電流型PWM整流電路功率控制研究與應(yīng)用

張文臣 趙愛明 張行 李國君 張梓軒

摘 要：為了達到使傳統(tǒng)開關(guān)型器件在光伏發(fā)電系統(tǒng)中結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對防逆流控制器在非線性情況下對瞬時功率連續(xù)可調(diào)的目的，采用電流型PWM整流器拓撲結(jié)構(gòu)，提出通過脈沖寬度調(diào)制調(diào)節(jié)輸出功率的方法。通過Matlab/SimuLink單相電流型PWM整流電路仿真模型實驗可知，在脈沖寬度固定的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)頻率，改變電感和電容之間諧振點，達到單位功率因數(shù)，并得到網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的影響因素。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;物聯(lián)網(wǎng);單相電流;PWM整流功率;可調(diào)單位功率因數(shù);LC濾波

中圖分類號：TP271文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）10-00-04

0 引 言

靜止變流器在不間斷電源、變速驅(qū)動和光伏電池儲能系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1]。變流器通過維持直流側(cè)電壓恒定，從而使得電流諧波含量達到功率因數(shù)為1的控制目的[2]。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的防逆流控制器利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在家庭與小型工廠等對熱水需求比較規(guī)律的場合進行熱水加熱功率連續(xù)調(diào)節(jié)控制。

針對傳統(tǒng)開關(guān)型可控硅調(diào)節(jié)功率存在瞬時功率連續(xù)不可調(diào)的問題[3]，文獻[4]在鋰電池儲能系統(tǒng)中設(shè)計了功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，其中包括升降壓斬波電路、電壓源型變流器、LCL濾波器，在基于規(guī)則的功率優(yōu)化控制策略下，使得電池組輸出功率基本穩(wěn)定，控制器性能良好。文獻[5]利用脈寬移相調(diào)功與鎖相控制相結(jié)合的方法調(diào)節(jié)移相角改變輸出電壓、電流值，從而達到調(diào)節(jié)功率的目的。文獻[6]提出利用較寬移相角調(diào)節(jié)范圍的容性移相PWM調(diào)節(jié)輸出功率，但是移相角或脈寬的變化導(dǎo)致高次諧波無法消除，且在脈寬調(diào)窄時諧波含量仍然較大。文獻[7]提出基于階梯波合成技術(shù)的脈沖密度調(diào)制策略，降低高頻諧波逆變器輸出電壓的3次及5次諧波，進一步實現(xiàn)對感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)輸出功率的控制。與傳統(tǒng)移相控制相比，有效降低了合成輸出電壓的諧波失真，且功率器件開關(guān)次數(shù)少，開關(guān)損耗小。文獻[8]提出諧波代替基波移相調(diào)功的方法調(diào)節(jié)輸出功率，解決了傳統(tǒng)移相調(diào)功在輕載時帶來的效率低的問題。文獻[9]提出單相變流器的直接功率控制方法，利用電壓外環(huán)通過PI控制器降低超調(diào)量，對采樣電壓進行修正，從而達到了諧波含量小及單位功率因數(shù)輸出的要求。

相比傳統(tǒng)可控硅調(diào)節(jié)功率方式存在的缺點，現(xiàn)有移相角調(diào)節(jié)功率電路雖然簡單，移相控制也較容易實現(xiàn)軟開關(guān)，但開關(guān)損耗較大。AC-DC單相變流器的功率控制方法可應(yīng)用于諧波含量小、單位功率因數(shù)輸出和功率可連續(xù)調(diào)節(jié)的場合。分析比較幾種典型的功率調(diào)節(jié)方法，本文提出采用電流型PWM整流電路可連續(xù)調(diào)節(jié)功率的方法，通過調(diào)節(jié)頻率實現(xiàn)交流側(cè)的電感和電流發(fā)生諧振，從而降低諧波電流，進一步實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)輸出的目的。

1 PWM整流電路結(jié)構(gòu)分析

由主電路的拓撲結(jié)構(gòu)可知，PWM整流器可分為電流型和電壓型兩類[10]。

1.1 電壓型PWM整流電路

單相電壓型PWM整流器電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中：Us，Is為交流側(cè)電網(wǎng)電壓、電流;Ls為交流側(cè)電感;Udc為直流側(cè)電壓;V1～V4為全控型功率開關(guān)管;VD1～VD4為依次并聯(lián)在V1～V4上的續(xù)流二極管;電容C為直流濾波電容，可降低直流電壓紋波。

將電壓型PWM整流電路與電流型PWM整流電路對比分析可知，電流型PWM整流電路具有輸入電流諧波含量少、網(wǎng)側(cè)可單位功率因數(shù)運行、直流側(cè)電壓從零可調(diào)，對輸出功率從零可調(diào)且控制電流更直接方便、動態(tài)響應(yīng)更快以及擁有內(nèi)在短路保護能力等優(yōu)點。故本文對電流型PWM整流電路拓撲結(jié)構(gòu)進行研究。

2 單相電流型PWM整流電路分析

電流型整流器又稱為降壓型整流器，與電壓型PWM整流器相似，電流型PWM整流器具有四象限運行能力[13]。

2.1 單相電流型PWM整流電路數(shù)學模型

電流型PWM整流電路降壓型整流器的等效模型如圖3所示。

在電壓Us（t）處于正半周時刻，由導(dǎo)通與關(guān)斷所得到的瞬時功率平衡可進一步推導(dǎo)出其降壓特性。在t =0時刻驅(qū)動V4導(dǎo)通、V2關(guān)斷，電源Us向負載供電，給直流側(cè)電感Ldc充電，直流側(cè)電流I0按指數(shù)曲線上升。每個開關(guān)管都串聯(lián)一個二極管，同時也保證了其電流流向。當t =t1時刻，控制V4關(guān)斷、V2導(dǎo)通，直流側(cè)負載經(jīng)V2，V1二極管續(xù)流導(dǎo)通，直流側(cè)電感Ldc向負載供電，Ldc取值較大，使得直流側(cè)電流按指數(shù)曲線緩慢下降且脈動較小。同理，負半周時刻等效模型類似，不再贅述。

2.2 單相電流型PWM整流器工作過程分析

由于在同樣的開關(guān)頻率下，由單極性調(diào)制方式得到的交流側(cè)諧波電流水平更低[14]，因此本文選取單極性調(diào)制方式。

3 電路仿真

通過Matlab/SimuLink仿真軟件，在上述分析電流型PWM整流電路原理與時序控制的基礎(chǔ)上，搭建單相電流型PWM整流電路的模型，如圖6所示。

其中，各個功能塊用子系統(tǒng)封裝，主要包括PWM驅(qū)動信號產(chǎn)生模塊與單相電流型PWM整流橋模塊。系統(tǒng)仿真參數(shù)：交流側(cè)電網(wǎng)電壓220 V;頻率50 Hz;交流側(cè)濾波電感Ls=500 mH;濾波電容C=5 μF;直流側(cè)儲能電感Ldc=100 mH;直流側(cè)負載電阻RL=50 Ω;開關(guān)頻率10 kHz。

3.1 PWM控制時序?qū)敵龉β实挠绊?/p>

通過改變脈沖寬度調(diào)節(jié)直流側(cè)輸出電壓得到直流側(cè)輸出功率值、交流側(cè)輸入功率值、比率大小，不同調(diào)制比下的功率值與比率見表1所列。調(diào)制比變化時，交流側(cè)的功率和直流側(cè)輸出功率也發(fā)生變化，對比分析調(diào)制比m在一定比率下的直流側(cè)輸出功率，比率相同，可知其線性度較好，且交流側(cè)輸入功率與直流側(cè)輸出功率的差值較小，由此可知單相電流型PWM整流電路的效率較高，輸出功率效率可達97%。

3.2 網(wǎng)側(cè)LC濾波器對功率因數(shù)的影響

網(wǎng)側(cè)電壓電流仿真波形如圖7所示。由圖可知，交流側(cè)電感與交流側(cè)電容所構(gòu)成的LC濾波電路對網(wǎng)側(cè)電壓、電流的功率因數(shù)有較大影響。其中，當LC濾波器中的電容參數(shù)較?。–=0.5 nF）時，網(wǎng)側(cè)電流產(chǎn)生了大量諧波電流，不符合PWM整流電路下的功率因數(shù)要求。LC濾波器中電容或電感過大或過小都會使得網(wǎng)側(cè)電流與電壓之間產(chǎn)生相位差，從而降低網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。當電感較大（Ls=0.5 H）時，網(wǎng)側(cè)電壓相位超前于電流相位。當電容較大（C=50 mF）時，網(wǎng)側(cè)電壓滯后于電流相位，且電容過大將導(dǎo)致短路電流出現(xiàn)。調(diào)節(jié)頻率使得電感與電容發(fā)生諧振，網(wǎng)側(cè)電壓與電流同相位（cos=1），可達到單位功率因數(shù)輸出。因此，LC濾波器的參數(shù)影響網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，且LC發(fā)生諧振時得到網(wǎng)側(cè)電壓電流同相。

3.3 直流側(cè)電感對紋波的影響

直流側(cè)電壓、電流仿真如圖8所示。由圖可知，由于直流側(cè)電感Ldc的存在使得直流側(cè)電壓、電流的輸出含有一定的紋波，在單相電流型PWM整流電路調(diào)制比m =0.8，Ldc=0.02 H時可看出直流側(cè)電壓、電流在某一數(shù)值范圍內(nèi)波動，在直流穩(wěn)定量上有一定的交流量存在。直流側(cè)電感越小，得到的直流穩(wěn)定量上的脈動就越大，因此Ldc應(yīng)盡量取大些。

4 結(jié) 語

本文通過對單相電流型PWM整流電路的拓撲結(jié)構(gòu)、數(shù)學模型及工作狀態(tài)分析，得到了對于單相電流型PWM整流電路的特點：

（1）在調(diào)制比相同比率下得到的直流側(cè)輸出功率比率k2相同，且處于線性變化狀態(tài)，可實現(xiàn)運用調(diào)節(jié)脈沖寬度的方法對直流側(cè)輸出功率進行線性調(diào)節(jié)。

（2）直流側(cè)電壓存在少量紋波，由直流側(cè)輸出功率與交流側(cè)功率之間的比值可得直流側(cè)輸出功率的效率約為97%。

（3）LC濾波器中電感、電容參數(shù)是網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的影響因素，通過調(diào)節(jié)頻率改變LC發(fā)生諧振得到網(wǎng)側(cè)電壓電流同相，可單位功率因數(shù)輸出。對于具體的LC濾波器中電感、電流參數(shù)及直流側(cè)電感參數(shù)取值不再詳述。然而，對于本文所提到的頻率調(diào)節(jié)方法還有待于進一步研究。

注：本文通訊作者為趙愛明。

參 考 文 獻

[1] SINGH B，SINGH B N，CHANDRA A，et al. A review fsingle-phase improved power quality AC-DC converters [J].IEEE transactions on industrial electronics，2003，50（5）： 962-981.

[2] GIRI F，ABOULOIFA A，LACHKAR I，et al. Formal framework for nonlinear control of PWM AC/DC boost rectifiers-controller design and average performance analysis [J]. IEEE transactions on control systems technology，2010，18（2）：323-335.

[3]黃利生.可控硅零電位觸發(fā)及功率調(diào)節(jié)電路在爐溫自控中的應(yīng)用[J].金屬制品，1989，15（6）：32-35.

[4]嚴干貴，馮爽，李軍徽，等.儲能功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)主電路參數(shù)設(shè)計與控制策略研究[J].電測與儀表，2014，51（21）：96-100.

[5]陳富豪，葛運旺，蘆逸云.超音頻感應(yīng)加熱電源功率調(diào)節(jié)方法[J].金屬熱處理，2017，42（11）：183-186.

[6]孫起良，張志宏.感應(yīng)加熱電源的容性移相PWM調(diào)功[J].安徽理工大學學報，2013 ，33（1）：33-37.

[7]范滿義，史黎明，殷正剛，等.感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)基于階梯波合成技術(shù)的諧波消除和脈沖密度功率調(diào)節(jié)方法[J].中國電機工程學報，2017，37（22）：6516-6523.

[8]蔡華，史黎明，李耀華.感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)輸出功率調(diào)節(jié)方法[J].電工技術(shù)學報，2014，29（1）：215-220.

[9]馬慶安，李群湛，邱大強，等.基于直接功率控制的單相 AC-DC 變流器控制器設(shè)計[J].電工技術(shù)學報，2012，27（7）：251-256.

[10] HASAN K，KUKRER O.Lyapunov-based control for three-phase PWM AC/DCvoltage-source converter [J]. IEEE Appl. on power electron，1998，13（5）：801-803.

[11]王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[12]潘天明.工頻和中頻感應(yīng)爐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1981.

[13]李玉玲.電流型 PWM 整流器及其控制策略的研究[D].杭州：浙江大學，2006.

[14] MOHAN N，UNDELAND T，ROBBINS W.Power electronics： converters，applications，and design [M]. 2nd Ed.New York：John Wiley & Sons，Inc.，1995.

[15]張軍偉，王兵樹，劉治安，等.單相電壓型PWM整流電路原理分析與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（8）：186-189.