整流器中PWM整流控制策略的研究*

2016-12-12 07:28:41黃麒元王致杰朱俊杜彬王東偉王浩清呂金都

風能 2016年8期

文 | 黃麒元，王致杰，朱俊，杜彬，王東偉，王浩清，呂金都

整流器中PWM整流控制策略的研究*

文 | 黃麒元，王致杰，朱俊，杜彬，王東偉，王浩清，呂金都

隨著社會經濟的迅速發展，各種電力電子設備得到廣泛應用，由此引發的電網諧波污染越來越嚴重。因此，如何解決這一難題已成為電力電子技術中的一個重要課題。由于PWM整流器具有諧波含量低的特征,其早已成為電力電子技術發展中的熱門話題。目前主要使用直流側電容為該裝置的逆變器主電路提供穩定的直流電壓。若直流側電壓不能保持穩定，則諧波補償以及閃變抑制效果勢必會受到影響。為了實現對直流側電壓的實時控制，實現系統的冗余以及提高穩定性，有必要對PWM整流電路進行研究。

諧波含義和諧波分析

一、諧波產生原因

諧波的產生主要原因是大容量電力設備及用電整流或換流設備還有其他非線性負荷在電力系統中的應用。

在電力體系中，非線性負載是導致諧波出現的本質原因。當負載有電流流過，并與之所加的電壓呈非線性關系，就會出現非正弦電流，那么這時電路中就會出現諧波。

二、基于傅里葉級數算法的諧波分析

（一）三相不可控橋式整流電路諧波分析

表1 基波和各次諧波電流有效值

三相整流電路如圖1所示，在一般情況下，即使在變壓器初級側輸入的交流電壓為正弦波，由于負載中電抗和變壓器二次側漏抗，交流輸入也可能造成失真，引發諧波電流。所以，三相整流電路帶感性負載時，其輸入電流諧波分量普遍較大，功率因數較低。二極管整流電路盡管相移因數靠近

1，但因為電容濾波，輸入電流諧波分量也很大，功率因數也不高。假設輸入端沒有調正環節，輸入功率因數通常會小于0.8，于是輸入電流波形常常會像平面波的波形，乃至靠近方波。

若簡化其數學模型進行分析，假設：電源為三相平衡電源，直流電感Ld無窮大，交流側電抗為零。依據三相電源的對稱性，運用傅里葉級數展開的電流波形，電流負、正半波之間的中點為零，整流電路負載參數：L＝15mH，R＝10Ω，系統交流側為三相交流源U2＝50V，Rs＝1.2Ω，Ls＝0.3mH進行算例分析可得：

上式中，I1為基波電流有效值，I5、I7、I11、I13分別為5次、7次、11次和13次諧波電流有效值，IH為諧波電流總和，THD為電流的總諧波失真。可以發現三相不可控橋式整流電路的電流波形畸變很嚴重。

（二）三相四線制橋式整流電路諧波分析

U2＝220V，忽略負載側電感。用傅立葉級數分解波形可以得到表2：

上式中，I1為基波電流有效值，I3、I5、I7、I9、I11、I13、I15分別為3次、5次、7次、9次、11次、13次和15次諧波電流有效值，IH為諧波電流總和，THD為電流的總諧波失真。由此可以看出電流總畸變率很嚴重。

從圖4中可以看到，沒有偶次諧波，諧波有效值、諧波次數的倒數近似成正比，而且基波有效值與其比為諧波次數。

以上兩個例子都表明了不可控整流電路的諧波含量比較大的畸變率也大，所以為了改善電能的質量我們采用了PWM整流電路。

PWM整流器工作原理

PWM（脈寬調制）控制是脈沖寬度調制技術，是一種模擬控制方法，它通過調制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來改變晶體管或MOS管導通時間，從而達到改變開關穩壓電源輸出。這種方式不論在任何工作環境下都能保持恒定的電源輸出電壓。穩定狀態下，整流器輸出直流電壓恒定，整流橋的三相橋臂按正弦的脈寬調制規律驅動。開關頻率較高的情況下，高次諧波電壓通過電感器的濾波會產生較小的諧波電流，整流器在忽略其他因素的情況下可認為是一個理想的三相交流電壓源。