PWM整流器在机械电气系统中的应用

宁方安

【摘  要】PWM整流器由于电力电子器件、高精度高速运算芯片、实时仿真及控制等技术的飞速发展，各类电力电子装置正广泛地应用于交直流可调电源、电力供电系统、电气传动控制与电化学生产等领域给人们带来了一系列的新问题：无功和谐波对电网的污染日益严重，环境逐渐恶化，能源也越来越匮乏。在这个背景下，随着多电平技术的发展和日趋成熟，对三电平整流器的研究近年来成为热点，提高电网的功率因数，消除电网谐波污染，已成为整流器技术发展的趋势。

【关键词】PWM整流器;机械电气;系统控制

随着科学技术的迅猛发展，大量的非线性电力电子变流装置在现代工业、交通、国防、生活等领域得到广泛应用，如交直流换流设备、整流器以及输入端为整流电路的变频器和不间断电源等，它们完成了对电能进行变换处理的任务，使得用电设备处于比较理想的工作状态，或者满足负荷某些特殊的要求，从而获得最大的经济效益。当今，经过变换处理后再供用户使用的电能在全国总发电量中所占的百分比，已经成为衡量一个国家技术进步的主要标准之一[1]。然而，这些非线性负荷设备在传递、变换、吸收过程中把部分基波能量转换成谐波能量，造成交流输入电压、电流发生畸变，向系统中注入高次谐波，使输入功率因数降低，电能质量下降，对电力系统包括用户的安全、经济运行产生严重的危害和影响，甚至造成电力设备的损坏，干扰保护产生误动，引发电力系统大面积停电等事故。随着电力电子的迅猛发展，这些变流装置的应用场合和容量无疑都将日益增长，其产生的谐波和危害也日益严重，因此抑制谐波污染引起世界各国的高度重视，具有十分重要的研究意义。

1 理论研究

目前，解决电网污染的途径主要有两种：一种是加入补偿器补偿电网中的谐波，如有源电力滤波器（APF：ActivePowerFilter）、静止无功补偿（SVC：StaticVarCompensator）等;另外一种是设计输入电流为正弦、谐波含量低、功率因数高的整流器。应该说，通过无源和有源电力滤波器等谐波抑制或补偿装置能抑制或补偿电网中的谐波和无功功率，但只是一种补救的、消极的和被动的“治病”措施，同时存在缺点：无源滤波器易和系统发生并联谐振而导致谐波放大;APF或SVC只能在谐波抑制或者无功补偿的某一方面卓有成效，无法将二者很好的结合起来，且成本高、控制复杂。传统的不可控二极管和晶闸管相控整流是电网中的主要谐波污染源，同时引起系统中大量无功功率流动，严重影响电能质量。因而更有效和积极的途径是在变流装置中采取消除或减少谐波的所谓“防病”措施[2]。为此，应该开发将PWM控制技术应用到IGBT、MOSFET等全控器件组成的整流电路中，使整流器在工作时对电网或者电源系统既不产生谐波也不消耗无功功率，即输入功率因数为1或者高于0.95，成为无谐波污染的“绿色”电力电子变流装置。这种整流器叫做PWM整流器，又称为单位功率因数变流器。

2 拓扑结构

PWM整流器的主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路。1982年BusseAlfred、HoltzJoachim首先提出了基于可关断器件的三相全桥整流器拓扑，之后又有一些学者根据不同的功率等级和不同的用途发展和改进了新的电路拓扑结构，大致为电压型[3]和电流型两大类。相对于电流型整流器而言，电压型整流器具有更快的响应速度，且容易实现。目前以电压型为主。拓扑结构有单相全桥、单相倍压、三相四开关、三相六开关、多相组合及多电平拓扑结构等;在小功率场合，研究集中在减少功率开关和改进直流输出性能上;在大功率场合，其拓扑结构研究集中在多电平、整流模块并联扩容以及软开关技术上。随着需求功率增大和容量扩大，PWM整流器的主电路拓扑结构还有待于完善，进而提出更好的控制策略。本文研究的PWM整流器采用电压型中点箝位三电平整流器拓扑结构。

3 控制技术

为了使电压型SVPWM整流器网侧能够实现受控电流源特性，网侧电流的控制显得非常重要。1982年BusseAlfred、HoltzJoachim首先提出了网侧电流幅相控制策略，1984年，AkagiHirofumi等提出了基于PWM整流器拓扑的无功补偿器控制策略。到二十世纪八十年代末A.W.Green等人提出了基于坐标变换的PWM整流器连续离散动态数学模型及控制策略，PWM整流器的研究发展到了一个新的高度。总体上，三相电压型PWM整流器网侧电流的控制策略根据是否选取电感电流作为状态反馈量，将电流控制技术分为两大类：间接电流控制和目前占主导地位的直接电流控制。间接电流控制技术是通过直接控制交流侧电压进而达到控制交流侧电流的目的。主要以相幅控制为代表，实质上是通过PWM控制，在三相整流器的桥路交流侧生成幅值相位受控的正弦PWM电压。间接电流控制结构简单、无需交流电流传感器，但是它的最大缺点是电流动态相应缓慢，甚至在交流侧电流中含有直流分量且对系统参数波动较敏感，稳定性也不好，因而常适合于对动态响应不高且控制结构要求简单的应用场合。相对于间接电流控制，直接电流控制以整流器的电流输入量作为反馈和被控量，形成电流闭环控制，使电流的动、静态性能得到了提高，同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感，从而增强了电流控制系统的鲁棒性。所以直接电流控制技术有着更广泛的应用前景和使用价值。直接电流控制技术虽然可以获得较高品质的电流响应，但控制结构和算法较间接电流控制复杂，对处理器的要求高。尽管目前直接电流控制方法多种多样，但总体上来讲，三相电压型SVPWM整流器控制还是主要采用电压控制外环和电流控制内环的双闭环串级控制策略。只不过实现双闭环的方法不一样而已。这是由于整流器是工作在开关模式下，是一个强非线性系统，电流之间、电压之间存在强耦合，给设计控制电路带来不便。电压外环和电流内环双闭环的串级控制是常用的方法。因此PI调节器的参数的设计尤为重要。从工程应用上讲，目前自适应PID、模糊逻辑、神经网络等PI参数整定方法还不成熟并不实用，还是采用古典的线性控制，这需要对由PI调节器构成的双闭环整流器的具体设计进行深入研究。

4 结论

三相电压型PWM整流器典型的调制方法有两种：一种是SPWM调制方式。该方法是最基本的调制方式，概念清晰，易于实现。实现方式有模拟方式和数字方式。对于数字实现，可以分为自然采样和规则采样等。当载波频率足够高时，有很好的谐波抑制特性，适合于IGBT、MOSFET等快速开关器件。另一种是空间矢量脉宽调制（简称SVPWM），谐波抑制最好。20世纪八十年代，一些国外学者提出的基于电压矢量的脉宽调制方法，源于交流电机变频传动控制，近年来被移植于电压型三相整流器的控制。与传统PWM和SPWM相比，空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）动态响应速度快，稳态性能好，电压利用率高，容易微处理器实现，但实现复杂，实时控制要求高，需高速微处理器。近年来SVPWM的简化算法及其在整流器上的应用逐渐成为国内学者的研究热点。

参考文献：

[1]王伟岸，雷志方，陈国栋.正负序提取在三相电流不平衡治理中的應用[J].上海电气技术，2018，11（04）：36-40.

[2]张留宛.三相PWM整流器右半平面零点问题研究[J].电子世界，2018（24）：8-10.

[3]宋鹏，金雪峰，袁媛，杨雨菲，刘华.三电平整流器特定谐波抑制方法研究[J].电气传动，2018，48（12）：11-15.

（作者单位：德州蓝博建筑工程有限公司）