三相電壓源型PWM整流器

三相VSR 通常都採取直流電壓、交流電流(或功率)雙級環路結構控制方式，電壓外環控制直流側電壓，維持直流母線電壓的恆定。

基本介紹

• 中文名：三相電壓源型PWM整流器
• 外文名：three-phasevoltage-source PWM rectifier

1 PWM整流器

PWM整流器技術是中等容量單位功率因數採用的主要技術,一般需要使用自關斷器件。三相PWM整流器在幾乎不增加任何硬體的基礎上,即可以實現能量的雙向流動,_日電路性能穩定其控制策略的實用性研究是電力電子領域的一個熱點。

PWM整流器的發展和現狀

PWM整流器的出現是基於功率因數校正和諧波抑制。70年代初,國外就開始了該項技術的基礎研究,80年代後期隨著全控型器件的問一世,採用全控型器件實現PWM整流的研究進入高潮。

PWM整流器主電路拓撲結構

PWM整流器的主電路拓撲結構近幾十年來沒有重大突破,主電路設計的基本原則是在保持系統的基礎上,儘量簡化電路拓撲結構,減少開關元件數,降低總成本,提高系統的可靠性。

電壓型PWM整流器主電路拓撲結構

單相全橋PWM整流器，通過開關V1-V4進行PWM控制,就可在橋的交流輸入端產生正弦調製PWM波U_AN、,U_AN中不含低次諧波成分,只含有和被調正弦信號波同頻率月幅值成比例的基波分量以及與三角載波有關的高頻諧波。由於電感Ls的濾波作用,高次諧波只會使交流電流i_N產生很小的脈動,在理想情況下,當被調正弦信一號波的頻率和電源頻率相同時, i_N是與電源同頻率的正弦波,對U_AN中基波分量的幅值和相位進行控制,可以達到使交流側電流波形正弦化且功率因數接近1的目的。

三相全橋PWM整流器,通過對電路進行正弦波PWM控制,使得整流橋的交流輸入端產生正弦PWM電壓,對各相電壓進行控制,就可以使各相電流i。i為i`「為正弦波且和電壓相位相同,從而使功率囚數為1。當電路工作在整流狀態下,能量從電網側流向直流側的負載;當電路工作在再生狀態下,類似於三相PWM電壓型逆變器,可以將直流側的能量回饋到交流電網側。

2)電流型PWM整流器主電路拓撲

電流型PWM整流電路。利用正弦波調製的方法控制直流電流在各開關器件的分配,使交流電流波形近似與電源電壓同相位的正弦波,實現功率因數近似為1,但其交流側電流波形中含有較多的諧波成分。

就現狀而言,山於電壓型PWM整流器的實現相對容易,並月.具有較簡單的拓撲結構和回響速度(相對電流型PWM整流整流器而一言),配置簡單的輸入濾波器即可實現較低的電磁干擾等特點.

PWM整流控制技術研究方向

控制技術是PW整流器發展地關鍵。近年來,有關PWM整流器高頻整流控制技術地研究緊緊圍繞以下兒方面地要求;

1)減少AC側輸入電流畸變率,降低其對電網的負面效應。一般要求在整個負載波動范)Ifll內,AC側輸入電流地總諧波畸變率低於5%。

2)提高功率因數,減少整流的非線性,使之對電網而言相對於“純阻性負載”。

3)提高系統的動態回響能力,減少系統的動態回響時間。

4)降低系統的開關損耗,提高整個裝置的效率。

5)減少直流側紋波係數,縮小直流側濾波器體積,減輕重量。

6)提高直流側電壓利用率,擴大調製波的控制範圍。

2三相PWM 整流器控制技術

整流器經歷了不可控整流、相控整流和PWM整流三個階段的發展，其中前兩種整流存在交流側輸入電流畸變嚴重、網側功率因數較低等問題，而PWM 整流器克服了這些缺點，它是一種高效、可靠、綠色的電能變換器，具有雙向的功率流動、低畸變率且正弦化的輸入電流、單位或可調的功率因數、可調的直流電壓等特點。因此PWM 整流器得到了廣泛的套用。根據直流側電源類型，PWM 整流器可分為電壓源型整流器(VSR) 、電流源型整流器(CSR)和Z 源整流器(ZSR)。由於VSR 的結構簡單、儲能效率高、損耗較低、動態回響快、控制方便。因此VSR 一直是PWM 整流器研究和套用的重點。根據併網交流信號不同，VSR 又可分為電壓控制和電流控制。由於電流控制的方法簡單、直接，且具有限流和短路保護作用，因此使用比較廣泛。VSR 的電流控制方案一般採用以直流電壓為外環、交流電流為內環的雙環控制結構。根據電流內環是否引入交流電流反饋，可分為直接、間接兩種電流控制，由於直接電流控制回響速度快，魯棒性好，目前占主導地位。

VSR 的雙環控制方式

三相VSR 通常都採取直流電壓、交流電流(或功率)雙級環路結構控制方式，電壓外環控制直流側電壓，維持直流母線電壓的恆定，它的輸出作為交流電流(或功率)內環的交流電流(或功率)指令，利用交流電流(或功率)內環快速、及時地調整交流側的電流，抑制負載擾動影響，使實際交流電流能夠快速跟蹤交流電流指令，實現單位功率因數控制。在雙環控制中，電壓外環與電流(或功率)內環在速度上必須進行配合，外環要比內環慢得多。

內環採用電流控制

它是目前廣泛實際採用方法，內環電流可在三相靜止abc坐標系或兩相同步旋轉dq坐標系中直接控制。早期的控制電路主要用模擬電路，要實現坐標變換非常複雜，控制器一般在靜止標系實現，為彌補靜止坐標系控制器的不足，在靜止坐標系的電流控制器引入電網反電勢信號作為前饋補償可以使電流的控制效果和旋轉坐標系很近；隨著處理器技術的發展，數位化系統已基本取代模擬電路，數字系統的坐標變換很方便，現基本採用同步坐標系下的控制器，此時可實現dq軸電流的解耦無靜差控制，電流回響也更快，但常需鎖相環節提供用於觸發脈衝生成所需的基準相位，實現dq軸的定位，比較複雜。

優點：控制結構簡單，動態回響速度快，電流控制精度高；限流容易，只要使指令電流限幅，就可實現過流保護；對負載參數不敏感及具有較強魯棒性；具有固定的開關頻率，易於系統的設計。

缺點：電流內環為抑制非線性負載擾動，必須具備足夠高的頻寬，這加大了數字控制器實現難度；同步坐標系下電流內環控制一般需要鎖相環節實現d、q軸的定位，比較複雜；需要寬頻帶、快速的電流感測器，控制成本高。根據PWM 數學模型，採用基於檢測開關函式和輸入電流的電流觀測器，可實現無電流感測器控制，降低成本。

內環採用功率控制

直接功率控制(DPC)方式是1991 年由Tokuo Ohnishi 提出，它通過控制輸出的有功功率、無功功率的方法來間接地控制輸出電流(當交流電壓一定的情況下)。它的控制結構為直流電壓外環、功率控制內環結構，根據交流電源電壓及瞬時功率在預存的開關表中選擇整流器輸

入電壓所需的控制開關量，從而實現高性能整流。DPC 可分為電壓定向、虛擬磁鏈定向兩種類型，其中電壓定向又可分為有交流電壓感測器和無交流電壓感測器兩種方案。

優點：估算的瞬時功率不僅有基波，還有諧波分量，提高了總功率因數和效率；系統無電流環和複雜的算法，有功、無功功率得到了獨立精確控制，其誤差由功率滯環比較器的滯寬決定；具有功率因數高、諧波干擾低、回響快、效率高, 動態性能和魯棒性好；系統結構與算法實現簡單，無需旋轉坐標變換和解耦控制，無電流內環和PWM 調製模組，只需從預存的開關表中直接選取所需的開關信號，對交流側電壓不平衡和諧波失真也有一定補償作用；通過估計虛擬磁鏈來計算無功與有功功率，可省略電網側電壓感測器，節約了成本。

缺點：功率滯環比較器沒有恆定的開關頻率，且又屬非線性和無嚴格的數學描述，導致功率和直流電壓跟蹤能力差；功率滯環比較器不能完全跟蹤按時間變化的信號，需採用較高且變化的開關頻率，給濾波器設計帶來困難；功率估算需要檢測整流器的開關狀態，需要高速的處理器和A/ D 轉換器；有功功率和無功功率之間存在耦合，直流電壓受有功功率決定的同時也受到無功功率的影響，功率內環採用常規單開關表同時控制有功和無功功率，且對無功功率調節強於有功功率，導致暫態過程中有功功率、直流電壓出現了較大波動，且穩態時負載電流擾動會產生較大的直流動態壓降。通過交替採用有功、無功功率的雙開關表控制策略，且採用負載電流反饋控制雙開關錶轉換信號的占空比，可改善系統啟動性能和減少直流動態壓降或消除穩態直流壓降，但雙開關表控制系統結構較為複雜。

內環採用時間最優控制

DPC通常是通過前饋解耦控制，採用兩個獨立的PI 調節器，來控制相應的有功和無功分量，而有功分量和無功分量之間的動態耦合以及PWM 電壓利用率的約束，影響了整流器有功分量(即輸出直流電壓)的動態回響。時間最優控制是1997 年由Choi Jongwoo 等提出的控制方法，它根據時間最優控制算法求解出跟蹤指令電流所需的最優控制電壓，並在動態過程中降低相應無功分量的回響速度，從而有效地提高了有功分量(直流電壓)的動態回響速度，實現了直流電壓的時間最優控制。

優點：系統結構簡單，易於實現；通過加入積分環節，保證了電流控制無靜差；可根據性能指標矩陣改變系統的控制性能，滿足所需系統回響特性；系統對負載變化或系統參數有較強魯棒性和適應性，使系統具有高功率因數，且輸出電壓可調。

缺點：系統工作在高功率因數下，整流器的無功電流不能獨立調節，無法實現對系統功率因數的控制；最優控制是從精確的數學模型計算出來的，當模型存在偏差將嚴重影響系統的性能，使品質惡化，因此有必要解決魯棒閉環算法問題；理論上還有最最佳化算法的簡化和實用性問題。

3VSR的控制方法

在VSR 的雙環控制方式中，電壓外環僅需直流電壓恆定，控制比較容易，一般採用PI 算法即可，但電流外環需要輸出穩定高質量的正弦波電流且與公共電網同壓、同頻、同相位，控制比較困難，因此提出的控制算法很多。按照電流內環的控制方式不同，VSR 控制方式可分為傳統的線性/非線性控制、現代的非線性控制和智慧型控制3 大類。

傳統的線性/非線性控制方法

在交流小信號分析時，整流器被視為一個線性系統，可用成熟的線性控制理論的方法研究；由於整流器本質上是一個強非線性的動態系統，採用非線性控制技術才能使系統對參數變化和外來擾動具有魯棒性和適應性。下面介紹幾種傳統的線性/非線性控制方法。

(1) 滯環電流控制。它是由Thomas A F. 在1967 年首次提出，並在電流內環採用這種滯環電流控制方式。雙閉環系統將外環PI 調節器的輸出分別乘以與相電壓同相位的正弦電壓，得到一個指令正弦電流，將它與實際檢測到的交流電流進行比較，兩者的偏差作為滯環比較器的輸入，通過滯環比較器產生控制主電路中開關通斷的PWM 信號，該PWM 信號經驅動電路控制併網逆變器的相應開關器件通斷，使實際電流追蹤指定的電流的變化。滯環電流比較器集電流控制與PWM 產生於一體，它兼有電流控制器和PWM 產生作用。

(2) 三角載波比較法的控制。它是由WuRusong 等在1990 年提出，它採用由時鐘定時控制的比較器代替滯環比較器，它是將指令電流與實際輸出電流進行比較，兩者的電流偏差通過PI 調節後再與一個固定頻率的三角載波比較，以產生PWM信號，因而實現固定的逆變器開關頻率。

(3) 靜態PID 控制及其改進。PID 控制是通過比例、積分、微分算法來實現對被控對象的控制。由於其算法簡單成熟、魯棒性和可靠性較高、控制效果良好，因此，已廣泛套用於PWM 整流器控制，在三相靜止abc坐標系下需要採用三個PID控制器。

(4) 同步矢量PID控制。

為克服上面控制方法存在靜差的缺點，目前整流器的內環一般都採用同步旋轉pq坐標系下PI控制。先將三相靜止坐標系的量轉換成為兩相旋轉坐標量，這樣可把對交流量的控制轉變成對直流量的控制，然後採用兩個PID運算，最後反變換轉換為各相的控制量。該控制可分為基於電壓定向(VOC)和基於虛擬磁鏈定向(VFOC)兩種控制策略，其中VOC具有直接電流控制的動態回響快、穩態性能好、自身有限流保護能力等優點，還可以消除電流穩態誤差，達到單位功率因數，因此套用十分廣泛；VFOC雖然其算法複雜，但輸入側省去了電流感測器，控制迴路中省去了兩個電流調節器，簡化了電路結構，最佳化了系統性能，具有良好的動態性能和高的功率因數。