于直接电流控制响应速度快，鲁棒性好，目前占主导地位。

三相VSR 通常都采取直流电压、交流电流(或功率)双级环路结构控制方式，电压外环控制直流侧电压，维持直流母线电压的恒定，它的输出作为交流电流(或功率)内环的交流电流(或功率)指令，利用交流电流(或功率)内环快速、及时地调整交流侧的电流，抑制负载扰动影响，使实际交流电流能够快速跟踪交流电流指令，实现单位功率因数控制。在双环控制中，电压外环与电流(或功率)内环在速度上必须进行配合，外环要比内环慢得多。

它是目前广泛实际采用方法，内环电流可在三相静止abc坐标系或两相同步旋转dq坐标系中直接控制。早期的控制电路主要用模拟电路，要实现坐标变换非常复杂，控制器一般在静止标系实现，为弥补静止坐标系控制器的不足，在静止坐标系的电流控制器引入电网反电势信号作为前馈补偿可以使电流的控制效果和旋转坐标系很近；随着处理器技术的发展，数字化系统已基本取代模拟电路，数字系统的坐标变换很方便，现基本采用同步坐标系下的控制器，此时可实现dq轴电流的解耦无静差控制，电流响应也更快，但常需锁相环节提供用于触发脉冲生成所需的基准相位，实现dq轴的定位，比较复杂。

优点：控制结构简单，动态响应速度快，电流控制精度高；限流容易，只要使指令电流限幅，就可实现过流保护；对负载参数不敏感及具有较强鲁棒性；具有固定的开关频率，易于系统的设计。

缺点：电流内环为抑制非线性负载扰动，必须具备足够高的带宽，这加大了数字控制器实现难度；同步坐标系下电流内环控制一般需要锁相环节实现d、q轴的定位，比较复杂；需要宽频带、快速的电流传感器，控制成本高。根据PWM 数学模型，采用基于检测开关函数和输入电流的电流观测器，可实现无电流传感器控制，降低成本。

直接功率控制(DPC)方式是1991 年由Tokuo Ohnishi 提出，它通过控制输出的有功功率、无功功率的方法来间接地控制输出电流(当交流电压一定的情况下)。它的控制结构为直流电压外环、功率控制内环结构，根据交流电源电压及瞬时功率在预存的开关表中选择整流器输

入电压所需的控制开关量，从而实现高性能整流。DPC 可分为电压定向、虚拟磁链定向两种类型，其中电压定向又可分为有交流电压传感器和无交流电压传感器两种方案。

优点：估算的瞬时功率不仅有基波，还有谐波分量，提高了总功率因数和效率；系统无电流环和复杂的算法，有功、无功功率得到了独立精确控制，其误差由功率滞环比较器的滞宽决定；具有功率因数高、谐波干扰低、响应快、效率高, 动态性能和鲁棒性好；系统结构与算法实现简单，无需旋转坐标变换和解耦控制，无电流内环和PWM 调制模块，只需从预存的开关表中直接选取所需的开关信号，对交流侧电压不平衡和谐波失真也有一定补偿作用；通过估计虚拟磁链来计算无功与有功功率，可省略电网侧电压传感器，节约了成本。

缺点：功率滞环比较器没有恒定的开关频率，且又属非线性和无严格的数学描述，导致功率和直流电压跟踪能力差；功率滞环比较器不能完全跟踪按时间变化的信号，需采用较高且变化的开关频率，给滤波器设计带来困难；功率估算需要检测整流器的开关状态，需要高速的处理器和A/ D 转换器；有功功率和无功功率之间存在耦合，直流电压受有功功率决定的同时也受到无功功率的影响，功率内环采用常规单开关表同时控制有功和无功功率，且对无功功率调节强于有功功率，导致暂态过程中有功功率、直流电压出现了较大波动，且稳态时负载电流扰动会产生较大的直流动态压降。通过交替采用有功、无功功率的双开关表控制策略，且采用负载电流反馈控制双开关表转换信号的占空比，可改善系统启动性能和减少直流动态压降或消除稳态直流压降，但双开关表控制系统结构较为复杂。

DPC通常是通过前馈解耦控制，采用两个独立的PI 调节器，来控制相应的有功和无功分量，而有功分量和无功分量之间的动态耦合以及PWM 电压利用率的约束，影响了整流器有功分量(即输出直流电压)的动态响应。时间最优控制是1997 年由Choi Jongwoo 等提出的控制方法，它根据时间最优控制算法求解出跟踪指令电流所需的最优控制电压，并在动态过程中降低相应无功分量的响应速度，从而有效地提高了有功分量(直流电压)的动态响应速度，实现了直流电压的时间最优控制。

优点：系统结构简单，易于实现；通过加入积分环节，保证了电流控制无静差；可根据性能指标矩阵改变系统的控制性能，满足所需系统响应特性；系统对负载变化或系统参数有较强鲁棒性和适应性，使系统具有高功率因数，且输出电压可调。

缺点：系统工作在高功率因数下，整流器的无功电流不能独立调节，无法实现对系统功率因数的控制；最优控制是从精确的数学模型计算出来的，当模型存在偏差将严重影响系统的性能，使品质恶化，因此有必要解决鲁棒闭环算法问题；理论上还有最优化算法的简化和实用性问题。

在VSR 的双环控制方式中，电压外环仅需直流电压恒定，控制比较容易，一般采用PI 算法即可，但电流外环需要输出稳定高质量的正弦波电流且与公共电网同压、同频、同相位，控制比较困难，因此提出的控制算法很多。按照电流内环的控制方式不同，VSR 控制方式可分为传统的线性/非线性控制、现代的非线性控制和智能控制3 大类。

传统的线性/非线性控制方法

在交流小信号分析时，整流器被视为一个线性系统，可用成熟的线性控制理论的方法研究；由于整流器本质上是一个强非线性的动态系统，采用非线性控制技术才能使系统对参数变化和外来扰动具有鲁棒性和适应性。下面介绍几种传统的线性/非线性控制方法。

(1) 滞环电流控制。它是由Thomas A F. 在1967 年首次提出，并在电流内环采用这种滞环电流控制方式。双闭环系统将外环PI 调节器的输出分别乘以与相电压同相位的正弦电压，得到一个指令正弦电流，将它与实际检测到的交流电流进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM 信号，该PWM 信号经驱动电路控制并网逆变器的相应开关器件通断，使实际电流追踪指定的电流的变化。滞环电流比较器集电流控制与PWM 产生于一体，它兼有电流控制器和PWM 产生作用。

(2) 三角载波比较法的控制。它是由WuRusong 等在1990 年提出，它采用由时钟定时控制的比较器代替滞环比较器，它是将指令电流与实际输出电流进行比较，两者的电流偏差通过PI 调节后再与一个固定频率的三角载波比较，以产生PWM信号，因而实现固定的逆变器开关频率。

(3) 静态PID 控制及其改进。PID 控制是通过比例、积分、微分算法来实现对被控对象的控制。由于其算法简单成熟、鲁棒性和可靠性较高、控制效果良好，因此，已广泛应用于PWM 整流器控制，在三相静止abc坐标系下需要采用三个PID控制器。

(4) 同步矢量PID控制。

为克服上面控制方法存在静差的缺点，目前整流器的内环一般都采用同步旋转pq坐标系下PI控制。先将三相静止坐标系的量转换成为两相旋转坐标量，这样可把对交流量的控制转变成对直流量的控制，然后采用两个PID运算，最后反变换转换为各相的控制量。该控制可分为基于电压定向(VOC)和基于虚拟磁链定向(VFOC)两种控制策略，其中VOC具有直接电流控制的动态响应快、稳态性能好、自身有限流保护能力等优点，还可以消除电流稳态误差，达到单位功率因数，因此应用十分广泛；VFOC虽然其算法复杂，但输入侧省去了电流传感器，控制回路中省去了两个电流调节器，简化了电路结构，优化了系统性能，具有良好的动态性能和高的功率因数。