PWM整流器在機械電氣系統中的應用

寧方安

【摘? 要】PWM整流器由于電力電子器件、高精度高速運算芯片、實時仿真及控制等技術的飛速發展，各類電力電子裝置正廣泛地應用于交直流可調電源、電力供電系統、電氣傳動控制與電化學生產等領域給人們帶來了一系列的新問題：無功和諧波對電網的污染日益嚴重，環境逐漸惡化，能源也越來越匱乏。在這個背景下，隨著多電平技術的發展和日趨成熟，對三電平整流器的研究近年來成為熱點，提高電網的功率因數，消除電網諧波污染，已成為整流器技術發展的趨勢。

【關鍵詞】PWM整流器;機械電氣;系統控制

隨著科學技術的迅猛發展，大量的非線性電力電子變流裝置在現代工業、交通、國防、生活等領域得到廣泛應用，如交直流換流設備、整流器以及輸入端為整流電路的變頻器和不間斷電源等，它們完成了對電能進行變換處理的任務，使得用電設備處于比較理想的工作狀態，或者滿足負荷某些特殊的要求，從而獲得最大的經濟效益。當今，經過變換處理后再供用戶使用的電能在全國總發電量中所占的百分比，已經成為衡量一個國家技術進步的主要標準之一[1]。然而，這些非線性負荷設備在傳遞、變換、吸收過程中把部分基波能量轉換成諧波能量，造成交流輸入電壓、電流發生畸變，向系統中注入高次諧波，使輸入功率因數降低，電能質量下降，對電力系統包括用戶的安全、經濟運行產生嚴重的危害和影響，甚至造成電力設備的損壞，干擾保護產生誤動，引發電力系統大面積停電等事故。隨著電力電子的迅猛發展，這些變流裝置的應用場合和容量無疑都將日益增長，其產生的諧波和危害也日益嚴重，因此抑制諧波污染引起世界各國的高度重視，具有十分重要的研究意義。

1 理論研究

目前，解決電網污染的途徑主要有兩種：一種是加入補償器補償電網中的諧波，如有源電力濾波器（APF：ActivePowerFilter）、靜止無功補償（SVC：StaticVarCompensator）等;另外一種是設計輸入電流為正弦、諧波含量低、功率因數高的整流器。應該說，通過無源和有源電力濾波器等諧波抑制或補償裝置能抑制或補償電網中的諧波和無功功率，但只是一種補救的、消極的和被動的“治病”措施，同時存在缺點：無源濾波器易和系統發生并聯諧振而導致諧波放大;APF或SVC只能在諧波抑制或者無功補償的某一方面卓有成效，無法將二者很好的結合起來，且成本高、控制復雜。傳統的不可控二極管和晶閘管相控整流是電網中的主要諧波污染源，同時引起系統中大量無功功率流動，嚴重影響電能質量。因而更有效和積極的途徑是在變流裝置中采取消除或減少諧波的所謂“防病”措施[2]。為此，應該開發將PWM控制技術應用到IGBT、MOSFET等全控器件組成的整流電路中，使整流器在工作時對電網或者電源系統既不產生諧波也不消耗無功功率，即輸入功率因數為1或者高于0.95，成為無諧波污染的“綠色”電力電子變流裝置。這種整流器叫做PWM整流器，又稱為單位功率因數變流器。

2 拓撲結構

PWM整流器的主電路已從早期的半控型器件橋路發展到如今的全控型器件橋路。1982年BusseAlfred、HoltzJoachim首先提出了基于可關斷器件的三相全橋整流器拓撲，之后又有一些學者根據不同的功率等級和不同的用途發展和改進了新的電路拓撲結構，大致為電壓型[3]和電流型兩大類。相對于電流型整流器而言，電壓型整流器具有更快的響應速度，且容易實現。目前以電壓型為主。拓撲結構有單相全橋、單相倍壓、三相四開關、三相六開關、多相組合及多電平拓撲結構等;在小功率場合，研究集中在減少功率開關和改進直流輸出性能上;在大功率場合，其拓撲結構研究集中在多電平、整流模塊并聯擴容以及軟開關技術上。隨著需求功率增大和容量擴大，PWM整流器的主電路拓撲結構還有待于完善，進而提出更好的控制策略。本文研究的PWM整流器采用電壓型中點箝位三電平整流器拓撲結構。

3 控制技術

為了使電壓型SVPWM整流器網側能夠實現受控電流源特性，網側電流的控制顯得非常重要。1982年BusseAlfred、HoltzJoachim首先提出了網側電流幅相控制策略，1984年，AkagiHirofumi等提出了基于PWM整流器拓撲的無功補償器控制策略。到二十世紀八十年代末A.W.Green等人提出了基于坐標變換的PWM整流器連續離散動態數學模型及控制策略，PWM整流器的研究發展到了一個新的高度。總體上，三相電壓型PWM整流器網側電流的控制策略根據是否選取電感電流作為狀態反饋量，將電流控制技術分為兩大類：間接電流控制和目前占主導地位的直接電流控制。間接電流控制技術是通過直接控制交流側電壓進而達到控制交流側電流的目的。主要以相幅控制為代表，實質上是通過PWM控制，在三相整流器的橋路交流側生成幅值相位受控的正弦PWM電壓。間接電流控制結構簡單、無需交流電流傳感器，但是它的最大缺點是電流動態相應緩慢，甚至在交流側電流中含有直流分量且對系統參數波動較敏感，穩定性也不好，因而常適合于對動態響應不高且控制結構要求簡單的應用場合。相對于間接電流控制，直接電流控制以整流器的電流輸入量作為反饋和被控量，形成電流閉環控制，使電流的動、靜態性能得到了提高，同時也使網側電流控制對系統參數不敏感，從而增強了電流控制系統的魯棒性。所以直接電流控制技術有著更廣泛的應用前景和使用價值。直接電流控制技術雖然可以獲得較高品質的電流響應，但控制結構和算法較間接電流控制復雜，對處理器的要求高。盡管目前直接電流控制方法多種多樣，但總體上來講，三相電壓型SVPWM整流器控制還是主要采用電壓控制外環和電流控制內環的雙閉環串級控制策略。只不過實現雙閉環的方法不一樣而已。這是由于整流器是工作在開關模式下，是一個強非線性系統，電流之間、電壓之間存在強耦合，給設計控制電路帶來不便。電壓外環和電流內環雙閉環的串級控制是常用的方法。因此PI調節器的參數的設計尤為重要。從工程應用上講，目前自適應PID、模糊邏輯、神經網絡等PI參數整定方法還不成熟并不實用，還是采用古典的線性控制，這需要對由PI調節器構成的雙閉環整流器的具體設計進行深入研究。

4 結論

三相電壓型PWM整流器典型的調制方法有兩種：一種是SPWM調制方式。該方法是最基本的調制方式，概念清晰，易于實現。實現方式有模擬方式和數字方式。對于數字實現，可以分為自然采樣和規則采樣等。當載波頻率足夠高時，有很好的諧波抑制特性，適合于IGBT、MOSFET等快速開關器件。另一種是空間矢量脈寬調制（簡稱SVPWM），諧波抑制最好。20世紀八十年代，一些國外學者提出的基于電壓矢量的脈寬調制方法，源于交流電機變頻傳動控制，近年來被移植于電壓型三相整流器的控制。與傳統PWM和SPWM相比，空間電壓矢量脈寬調制（SVPWM）動態響應速度快，穩態性能好，電壓利用率高，容易微處理器實現，但實現復雜，實時控制要求高，需高速微處理器。近年來SVPWM的簡化算法及其在整流器上的應用逐漸成為國內學者的研究熱點。

參考文獻：

[1]王偉岸，雷志方，陳國棟.正負序提取在三相電流不平衡治理中的應用[J].上海電氣技術，2018，11（04）：36-40.

[2]張留宛.三相PWM整流器右半平面零點問題研究[J].電子世界，2018（24）：8-10.

[3]宋鵬，金雪峰，袁媛，楊雨菲，劉華.三電平整流器特定諧波抑制方法研究[J].電氣傳動，2018，48（12）：11-15.

（作者單位：德州藍博建筑工程有限公司）