PWM整流器的直接功率控制

朱建林

一、概述

功率半導體開關器件技術的進步，促進了電力電子變流裝置技術的發展.上世紀90年代出現了以脈寬調制（PWM）控制為基礎的各類變流裝置，如變頻器、逆變電源、高頻開關電源以及各類特種變流器，在國民經濟各領域中取得了廣泛的應用。這些變流裝置大多需要整流環節，以獲得直流電壓，由于常規整流環節廣泛采用了二極管不控整流電路或晶閘管相控整流電路，因而對電網注入了大量諧波及無功功率，造成了嚴重的電網“污染”。治理這種電網“污染”最根本措施就是，要使變流裝置實現網側電流正弦化，且運行于單位功率因數。

經過近十年的研究與發展，PWM整流器技術已日趨成熟。PWM整流器主電路已從早期的半控型橋路發展到如今的全控型橋路；其拓撲結構已從單相、三相電路發展到多相組合及多電平拓撲電路；PWM開關控制由單純的硬開關調制發展到軟開關調制；功率等級從千瓦級發展到兆瓦級，而在主電路類型上，有電壓型整流器（Voltage Source Rectifier—VSR），和電流型整流器（Current Source Rectifier—CSR）之分。

PWM整流器實際上是一個其交、直流可控的四象限運行的變流裝置。PWM整流器電路由交流回路、功率開關管橋路以及直流回路組成。其中交流回路包括交流電動勢及網側電感等；直流回路包括負載電阻及負載電動勢等；功率開關管橋路可由電壓型或電流型橋路組成。

當不計功率開關管橋路損耗時，由交、直流側功率平衡關系得

iv=idcvdc （1）

式中v、i為模型電路交流側電壓、電流

vdc、idc為模型電路直流側電壓、電流

由式（1）不難理解：通過模型電路交流側的控制，就可以控制其直流側，反之亦然。

二、電壓型PWM整流器基本原理

PWM整流器最基本的型式有電壓型和電流型兩大類 電壓型PWM整流器網側電流控制策略主要分成兩類：“間接電流控制”和“直接功率控制”。“間接電流控制”實際上就是所謂的“幅相”電流控制，即通過控制電壓型PWM整流器的交流側電壓基波幅值、相位，進而間接控制其網側電流；“間接電流控制”策略的顯著優點是結構簡單，無需電流傳感器，控制成本低，易于實現，靜態特性良好，但穩定性差，動態響應慢，動態過程中存在直流電流偏移和很大的電流過沖，自身無限流保護，需有過流保護制約了該種策略的應用，因此這種控制策略已逐步被“直接電流控制”所取代。“直接電流控制”策略由于引入交流電流反饋作為內環，直流電壓外環構成整流器控制系統，既可實現單位功率因數，又可控制直流電壓恒定；其優點為動態響應速度快、限流容易、控制精度高，主要缺點是輸入電流檢測需要寬頻帶、價格昂貴的電流傳感器，系統成本增加，同時要實現PWM整流器的電壓空間矢量控制，需要解決正弦函數、反正切函數查表的問題，并需要進行一系列乘除法運算，則需要復雜的算法（由DSP或多片單片機實現）和調制模塊。

從功率角度看，在交流源電壓一定的情況下，如能直接控制PWM整流器的瞬時功率（有功和無功），同樣可達到控制瞬時輸入電流的效果，此種控制策略稱為直接功率控制（DPC）。DPC系統結構為直流電壓外環、功率控制內環結構，因為它是通過基于有功功率與無功率的給定值和估計值間的實時誤差的開關表來選擇變流器開關狀態的，沒有內電流環和PWM調制塊。由于直接功率控制PWM整流器采用瞬時功率控制，則具有更高的功率因數、低的諧波含量、算法及系統結構簡單等優點。

三、三相VSR整流器的仿真

三相VSR一般數學模型就是根據三相VSR拓撲結構在三相靜止坐標系（a，b，c）中利用電路基本定律（基爾霍夫電壓、電流定律）對VSR所建立的一般數學描述。三相VSR拓撲結構如圖1所示。

圖中，當直流電動勢eL=0時，直流側為純電阻負載，此時三相VSR只能運行于整流模式；當eL>Udc時，三相VSR既可以運行于整流模式，又可運行于有源逆變模式，當運行于有源逆變模式時，三相VSR將eL所發電能向電網側輸送，有時也稱這種模式為再生發電模式；當eL

本文中只考慮整流模式，即eL=0的情形。用KVL建立三相VSR 交流側回路方程如下：

仿真參數如下：ua=ub=uc=85V，電源頻率f=50Hz，L=4mH，R=0.1，c=2200%eF，RL=10，Udcref=200v，ILN=20A。

仿真結果如圖2所示。從啟動暫態到穩態的由圖2（a）可知，ia經歷一個周期（20ms）的暫態后進入穩態，穩態時ua與ia同相位，且ia非常接近正弦波；由圖2（b）可知，直流輸出電壓Udc經歷一個周期進入穩態，即穩定在給定值Udcref；由圖2（c）知，功率p經歷2周期進入穩態，即穩定在給定值pref，網側功率因數非常接近于1。