電壓型PWM整流器電感下限值設計與分析

摘要：從電壓型PWM整流器(VSR)網側輸入正弦電流在過零點處電流脈動量最大特點出發(fā)，詳細分析了電流過零處一個PWM采樣周期內電流脈動量與各開關導通時間、電源頻率、系統(tǒng)電感值、電網電壓、功率給定及輸出直流電壓的關系，設計了VSR交流側電抗器最小值。在Saber仿真平臺上進行了仿真實驗，得到了不同電感值下系統(tǒng)輸出直流電壓、輸入電流的變化波形，結果驗證了該設計方法的正確性和可行性。
關鍵詞：整流器；電抗器設計；電流脈動量；最大輸出功率

1 引言
PWM整流器以其交、直流側可控的4象限運行方式，可控制網側電流及功率因數(shù)的特點，逐漸成為電力電子領域的研究熱點。目前，對于PWM整流器的研究熱點集中在控制策略的研究方面，對系統(tǒng)主電路參數(shù)設計的研究較少。在三相VSR的設計中，網側電感參數(shù)的確定至關重要。功率電路設計的好壞也是三相VSR系統(tǒng)能否正常及進一步實用化的關鍵，三相VSR網側電感對三相VSR系統(tǒng)的影響是綜合性的，其取值不僅影響系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，而且還會對三相VSR的額定輸出功率等其他因素產生影響。增大電感值，可抑制系統(tǒng)輸入電流的諧波，減小整流器的使用所造成的電網污染。但系統(tǒng)提供給負載的最大功率就會下降；減小電感值，可提高系統(tǒng)響應速度及系統(tǒng)輸出功率，但輸入電流的脈動量會變大，造成系統(tǒng)輸入電流諧波增加。
因此，正確選取系統(tǒng)交流側電抗器值對系統(tǒng)而言具有重要意義。文獻提出了一些計算方法，但結果均不理想。在此從VSR網側輸入正弦電流在過零點處電流脈動量最大特點出發(fā)，詳細地分析了在電流過零處一個PWM采樣周期內電流脈動量與各開關導通時間、電源頻率、系統(tǒng)電感值、電網電壓、功率給定及輸出直流電壓的關系，設計了VSR交流側電抗器最小值。在仿真平臺上進行了仿真，得到了不同電感值情況下系統(tǒng)輸出直流電壓、輸入電流的變化波形，結果驗證了該設計方法的正確性和可行性。

2 基于開關函數(shù)的三相VSR系統(tǒng)模型
三相VSR主電路結構如圖1所示。Lre為網側濾波電感，即所需設計的對象。根據(jù)基爾霍夫電壓定律有：Lredik／dt=ek-ikRrem-uk+uo，k=a，b，c。

由于三相VSR系統(tǒng)無中線，且電網輸入平衡，將直流電容的中點作為系統(tǒng)參考地時，網側三相電源中心點電壓值為：uo=(ua+ub+uc)／3。將其代入Lredik／dt=ek-ikRre-uk+uo可得：
Lredik／dt=ek-ikRre-uk+(ua+ub+uc)／3 (1)
其中，對三相VSR的整流橋開關信號S作如下定義：當Sk=1時，上管導通，下管關斷；當Sk=0時，下管導通，上管關斷。根據(jù)主電路結構形式，直流側電壓與整流橋網側輸入電壓間存在如下關系：uk=SkUD+(1-Sk)UD-。將上式代入式(1)，則：
Lredik／dt=ek+(-3Sk+Sa+Sb+Sc)Udc／3 (2)

3 基于輸入電流脈動量的電感最小值設計
三相VSR在運行中，電流脈動量較大處就是在電流過零和峰值處，其中過零點處電流脈動量最大。下面以限制輸入電流最大脈動量為目的來設計電感，以a相為例，討論電感設計。圖2為a相電流在過零處，一個采樣周期內a相電流和開關信號的對應波形。

根據(jù)圖2所示，依據(jù)電壓空間矢量脈寬調制(SVPWM)方法，此時給定電壓矢量處于第VI扇區(qū)，即處于a相過零附近。如果忽略零矢量的作用，則：t1=t3=T1／2，t2=T2，T1，T2為非零矢量作用時間。則在(ωt，ωt+t1]，(ωt+t1，ωt+t1+t2]，(ωt+t1+t2，ωt+Tcs]內，根據(jù)式(2)分別可得：