三相电压型PWM整流器电流 控制方法研究

冯晓艳 王 凤 白 玉

（1. 黑龙江科技大学 2. 北方重工装卸设备分公司设计所 3. 黑河学院）

0 引言

在当前环境污染、能源危机不断加重和工业技术的驱动日益强劲的时候，人类社会对化石能源的使用态度越来越谨慎，进而转去寻求其他相对清洁的能源。例如我国光伏产业的飞速发展，电动汽车的不断兴起等等，都是人们不断探索可替代化石燃料的一种创新。而在众多的新型能源中，电力这种相对历史悠久的能源形式则是被使用最为广泛的[1]。可以说，电力的需求已经是一个城市文明和发展的象征。

电能的使用广泛而且电力网络交错复杂，很多的非线性电器使用引入了很大的谐波污染。公用电网中用户使用空调等非线性电力设备越来越多，功率越来越大，带来的谐波污染问题日益严重，治理难度随之加大。与此同时，原有电力补偿装置的老旧，导致了电能质量的下降不可避免。更为严重的是，这些技术问题会影响工业生产的正常运转，给社会生活带来不可估量的影响。

1 研究意义

如何提高用电效率、去除污染，更加科学地利用电能来服务于人们的生活和工业生产，一直是各个国家重视并普遍都在进行探索研究的关键问题。特别是在功率半导体开关器件的不断升级换代过程中，电子技术也不断发展，各个行业中使用PWM脉冲宽度调制来控制设备运转的领域众多，而这些装置和设备大部分是交流的，其中包含了对电能的整流[2-3]。大量的整流装置的运转必然导致在电网中产生了极其繁杂的谐波污染和无功功率，电网中出现的谐波污染引起的额外能量损耗以及变压器温度的升高，电力电缆、电容等器件的损坏为代价，同时这种污染还会造成电量统计的失准，引起供电方和用户的经济纠纷。这种误差带来的影响不容忽视，是当前研究中需要解决的热点问题。

2 电网谐波的危害和解决办法

无功功率和谐波污染造成的严重影响主要包括：

1）谐波电流会使电压产生畸变，对电容和导线等电气设备造成不可逆的损坏。

2）引起额外的电能消耗，使电能的利用率大打折扣。

3）以负序量为基础的继电器和自动保护装置会受到谐波的冲击和影响，造成电能计量出现差错甚至自动装置无法正常运转和误操作。

4）造成通信线路和电路系统故障，引发事故。

谐波和无功功率对电网造成的危害主要可以通过两种途径来解决：

1）使用滤波器或者当前广泛安装的静止无功发生器，这些装置的作用主要是削弱谐波和补偿无功，即起到抑制甚至是消除谐波和无功功率的目的。

2）依靠当前的电子电力技术对电网内的设备进行改造，把谐波和无功功率消灭在发生阶段。

显然，第二种方法是一种新型治标治本的手段。整流装置不可避免地引入谐波是主要的谐波源之一，研发低谐波含量和高功率因数的整流器是一种有效的方案[4]。在这个过程中，三相电压型PWM整流器可以实现电能的高效率、科学性的转换，在各种相关系统中有着不可替代的作用。

3 PWM整流器的发展和分类

3.1 PWM整流器的发展历程

传统的整流手段主要是使用晶闸管相控整流和二极管不控整流这两种技术，它们的缺陷是对储能元件的要求很高，电容和电感的品控需要严格把关。同时，苛刻的条件造成的后果是系统的动态性能在很长一段时间无法得到有效保障。20世纪70年代开始，人们发现PWM技术在谐波污染消除和无功功率控制上的优势。国外科研机构首先将PWM技术应用于直流电压的整流输出，并且得到了单位功率因数很高、整流交流侧正弦化的稳定结果。但是由于当时电子器件工艺和制造技术的限制，PWM技术在整流器中的应用很长一段时间处于停滞不前的状态。一直到20世纪末，IEEE、IEC以及CIGRE等机构处于对电网谐波问题日趋严重的考量，开始着手制定谐波的标准。而我国国家技术监督局也在1994年制定了《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549—1993）国家标准。从此，PWM整流器开始逐渐大范围研发和使用。

3.2 PWM整流器的研究现状

我国关于PWM整流器的研究和制造起步晚于国外，技术积累上也存在较为明显的差距，而其中最为广泛使用的三相大功率PWM整流器的研究一直是难点问题，亟需解决。三相电压型PWM整流器的原理、生产、控制和使用方面包含了许多专业领域的交叉学科问题，例如新能源的高效使用、电力系统的谐波控制手段、计算机技术和通讯技术、以及新型电力电子技术和电力系统的谐波治理等，其中包含的经济效益和社会价值是关系到国计民生的大事，还需要加大力度去研究和了解[5]。

需要注意的是，当前很多对电能质量要求不是很高的场合仍然在使用结构简单的传统整流技术，主要原因是这两种技术相对比较成熟，成本也很低。随着国家对清洁能源和绿色电能技术的倡导和社会需求的提升，PWM技术应用于整流器的方案将成为以后发展的重点。

3.3 PWM整流器的分类

PWM整流器根据它们连接的拓扑结构的差异，可以简单地划分为互为对偶的两类：

1）电流型PWM整流器（Current Source Rectifier），控制系统比较复杂，能量损失和工作效率都不理想。

2）电压型PWM整流器（Voltage Source Rectifier），具有电路结构和原理简单、能量损耗相比于电流型PWM整流器低、动态响应速度快、变流效果好等特点。

电压型PWM整流器的这些优点和特性使其一直是大家研究的重点。下面将研究基于三相电压型PWM整流器进行电流控制的算法和实现。

4 使用PWM整流器进行电流控制

4.1 三相电压型PWM整流器的电流控制算法

国内外对三相电压型PWM整流器的电流控制算法研究很多，成果也层出不穷，不过究其根本，主要还是可以分为电流响应品质很高、速度很快的直接电流控制算法，以及无需电流反馈控制的简单间接电流控制算法这两个基础领域。间接电流控制常应用于对动态响应要求较低的场合，不需要复杂控制结构[6]。其主要缺点体现在其对系统的参数要求较为敏感，对电流的动态响应速度较慢，有时候甚至会出现交流侧电流中混杂有直流成分的分量。

而相对应的直接电流控制电流响应速度和质量都优于间接电流控制算法。直接电流控制主要的不足在于其复杂度较高的算法和控制结构，但是这些也反映了它优秀的特征，是近年来各个企业和科研机构的研究热点。目前，随着计算机性能和电力电子技术的飞快发展，结合计算机软件技术的知识和机器学习、模糊控制等理论，直接电流控制算法主要有：预测电流控制算法；模糊控制和机器学习理论；电流无差拍控制；滞环电流控制，包含滞环SVPWM电流控制算法等；滑模变结构控制算法；直接电流解耦控制，包含基于电网电压前馈及电流解耦的电流控制算法等。

4.2 两种常用的电流控制算法研究

下面介绍使用Matlab进行仿真时候的两种主要算法。

1）滞环SVPWM电流控制算法：这种算法的Matlab仿真中，实际电路中的驱动部分组件位于 logic模块的输出与out模块之间，将三种开关的不同状态变换为六路不同的PWM驱动信号。logic模块内部主要是滞环SVPWM开关函数的表达式，目的是为了建立完整的逻辑关系。该算法主要运用于对实时性要求比较严格的场合，它的开关频率是不确定的。

2）基于电网电压前馈及电流解耦的电流控制算法：在Matlab仿真中，虚拟锁相环Discrete Virtual PLL重要的功能是进行三相交流侧电流和电网电压的相位跟踪；终端Terminator可以作为附加模块加入，是为了防止仿真时出现Matlab警告而设置的；在坐标转换模块abc_to_dq0 Transformation中，进行abc坐标系到dq坐标系的转换。在本算法中，电流环功率因数是可以调节的，但是稍微复杂的是需要进行dq坐标变换和三个PI调节器的设计[7]。

实际工作经验和仿真结果表明，三相电压型PWM整流器采用以上两种不同的直接电流控制算法下都表现出了明显的改善，在电网谐波冲击、电力负载变动、开关跳变等状态下可以实现较好的鲁棒性，直流侧电压和交流侧电流的控制出现了显著的稳健性。

5 结束语

本文结合工作经验和当前三相电压型PWM整 流器的电流控制算法在电网谐波污染控制和无功功率补偿中的运用，分析了电流控制方法的差异和性能区别，主要是对直接电流控制算法中的典型的两种进行了具体对比分析，各自具有自身的特点，但是均具有较好的电流控制效果。PWM整流器因为较高的功率因数和优异的性能，是目前整流器研究的重点，在系统设计时可以根据实际情况进行相应的选择。

[1]郑忠玖. 三相电压型PWM整流器控制策略及应用研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2011.

[2]程启明, 程尹曼, 薛阳, 等. 三相电压源型PWM整流器控制方法的发展综述[J]. 电力系统保护与控制, 2012(3): 145-155.

[3]王丽, 王久和, 杨威, 等. 基于反馈线性化的三相电压型PWM整流器控制[J]. 辽宁工程技术大学学报, 2007(S2): 146-148.

[4]卞萍萍. 基于变频电源的PWM整流器研究[D]. 镇江: 江苏大学, 2009.

[5]梁锦泽. 三相电压型PWM整流器及其控制策略研究[D]. 广州: 广东工业大学, 2008.

[6]王恩德, 黄声华. 三相电压型PWM整流的新型双闭环控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2012(15): 24-30, 18.

[7]万鹏. 三相电压型PWM整流器控制[D]. 武汉: 华中科技大学, 2013.