電壓型PWM整流器功率控制研究

摘要:本文介紹電壓型PWM整流器的基本結構及工作原理，提出電壓型PWM整流器功率控制技術，根據電壓型PWM整流器在同步坐標系中建立的整流器功率控制數學模型，基于功率控制，解決了有功功率和無功功率互為耦合問題。提高了整流器直流電壓跟蹤和功率跟蹤能力，使系統具有響應快、穩定性好、抗負載擾動能力強及結構簡單的優點，并對未來電壓型PWM整流器功率控制技術的研究發展指出方向。

關鍵詞:PWM整流器 功率控制 控制模型

1 電壓型PWM整流器的基本結構及工作原理

電壓型PWM整流器的基本結構如圖1所示。假設直流側負載為電阻性負載，由主電路圖便可以得到交流側電壓、電流的靜態關系:

V=E-VL-RI

式中:E為交流電網的電壓，V為電壓型PWM整流器交流側電壓，VL為各相感電壓，R為電感的內阻，I為交流側的電流。從關系式可以看出，為了控制交流側的電流，穩定功率，可以通過控制交流側的電壓來實現控制的目標，這就是PWM取名“電壓型”的主要原因。

2 電壓型PWM整流器功率控制

2.1 電壓型PWM整流器控制技術 從目前的控制技術來看，電壓型PWM整流器要控制的變量有兩個分別是整流器的輸出電壓和整流器的輸入電流。由于整流器DPC系統采用了功率滯回比較器，導致系統比較復雜。基于Lyapunov非線性大信號方法控制，三相電壓型PWM整流器的控制技術有滯環PWM電流控制、狀態反饋控制、定開關頻率的電流控制、二次型最優控制、預測電流控制、滑模變結構控制、矢量控制、非線性狀態反饋控制、直接功率控制、單周期控制、模糊控制、神經網絡控制等都已經成功應用在電壓型PWM整流器的控制上。伴隨著這些控制技術的應用，電壓型PWM整流器控制技術得以空前的提高，目前通過電壓型PWM整流器進行功率控制，提高功率的穩定性。

2.2 電壓型PWM整流器功率控制系統的設計 電壓型PWM整流器功率控制系統的設計目的主要有減少扇形邊界對功率控制及直流電壓的影響，提高有功功率與無功功率分別控制能力，采用功率內環和電壓平方外環提高了直流電壓跟蹤、功率跟蹤能力，提出設置扇形邊界死區的控制策略，較好地解決了功率耦合問題降低THD。在設計上，要側重提出雙開關表的控制策略，設計時采用功率前饋解耦控制策略，充分利用功率輸出子空間實現功率的預控制，善于采用了變無功給定，改進了功率響應，同時還要采用了空間矢量調制(space vector modulation，SVM)。從電壓型PWM整流器的主電路可以看出，當電壓型PWM整流器直流側電壓低于V1(V1為電網線電壓的有效值)時，每個開關管都并聯了1個續流二極管。基于傳統的電壓定向直接功率控制(voltage orienteddirect power control，VO-DPC)和虛擬磁鏈定向直接功率控制(virtual flux based direct power control，VF-DPC)控制方案，提出了功率預控制策略，達到減輕電網電壓畸變產生的影響，保證恒定的開關頻率的目的。

電壓型PWM整流器就相當于三相不可控整流器，直流電壓只能在一定范圍內調節，同步變壓器檢測出來的電網同步電壓，通過低通濾波器進行濾波，這是由于主電路的結構決定的。而要使電壓型PWM整流器輸出電壓高于此值，就必須通過PWM來控制功率，從而使電壓型PWM整流器能夠輸出一個高的電壓。所以，然后輸入到間接功率模型模塊中，電流會產生了三相調制波。將調制波輸入到觸發模塊中，就能夠產生三相同步脈沖來驅動IGBT，從而對交流側電流進行控制，達到控制功率的目的。電壓對輸入電流的控制，間接達到功率控制的目的。在現場中，對于υ的調節可以采用調節器，PI的輸出為交流側電流幅值Im，這個可以調節整個功率控制系統。

2.3 電壓型PWM整流器功率控制模型 PWM整流器具有網側電流低諧波、單位功率因數、能量雙向流動及恒定直流電壓控制，通過這些因素，實現功率控制的目標。采用各種功率控制策略，其目的都是為了提高整流器的性能。真正解決解決整流器本身的非線性對性能的影響。在dq兩相同步旋轉坐標系統中，對電壓型PWM整流器進行數學建模，建立電壓型PWM整流器模型，繪出主電路拓撲結構進行分析。以三相電路為例子，電路圖要包括三相對稱電源相電壓、三相線電流、整流器的開關函數、單極性二值邏輯開關函數、為直流電壓、濾波電抗器的電阻和電感、直流側電容、負載、整流器的輸入相電壓、負載電流等內容。為建立數學模型，大膽作如下假設:電源為三相對稱正弦電壓;開關為理想開關，無損耗，另外濾波電感是線性的，且不考慮飽等。在非線性控制中，功率無源控制模型本質上是能量控制，已在整流器功率控制策略開始應用研究。根據整流器功率EL數學模型，使整流器具有功率響應快、直流電壓穩定性好，利用新的阻尼注入方法設計無源功率控制器，采用空間矢量調制，構建更合理的電壓型PWM整流器功率控制模型。

3 PWM整流器功率控制技術研究展望

PWM整流器功率控制策略有多種，隨著PWM整流器在工業領域的廣泛應用和電力電子技術的不斷發展，對PWM整流器功率控制策略的研究將不斷深入。例如，直接功率控制(direct power control，DPC)策略引起社會各界，特別是自動控制領域的學者門的廣泛關注，它具有功率快速跟蹤，功率因數高，結構、算法簡單，動態響應快等特點，符合現在控制的要求，得到社會的認可與支持。本文主要從三方面對PWM整流器功率控制技術研究提出展望。

3.1 PWM整流器的功率控制技術在電網不平衡時的作用 當電網處于不平衡狀態時，為了使PWM整流器在電網處于不平衡狀態下仍能正常運行，必須調節電壓的負序分量，提出相應的控制策略，使PWM整流器網側電流和直流輸出電壓的低次諧波含量降取最低值。通常的情況下，利用常規的以三相電網平衡為約束條件的控制策略進行控制，對降低整流器的性能具體重要的實踐意義，在現場控制中得到廣泛的支持。這樣不但避免PWM整流器出現不正常的運行狀態，提高PWM整流器的性能。目前這些研究主要通過控制系統本身去改善和抑制整流器輸入側的不平衡因素，圍繞整流器網側的電感及直流側電容的設計準則而進行的。

3.2 DPC系統仿真在電壓型PWM整流器功率控制中的應用 整流器DPC系統設計，是基于電流解耦為基本原理，通過功率控制策略而進行設計的方法。結合整流器DPC系統和電壓型PWM整流器功率控制的特點，有針對性地對整流器DPC系統進行設計，以滿足功率控制的目標，也是未來工業自動控制領域的一個新發展方向。設計DPC系統參數:RL=11歐，U=86伏，ω=314轉/秒，R=0.1歐，Udcr=200伏，C=2200 微法，另外KK=0.0195，K=0.178，把參數都設計好了，再進一步進行系統仿真。所得到的曲線圖分別說明、相電壓ua、相電流ia、直流電壓Udc、直流給定電壓Udcr、瞬時有功功率p、瞬時無功功率q的特點與分布。

4 結論

本文對相電壓型PWM整流器控制技術、特點及其實現方法，以及PWM整流器功率控制技術進行介紹。指出電壓型PWM整流器功率控制技術的發展趨勢。

參考文獻:

[1]張純江，顧和榮，王寶成.基于新型相位幅值控制的PWM整流器數學模型[J].中國電機工程學報.2003.23(7):28-31.

[2]毛鴻，吳兆麟.基于三相PWM整流器的無死區空間矢量調制策略[J].中國電機工程學報.2001.21(11):100-104.

[3]王久和，李華德，李正熙.電壓型PWM整流器直接功率控制研究[J].遼寧工程技術大學學報.2004.23(5):658-660.

[4]何致遠，韋巍.基于虛擬磁鏈的PWM整流器直接功率控制研究[J].浙江大學學報:工學版.2004.38(12):1619-1622.