單相PWM整流器能量雙向傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)技術(shù)

摘要：本文論證了高功率因數(shù)電能轉(zhuǎn)換和負(fù)載電能回饋電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)是電力節(jié)能的關(guān)鍵問題。在對電壓型單相PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及其工作原理分析的基礎(chǔ)上,提出了相應(yīng)的控制方法,并分別對主電路參數(shù)和PI調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行了選擇和設(shè)計(jì),重點(diǎn)對IGBT的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)?；?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/Matlab">Matlab計(jì)算機(jī)仿真軟件,文中對整個(gè)單相pwm整流器控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真,結(jié)果表明,PWM整流器控制系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)電能轉(zhuǎn)換和電能的雙向傳輸。

關(guān)鍵詞：PWM整流器;高功率因數(shù);能量回饋;Matlab仿真

引言

PWM 整流器已不是一般傳統(tǒng)意義上的AC/DC轉(zhuǎn)換器。由于電能的雙向傳輸,當(dāng)PWM整流器從電網(wǎng)吸取電能時(shí),其運(yùn)行于整流工作狀態(tài);而當(dāng)PWM整流器向電網(wǎng)傳輸電能時(shí),其運(yùn)行于有源逆變工作狀態(tài)。作為電網(wǎng)主要“污染”源的整流器首先受到了學(xué)術(shù)界的關(guān)注,并開展了大量研究工作。其主要思路就是將PWM技術(shù)引入整流器的控制當(dāng)中,使整流器網(wǎng)側(cè)電流正弦化,且于單位功率因數(shù)運(yùn)行。能量可雙向傳輸?shù)腜WM整流器不僅體現(xiàn)出AC/DC特性(整流),而且還可呈現(xiàn)DC /AC特性(有源逆變),因而確切地說,這類PWM整流器是一種新型的可逆PWM變流器。由于PWM整流器實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流正弦化,且運(yùn)行于單位功率因數(shù), 甚至能量可雙向傳輸,因而真正實(shí)現(xiàn)了“綠色電能轉(zhuǎn)換”。

整流器的工作原理與控制策略

主電路如圖1所示,為雙極性電壓源型全控IGBT橋式電路。工作過程為：當(dāng)網(wǎng)側(cè)電流i(t)>0時(shí),回路經(jīng)過T2、T3、Ls;若Us(t)、i(t)同相,則網(wǎng)側(cè)電感端電壓ULs(t)=Us(t)+URs(t)+Um=Ldi(t)/dt>0,這時(shí)電網(wǎng)電動(dòng)勢和直流側(cè)電容共同使電感磁能增大,從而使網(wǎng)側(cè)電流增加,對交流側(cè)電感Ls進(jìn)行儲(chǔ)能;再經(jīng)過D1、D4、Ls回路進(jìn)行續(xù)流。

圖1 單相PWM整流器主電路

若Us(t)、i(t)同相,則網(wǎng)側(cè)電感端電壓ULs(t)=Us(t)-URs(t)-Um=L(di(t)/dt)0,因此,這時(shí)電網(wǎng)電動(dòng)勢和網(wǎng)側(cè)電感共同向VSR直流電容充電,網(wǎng)側(cè)電感磁能減小,從而使網(wǎng)側(cè)電流衰減。類似可分析出i(t)0的情況。

圖2所示為三角波電流比較法控制的原理圖。電路中包括電流滯環(huán)和電壓環(huán),電流指令由電壓環(huán)PI輸出和一個(gè)與電壓同相的單位正弦信號相乘得到,指令電流和反饋電流經(jīng)電流調(diào)節(jié)器后與三角波信號比較,得到控制用PWM調(diào)制波,控制開關(guān)器件的通斷,實(shí)現(xiàn)輸出電流跟蹤指令電流。

圖2 三角波電流比較法控制原理圖

三角波電流比較法具有開關(guān)頻率固定的優(yōu)點(diǎn),且單一橋臂的開關(guān)控制互補(bǔ),為建模分析提供了方便,從而可方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的諧波分析;在結(jié)構(gòu)上,其控制電路比定時(shí)瞬時(shí)電流比較法簡單,因而具有廣闊的應(yīng)用前景。在直接電流控制中,直接檢測交流側(cè)電流信號并加以控制,系統(tǒng)響應(yīng)快,動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。和滯環(huán)比較控制方式相比, 這種控制方式輸出電流所含的諧波少,開關(guān)頻率固定且等于載波頻率,高頻濾波器設(shè)計(jì)方便。

主電路與PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇

由于主電路的各電感、電容的參數(shù)直接影響PWM整流器整個(gè)控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能,且電壓電流控制環(huán)的調(diào)節(jié)器的參數(shù)影響著系統(tǒng)的跟蹤響應(yīng)性能。所以主電路與PI調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇是整個(gè)控制系統(tǒng)關(guān)鍵的問題。系統(tǒng)給定參數(shù)：

Ud=450v,Us=220v,Is=9.2A,fz=50Hz,Rs=0.2W,負(fù)載電阻RL=100W,開關(guān)頻率ft=10kHz, ri≤10%,rv≤1%。