功率因數(shù)閉環(huán)控制的PWM整流器設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)功率因數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的PWM整流器。在克服電流諧波污染的同時(shí)，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(shí)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(xiàng)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(shí)值，使交流電流嚴(yán)格跟蹤三相參考電流，實(shí)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)。[!--empirenews.page--]
    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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)

    主電路拓?fù)湟呀?jīng)在圖1中給出，對主電路的設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)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(shí)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。[!--empirenews.page--]

 
    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(xiàng)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(shí)際值共同決定。

5. Matlab仿真

    根據(jù)上文中的分析和設(shè)計(jì)，利用Matlab的電力電子工具箱對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)[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(diǎn)。仿真結(jié)果說明：本設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)合理，參數(shù)調(diào)節(jié)適當(dāng)，控制有效，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案正確性和可行性。