高功率因数能量可回馈型整流器研究

徐东文

（山西省万家寨引黄工程管理局, 太原 030012）

0 引言

目前，以脉宽调制控制为基础的各类变流装置在工业领域中得到了广泛的应用。这些变流装置大部分都需要整流环节，从工业上常用的交流电来获取直流电压。常规的整流环节是采用二极管不控整流或者晶闸管相控整流电路。这两种整流方法存在着诸如网侧功率因数低下、整流电路谐波含量大和交流侧电网电压波形畸变等问题。这直接导致了电网的污染。治理这种污染最根本的措施就要求变流装置实现网侧电流正弦化，运行于单位功率因数。本文所介绍的三电平整流器可以将电流总畸变率控制在5%以下，各次谐波畸变率小于3%,额定输入功率因数大于0.98，另外可以向电网输出超前无功，校正电网功率因数，适合四象限运行及动态性能要求较高的场合。

1 三电平PWM整流器拓扑及数学模型

1.1 三电平PWM整流器拓扑

三电平PWM整流器主要有四种电路结构：飞跨电容三电平电路，具有独立直流电源级联型，混合级联型，二极管中点箝位型。这几种拓扑结构有着不同的优缺点，本文介绍的是常用的二极管箝位型三电平电路，其拓扑结构见图1。

由图可见，三电平PWM整流器的工作原理的本质在于通过VT1～VT12的优化，使得交流侧电流ia、ib、ic正弦化，功率因数接近于1。同时保证直流侧输出电压保持衡定，并且系统能够工作在再生状态，即将能量从直流侧反馈到电网中去。在控制过程中非常重要的一点是控制好 C1和C2的中点电位，使得VPO=VON=VPN/2，那么变流器桥臂中点相电压幅值为±VPN/2的单极性调制波。

1.2 三电平整流器数学模型

三电平主电路方程为：

式中RS为交流侧等效电阻，i=a, b, c。

根据整流器的拓扑结构，省去复杂的中间推导过程，给出三电平整流器在d-q同步旋转坐标系下的数学模型为：

从数学模型可以看出，d、q轴电流分量相互耦合，给电流控制器带来设计上的不便。因此，可以引入 id、iq的前馈解耦控制，且 id和 iq均采取PI控制。三相同步旋转坐标系d-q下三相VSR电流控制时的电压给定为：

式中，Kip、KiI是电流环的比例和积分增益，id*、iq*分别为id、iq的电流给定值,化简得：

2 电压空间矢量PWM调制原理和中点平衡问题研究

2.1 三电平SVPWM调制原理

SVPWM调制通过选择合适的矢量和合理分配矢量作用时间合成绝对值沿圆轨迹匀速旋转的电压矢量，最大可以沿正六边形内接圆旋转，当沿正六边形内接圆轨迹旋转时，输出相电压峰值为下式。相对于SPWM输出相电压峰值VD/2 提高了2/√3倍，提高了直流母线电压利用率。

2.2 直流母线中点平衡

当系统工作在整流状态，假设功率因数为1，还以第1扇区为例，若选择开关矢量[100],电路等效图如图3。此时，直流侧C1充电，而C2放电，造成了母线正电压上升同时负电压下降。若选择开关矢量[0-1-1],此时，直流侧 C1放电，而 C2充电，造成母线正电压下降同时负电压上升。可见，尽管在不控整流状态时 VPO=VON=VPN/2，上述两矢量对母线的中点电位的作用效果是不同的，经过一段时间运行后，中点电位发生变化。当系统工作在再生状态时，情况和整流状态相反。

通过上面的分析可知，开关矢量的选择和作用时间不同的工作状态都会造成中点电位的波动。因此无论哪种结构的三电平拓扑，都要解决中点电位平稳问题。采用空间矢量调制的二极管箝位型电路，可以利用冗余小矢量来实现直流侧中点电位平衡。它们可以实现能量的双向流动，可以工作在PWM整流+PWM逆变模式，可以较容易实现四象限运行，做到THD很小，PF接近等于 1，在同样的开关频率及控制方式下，它的谐波电流总畸变率要远远小于两电平整流器。

3 仿真和试验结果

在Matlab/Simulink上建模仿真，测试结果如图4。仿真模型中采用双闭环控制策略，外环为电压环、内环为电流环。中点电位平衡因子为_IQ（0.5）(不考虑中点电位平衡调节)。

根据上述的主回路设计和电压空间矢量调制方式，本文在进行了仿真实验后完成了一台500 kW三电平背靠背式的变频器，主要参数为：网侧额定电压1140 VAC，直流母线额定1860 VDC。此种结构可以提高输出电压的波形质量，同时降低所使用开关器件电压等级。

图5为逆变器输出线电压波形，图6为交流侧输入线电压Uab和相电流Ia，由图看出Ia滞后Uab1.64 ms，即（1.64/20）×360=29.52 ≈ 30°。因此Ia和Uab基本重合，实现了单位功率因数运行。

4 结论

本文介绍的这种三电平整流器，通过对有功和无功电流的控制，可以使得网侧电流波形谐波含量很低，且单位功率因数达到1。基于SVPWM的调制方式和中点电位补偿控制，可以使得正负母线电压平衡，系统的动态响应快、稳态性能优异。同时整流器还能运行于逆变状态，向电网回馈能量，实现能量的双向流动。此整流器还可以推广到更多电平的变频应用中去。

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[1]A.Nasiri, A. Emadi. Digital control of a three-phase series-parallel uninterruptible power supply/active filter. Proc. IEEE PESC, 2004:4115-4120.

[2]姚为正. PWM整流技术及其应用研究[博士后论文].西安：西安交通大学，2001.

[3]张兴. PWM整流器及其控制策略的研究[博士学位论文]. 合肥：合肥工业大学，2003.

[4]Sato, M., Ohmori,Y. Various control methods by conduction ratio to a middle phase in matrix converter based on direct AC/DC conversion. Proc. IEEE PCCON, 2007:1056-1063.

[5]詹长江，韩郁，赵良炳，韩英铎. 基于电压空间矢量 PWM脉宽调制方式的新型三电平高频整流器研究. 电工技术学报，1999，14（2）：60-64.