三相电压型PWM整流器参数的研究

程亚运, 赵 阳, 徐朝阳, 肖 辉

(1 湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068； 2 武汉南华工业设备工程股份有限公司， 湖北 武汉 430223；3 国网黄冈供电公司， 湖北 黄冈 438000)

三相电压型PWM整流器参数的研究

程亚运1, 赵 阳1, 徐朝阳2, 肖 辉3

(1 湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068； 2 武汉南华工业设备工程股份有限公司， 湖北 武汉 430223；3 国网黄冈供电公司， 湖北 黄冈 438000)

比较和分析三相电压型PWM整流器的各种电路仿真软件的基础上， 用PSIM仿真软件对给定的不同参数进行设定运行。仿真结果表明，交流侧电感、直流母线侧电容参数和电网的电压不平衡对电路性能和功能的影响是至关重要的。

PWM整流参数； PSIM; 交流侧电感量； 直流侧电容量

为控制电能质量，对PWM整流器的研究渐兴，电压型整流器结构简单，并且很容易控制其损失，已经引起了普遍的兴趣和工业上广泛的应用[1]。

1 三相PWM整流电路的工作原理

三相电压型PWM整流器的拓扑结构见图1，图1电路中三相电感L起滤波作用，因此交流侧可近似认为是三相正弦电流，C为直流侧电容，起稳压滤波作用，当系统稳定时，可保持直流母线电压基本不变，故可作为直流电压源。R为线路与开关管的等效电阻，RL为负载。三相交流电分别与三角载波进行比较，产生PWM波，从而驱动功率开关管，而SPWM波同时会产生与高频三角波相关的高次谐波，而由于电感的作用，高次谐波电压产生几乎被交流电流忽略，这样就可以得到相位和相电压一致的角度[2]，从而使功率因数接近于1。

图 1 PWM整流器主电路拓扑

图 2 SPWM调制方式

2 仿真软件的比较和选择

大多数PWM整流器采用Matlab软件来进行仿真，但Matlab一般不适用于电路仿真，原因在于，首先Matlab是适合于系统算法的模型仿真分析，其次它需要创建系统的传递函数功能，需要大量的数学计算。更加糟糕的是，它的工具箱是整体状态，不利于独立敏感的电子元件的仿真。

Protel软件可以用于电路仿真，但是只有少量的原理文件库可供使用，并且所需信号源和驱动器的结构选择相当麻烦。所以Protel软件较适合于PCB的仿真使用，不是电力电子仿真软件的第一选择。

Psim广泛应用于电力电子和电机控制领域，具备很多优点，例如高速度仿真，友好的用户界面和波形功能分析。它为电力电子电路分析提供了一个强大而有效的仿真环境，可进行控制系统和电机驱动的研究，因此它是电子电路仿真的首选[3]。

3 仿真数据和结果分析

仿真数据：三相交流电源110V，频率50Hz，三角波的频率10kHz, 因为电感量、电容量、负载参数和电网的不平衡都是被考虑的因数，故进行横向对比比较分析，仿真数据见表1，仿真结果见图3～图10.

表1 仿真数据

交流侧电感具有以下主要功能：

1)隔离网侧电势和VSR交流侧电压；

2)滤除VSR交流侧PWM谐波电流；

3)使得VSR具有BoostAC/DC的变换性能等。因此电感在交流侧的选择对整个系统具有很大的影响[4]。

图 3 数据1的波形

图 4 数据3的波形

图 5 数据2的波形

图3是最好的模拟结果，输入电压和电路有相同的相位，功率因数接近1，整流电压在稳定上升，且上升时间短。图4和图5表明，增大电感量具有的一定的效果，使得输入电流变化平和，同时输入电流的相位也发生了偏移。图5示出电流相位是滞后电压相位，从而抑制谐波电流量减小(功率因数降低)。考虑到电感器的成本和的整流器的大小，电感量较小为佳。由图3、图4知，电感变小使得高次谐波输入电流变化过快，从而导致电流振荡。模拟结果表明，该电感交流侧不仅影响了静态和动态响应，而且还限制了输出功率、功率因数和直流电压。

图 6 数据5的波形

图 8 数据6的波形

电容C的设计也至关重要，它的选择影响着系统的输出特性和安全性。电容器在直流侧具备以下功能：1)它可以过滤直流电压的脉动所引起的设备的高频率切换。 2)当负荷变化时，电容的储能使得直流电压在有限范围里波动。

由于电网侧和直流电容间存在着复杂的能量交换过程，没有简单直接的方法来选择适当大小的电容。由图3、图6、图7可观察到该直流电容器设计的重要性。图3是最好的仿真结果;比较图6和图3可知，电容量的增加，导致电容体积增大，且电压上升时间增加;图9表明电容量的减少使得电容两端的纹波增大。因此，输出电容的选择应综合考虑诸多因素，确保输出电压要求。由图8和图3可知：相同情况下，负载变小，输出电流变大，导致母线电压波动也变大。

图 9 数据7的波形

一般情况下，假设电网电压是平衡的，事实上，电网电压常常处于不平衡状态。当电压处于不平衡状态时，整流电路将出现异常操作。如果存在相位失衡，假设它大于或小于10%至15%的实际值，正如电压限值为90V和130V。

图9和图10中，PWM整流器的直流电压周期性抖动。PWM整流器的交流侧不平衡电流在严重的情况下会烧毁整流电路[5]，应对不平衡的电压情况做控制处理。

图10 数据8的波形

4 结论

本文通过PSIM仿真软件，对三相电压型整流器作单一变量控制发现：输入侧滤波电感取值越大，网侧电流波形越好，电流也越滞后于电压；输出电容越小，输出电压上升越快，纹波也越大；负载越小，输出电压波动越大。

[1] 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2012(3):165-169.

[2] 裴素萍，吴必瑞.三相PWM整流器主电路参数确定方法[J].电测与仪表，2014，13(7):84-88.

[3] 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，2012,40(3)：145-155.

[4] 郑征，葛广凯.三相PWM整流器交流侧电感的设计[J].电气传动，2011,41(3)：24-27.

[5] 庞延庆，王建民，张乃标.电网不平衡时三相PWM整流器主电路电感设计与输出性能研究[J].电气应用，2006,25(1)：77-80 .

[责任编校： 张岩芳]

Research of three-Phase PWM Voltage Rectifier Parameters

CHENG Yayun1, ZHAO Yang1, XU Zhaoyang2， XIAO Hui3

(1SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China; 2WuhanNanhuaIndustrialEquipmentEngin.Co.,Ltd.,Wuhan430223,China; 3StateGridHuanggangPowerSupplyGompany,Huanggang438000,China)

This paper first compares and analyzes the three phase voltage type PWM Rectifier various circuit simulation software. Then, given different parameters，PSIM simulation software can run. The simulation results show that the unbalanced ac inductor and dc side capacitor parameters and power grid voltage is crucial to the circuit performance and functionality.

PWM rectifier parameters; PSIM;the ac inductance; Dc electric capacity

2016-02-29

程亚运(1990-)， 男， 湖北仙桃人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为微网运行下并网逆变器关键技术

赵 阳(1975-)， 女，四川乐山人，工学博士，湖北工业大学副教授，研究方向为电力电子在分布式发电系统以及电力系统中的应用

1003-4684(2017)02-0070-03

TM461

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