三相PWM整流器控制策略

馮曉艷 王鳳 白玉

摘 要：經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展加大了對(duì)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(chǎn)生的諧波污染使得電網(wǎng)的供電質(zhì)量受到嚴(yán)重的影響，以往傳統(tǒng)的整流裝置會(huì)產(chǎn)生大量的諧波嚴(yán)重影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。三相PWM整流器是新型的整流裝置，具有輸出穩(wěn)定、諧波污染度較低等的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)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(chǔ)上提出在三相PWM整流器的控制中，通過使用PI調(diào)節(jié)和模糊控制相結(jié)合的方式來做好對(duì)于三相PWM整流器的控制的策略。

關(guān)鍵詞：三相PWM整流器；模糊控制；功率因數(shù)校正

中圖分類號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)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(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，這些大量的無用諧波進(jìn)入到電網(wǎng)中將會(huì)對(duì)電網(wǎng)的供電質(zhì)量造成嚴(yán)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(shí)最大限度的減少其對(duì)于電網(wǎng)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(wǎng)側(cè)電流的正弦化，提高供電質(zhì)量。

1 三相PWM整流器的工作原理

整流器的發(fā)展經(jīng)歷了不控整流器、相控整流器直至現(xiàn)今所示使用的三相PWM整流器等的一系列的發(fā)展歷程，最早的整流器所使用的晶閘管容易導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電壓波形的畸變，從而對(duì)電網(wǎng)的供電質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，在相控整流器時(shí)代，雖然通過改善了網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)，但是其所產(chǎn)生的諧波影響仍然較大。為更好的確保電網(wǎng)的質(zhì)量，通過研發(fā)改進(jìn)，使用了全控型功率開關(guān)取代了原先的功率部件，研發(fā)出了三相PWM整流器。三相PWM整流器是一個(gè)能夠?qū)?、直流?cè)都進(jìn)行控制的四象限運(yùn)行的交流裝置，其主要是由交流回路、功率開關(guān)管橋路以及直流回路等部分組成。三相PWM整流器交流側(cè)工作關(guān)系圖如圖1所示。在三相PWM整流器工作時(shí)其在四象限的工作規(guī)律如下：

（1）在電壓矢量工作在AB段時(shí)，整個(gè)三相PWM整流器處于整流狀態(tài)，當(dāng)三相PWM整流器在B點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，三相PWM整流器主要由單位功率因數(shù)整流控制，而當(dāng)三相PWM整流器在A點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，三相PWM整流器則會(huì)從電網(wǎng)中吸收感性無功功率。

（2）當(dāng)三相PWM整流器矢量在BC段運(yùn)行時(shí)，整流器仍然處于整流狀態(tài)，這一階段，三相PWM整流器通過從電網(wǎng)中吸收有用功及容性無功功率，實(shí)現(xiàn)電能傳輸至直流負(fù)載端。

（3）當(dāng)三相PWM整流器運(yùn)行在CD段時(shí)，整個(gè)三相PWM整流器處于有源逆變狀態(tài)，在這一階段，電能將從電網(wǎng)到直流側(cè)轉(zhuǎn)換為從直流側(cè)到電網(wǎng)的逆轉(zhuǎn)變，同時(shí)，可以在D點(diǎn)時(shí)通過采用單位功率因數(shù)有源逆變實(shí)現(xiàn)對(duì)于三相PWM整流器的控制。

（4）當(dāng)三相PWM整流器運(yùn)行在DA段時(shí)，整個(gè)三相PWM整流器處于有源逆變狀態(tài)，電能將從三相PWM整流器直流側(cè)向電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行傳輸。

做好對(duì)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(cè)的電壓從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于三相PWM整流器的間接網(wǎng)側(cè)控制。

（2）通過對(duì)網(wǎng)側(cè)電流的閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)于三相PWM整流器的網(wǎng)側(cè)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(guān)非線性控制系統(tǒng)，其工作狀態(tài)主要根據(jù)的是開關(guān)的狀態(tài)在多個(gè)線性系統(tǒng)間的周期性切換的過程。在對(duì)三相PWM整流器進(jìn)行控制時(shí)，三相PWM整流器中的任意一相的PWM相關(guān)波形還會(huì)與另外兩項(xiàng)的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行相互的影響，因此需要在做好三相PWM整流器的控制時(shí)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(huán)的控制策略。

2.1 三相PWM整流器的控制結(jié)構(gòu)

在三相PWM整流器的控制結(jié)構(gòu)中為了使得三相PWM整流器能夠獲得較為優(yōu)良的整流輸出特性，在三相PWM整流器整個(gè)控制結(jié)構(gòu)主要采用的是由電壓環(huán)和電流環(huán)所組成的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其中控制用的電壓環(huán)主要用于對(duì)于整流輸出電壓的控制，而電流環(huán)則主要被應(yīng)用于對(duì)三相PWM整流器網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)正弦波電流的控制。在三相PWM整流器控制結(jié)構(gòu)主電路參數(shù)的選擇上應(yīng)當(dāng)經(jīng)過充分的、合理的計(jì)算確保參數(shù)選擇的合理性，提高控制系統(tǒng)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(fù)載對(duì)于電壓的要求，同時(shí)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(gè)開關(guān)周期內(nèi)交流側(cè)電流的最大超調(diào)量盡可能的小。同時(shí)還需要控制交流側(cè)的電流諧波失真，避免其對(duì)三相PWM整流器的控制造成影響。在三相PWM整流器直流側(cè)電容的選擇上需要確保電壓環(huán)控制的跟隨特性，并且電容的取值應(yīng)當(dāng)盡量較小，以使得三相PWM整流器的控制系統(tǒng)的直流側(cè)電壓能夠?qū)崿F(xiàn)快速的跟蹤，在滿足電壓環(huán)控制的抗擾性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，應(yīng)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(huán)整流系統(tǒng)的控制策略

在三相PWM整流器的控制系統(tǒng)中主要采用的是雙環(huán)控制，分別是電流環(huán)和電壓外環(huán)，在設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)中其主要原則是從內(nèi)環(huán)開始逐步向外環(huán)擴(kuò)展。在三相PWM整流器的控制設(shè)計(jì)中采用的首先是從電流環(huán)入手，設(shè)計(jì)好三相PWM整流器中的電流調(diào)節(jié)器，而后將整個(gè)電流環(huán)作為是電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而后再完成對(duì)于三相PWM整流器中電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。在電流環(huán)的設(shè)計(jì)中，為了確保實(shí)際使用時(shí)能夠滿足電流環(huán)的快速控制要求，在做好積分調(diào)節(jié)器的使用上需要做好相應(yīng)的控制，在滿足其靜態(tài)特性的基礎(chǔ)上只使用比例調(diào)節(jié)器，一般情況下，首先需要將電流環(huán)的增益調(diào)節(jié)到最大而后在完成對(duì)于電壓外環(huán)增益的調(diào)節(jié)。在電壓外環(huán)的設(shè)計(jì)過程中，整流器直流電壓要遠(yuǎn)高于線電壓的峰值，在調(diào)制比的選擇上可以選取。當(dāng)開關(guān)拼音要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)基波頻率時(shí)，可以將電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化為一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，同時(shí)在結(jié)構(gòu)的選擇上，電壓調(diào)節(jié)器可以選用PI調(diào)節(jié)器，將電壓采樣延時(shí)時(shí)間與電流內(nèi)環(huán)等效時(shí)間常數(shù)進(jìn)行合并，提高三相PWM整流器控制的設(shè)計(jì)效果。完成了對(duì)于三相PWM整流器控制的設(shè)計(jì)后還需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行一定的微調(diào)使其選取一組較為優(yōu)化的PI參數(shù)。

在三相PWM整流器的控制方案的設(shè)計(jì)上，由于其控制是一個(gè)多輸入、多輸出的非線性控制，因此，做好對(duì)于三相PWM整流器的控制是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，針對(duì)非線性的特點(diǎn)，采用較多的是建立一個(gè)小信號(hào)的模型來進(jìn)行線性模擬，并通過對(duì)于三相PWM整流器控制的優(yōu)化，可以使得其補(bǔ)償設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，最后通過使用DSP來做好對(duì)于三相PWM整流器的控制。根據(jù)所建立的三相PWM整流器控制的模型使用兩個(gè)獨(dú)立的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于有功和無功分分量的控制，便于對(duì)于變換器的單位功率因數(shù)的運(yùn)行，整個(gè)控制系統(tǒng)采用DSP進(jìn)行控制處理，通過對(duì)三相PWM整流器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣后，對(duì)于采集好的電壓與電流數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理，在控制中采用PI補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，將電壓環(huán)輸出作為電流環(huán)的參考給定量的有功分量，電路工作在單位功率因數(shù)的條件下，做好對(duì)于三相PWM整流器的控制。在設(shè)計(jì)電流環(huán)PI補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)K的零點(diǎn)等于電流環(huán)控制對(duì)象的極點(diǎn)，從而抵消電流環(huán)控制對(duì)象低頻極點(diǎn)R/L，取電流環(huán)帶寬為開關(guān)頻率的很小一部分，完成對(duì)于控制系統(tǒng)的補(bǔ)償后其電流內(nèi)環(huán)近似與一階慣性環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)電壓環(huán)PI補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)零點(diǎn)等于電壓環(huán)控制對(duì)象的極點(diǎn)，電壓外環(huán)帶寬多取開關(guān)頻率的1/60。在整個(gè)三相PWM整流器控制系統(tǒng)中的傳遞函數(shù)所涉及的參數(shù)多為定量，同時(shí)還需要考慮到實(shí)際輸入電網(wǎng)的變化范圍在一定的范圍內(nèi)，使得整個(gè)控制系統(tǒng)中只有負(fù)載量，從而使得在設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)能確保系統(tǒng)在一個(gè)大范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。

結(jié)語(yǔ)

三相PWM整流器的應(yīng)用對(duì)于減小對(duì)于電網(wǎng)的影響，提高供電質(zhì)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(chǔ)上對(duì)三相PWM整流器的控制策略進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析介紹。

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