三相電壓型PWM整流器電流 控制方法研究

馮曉艷 王 鳳 白 玉

（1. 黑龍江科技大學 2. 北方重工裝卸設備分公司設計所 3. 黑河學院）

0 引言

在當前環(huán)境污染、能源危機不斷加重和工業(yè)技術的驅動日益強勁的時候，人類社會對化石能源的使用態(tài)度越來越謹慎，進而轉去尋求其他相對清潔的能源。例如我國光伏產業(yè)的飛速發(fā)展，電動汽車的不斷興起等等，都是人們不斷探索可替代化石燃料的一種創(chuàng)新。而在眾多的新型能源中，電力這種相對歷史悠久的能源形式則是被使用最為廣泛的[1]?？梢哉f，電力的需求已經是一個城市文明和發(fā)展的象征。

電能的使用廣泛而且電力網絡交錯復雜，很多的非線性電器使用引入了很大的諧波污染。公用電網中用戶使用空調等非線性電力設備越來越多，功率越來越大，帶來的諧波污染問題日益嚴重，治理難度隨之加大。與此同時，原有電力補償裝置的老舊，導致了電能質量的下降不可避免。更為嚴重的是，這些技術問題會影響工業(yè)生產的正常運轉，給社會生活帶來不可估量的影響。

1 研究意義

如何提高用電效率、去除污染，更加科學地利用電能來服務于人們的生活和工業(yè)生產，一直是各個國家重視并普遍都在進行探索研究的關鍵問題。特別是在功率半導體開關器件的不斷升級換代過程中，電子技術也不斷發(fā)展，各個行業(yè)中使用PWM脈沖寬度調制來控制設備運轉的領域眾多，而這些裝置和設備大部分是交流的，其中包含了對電能的整流[2-3]。大量的整流裝置的運轉必然導致在電網中產生了極其繁雜的諧波污染和無功功率，電網中出現(xiàn)的諧波污染引起的額外能量損耗以及變壓器溫度的升高，電力電纜、電容等器件的損壞為代價，同時這種污染還會造成電量統(tǒng)計的失準，引起供電方和用戶的經濟糾紛。這種誤差帶來的影響不容忽視，是當前研究中需要解決的熱點問題。

2 電網諧波的危害和解決辦法

無功功率和諧波污染造成的嚴重影響主要包括：

1）諧波電流會使電壓產生畸變，對電容和導線等電氣設備造成不可逆的損壞。

2）引起額外的電能消耗，使電能的利用率大打折扣。

3）以負序量為基礎的繼電器和自動保護裝置會受到諧波的沖擊和影響，造成電能計量出現(xiàn)差錯甚至自動裝置無法正常運轉和誤操作。

4）造成通信線路和電路系統(tǒng)故障，引發(fā)事故。

諧波和無功功率對電網造成的危害主要可以通過兩種途徑來解決：

1）使用濾波器或者當前廣泛安裝的靜止無功發(fā)生器，這些裝置的作用主要是削弱諧波和補償無功，即起到抑制甚至是消除諧波和無功功率的目的。

2）依靠當前的電子電力技術對電網內的設備進行改造，把諧波和無功功率消滅在發(fā)生階段。

顯然，第二種方法是一種新型治標治本的手段。整流裝置不可避免地引入諧波是主要的諧波源之一，研發(fā)低諧波含量和高功率因數(shù)的整流器是一種有效的方案[4]。在這個過程中，三相電壓型PWM整流器可以實現(xiàn)電能的高效率、科學性的轉換，在各種相關系統(tǒng)中有著不可替代的作用。

3 PWM整流器的發(fā)展和分類

3.1 PWM整流器的發(fā)展歷程

傳統(tǒng)的整流手段主要是使用晶閘管相控整流和二極管不控整流這兩種技術，它們的缺陷是對儲能元件的要求很高，電容和電感的品控需要嚴格把關。同時，苛刻的條件造成的后果是系統(tǒng)的動態(tài)性能在很長一段時間無法得到有效保障。20世紀70年代開始，人們發(fā)現(xiàn)PWM技術在諧波污染消除和無功功率控制上的優(yōu)勢。國外科研機構首先將PWM技術應用于直流電壓的整流輸出，并且得到了單位功率因數(shù)很高、整流交流側正弦化的穩(wěn)定結果。但是由于當時電子器件工藝和制造技術的限制，PWM技術在整流器中的應用很長一段時間處于停滯不前的狀態(tài)。一直到20世紀末，IEEE、IEC以及CIGRE等機構處于對電網諧波問題日趨嚴重的考量，開始著手制定諧波的標準。而我國國家技術監(jiān)督局也在1994年制定了《電能質量公用電網諧波》（GB/T 14549—1993）國家標準。從此，PWM整流器開始逐漸大范圍研發(fā)和使用。

3.2 PWM整流器的研究現(xiàn)狀

我國關于PWM整流器的研究和制造起步晚于國外，技術積累上也存在較為明顯的差距，而其中最為廣泛使用的三相大功率PWM整流器的研究一直是難點問題，亟需解決。三相電壓型PWM整流器的原理、生產、控制和使用方面包含了許多專業(yè)領域的交叉學科問題，例如新能源的高效使用、電力系統(tǒng)的諧波控制手段、計算機技術和通訊技術、以及新型電力電子技術和電力系統(tǒng)的諧波治理等，其中包含的經濟效益和社會價值是關系到國計民生的大事，還需要加大力度去研究和了解[5]。

需要注意的是，當前很多對電能質量要求不是很高的場合仍然在使用結構簡單的傳統(tǒng)整流技術，主要原因是這兩種技術相對比較成熟，成本也很低。隨著國家對清潔能源和綠色電能技術的倡導和社會需求的提升，PWM技術應用于整流器的方案將成為以后發(fā)展的重點。

3.3 PWM整流器的分類

PWM整流器根據(jù)它們連接的拓撲結構的差異，可以簡單地劃分為互為對偶的兩類：

1）電流型PWM整流器（Current Source Rectifier），控制系統(tǒng)比較復雜，能量損失和工作效率都不理想。

2）電壓型PWM整流器（Voltage Source Rectifier），具有電路結構和原理簡單、能量損耗相比于電流型PWM整流器低、動態(tài)響應速度快、變流效果好等特點。

電壓型PWM整流器的這些優(yōu)點和特性使其一直是大家研究的重點。下面將研究基于三相電壓型PWM整流器進行電流控制的算法和實現(xiàn)。

4 使用PWM整流器進行電流控制

4.1 三相電壓型PWM整流器的電流控制算法

國內外對三相電壓型PWM整流器的電流控制算法研究很多，成果也層出不窮，不過究其根本，主要還是可以分為電流響應品質很高、速度很快的直接電流控制算法，以及無需電流反饋控制的簡單間接電流控制算法這兩個基礎領域。間接電流控制常應用于對動態(tài)響應要求較低的場合，不需要復雜控制結構[6]。其主要缺點體現(xiàn)在其對系統(tǒng)的參數(shù)要求較為敏感，對電流的動態(tài)響應速度較慢，有時候甚至會出現(xiàn)交流側電流中混雜有直流成分的分量。

而相對應的直接電流控制電流響應速度和質量都優(yōu)于間接電流控制算法。直接電流控制主要的不足在于其復雜度較高的算法和控制結構，但是這些也反映了它優(yōu)秀的特征，是近年來各個企業(yè)和科研機構的研究熱點。目前，隨著計算機性能和電力電子技術的飛快發(fā)展，結合計算機軟件技術的知識和機器學習、模糊控制等理論，直接電流控制算法主要有：預測電流控制算法；模糊控制和機器學習理論；電流無差拍控制；滯環(huán)電流控制，包含滯環(huán)SVPWM電流控制算法等；滑模變結構控制算法；直接電流解耦控制，包含基于電網電壓前饋及電流解耦的電流控制算法等。

4.2 兩種常用的電流控制算法研究

下面介紹使用Matlab進行仿真時候的兩種主要算法。

1）滯環(huán)SVPWM電流控制算法：這種算法的Matlab仿真中，實際電路中的驅動部分組件位于 logic模塊的輸出與out模塊之間，將三種開關的不同狀態(tài)變換為六路不同的PWM驅動信號。logic模塊內部主要是滯環(huán)SVPWM開關函數(shù)的表達式，目的是為了建立完整的邏輯關系。該算法主要運用于對實時性要求比較嚴格的場合，它的開關頻率是不確定的。

2）基于電網電壓前饋及電流解耦的電流控制算法：在Matlab仿真中，虛擬鎖相環(huán)Discrete Virtual PLL重要的功能是進行三相交流側電流和電網電壓的相位跟蹤；終端Terminator可以作為附加模塊加入，是為了防止仿真時出現(xiàn)Matlab警告而設置的；在坐標轉換模塊abc_to_dq0 Transformation中，進行abc坐標系到dq坐標系的轉換。在本算法中，電流環(huán)功率因數(shù)是可以調節(jié)的，但是稍微復雜的是需要進行dq坐標變換和三個PI調節(jié)器的設計[7]。

實際工作經驗和仿真結果表明，三相電壓型PWM整流器采用以上兩種不同的直接電流控制算法下都表現(xiàn)出了明顯的改善，在電網諧波沖擊、電力負載變動、開關跳變等狀態(tài)下可以實現(xiàn)較好的魯棒性，直流側電壓和交流側電流的控制出現(xiàn)了顯著的穩(wěn)健性。

5 結束語

本文結合工作經驗和當前三相電壓型PWM整 流器的電流控制算法在電網諧波污染控制和無功功率補償中的運用，分析了電流控制方法的差異和性能區(qū)別，主要是對直接電流控制算法中的典型的兩種進行了具體對比分析，各自具有自身的特點，但是均具有較好的電流控制效果。PWM整流器因為較高的功率因數(shù)和優(yōu)異的性能，是目前整流器研究的重點，在系統(tǒng)設計時可以根據(jù)實際情況進行相應的選擇。

[1]鄭忠玖. 三相電壓型PWM整流器控制策略及應用研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2011.

[2]程啟明, 程尹曼, 薛陽, 等. 三相電壓源型PWM整流器控制方法的發(fā)展綜述[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2012(3): 145-155.

[3]王麗, 王久和, 楊威, 等. 基于反饋線性化的三相電壓型PWM整流器控制[J]. 遼寧工程技術大學學報, 2007(S2): 146-148.

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[5]梁錦澤. 三相電壓型PWM整流器及其控制策略研究[D]. 廣州: 廣東工業(yè)大學, 2008.

[6]王恩德, 黃聲華. 三相電壓型PWM整流的新型雙閉環(huán)控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2012(15): 24-30, 18.

[7]萬鵬. 三相電壓型PWM整流器控制[D]. 武漢: 華中科技大學, 2013.