PWM整流器的直接功率控制

朱建林

一、概述

功率半導(dǎo)體開關(guān)器件技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了電力電子變流裝置技術(shù)的發(fā)展.上世紀(jì)90年代出現(xiàn)了以脈寬調(diào)制（PWM）控制為基礎(chǔ)的各類變流裝置，如變頻器、逆變電源、高頻開關(guān)電源以及各類特種變流器，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中取得了廣泛的應(yīng)用。這些變流裝置大多需要整流環(huán)節(jié)，以獲得直流電壓，由于常規(guī)整流環(huán)節(jié)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(duì)電網(wǎng)注入了大量諧波及無功功率，造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)“污染”。治理這種電網(wǎng)“污染”最根本措施就是，要使變流裝置實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且運(yùn)行于單位功率因數(shù)。

經(jīng)過近十年的研究與發(fā)展，PWM整流器技術(shù)已日趨成熟。PWM整流器主電路已從早期的半控型橋路發(fā)展到如今的全控型橋路；其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已從單相、三相電路發(fā)展到多相組合及多電平拓?fù)潆娐?；PWM開關(guān)控制由單純的硬開關(guān)調(diào)制發(fā)展到軟開關(guān)調(diào)制；功率等級(jí)從千瓦級(jí)發(fā)展到兆瓦級(jí)，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(shí)際上是一個(gè)其交、直流可控的四象限運(yùn)行的變流裝置。PWM整流器電路由交流回路、功率開關(guān)管橋路以及直流回路組成。其中交流回路包括交流電動(dòng)勢(shì)及網(wǎng)側(cè)電感等；直流回路包括負(fù)載電阻及負(fù)載電動(dòng)勢(shì)等；功率開關(guān)管橋路可由電壓型或電流型橋路組成。

當(dāng)不計(jì)功率開關(guān)管橋路損耗時(shí)，由交、直流側(cè)功率平衡關(guān)系得

iv=idcvdc （1）

式中v、i為模型電路交流側(cè)電壓、電流

vdc、idc為模型電路直流側(cè)電壓、電流

由式（1）不難理解：通過模型電路交流側(cè)的控制，就可以控制其直流側(cè)，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(wǎng)側(cè)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”?！伴g接電流控制”實(shí)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(cè)電壓基波幅值、相位，進(jìn)而間接控制其網(wǎng)側(cè)電流；“間接電流控制”策略的顯著優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需電流傳感器，控制成本低，易于實(shí)現(xiàn)，靜態(tài)特性良好，但穩(wěn)定性差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，動(dòng)態(tài)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(hù)，需有過流保護(hù)制約了該種策略的應(yīng)用，因此這種控制策略已逐步被“直接電流控制”所取代?！爸苯与娏骺刂啤辈呗杂捎谝虢涣麟娏鞣答?zhàn)鳛閮?nèi)環(huán)，直流電壓外環(huán)構(gòu)成整流器控制系統(tǒng)，既可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，又可控制直流電壓恒定；其優(yōu)點(diǎn)為動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、限流容易、控制精度高，主要缺點(diǎn)是輸入電流檢測(cè)需要寬頻帶、價(jià)格昂貴的電流傳感器，系統(tǒng)成本增加，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)PWM整流器的電壓空間矢量控制，需要解決正弦函數(shù)、反正切函數(shù)查表的問題，并需要進(jìn)行一系列乘除法運(yùn)算，則需要復(fù)雜的算法（由DSP或多片單片機(jī)實(shí)現(xiàn)）和調(diào)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(shí)功率（有功和無功），同樣可達(dá)到控制瞬時(shí)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(tǒng)結(jié)構(gòu)為直流電壓外環(huán)、功率控制內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗峭ㄟ^基于有功功率與無功率的給定值和估計(jì)值間的實(shí)時(shí)誤差的開關(guān)表來選擇變流器開關(guān)狀態(tài)的，沒有內(nèi)電流環(huán)和PWM調(diào)制塊。由于直接功率控制PWM整流器采用瞬時(shí)功率控制，則具有更高的功率因數(shù)、低的諧波含量、算法及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

三、三相VSR整流器的仿真

三相VSR一般數(shù)學(xué)模型就是根據(jù)三相VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在三相靜止坐標(biāo)系（a，b，c）中利用電路基本定律（基爾霍夫電壓、電流定律）對(duì)VSR所建立的一般數(shù)學(xué)描述。三相VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中，當(dāng)直流電動(dòng)勢(shì)eL=0時(shí)，直流側(cè)為純電阻負(fù)載，此時(shí)三相VSR只能運(yùn)行于整流模式；當(dāng)eL>Udc時(shí)，三相VSR既可以運(yùn)行于整流模式，又可運(yùn)行于有源逆變模式，當(dāng)運(yùn)行于有源逆變模式時(shí)，三相VSR將eL所發(fā)電能向電網(wǎng)側(cè)輸送，有時(shí)也稱這種模式為再生發(fā)電模式；當(dāng)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(cè)回路方程如下：

仿真參數(shù)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(jié)果如圖2所示。從啟動(dòng)暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的由圖2（a）可知，ia經(jīng)歷一個(gè)周期（20ms）的暫態(tài)后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)時(shí)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(jīng)歷一個(gè)周期進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，即穩(wěn)定在給定值Udcref；由圖2（c）知，功率p經(jīng)歷2周期進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，即穩(wěn)定在給定值pref，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)非常接近于1。