三相PWM整流器控制策略

馮曉艷 王鳳 白玉

摘 要：經濟的快速發展加大了對于電力的需求。在電力的使用過程中，各種電力電子裝置的大量使用，其所產生的諧波污染使得電網的供電質量受到嚴重的影響，以往傳統的整流裝置會產生大量的諧波嚴重影響電網電能質量。三相PWM整流器是新型的整流裝置，具有輸出穩定、諧波污染度較低等的優點，其應用范圍越來越廣。本文在分析三相PWM整流器工作原理的基礎上提出在三相PWM整流器的控制中，通過使用PI調節和模糊控制相結合的方式來做好對于三相PWM整流器的控制的策略。

關鍵詞：三相PWM整流器；模糊控制；功率因數校正

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A

隨著經濟和科學技術的發展，在電力電子變流裝置中所采用的大量的二極管不控整流電路或是晶閘管相控整流電路在獲得了直流電壓的同時也會產生大量的諧波，這些大量的無用諧波進入到電網中將會對電網的供電質量造成嚴重的影響，為解決這一難題，可以在交變整流裝置中采用三相PWM整流器作為主要的交變器件，以此可以在獲得直流電壓的同時最大限度的減少其對于電網的諧波影響。本文分析了三相PWM整流器中所采用的幾種控制方法，以此來使得網側電流的正弦化，提高供電質量。

1 三相PWM整流器的工作原理

整流器的發展經歷了不控整流器、相控整流器直至現今所示使用的三相PWM整流器等的一系列的發展歷程，最早的整流器所使用的晶閘管容易導致網側電壓波形的畸變，從而對電網的供電質量產生嚴重的影響，在相控整流器時代，雖然通過改善了網側的功率因數，但是其所產生的諧波影響仍然較大。為更好的確保電網的質量，通過研發改進，使用了全控型功率開關取代了原先的功率部件，研發出了三相PWM整流器。三相PWM整流器是一個能夠對交、直流側都進行控制的四象限運行的交流裝置，其主要是由交流回路、功率開關管橋路以及直流回路等部分組成。三相PWM整流器交流側工作關系圖如圖1所示。在三相PWM整流器工作時其在四象限的工作規律如下：

（1）在電壓矢量工作在AB段時，整個三相PWM整流器處于整流狀態，當三相PWM整流器在B點運行時，三相PWM整流器主要由單位功率因數整流控制，而當三相PWM整流器在A點運行時，三相PWM整流器則會從電網中吸收感性無功功率。

（2）當三相PWM整流器矢量在BC段運行時，整流器仍然處于整流狀態，這一階段，三相PWM整流器通過從電網中吸收有用功及容性無功功率，實現電能傳輸至直流負載端。

（3）當三相PWM整流器運行在CD段時，整個三相PWM整流器處于有源逆變狀態，在這一階段，電能將從電網到直流側轉換為從直流側到電網的逆轉變，同時，可以在D點時通過采用單位功率因數有源逆變實現對于三相PWM整流器的控制。

（4）當三相PWM整流器運行在DA段時，整個三相PWM整流器處于有源逆變狀態，電能將從三相PWM整流器直流側向電網側進行傳輸。

做好對于三相PWM整流器的四象限控制法主要通過：

（1）控制三相PWM整流器的交流側的電壓從而實現對于三相PWM整流器的間接網側控制。

（2）通過對網側電流的閉環控制來實現對于三相PWM整流器的網側電流的直接控制。

2 三相PWM整流器的控制策略

三相PWM整流器是一種較為典型的開關非線性控制系統，其工作狀態主要根據的是開關的狀態在多個線性系統間的周期性切換的過程。在對三相PWM整流器進行控制時，三相PWM整流器中的任意一相的PWM相關波形還會與另外兩項的開關狀態進行相互的影響，因此需要在做好三相PWM整流器的控制時引起足夠的重視。在三相PWM整流器的控制中主要采取的是雙閉環的控制策略。

2.1 三相PWM整流器的控制結構

在三相PWM整流器的控制結構中為了使得三相PWM整流器能夠獲得較為優良的整流輸出特性，在三相PWM整流器整個控制結構主要采用的是由電壓環和電流環所組成的雙環控制結構，其中控制用的電壓環主要用于對于整流輸出電壓的控制，而電流環則主要被應用于對三相PWM整流器網側單位功率因數正弦波電流的控制。在三相PWM整流器控制結構主電路參數的選擇上應當經過充分的、合理的計算確保參數選擇的合理性，提高控制系統的工作性能。在三相PWM整流器直流電壓的選擇上，既要使得其能夠滿足負載對于電壓的要求，同時也要使得其能夠使得流過濾波電感中的電流的波形為正弦波，因此需要選擇合理的直流電壓。在交流電感值的選擇上需要使得電感上的壓降盡量取較小的值，在一個開關周期內交流側電流的最大超調量盡可能的小。同時還需要控制交流側的電流諧波失真，避免其對三相PWM整流器的控制造成影響。在三相PWM整流器直流側電容的選擇上需要確保電壓環控制的跟隨特性，并且電容的取值應當盡量較小，以使得三相PWM整流器的控制系統的直流側電壓能夠實現快速的跟蹤，在滿足電壓環控制的抗擾性能指標的基礎上，應盡量選取較大值的電容，提高三相PWM整流器的控制性能。

2.2 三相PWM整流器中的雙閉環整流系統的控制策略

在三相PWM整流器的控制系統中主要采用的是雙環控制，分別是電流環和電壓外環，在設計多環控制系統中其主要原則是從內環開始逐步向外環擴展。在三相PWM整流器的控制設計中采用的首先是從電流環入手，設計好三相PWM整流器中的電流調節器，而后將整個電流環作為是電壓調節系統中的一個重要環節，而后再完成對于三相PWM整流器中電壓調節器的設計。在電流環的設計中，為了確保實際使用時能夠滿足電流環的快速控制要求，在做好積分調節器的使用上需要做好相應的控制，在滿足其靜態特性的基礎上只使用比例調節器，一般情況下，首先需要將電流環的增益調節到最大而后在完成對于電壓外環增益的調節。在電壓外環的設計過程中，整流器直流電壓要遠高于線電壓的峰值，在調制比的選擇上可以選取。當開關拼音要遠遠大于電網基波頻率時，可以將電流內環的閉環傳遞函數簡化為一個一階慣性環節，同時在結構的選擇上，電壓調節器可以選用PI調節器，將電壓采樣延時時間與電流內環等效時間常數進行合并，提高三相PWM整流器控制的設計效果。完成了對于三相PWM整流器控制的設計后還需要根據實際情況進行一定的微調使其選取一組較為優化的PI參數。

在三相PWM整流器的控制方案的設計上，由于其控制是一個多輸入、多輸出的非線性控制，因此，做好對于三相PWM整流器的控制是一項復雜的工程，針對非線性的特點，采用較多的是建立一個小信號的模型來進行線性模擬，并通過對于三相PWM整流器控制的優化，可以使得其補償設計更為簡單，最后通過使用DSP來做好對于三相PWM整流器的控制。根據所建立的三相PWM整流器控制的模型使用兩個獨立的補償網絡，從而實現對于有功和無功分分量的控制，便于對于變換器的單位功率因數的運行，整個控制系統采用DSP進行控制處理，通過對三相PWM整流器進行數據采樣后，對于采集好的電壓與電流數據進行轉換和處理，在控制中采用PI補償網絡，將電壓環輸出作為電流環的參考給定量的有功分量，電路工作在單位功率因數的條件下，做好對于三相PWM整流器的控制。在設計電流環PI補償網絡K的零點等于電流環控制對象的極點，從而抵消電流環控制對象低頻極點R/L，取電流環帶寬為開關頻率的很小一部分，完成對于控制系統的補償后其電流內環近似與一階慣性環節。在設計電壓環PI補償網絡零點等于電壓環控制對象的極點，電壓外環帶寬多取開關頻率的1/60。在整個三相PWM整流器控制系統中的傳遞函數所涉及的參數多為定量，同時還需要考慮到實際輸入電網的變化范圍在一定的范圍內，使得整個控制系統中只有負載量，從而使得在設計補償網絡時能確保系統在一個大范圍內的穩定性。

結語

三相PWM整流器的應用對于減小對于電網的影響，提高供電質量有著重要的意義。本文在分析三相PWM整流器工作原理的基礎上對三相PWM整流器的控制策略進行了簡單分析介紹。

參考文獻

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