功率因數(shù)閉環(huán)控制的PWM整流器設(shè)計

1. 引言

    近幾年來，隨著電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，電網(wǎng)中諧波電流和無功功率對電力系統(tǒng)的污染也日益嚴(yán)重。消除諧波污染并提高功率因數(shù)，已經(jīng)成為電力電子技術(shù)中的一個重大課題。作為解決這一問題的途徑之一，能夠?qū)崿F(xiàn)任意功率因數(shù)運(yùn)行，直流輸出穩(wěn)定，動態(tài)響應(yīng)好，且?guī)缀醪划a(chǎn)生諧波的PWM 整流器已得到廣泛的研究。
針對以上課題，本文提出了一種功率因數(shù)閉環(huán)控制，可以實現(xiàn)功率因數(shù)實時調(diào)節(jié)的PWM整流器。在克服電流諧波污染的同時，可以通過對功率因數(shù)的調(diào)整，對電網(wǎng)的無功功率進(jìn)行一定的補(bǔ)償。

2. PWM整流原理

    三相PWM整流器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括交流側(cè)的電感、電阻、直流電容、以及由全控開關(guān)器件（IGBT）和續(xù)流二極管組成的三相全橋電路。Ua、 Ub、Uc為三相交流電源，RL為負(fù)載。通過適當(dāng)?shù)牟呗钥刂迫嗳珮螂娐分械牧鶄€全控開關(guān)器件V1~V6的開關(guān)狀態(tài)，便可以在直流側(cè)得到穩(wěn)定的電壓輸出，同時保證交流側(cè)電流相位可控，且諧波小。常用的控制方案包括電流跟蹤和矢量控制等。[1]

    圖1所示的三項PWM整流器主電路中，假設(shè)電網(wǎng)電壓三相對稱且穩(wěn)定；開關(guān)器件理想，沒有過渡過程，其通斷狀態(tài)由開關(guān)函數(shù)描述，開關(guān)函數(shù)定義為  ?？梢缘玫诫娮栊载?fù)載RL情況下，三相PWM整流器在ABC坐標(biāo)系中的一般數(shù)學(xué)模型為[1]：
 
     (1)
    電流跟蹤PWM整流器中，利用上下橋臂的開通與關(guān)斷控制相應(yīng)相電流的瞬時值，使交流電流嚴(yán)格跟蹤三相參考電流，實現(xiàn)對功率因數(shù)的控制。如圖2所示。三相參考電流的相位由交流電壓相位和功率因數(shù)設(shè)定決定，而其幅值則與直流側(cè)電壓有關(guān)。
    三相整流器的控制應(yīng)該達(dá)到如下要求：1）直流端電壓穩(wěn)定；2）線電流正弦；3）功率因數(shù)可控。整流器直流電壓的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)交流側(cè)電流實現(xiàn)的。根據(jù)三相坐標(biāo)系下整流器的數(shù)學(xué)模型，由電流正弦和功率因數(shù)的要求，設(shè)給定電流為：   (2)    式中 為電壓復(fù)制給定； 代表A，B，C三相。
    在理想狀態(tài)下，忽略線路損耗、電流電壓正選對稱，且直流端電壓恒定的情況下，根據(jù)功率平衡的原則有：  (3)    式中 為相電壓幅值； 為設(shè)定功率因數(shù)。
    所以： (4)
    一般地，對直流電壓得調(diào)節(jié)是用PI調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)的。為了能起到調(diào)節(jié)直流端電壓的作用，線電流幅值的給定還要加上直流端電壓實際值和給定值差值的比例譏諷調(diào)節(jié)值，即：
    (5)

3. 主電路設(shè)計

    主電路拓?fù)湟呀?jīng)在圖1中給出，對主電路的設(shè)計主要是指對主電路中儲能元件，即交流側(cè)電感和直流側(cè)電容參數(shù)的選擇。
    交流側(cè)電感的選擇需滿足以下3 點要求[2]：①電感上壓降盡可能小，一般不大于電源額定電壓的30 %；②在一個開關(guān)周期內(nèi)交流側(cè)電流的最大超調(diào)量盡可能小，一般小于交流側(cè)額定電流的10 %；③交流側(cè)電流THD（total harmonic distortion 電流畸變率）盡可能小，一般規(guī)定一個上限，本文中定為交流側(cè)額定電流的5 %。
    直流電容的選擇是三相PWM整流電路設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié),選擇的是否合適將直接影響系統(tǒng)的特性及安全性。由參考文獻(xiàn)[  ]直流側(cè)電容的取值范圍為：
     (6)
根據(jù)以上結(jié)論[3]，確定的主電路參數(shù)為：
La=Lb=Lc=2mH；
Ra=Rb=Rc=2Ω；
Cd=1000μF;
Vdc=400V；
交流電源為三相Sm=220V；
直流側(cè)負(fù)載RL=50Ω。

4. 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

    本系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，可視為公率因數(shù)、交流電流串級雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中電流反饋和電流跟蹤控制器構(gòu)成內(nèi)環(huán)[1]，利用電流跟蹤控制控臺響應(yīng)好，跟蹤精度高，魯棒性強(qiáng)，瞬時響應(yīng)無直流偏移量等優(yōu)勢，保證交流電流嚴(yán)格復(fù)現(xiàn)三相參考電流。外環(huán)則由公率因數(shù)反饋和功率因數(shù)控制器構(gòu)成，使系統(tǒng)在設(shè)定的功率因數(shù)下工作達(dá)到消除無功功率的目的。

 
    如上文所述，功率因數(shù)調(diào)節(jié)器根據(jù)功率因數(shù)給定和反饋的差值調(diào)節(jié)三項參考電流的相位，而三相參考電流的幅值則由直流電壓得給定值與實際值共同決定。

5. Matlab仿真

    根據(jù)上文中的分析和設(shè)計，利用Matlab的電力電子工具箱對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗[4]，電路參數(shù)已在上文中給出。文中圖3為直流電壓階躍響應(yīng)曲線，圖4為交流a電壓、電流曲線，圖5功率因數(shù)響應(yīng)曲線。
 
 

6. 結(jié)論

    通過MATLAB仿真，得到直流電壓、交流電流及公路因數(shù)曲線，可以看到本系統(tǒng)據(jù)有直流電壓響應(yīng)速度快，交流側(cè)電流波形為正弦波切于交流電壓相位相同的特點。仿真結(jié)果說明：本設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)合理，參數(shù)調(diào)節(jié)適當(dāng)，控制有效，驗證了設(shè)計的設(shè)計方案正確性和可行性。