PWM整流器控制技術(shù)研究

隨著工業(yè)生產(chǎn)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在鋼鐵、冶金、石油、化工等工業(yè)領(lǐng)域,電氣設(shè)備、電力電子變換裝置的應(yīng)用日益普及。在電力變換裝置中，AC/DC變換即整流的應(yīng)用較為廣泛。如變頻器、逆變電源、高頻開(kāi)關(guān)電源等，這些變換器大部分都需要整流環(huán)節(jié)，以獲得直流電壓。二極管整流濾波裝置的接入，給電網(wǎng)中注入了大量的電力諧波。電力諧波干擾導(dǎo)致電氣設(shè)備異常和事故有逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，電力系統(tǒng)諧波已成為威脅電力系統(tǒng)和其它用電負(fù)荷安全運(yùn)行的“電力公害”。

　　目前解決電網(wǎng)污染的途徑主要有兩種：

　　(1)對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō),采用在電力系統(tǒng)中加入補(bǔ)償器來(lái)補(bǔ)償電網(wǎng)中的諧波。可以采用有源濾波器(APF),但是其成本比較高,控制過(guò)程復(fù)雜。近年來(lái),靜止無(wú)功補(bǔ)償(SVC)已應(yīng)用于負(fù)載無(wú)功補(bǔ)償,但在補(bǔ)償無(wú)功的同時(shí),卻不能抑制諧波,甚至因晶閘管相控工作方式而成為新的諧波源。

　　(2)設(shè)計(jì)輸入電流和電壓同相、諧波含量低、功率因數(shù)高的整流器。

　　前者是產(chǎn)生諧波后進(jìn)行補(bǔ)償,而后者是消除了諧波源,是解決諧波問(wèn)題的根本措施。把逆變電路中的PWM技術(shù)應(yīng)用于由MOSFET、IGBT等全控器件組成的整流電路,工作時(shí)可以使網(wǎng)側(cè)電流正弦化,獲得單位功率因數(shù),甚至能量可以雙向流動(dòng),真正實(shí)現(xiàn)綠色電能轉(zhuǎn)換,這種整流器稱(chēng)為PWM整流器,又稱(chēng)為單位功率因數(shù)變流器。

　　1、PWM整流器拓?fù)?/strong>

　　就PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言,按直流儲(chǔ)能形式可分為電壓型和電流型;按電網(wǎng)相數(shù)可分為單相電路、三相電路和多相電路;PWM開(kāi)關(guān)調(diào)制可分為硬開(kāi)關(guān)調(diào)制和軟開(kāi)關(guān)調(diào)制;按橋路結(jié)構(gòu)可分為半橋電路和全橋電路;按調(diào)制電平可分為二電平電路、三電平電路和多電平電路;但是最基本的是按直流儲(chǔ)能形式分為電流型和電壓型兩大類(lèi)。電壓型PWM整流器(VSR)的顯著拓?fù)涮匦跃褪侵绷鱾?cè)采用電容進(jìn)行直流儲(chǔ)能,從而使VSR直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有以下幾種:單相半橋、全橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);三相半橋、全橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);三電平VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);基于軟開(kāi)關(guān)調(diào)制的VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電流型PWM整流器(CSR)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的顯著特性就是直流側(cè)采用電感進(jìn)行直流儲(chǔ)能,從而使CSR直流側(cè)呈高阻抗的電流源特性,常采用的CSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有單相、三相兩種。而對(duì)于不同功率等級(jí)以及不同的用途,可以研究各種不同的PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在小功率應(yīng)用場(chǎng)合,PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在減小功率開(kāi)關(guān)和改進(jìn)直流輸出性能上。在大功率應(yīng)用場(chǎng)合,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、變流器組合以及軟開(kāi)關(guān)技術(shù)上。

　　2、PWM整流器控制技術(shù)

　　控制技術(shù)是決定PWM整流器發(fā)展的關(guān)鍵因素,PWM整流控制對(duì)象是輸入電流和輸出電壓,其中輸入電流控制是整流器控制的關(guān)鍵。這是由于應(yīng)用PWM整流器的目的是使輸入電流正弦化,在單位功率因數(shù)下運(yùn)行。對(duì)輸入電流有效控制實(shí)質(zhì)就是對(duì)電力電子變換器的能量流動(dòng)進(jìn)行控制,進(jìn)而控制輸出電壓;相反,控制變換器有功功率和無(wú)功功率流動(dòng),可以控制輸出直流電壓和輸入電流,使系統(tǒng)處于單位功率因數(shù)運(yùn)行狀態(tài)。目前電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流控制策略主要分成兩類(lèi):一類(lèi)是“間接電流控制”策略;另一類(lèi)就是目前占主導(dǎo)地位的“直接電流控制”策略。“間接電流控制”實(shí)際上就是所謂的“幅相”電流控制,即通過(guò)控制電壓型PWM整流器的交流側(cè)電壓基波幅值和相位,進(jìn)而間接控制其網(wǎng)側(cè)電流。由于“間接電流控制”其網(wǎng)側(cè)電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢,并且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化靈敏,因此這種控制策略已逐步被“直接電流控制”策略所取代。直接電流控制的主要特點(diǎn)在于引入了電流環(huán),使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能明顯改善。電壓外環(huán)輸出作為電流指令,電流內(nèi)環(huán)則控制輸入電流,使之快速跟蹤電流指令,其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、限流容易、控制精度高。目前已研究出各種不同的方案,主要有以下幾種：　　(1)空間電壓矢量控制

　　空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)是目前廣泛應(yīng)用的數(shù)字化高頻調(diào)制方式,其優(yōu)點(diǎn)是容易采用微處理器實(shí)現(xiàn),易于實(shí)現(xiàn)交流側(cè)輸入電流正弦化,功率因數(shù)為1;直流側(cè)輸出電壓紋波小;直流電壓利用率高。在同樣交流線(xiàn)電流THD要求下,比其它控制模式的開(kāi)關(guān)頻率低得多,但其缺點(diǎn)是計(jì)算量龐大,先要做復(fù)雜的坐標(biāo)變換，進(jìn)行矢量選擇，然后需要分別計(jì)算各矢量的持續(xù)時(shí)間，再將分區(qū)段的時(shí)間相加變成三相脈寬調(diào)制時(shí)間，導(dǎo)致三相PWM整流器的實(shí)時(shí)控制需要雙單片機(jī)、DSP等高速處理器。另外，過(guò)多運(yùn)算環(huán)節(jié)容易引起控制誤差甚至錯(cuò)誤。從本質(zhì)上講，空間電壓矢量調(diào)制是基于規(guī)則采樣的正弦脈寬調(diào)制算法，最終目的是優(yōu)化開(kāi)關(guān)函數(shù)。

　　(2)SPWM調(diào)制控制

　　移相采樣SPWM是PWM技術(shù)中應(yīng)用于PWM整流器控制比較早的技術(shù),包括規(guī)則采樣和自然采樣,其開(kāi)關(guān)頻率固定,有明顯載波,用模擬和數(shù)字電路容易實(shí)現(xiàn),但是無(wú)法克服其直流電源利用率低的缺點(diǎn)。使用模擬電路實(shí)現(xiàn)時(shí),脈沖開(kāi)關(guān)時(shí)間很短,幾乎瞬間完成,但是硬件投資較多,不夠靈活,參數(shù)的改變和系統(tǒng)的調(diào)試都比較復(fù)雜。使用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)時(shí),以軟件為基礎(chǔ),其投資少,靈活性好,缺點(diǎn)是計(jì)算脈沖寬度時(shí)需要一定的延時(shí)和響應(yīng)時(shí)間。但是隨著高速、高精度微處理器的發(fā)展,采用數(shù)字化SPWM技術(shù)已經(jīng)占領(lǐng)了主導(dǎo)地位,而且SPWM輸出電壓諧波主要是開(kāi)關(guān)頻率及其倍數(shù)的諧波,容易濾除。

　　(3)開(kāi)關(guān)邏輯表控制

　　這種控制方式主要是使用優(yōu)化開(kāi)關(guān)邏輯表來(lái)達(dá)到控制目標(biāo),是基于直接功率控制和電流控制所提出的。其過(guò)程主要依賴(lài)于瞬時(shí)有功及無(wú)功功率控制環(huán),不需要電流內(nèi)環(huán)和PWM調(diào)制模塊,通過(guò)預(yù)估有功功率和無(wú)功功率值與給定值之間的瞬時(shí)誤差來(lái)選擇開(kāi)關(guān)邏輯,與電流滯環(huán)控制有點(diǎn)相似,不同之處在于電流滯環(huán)開(kāi)關(guān)輸出直接與誤差有關(guān),而開(kāi)關(guān)邏輯輸出不僅與功率滯環(huán)帶和誤差有關(guān),而且與電壓矢量所處扇區(qū)有關(guān)。相對(duì)于電壓定向的控制方式而言,不需要坐標(biāo)變換,不需要計(jì)算開(kāi)關(guān)作用時(shí)間,實(shí)時(shí)性要求不高,其缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率不固定,需要高速處理器。