PWM整流器在機(jī)械電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用

寧方安

【摘? 要】PWM整流器由于電力電子器件、高精度高速運(yùn)算芯片、實(shí)時(shí)仿真及控制等技術(shù)的飛速發(fā)展，各類電力電子裝置正廣泛地應(yīng)用于交直流可調(diào)電源、電力供電系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)控制與電化學(xué)生產(chǎn)等領(lǐng)域給人們帶來了一系列的新問題：無功和諧波對(duì)電網(wǎng)的污染日益嚴(yán)重，環(huán)境逐漸惡化，能源也越來越匱乏。在這個(gè)背景下，隨著多電平技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，對(duì)三電平整流器的研究近年來成為熱點(diǎn)，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，消除電網(wǎng)諧波污染，已成為整流器技術(shù)發(fā)展的趨勢。

【關(guān)鍵詞】PWM整流器;機(jī)械電氣;系統(tǒng)控制

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，大量的非線性電力電子變流裝置在現(xiàn)代工業(yè)、交通、國防、生活等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如交直流換流設(shè)備、整流器以及輸入端為整流電路的變頻器和不間斷電源等，它們完成了對(duì)電能進(jìn)行變換處理的任務(wù)，使得用電設(shè)備處于比較理想的工作狀態(tài)，或者滿足負(fù)荷某些特殊的要求，從而獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)今，經(jīng)過變換處理后再供用戶使用的電能在全國總發(fā)電量中所占的百分比，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家技術(shù)進(jìn)步的主要標(biāo)準(zhǔn)之一[1]。然而，這些非線性負(fù)荷設(shè)備在傳遞、變換、吸收過程中把部分基波能量轉(zhuǎn)換成諧波能量，造成交流輸入電壓、電流發(fā)生畸變，向系統(tǒng)中注入高次諧波，使輸入功率因數(shù)降低，電能質(zhì)量下降，對(duì)電力系統(tǒng)包括用戶的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的危害和影響，甚至造成電力設(shè)備的損壞，干擾保護(hù)產(chǎn)生誤動(dòng)，引發(fā)電力系統(tǒng)大面積停電等事故。隨著電力電子的迅猛發(fā)展，這些變流裝置的應(yīng)用場合和容量無疑都將日益增長，其產(chǎn)生的諧波和危害也日益嚴(yán)重，因此抑制諧波污染引起世界各國的高度重視，具有十分重要的研究意義。

1 理論研究

目前，解決電網(wǎng)污染的途徑主要有兩種：一種是加入補(bǔ)償器補(bǔ)償電網(wǎng)中的諧波，如有源電力濾波器（APF：ActivePowerFilter）、靜止無功補(bǔ)償（SVC：StaticVarCompensator）等;另外一種是設(shè)計(jì)輸入電流為正弦、諧波含量低、功率因數(shù)高的整流器。應(yīng)該說，通過無源和有源電力濾波器等諧波抑制或補(bǔ)償裝置能抑制或補(bǔ)償電網(wǎng)中的諧波和無功功率，但只是一種補(bǔ)救的、消極的和被動(dòng)的“治病”措施，同時(shí)存在缺點(diǎn)：無源濾波器易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振而導(dǎo)致諧波放大;APF或SVC只能在諧波抑制或者無功補(bǔ)償?shù)哪骋环矫孀坑谐尚?，無法將二者很好的結(jié)合起來，且成本高、控制復(fù)雜。傳統(tǒng)的不可控二極管和晶閘管相控整流是電網(wǎng)中的主要諧波污染源，同時(shí)引起系統(tǒng)中大量無功功率流動(dòng)，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量。因而更有效和積極的途徑是在變流裝置中采取消除或減少諧波的所謂“防病”措施[2]。為此，應(yīng)該開發(fā)將PWM控制技術(shù)應(yīng)用到IGBT、MOSFET等全控器件組成的整流電路中，使整流器在工作時(shí)對(duì)電網(wǎng)或者電源系統(tǒng)既不產(chǎn)生諧波也不消耗無功功率，即輸入功率因數(shù)為1或者高于0.95，成為無諧波污染的“綠色”電力電子變流裝置。這種整流器叫做PWM整流器，又稱為單位功率因數(shù)變流器。

2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PWM整流器的主電路已從早期的半控型器件橋路發(fā)展到如今的全控型器件橋路。1982年BusseAlfred、HoltzJoachim首先提出了基于可關(guān)斷器件的三相全橋整流器拓?fù)?，之后又有一些學(xué)者根據(jù)不同的功率等級(jí)和不同的用途發(fā)展和改進(jìn)了新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大致為電壓型[3]和電流型兩大類。相對(duì)于電流型整流器而言，電壓型整流器具有更快的響應(yīng)速度，且容易實(shí)現(xiàn)。目前以電壓型為主。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有單相全橋、單相倍壓、三相四開關(guān)、三相六開關(guān)、多相組合及多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等;在小功率場合，研究集中在減少功率開關(guān)和改進(jìn)直流輸出性能上;在大功率場合，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究集中在多電平、整流模塊并聯(lián)擴(kuò)容以及軟開關(guān)技術(shù)上。隨著需求功率增大和容量擴(kuò)大，PWM整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還有待于完善，進(jìn)而提出更好的控制策略。本文研究的PWM整流器采用電壓型中點(diǎn)箝位三電平整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3 控制技術(shù)

為了使電壓型SVPWM整流器網(wǎng)側(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)受控電流源特性，網(wǎng)側(cè)電流的控制顯得非常重要。1982年BusseAlfred、HoltzJoachim首先提出了網(wǎng)側(cè)電流幅相控制策略，1984年，AkagiHirofumi等提出了基于PWM整流器拓?fù)涞臒o功補(bǔ)償器控制策略。到二十世紀(jì)八十年代末A.W.Green等人提出了基于坐標(biāo)變換的PWM整流器連續(xù)離散動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型及控制策略，PWM整流器的研究發(fā)展到了一個(gè)新的高度?？傮w上，三相電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流的控制策略根據(jù)是否選取電感電流作為狀態(tài)反饋量，將電流控制技術(shù)分為兩大類：間接電流控制和目前占主導(dǎo)地位的直接電流控制。間接電流控制技術(shù)是通過直接控制交流側(cè)電壓進(jìn)而達(dá)到控制交流側(cè)電流的目的。主要以相幅控制為代表，實(shí)質(zhì)上是通過PWM控制，在三相整流器的橋路交流側(cè)生成幅值相位受控的正弦PWM電壓。間接電流控制結(jié)構(gòu)簡單、無需交流電流傳感器，但是它的最大缺點(diǎn)是電流動(dòng)態(tài)相應(yīng)緩慢，甚至在交流側(cè)電流中含有直流分量且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)波動(dòng)較敏感，穩(wěn)定性也不好，因而常適合于對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)不高且控制結(jié)構(gòu)要求簡單的應(yīng)用場合。相對(duì)于間接電流控制，直接電流控制以整流器的電流輸入量作為反饋和被控量，形成電流閉環(huán)控制，使電流的動(dòng)、靜態(tài)性能得到了提高，同時(shí)也使網(wǎng)側(cè)電流控制對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不敏感，從而增強(qiáng)了電流控制系統(tǒng)的魯棒性。所以直接電流控制技術(shù)有著更廣泛的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。直接電流控制技術(shù)雖然可以獲得較高品質(zhì)的電流響應(yīng)，但控制結(jié)構(gòu)和算法較間接電流控制復(fù)雜，對(duì)處理器的要求高。盡管目前直接電流控制方法多種多樣，但總體上來講，三相電壓型SVPWM整流器控制還是主要采用電壓控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)串級(jí)控制策略。只不過實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)的方法不一樣而已。這是由于整流器是工作在開關(guān)模式下，是一個(gè)強(qiáng)非線性系統(tǒng)，電流之間、電壓之間存在強(qiáng)耦合，給設(shè)計(jì)控制電路帶來不便。電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)的串級(jí)控制是常用的方法。因此PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)的設(shè)計(jì)尤為重要。從工程應(yīng)用上講，目前自適應(yīng)PID、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等PI參數(shù)整定方法還不成熟并不實(shí)用，還是采用古典的線性控制，這需要對(duì)由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的雙閉環(huán)整流器的具體設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)論

三相電壓型PWM整流器典型的調(diào)制方法有兩種：一種是SPWM調(diào)制方式。該方法是最基本的調(diào)制方式，概念清晰，易于實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)方式有模擬方式和數(shù)字方式。對(duì)于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，可以分為自然采樣和規(guī)則采樣等。當(dāng)載波頻率足夠高時(shí)，有很好的諧波抑制特性，適合于IGBT、MOSFET等快速開關(guān)器件。另一種是空間矢量脈寬調(diào)制（簡稱SVPWM），諧波抑制最好。20世紀(jì)八十年代，一些國外學(xué)者提出的基于電壓矢量的脈寬調(diào)制方法，源于交流電機(jī)變頻傳動(dòng)控制，近年來被移植于電壓型三相整流器的控制。與傳統(tǒng)PWM和SPWM相比，空間電壓矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)性能好，電壓利用率高，容易微處理器實(shí)現(xiàn)，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，實(shí)時(shí)控制要求高，需高速微處理器。近年來SVPWM的簡化算法及其在整流器上的應(yīng)用逐漸成為國內(nèi)學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王偉岸，雷志方，陳國棟.正負(fù)序提取在三相電流不平衡治理中的應(yīng)用[J].上海電氣技術(shù)，2018，11（04）：36-40.

[2]張留宛.三相PWM整流器右半平面零點(diǎn)問題研究[J].電子世界，2018（24）：8-10.

[3]宋鵬，金雪峰，袁媛，楊雨菲，劉華.三電平整流器特定諧波抑制方法研究[J].電氣傳動(dòng)，2018，48（12）：11-15.

（作者單位：德州藍(lán)博建筑工程有限公司）