電壓源型PWM整流器及其控制策略研究

摘 要：本文分析了電壓型PWM整流器的四象限工作原理，建立了在三相靜止abc坐標(biāo)系、兩相靜止αβ坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，對(duì)間接電流控制策略進(jìn)行了簡單的分析，給出其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并對(duì)其控制參數(shù)進(jìn)行了求取；分析了固定開關(guān)頻率的直接電流控制策略，給出了其在abc坐標(biāo)系下的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)abc坐標(biāo)系和dq坐標(biāo)系下的控制策略的優(yōu)劣進(jìn)行了簡單的比較；分析了電流滯環(huán)的直接控制策略的工作原理，并對(duì)其開關(guān)頻率進(jìn)行了求取。設(shè)計(jì)了電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制器，并對(duì)其控制器參數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：PWM整流器；電流控制；電流內(nèi)環(huán)；電壓外環(huán)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.169

1 引言

整流器是電力電子常用的設(shè)備之一。傳統(tǒng)的整流器動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、功率因數(shù)低且不可控并且無法實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。傳統(tǒng)的整流器多采用二極管不可控整流電路或晶閘管相控整流電路[1]，效率低并且會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重污染。解決上述問題的根本方法就是使整流設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化且相位可控。而將PWM技術(shù)引入整流器控制中，就得到了取代傳統(tǒng)整流器的PWM整流器。與傳統(tǒng)整流器相比，它不僅可以使得網(wǎng)側(cè)電流為正弦波、功率因數(shù)為1或者可調(diào)，而且可以實(shí)現(xiàn)電能的雙向傳輸、得到較快的動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)。本文就PWM整流器展開了討論，建立了在abc坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，研究了一種電流控制策略。

2 電壓型PWM整流器工作原理及其數(shù)學(xué)模型

2.1 電壓源型PWM整流器工作原理分析

VSR的四象限運(yùn)行，關(guān)鍵在于對(duì)網(wǎng)側(cè)電流的控制。通過改變電流的相位，進(jìn)而控制整流器的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整有功功率與無功功率的傳輸方向。圖1是VSR的四種特殊的運(yùn)行狀態(tài)[2]。

2.2 三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型

本文根據(jù)基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律對(duì)三相VSR主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述，得到三相VSR的一般數(shù)學(xué)模型，如式（1）所示：

（1）

3 固定頻率的直接電流控制理論

所謂固定開關(guān)頻率PWM電流控制，通常情況下指的是使PWM三角載波的頻率固定不變，把電流偏差信號(hào)作為調(diào)制波的控制方式。固定開關(guān)頻率PWM電流控制與間接電流控制相比，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性、加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

上面提到的固定開關(guān)頻率PWM電流控制是基于abc坐標(biāo)系的電流控制，除此之外還有基于dq坐標(biāo)系的固定開關(guān)頻率PWM電流控制。相比之下，基于dq坐標(biāo)系的控制系統(tǒng)有更多的優(yōu)點(diǎn)，如：指令電流信號(hào)是時(shí)不變的而非正弦的時(shí)變信號(hào)、可以實(shí)現(xiàn)在abc坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)不了的無靜差控制、更加方便對(duì)有功電流和無功電流的獨(dú)立控制。因此，在對(duì)系統(tǒng)對(duì)動(dòng)靜態(tài)性能均有比較高的要求的三相電壓源型PWM整流器電流控制，多采用基于dq坐標(biāo)系的固定開關(guān)頻率PWM電流控制方案。

4 結(jié)論

作為一種“綠色”裝置，一種積極主動(dòng)的消除電網(wǎng)諧波的方式，電壓源型PWM整流器早已是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，在提高電能利用率和改造電網(wǎng)污染、提高風(fēng)能太陽能等新能源的利用率等方面均得到了廣泛的應(yīng)用。它主要的優(yōu)點(diǎn)是：（1）功率雙向流動(dòng)；（2）使輸入電流正弦化；（3）實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行或功率因數(shù)可調(diào)；（4）直流電壓可調(diào)。而本文對(duì)PWM整流器做出了簡單的理論分析，并對(duì)其控制策略進(jìn)行了研究。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：段雙明（1984-），男，吉林長春人，研究生，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：電力電子技術(shù)。endprint