能量可回饋的單相PWM整流器研究

黃靜+劉江峰+齊志偉+余振

摘 要：針對單相全橋電壓型PWM整流器，分析了其主電路拓撲和開關(guān)模式，根據(jù)其穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系，指出整流器實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行，關(guān)鍵在于控制網(wǎng)側(cè)電流。采用基于滯環(huán)電流控制的雙閉環(huán)控制策略，提高系統(tǒng)的動靜態(tài)性能。實驗驗證了此方案具有能使整流器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1、直流側(cè)電壓穩(wěn)定、能量可回饋等優(yōu)點，能很好滿足控制系統(tǒng)動態(tài)性能和靜態(tài)性能的要求。還將PWM整流器應(yīng)用于背靠背永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)中，具有很好的工程實用價值。

關(guān)鍵詞：整流器；單極性調(diào)制；矢量關(guān)系；滯環(huán)電流控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.136

1 引言

電壓型脈寬調(diào)制（pulse width modulation， PWM）整流器由于具有能量雙向流動、功率因數(shù)高、諧波污染少等優(yōu)點，已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二極管或相控整流，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)直流電源、變頻調(diào)速系統(tǒng)、無功功率補償、新能源（如太陽能、風(fēng)力發(fā)電）等領(lǐng)域[1-4]。

在PWM整流器技術(shù)發(fā)展過程中，電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流控制策略分為兩類：間接電流控制和直接電流控制。由于間接控制其網(wǎng)側(cè)電流的動態(tài)響應(yīng)慢，且對系統(tǒng)參數(shù)變化靈敏，因此此控制策略已逐漸被直接控制策略所取代[5]。滯環(huán)電流控制[6]屬于直接控制方案中的一種，技術(shù)電路簡單，電流動態(tài)響應(yīng)速度快，且對電路參數(shù)變化不敏感，對負載適應(yīng)能力強，無需載波，因此輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量。但滯環(huán)電流控制存在開關(guān)損耗大的問題，對此，可以選擇合適的開關(guān)模式來降低其開關(guān)損耗。

2 單相PWM整流器的工作原理

2.1 主電路拓撲

單相全橋電壓型PWM整流器的主電路電路拓撲如下圖1所示。圖中，Ti （i=1， 2， 3， 4）為功率開關(guān)管；Di （i=1， 2， 3， 4）為續(xù)流二極管，兼有整流的作用；us為網(wǎng)側(cè)電壓；is為網(wǎng)側(cè)電流；Vdc為整流器直流側(cè)電壓；idc為整流器輸出電流；ic為直流側(cè)電容電流；iL為負載電流；L為交流側(cè)電感；Cd為直流側(cè)電容；RL為直流側(cè)負載；E為用電負載（最常見的是電動機負載）的感應(yīng)電動勢；圖中給出了各個電壓、電流的正方向。

2.2 開關(guān)模式

為了降低開關(guān)管的開關(guān)頻率，即降低功率損耗、延長壽命，針對圖1所示的電壓型PWM整流器主電路拓撲，本文采用的是單極性調(diào)制開關(guān)模式。整流器交流側(cè)電壓uab（t）將在Vdc、0和0、-Vdc之間切換。其中，在交流基波電壓正半周期，uab（t）將在Vdc、0間切換；而在交流基波電壓負半周期，uab（t）將在0、-Vdc間切換。因此，單極性調(diào)制時，單相PWM整流器工作過程中存在四種開關(guān)模式，且可采用三值邏輯開關(guān)函數(shù)S來描述，即：

整流器運行于單位功率因數(shù)，根據(jù)式（1）可以分析整流器工作于整流或逆變狀態(tài)下的電流換流路徑（這里不再詳細列舉），得到以下結(jié)論：當網(wǎng)側(cè)基波電壓處于正半周期時，前橋臂的一個開關(guān)管導(dǎo)通，另一個開關(guān)管關(guān)斷，后橋臂的兩個開關(guān)管進行高頻調(diào)制；當網(wǎng)側(cè)基波電壓處于負半周期時，后橋臂的一個開關(guān)管導(dǎo)通，另一個開關(guān)管關(guān)斷，前橋臂的兩個開關(guān)管進行高頻調(diào)制。因此，這種開關(guān)模式可以大大減少開關(guān)管的開關(guān)損耗。

3 整流器穩(wěn)態(tài)電壓、電流矢量關(guān)系

若開關(guān)管的損耗可以忽略，則整流器的輸入輸出功率平衡，單相PWM整流器的功率模型方程為：

Is Us =Idc Vdc （2）

式中， Is為網(wǎng)側(cè)電流；Us為網(wǎng)側(cè)電壓；Idc為整流器輸出電流；Vdc為整流器直流側(cè)電壓。從式（2）可以得到：通過對模型電路交流側(cè)的控制，可以控制其直流側(cè)；反之亦然。若只考慮基波分量而忽略諧波分量，可得到整流器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)電壓、電流矢量關(guān)系，如圖2所示。

圖2（a）為整流器運行于整流狀態(tài)，us與is同相，整流器呈正阻特性，實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行，負載從電網(wǎng)吸收功率；圖2（b）為整流器運行在逆變狀態(tài)，us與is反相，整流器呈負阻特性，實現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變運行，負載向電網(wǎng)輸送功率。分析圖2可知，要實現(xiàn)整流器單位功率因數(shù)，關(guān)鍵在于控制網(wǎng)側(cè)電流is。

4 單相PWM整流器的控制原理

為使整流器的控制既能具有快速的電流響應(yīng)，又能保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定在允許偏差范圍內(nèi)和網(wǎng)側(cè)輸入端功率因數(shù)接近于1，故PWM整流器采用了基于滯環(huán)的雙閉環(huán)控制，其控制原理見圖3。

電壓外環(huán)采用PI控制器，實現(xiàn)整流器直流側(cè)電壓Vdc跟蹤給定電壓Vdc*，從而保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。電壓外環(huán)的輸出作為網(wǎng)側(cè)電流指令is*的幅值；檢測網(wǎng)側(cè)電壓us，利用軟件過零鎖相（PLL）得到與us同頻同相的單位正弦波，與is*的幅值相乘得電流指令is*。電流內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)比較器，網(wǎng)側(cè)電流is為電流內(nèi)環(huán)的輸入信號，電流內(nèi)環(huán)的主要任務(wù)是使網(wǎng)側(cè)輸入電流is跟蹤電流指令is*。

在這種方式下，電流指令is*與網(wǎng)側(cè)電壓us只有兩種可能情況：（1）當電壓外環(huán)輸出為正時，is*與us同頻同相；（2）當電壓外環(huán)輸出為負時，is*與us同頻反相。假設(shè)電流內(nèi)環(huán)能完全使網(wǎng)側(cè)輸入電流跟蹤電流指令，則第1種情況下負載從電網(wǎng)吸收能量；第2種情況下負載向電網(wǎng)回饋能量[7]。

5 實驗結(jié)果分析

搭建了單相全橋電壓型PWM整流器實驗平臺。該實驗平臺的主控芯片為Freescale公司的MC56F8013；IGBT的型號為 2MBI400N-060-01；電流、電壓直接通過Agilent示波器MSO-X3014A測量。圖4給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和實物圖，表1給出了具體的實驗參數(shù)。

圖5為單極性調(diào)制開關(guān)模式下整流器交流側(cè)電壓uab的波形，證明整流器交流側(cè)電壓在單極性開關(guān)模式下確實為二電平結(jié)構(gòu)，在電壓的正半周期，uab在Vdc、0間切換；在電壓的負半周期，uab在0、-Vdc間切換。

圖6（a）和（b）分別為整流器空載啟動過程和突加負載過程。空載啟動過程是整流器從二極管不控整流狀態(tài)進入到PWM整流狀態(tài)，將直流側(cè)電壓Vdc升高到給定值，實現(xiàn)boost功能；突加負載時，直流側(cè)電壓Vdc出現(xiàn)一定量的跌落，但經(jīng)過雙閉環(huán)控制的快速調(diào)節(jié)，大約1s后直流側(cè)又恢復(fù)到給定值。圖6（c）是整流器帶純阻性負載時的穩(wěn)態(tài)波形，從波形可以看出，整流器運行于單位功率因數(shù)整流狀態(tài)。圖6（d）為模擬整流狀態(tài)與逆變狀態(tài)切換過程。直流側(cè)電壓的給定值設(shè)為380V，整流器啟動時，直流側(cè)電壓開始升高。為了模擬整流和逆變切換過程，當直流側(cè)電壓Vdc大于370V時，整流器運行于逆變狀態(tài)，逆變電流與當前時刻的電流反相，并且幅值始終為5A，此過程直流側(cè)電壓開始跌落；當直流側(cè)電壓Vdc低于340V時，整流器又進入整流狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)電流is立即跟蹤電壓外環(huán)輸出的電流指令，網(wǎng)側(cè)電流立即反相，此過程直流側(cè)電壓又開始上升。因此整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)可以來回地進行切換。

圖7為整流器帶電機負載波形。單相全橋PWM整流器作為直流電源，與三相逆變器組成背靠背永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)，帶動電機空載轉(zhuǎn)動。此過程分為三個階段：①PWM整流器直流側(cè)達到穩(wěn)定值，閉合整流器與逆變器之間的接觸器，相當于整流器瞬間突加負載，直流側(cè)電壓開始跌落，但此時整流器網(wǎng)側(cè)電流也開始增大以補充直流側(cè)消耗掉的功率，使直流側(cè)電壓恢復(fù)到穩(wěn)定值；②整流器直流側(cè)電壓恢復(fù)后，閉合逆變器直流側(cè)電容前的繼電器旁路掉充電電阻；③大約2s后，永磁同步電機開始運轉(zhuǎn)，直流側(cè)電壓瞬間跌落，但通過電壓外環(huán)調(diào)節(jié)電流指令，使整流器直流側(cè)電壓又立即恢復(fù)到穩(wěn)定值。

6 結(jié)論

針對單相全橋電壓型PWM整流器的主拓撲、開關(guān)模式、整流器穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系及控制原理進行了研究。為降低開關(guān)損耗，采用了單極性調(diào)制開關(guān)模式；為使整流器具有較好的動靜態(tài)性能，采用了基于滯環(huán)電流控制的雙閉環(huán)控制策略。實驗證明了基于滯環(huán)電流控制的雙閉環(huán)控制策略具有能使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1、直流側(cè)電壓穩(wěn)定、能量可回饋等優(yōu)點；并嘗試將PWM整流器應(yīng)用于背靠背系統(tǒng)中，實現(xiàn)了永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的運行，具有很好的工程實用價值。

參考文獻：

[1]Singh B，Singh B N，Chandra A，et al.A review of three-phase improved power quality AC-DC converters[J].IEEE Transaction on Industrial Electronics，2004，51（03）：641-660.

[2]Song Z F，Xia C L，Shi T N.Assessing transient response of DFIG based wind turbines during voltage dips regarding main flux saturation and rotor deep-bar effect[J].Applied Enegry，2010，87（10）：3283-3293.

[3]馬永健，徐政，沈沉.有源電力濾波器閉環(huán)控制算法研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2006，21（02）：73-78.

[4]康勁松，張燁.多電平變流器在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 中國電機工程學(xué)報，2009，29（24）：20-25.

[5]張興，張崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[6]賈月朋，任稷林，祁承超，賈月穎.能量回饋型單相交流電子負載的研究[J].電力電子技術(shù)，2011，45（06）：91-93.

[7]李濤豐，歐陽暉，熊健，張凱.單相全橋PWM整流器的直接電流控制技術(shù)研究[J].電力電子技術(shù)，2010，44（10）：51-53.

作者簡介：黃靜（1988-），女，河南信陽人，碩士，講師，主要研究方向：電力電子與電力傳動。