PWM整流器控制技術(shù)研究

隨著工業(yè)生產(chǎn)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在鋼鐵、冶金、石油、化工等工業(yè)領(lǐng)域,電氣設(shè)備、電力電子變換裝置的應(yīng)用日益普及。在電力變換裝置中，AC/DC變換即整流的應(yīng)用較為廣泛。如變頻器、逆變電源、高頻開關(guān)電源等，這些變換器大部分都需要整流環(huán)節(jié)，以獲得直流電壓。二極管整流濾波裝置的接入，給電網(wǎng)中注入了大量的電力諧波。電力諧波干擾導(dǎo)致電氣設(shè)備異常和事故有逐年增長的趨勢(shì)，電力系統(tǒng)諧波已成為威脅電力系統(tǒng)和其它用電負(fù)荷安全運(yùn)行的“電力公害”。

　　目前解決電網(wǎng)污染的途徑主要有兩種：

　　(1)對(duì)電網(wǎng)來說,采用在電力系統(tǒng)中加入補(bǔ)償器來補(bǔ)償電網(wǎng)中的諧波?？梢圆捎糜性礊V波器(APF),但是其成本比較高,控制過程復(fù)雜。近年來,靜止無功補(bǔ)償(SVC)已應(yīng)用于負(fù)載無功補(bǔ)償,但在補(bǔ)償無功的同時(shí),卻不能抑制諧波,甚至因晶閘管相控工作方式而成為新的諧波源。

　　(2)設(shè)計(jì)輸入電流和電壓同相、諧波含量低、功率因數(shù)高的整流器。

　　前者是產(chǎn)生諧波后進(jìn)行補(bǔ)償,而后者是消除了諧波源,是解決諧波問題的根本措施。把逆變電路中的PWM技術(shù)應(yīng)用于由MOSFET、IGBT等全控器件組成的整流電路,工作時(shí)可以使網(wǎng)側(cè)電流正弦化,獲得單位功率因數(shù),甚至能量可以雙向流動(dòng),真正實(shí)現(xiàn)綠色電能轉(zhuǎn)換,這種整流器稱為PWM整流器,又稱為單位功率因數(shù)變流器。

　　1、PWM整流器拓?fù)?/p>

　　就PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言,按直流儲(chǔ)能形式可分為電壓型和電流型;按電網(wǎng)相數(shù)可分為單相電路、三相電路和多相電路;PWM開關(guān)調(diào)制可分為硬開關(guān)調(diào)制和軟開關(guān)調(diào)制;按橋路結(jié)構(gòu)可分為半橋電路和全橋電路;按調(diào)制電平可分為二電平電路、三電平電路和多電平電路;但是最基本的是按直流儲(chǔ)能形式分為電流型和電壓型兩大類。電壓型PWM整流器(VSR)的顯著拓?fù)涮匦跃褪侵绷鱾?cè)采用電容進(jìn)行直流儲(chǔ)能,從而使VSR直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有以下幾種:單相半橋、全橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);三相半橋、全橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);三電平VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);基于軟開關(guān)調(diào)制的VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電流型PWM整流器(CSR)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的顯著特性就是直流側(cè)采用電感進(jìn)行直流儲(chǔ)能,從而使CSR直流側(cè)呈高阻抗的電流源特性,常采用的CSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有單相、三相兩種。而對(duì)于不同功率等級(jí)以及不同的用途,可以研究各種不同的PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在小功率應(yīng)用場(chǎng)合,PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在減小功率開關(guān)和改進(jìn)直流輸出性能上。在大功率應(yīng)用場(chǎng)合,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、變流器組合以及軟開關(guān)技術(shù)上。

　　2、PWM整流器控制技術(shù)

　　控制技術(shù)是決定PWM整流器發(fā)展的關(guān)鍵因素,PWM整流控制對(duì)象是輸入電流和輸出電壓,其中輸入電流控制是整流器控制的關(guān)鍵。這是由于應(yīng)用PWM整流器的目的是使輸入電流正弦化,在單位功率因數(shù)下運(yùn)行。對(duì)輸入電流有效控制實(shí)質(zhì)就是對(duì)電力電子變換器的能量流動(dòng)進(jìn)行控制,進(jìn)而控制輸出電壓;相反,控制變換器有功功率和無功功率流動(dòng),可以控制輸出直流電壓和輸入電流,使系統(tǒng)處于單位功率因數(shù)運(yùn)行狀態(tài)。目前電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流控制策略主要分成兩類:一類是“間接電流控制”策略;另一類就是目前占主導(dǎo)地位的“直接電流控制”策略?！伴g接電流控制”實(shí)際上就是所謂的“幅相”電流控制,即通過控制電壓型PWM整流器的交流側(cè)電壓基波幅值和相位,進(jìn)而間接控制其網(wǎng)側(cè)電流。由于“間接電流控制”其網(wǎng)側(cè)電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢,并且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化靈敏,因此這種控制策略已逐步被“直接電流控制”策略所取代。直接電流控制的主要特點(diǎn)在于引入了電流環(huán),使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能明顯改善。電壓外環(huán)輸出作為電流指令,電流內(nèi)環(huán)則控制輸入電流,使之快速跟蹤電流指令,其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、限流容易、控制精度高。目前已研究出各種不同的方案,主要有以下幾種：

　　(1)空間電壓矢量控制

　　空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)是目前廣泛應(yīng)用的數(shù)字化高頻調(diào)制方式,其優(yōu)點(diǎn)是容易采用微處理器實(shí)現(xiàn),易于實(shí)現(xiàn)交流側(cè)輸入電流正弦化,功率因數(shù)為1;直流側(cè)輸出電壓紋波小;直流電壓利用率高。在同樣交流線電流THD要求下,比其它控制模式的開關(guān)頻率低得多,但其缺點(diǎn)是計(jì)算量龐大,先要做復(fù)雜的坐標(biāo)變換，進(jìn)行矢量選擇，然后需要分別計(jì)算各矢量的持續(xù)時(shí)間，再將分區(qū)段的時(shí)間相加變成三相脈寬調(diào)制時(shí)間，導(dǎo)致三相PWM整流器的實(shí)時(shí)控制需要雙單片機(jī)、DSP等高速處理器。另外，過多運(yùn)算環(huán)節(jié)容易引起控制誤差甚至錯(cuò)誤。從本質(zhì)上講，空間電壓矢量調(diào)制是基于規(guī)則采樣的正弦脈寬調(diào)制算法，最終目的是優(yōu)化開關(guān)函數(shù)。

　　(2)SPWM調(diào)制控制

　　移相采樣SPWM是PWM技術(shù)中應(yīng)用于PWM整流器控制比較早的技術(shù),包括規(guī)則采樣和自然采樣,其開關(guān)頻率固定,有明顯載波,用模擬和數(shù)字電路容易實(shí)現(xiàn),但是無法克服其直流電源利用率低的缺點(diǎn)。使用模擬電路實(shí)現(xiàn)時(shí),脈沖開關(guān)時(shí)間很短,幾乎瞬間完成,但是硬件投資較多,不夠靈活,參數(shù)的改變和系統(tǒng)的調(diào)試都比較復(fù)雜。使用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)時(shí),以軟件為基礎(chǔ),其投資少,靈活性好,缺點(diǎn)是計(jì)算脈沖寬度時(shí)需要一定的延時(shí)和響應(yīng)時(shí)間。但是隨著高速、高精度微處理器的發(fā)展,采用數(shù)字化SPWM技術(shù)已經(jīng)占領(lǐng)了主導(dǎo)地位,而且SPWM輸出電壓諧波主要是開關(guān)頻率及其倍數(shù)的諧波,容易濾除。

　　(3)開關(guān)邏輯表控制

　　這種控制方式主要是使用優(yōu)化開關(guān)邏輯表來達(dá)到控制目標(biāo),是基于直接功率控制和電流控制所提出的。其過程主要依賴于瞬時(shí)有功及無功功率控制環(huán),不需要電流內(nèi)環(huán)和PWM調(diào)制模塊,通過預(yù)估有功功率和無功功率值與給定值之間的瞬時(shí)誤差來選擇開關(guān)邏輯,與電流滯環(huán)控制有點(diǎn)相似,不同之處在于電流滯環(huán)開關(guān)輸出直接與誤差有關(guān),而開關(guān)邏輯輸出不僅與功率滯環(huán)帶和誤差有關(guān),而且與電壓矢量所處扇區(qū)有關(guān)。相對(duì)于電壓定向的控制方式而言,不需要坐標(biāo)變換,不需要計(jì)算開關(guān)作用時(shí)間,實(shí)時(shí)性要求不高,其缺點(diǎn)是開關(guān)頻率不固定,需要高速處理器。

　　(4)電流滯環(huán)控制

　　這種控制方式開關(guān)邏輯輸出是由滯環(huán)帶寬和電流誤差所決定的,其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、響應(yīng)速度快、諧波相對(duì)較小,過程容易實(shí)現(xiàn)。其最大缺點(diǎn)是在固定帶寬內(nèi),給定參考電流在一個(gè)周期內(nèi)PWM脈沖頻率差別很大,開關(guān)頻率不固定。在頻率低的一段,電流的跟蹤性差于頻率高的一段,而且參考電流變化率接近零時(shí),功率開關(guān)管的工作頻率增高,加劇開關(guān)損耗,甚至超過功率器件的安全工作區(qū)。輸入電流頻譜隨機(jī)分布,給交流側(cè)濾波器設(shè)計(jì)帶來困難。

　　3、PWM整流器控制技術(shù)展望

　　近年來有關(guān)PWM整流器控制的研究緊緊圍繞以下幾個(gè)方面:

　　(1)減小AC側(cè)輸入電流諧波畸變率,降低其對(duì)電網(wǎng)的負(fù)面效應(yīng)。

　　(2)提高功率因數(shù),減小整流器的非線性,使之對(duì)電網(wǎng)而言相當(dāng)于純阻性負(fù)載。

　　(3)提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力,減小系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。

　　(4)降低開關(guān)損耗,提高整個(gè)裝置的效率。

　　(5)減小直流側(cè)紋波系數(shù),縮小直流側(cè)濾波器體積,減輕重量。

　　(6)提高直流側(cè)電壓電流利用率,擴(kuò)大調(diào)制波的控制范圍。

　　根據(jù)上述控制要求,隨著PWM整流器控制策略研究的不斷深入,其控制技術(shù)主要向以下幾個(gè)方面發(fā)展：

　　(1)電網(wǎng)不平衡條件下PWM整流器的控制技術(shù)研究

　　目前關(guān)于電網(wǎng)處于不平衡狀態(tài)時(shí),PWM整流器的研究主要圍繞整流器網(wǎng)側(cè)的電感及直流側(cè)電容的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,或者是通過控制系統(tǒng)本身去改善和抑制整流器輸入側(cè)的不平衡因素。為了使PWM整流器在電網(wǎng)處于不平衡狀態(tài)下仍能正常運(yùn)行,必須提出相應(yīng)的控制策略。

　　(2)將非線性控制理論應(yīng)用到PWM整流器控制技術(shù)中

　　為提高PWM整流器的性能,研究人員開始將非線性狀態(tài)反饋控制,Lyapunov非線性大信號(hào)方法以及無源性控制理論應(yīng)用到PWM整流器控制中。待研究的主要問題是最佳能量函數(shù)和反饋控制率的確定方法。

　　(3)智能控制技術(shù)的研究

　　針對(duì)PWM整流器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中的PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)難以確定,以及系統(tǒng)參數(shù)具有非線性和時(shí)變性的問題,為進(jìn)一步提高PWM整流器的性能,將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)合起來,利用模糊邏輯的智能推理機(jī)制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力,將組成更好的控制方案。

　　4、結(jié)束語

　　本文主要論述了PWM整流器控制技術(shù),分析了幾種控制策略,最后對(duì)PWM整流器控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,PWM整流器技術(shù)將會(huì)不斷地發(fā)展和深入,從而促進(jìn)PWM整流器廣泛應(yīng)用在更廣闊的領(lǐng)域。