整流器中PWM整流控制策略的研究*

文 | 黃麒元，王致杰，朱俊，杜彬，王東偉，王浩清，呂金都

整流器中PWM整流控制策略的研究*

文 | 黃麒元，王致杰，朱俊，杜彬，王東偉，王浩清，呂金都

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各種電力電子設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，由此引發(fā)的電網(wǎng)諧波污染越來(lái)越嚴(yán)重。因此，如何解決這一難題已成為電力電子技術(shù)中的一個(gè)重要課題。由于PWM整流器具有諧波含量低的特征,其早已成為電力電子技術(shù)發(fā)展中的熱門話題。目前主要使用直流側(cè)電容為該裝置的逆變器主電路提供穩(wěn)定的直流電壓。若直流側(cè)電壓不能保持穩(wěn)定，則諧波補(bǔ)償以及閃變抑制效果勢(shì)必會(huì)受到影響。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)直流側(cè)電壓的實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的冗余以及提高穩(wěn)定性，有必要對(duì)PWM整流電路進(jìn)行研究。

諧波含義和諧波分析

一、諧波產(chǎn)生原因

諧波的產(chǎn)生主要原因是大容量電力設(shè)備及用電整流或換流設(shè)備還有其他非線性負(fù)荷在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

在電力體系中，非線性負(fù)載是導(dǎo)致諧波出現(xiàn)的本質(zhì)原因。當(dāng)負(fù)載有電流流過(guò)，并與之所加的電壓呈非線性關(guān)系，就會(huì)出現(xiàn)非正弦電流，那么這時(shí)電路中就會(huì)出現(xiàn)諧波。

二、基于傅里葉級(jí)數(shù)算法的諧波分析

（一）三相不可控橋式整流電路諧波分析

表1 基波和各次諧波電流有效值

三相整流電路如圖1所示，在一般情況下，即使在變壓器初級(jí)側(cè)輸入的交流電壓為正弦波，由于負(fù)載中電抗和變壓器二次側(cè)漏抗，交流輸入也可能造成失真，引發(fā)諧波電流。所以，三相整流電路帶感性負(fù)載時(shí)，其輸入電流諧波分量普遍較大，功率因數(shù)較低。二極管整流電路盡管相移因數(shù)靠近

1，但因?yàn)殡娙轂V波，輸入電流諧波分量也很大，功率因數(shù)也不高。假設(shè)輸入端沒(méi)有調(diào)正環(huán)節(jié)，輸入功率因數(shù)通常會(huì)小于0.8，于是輸入電流波形常常會(huì)像平面波的波形，乃至靠近方波。

若簡(jiǎn)化其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，假設(shè)：電源為三相平衡電源，直流電感Ld無(wú)窮大，交流側(cè)電抗為零。依據(jù)三相電源的對(duì)稱性，運(yùn)用傅里葉級(jí)數(shù)展開的電流波形，電流負(fù)、正半波之間的中點(diǎn)為零，整流電路負(fù)載參數(shù)：L＝15mH，R＝10Ω，系統(tǒng)交流側(cè)為三相交流源U2＝50V，Rs＝1.2Ω，Ls＝0.3mH進(jìn)行算例分析可得：

上式中，I1為基波電流有效值，I5、I7、I11、I13分別為5次、7次、11次和13次諧波電流有效值，IH為諧波電流總和，THD為電流的總諧波失真。可以發(fā)現(xiàn)三相不可控橋式整流電路的電流波形畸變很嚴(yán)重。

（二）三相四線制橋式整流電路諧波分析

U2＝220V，忽略負(fù)載側(cè)電感。用傅立葉級(jí)數(shù)分解波形可以得到表2：

上式中，I1為基波電流有效值，I3、I5、I7、I9、I11、I13、I15分別為3次、5次、7次、9次、11次、13次和15次諧波電流有效值，IH為諧波電流總和，THD為電流的總諧波失真。由此可以看出電流總畸變率很嚴(yán)重。

從圖4中可以看到，沒(méi)有偶次諧波，諧波有效值、諧波次數(shù)的倒數(shù)近似成正比，而且基波有效值與其比為諧波次數(shù)。

以上兩個(gè)例子都表明了不可控整流電路的諧波含量比較大的畸變率也大，所以為了改善電能的質(zhì)量我們采用了PWM整流電路。

PWM整流器工作原理

PWM（脈寬調(diào)制）控制是脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，是一種模擬控制方法，它通過(guò)調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來(lái)改變晶體管或MOS管導(dǎo)通時(shí)間，從而達(dá)到改變開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出。這種方式不論在任何工作環(huán)境下都能保持恒定的電源輸出電壓。穩(wěn)定狀態(tài)下，整流器輸出直流電壓恒定，整流橋的三相橋臂按正弦的脈寬調(diào)制規(guī)律驅(qū)動(dòng)。開關(guān)頻率較高的情況下，高次諧波電壓通過(guò)電感器的濾波會(huì)產(chǎn)生較小的諧波電流，整流器在忽略其他因素的情況下可認(rèn)為是一個(gè)理想的三相交流電壓源。

表2 經(jīng)傅里葉分解的電流有效值

三相四線PWM整流電路單周控制的仿真

一、 三相四線PWM整流電路單周控制的原理

圖6所示為一個(gè)單周控制三相四線PWM整流器，它

的主電路是一個(gè)四橋臂變流器。

二、三相四線PWM整流器單周控制的仿真

為驗(yàn)證分析的結(jié)果,用Matlab7.0仿真軟件建立電路模型并進(jìn)行了單周控制的仿真研究。

仿真參數(shù)：電感L＝400μH，電容C＝2200μF，交流電源相電壓 V＝220V，電容電壓E＝770V。

仿真結(jié)果如圖7所示，直流側(cè)電壓波形很平穩(wěn)，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間很快，電壓的峰值也不大，波形很理想。

如圖8為PI調(diào)節(jié)器所輸出的電壓波形,本控制中用PI調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓 。PI輸出波形始終大于0，且最后穩(wěn)定,波形很好。

圖9是交流側(cè)電流的波形圖，圖中A相為黃線，B相為紅線，C相為藍(lán)線。由圖9可以看出，經(jīng)過(guò)起初的振蕩，電流波形很快趨于穩(wěn)定。

仿真結(jié)果證明單周控制用于三相四線PWM整流電路，不僅能夠使直流側(cè)電壓穩(wěn)定，而且達(dá)到穩(wěn)定的用時(shí)少，超調(diào)量也小，整個(gè)電路的功率因數(shù)和畸變率也很理想，所以三相四線PWM整流電路應(yīng)用單周控制是可行的。

結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)電路的諧波分析,發(fā)現(xiàn)整流電路的諧波比較大，為改善整流電路，采用了PWM整流電路。重點(diǎn)研究了在三相四線制PWM整流器中的單周控制，通過(guò)仿真得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了PWM整流控制的可行性和有效性。雖然PWM 整流理論和實(shí)踐已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但仍然有很多有價(jià)值的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題需要進(jìn)行深入研究。

（作者單位：上海電機(jī)學(xué)院）

上海自然科學(xué)基金（No.14ZR1417200，No.15ZR1417300，No.12ZR1411600）