三相电压型PWM整流器控制策略研究

三相电压型PWM整流器控制策略研究

韦翠华

广东科技学院  广东东莞 523083

摘要：PWM整流器能够对能量双向流动实现，对交流侧输入电流谐波降低，并对直流侧输出电压有效控制。三相电压型PWM优势如较快的控制策略动态相应、主电路拓扑结构、整流器网侧功率因数高，相关领域的研究也相对广泛。本文就此对三相电压型PWM整流器控制策略相关内容进行论述分析。

关键词：三相电压型PWM；控制策略；冲击电流

引言

三相电压型PWM因其较快的控制策略动态相应、主电路拓扑结构、整流器网侧功率因数高等特征得到普遍的运用，能够对“绿色能源变换”有效实现。经过多年研究完善，PWM整流器已经成为一种相对成熟的技术，特别是在四象限PWM整流器性能，并将其应用到具体的生活生产之中有重要的意义，其有着十分广阔的发展前景。

一、问题的提出

工业生产活动对国家国民经济发展有着重要的作用，也与大众的生活有着密切的关系。随着国家工业化进一步发展，不同能量转换装置在生产中应用越来越广泛，如不同类型的开关与电源、整流器、直流输电装置等。不同设备的应用能够减轻企业生产的负担，同时也能够提升社会生活的便利程度。但另一方面，部分变流装置经过整流环节转变交流电压为直流电压，在此基础上将直流电压转变为其他形式的交流，以此对不同场合的应用有效满足。整流装置一般可以分为两种形式，一种为相控整流电路，主要构成为晶闸管；一种为不控整流电路，主要构成为二极管。整流装置的构成特征会使得三乡电网发生无功功率以及谐波干扰的情况，还可能影响周围的用电设备，对电能的利用效率、传输以及生产造成折损，甚至会导致电子器件、设备烧毁，增加自动装置误动作的风险。上述问题得到国内外学者广泛关注，并针对整流器三相电网干扰相关问题进行了相应的研究。三相电压型PWM整流器应用脉宽调制技术，开关为IGBT，借助PWM信号对IGBT通断进行有效的控制。PWM整流器能够获得的优良性能包括灵敏的动态控制响应、网侧及直流侧能量实现流动互通、较少直流侧输出电压纹波等。

二、三相电压型PWM整流器工作原理

PWM整流器对社会发展有着重要的作用，学界对半导体器件的研究不断深入，整流器也经历从不控电流到现阶段具有卓越性能的PWM整流器的发展过程，实现整流器性能飞跃的重要因素在于将全控型开关器件以及脉宽调制技术运用到整流器之中。相比于传统二极管整流以及晶闸管整流，PWM整流器有着显著的优势，如能量双向流动、二次侧母线电压波纹小、单位功率因素、网测电流畸变小等。PWM整流器与传统交直流变换器之间差异的主要原因在于单位功率因素以及能量的双向传输，专家学者对其也有广泛关注，随着学界对其有进一步深入的研究，PWM整流器的应用也越来越广泛，如将其应用与APF、SVC等大功率变流装置中。三相电压型PWM整流器输出侧有储能以及支撑电容的功能，因此PWM整流器也兼具电压源的特点，能够使得VSR输出侧有抵抗阻特点。三相电压型PWM整流器电路拓扑如图1：

图1 三相电压型PWM整流器电路拓扑

ea、eb、ec为网侧电动势，L交流输入侧电感，主要功能是对网侧电压谐波滤除，输入侧支撑电容C主要功能是对能量储存、对直流母线电压稳定。逻辑数值“1”、“0”表示整流器开关器件工作状态，“1”表示“通”动作、“0”表示“断”动作，整流器功率器件工作状态可以表示为：

三、三相电压型PWM整流器控制策略

（一）双闭环控制策略

三相电压型PWM整流器能够实现能量双向流动、直流电压可控、输入电流正弦化、单位功率因素运行等优势，是现阶段电力电子领域研究的热点内容，在分布式并网发电系统、四象限交流电气传动、柔性直流输电、有源电力滤波等方面应用广泛。现阶段，应用电流内环以及电压外环的双闭环控制方案有比较广泛的运用。借助双闭环控制策略，能够对直流侧电压纹波以及网侧电流谐波有效抑制，其中电流环主要对网侧电压相位跟踪，保证单位功率因素的运行；给出电力内环需要的电流指令，对输出电压稳定性提升是电压外环主要作用。在双闭环控制策略中，PI调节器主要应用于电流内环，主要是对网侧电压相位无静差跟踪，从而对系统的动态性能提高，实现对电流畸变谐波抑制。电压外环将给定的参考电压值与直流侧实测电压差值经过PI调节器后输出作为电流内环期望幅值，同时能够对直流侧输出电压稳定性提升。PI控制器中的积分环节主要是对系统稳态性能提升，并对PWM整流器中的系统误差降低，比例环节则是对动态相应速度提高，对系统偏差误差有效纠正。

（二）电流控制策略

三相电压型PWM整流器控制的关键点便是电流控制策略，传统控制策略包括控制无差拍、预测电流、比例积分、电流控制等，但同时PWM整流器的控制还会被非理想电网电压产生影响。如果电网电压出现不对称故障，会导致三相不平衡的电网电压状态，致使三相PWM整流器直流母线电压出现二次纹波。直流侧二次纹波会沿着采样通路到控制环路，使得网侧电流畸变不平衡的情况，对于电网电压不平衡情况下PWM整流器控制策略问题，相关专家学者开展了深入的研究。

（三）基于PI-QR控制器测量误差补偿策略

传统滞环电流控制、无差拍控制、PI控制等策略能够无静差跟踪直流输入量，兼具较强鲁棒性、较高可靠性的优势。但在PWM整流器实际运行时，电压以及电流测量形成的增益误差以及偏移误差都会对整流器整体的性能造成影响，数模转换器的量化误差、电流以及电压采样电路温度漂移、传感器非线性都会出现测量误差的情况。传统控制方法并不能实现对正弦输入量的无静差跟踪，也不能对直流母线侧的电压纹波有效抑制，从而导致网侧电流畸变，还会造成电压谐波污染的情况。对于上述问题，可以借助低通滤波器以及直带通滤波器对电流测量中的增益误差以及偏移误差进行估算，电流内环并联两个准谐振滤波器与PI控制器，对电压测量过程中的增益误差以及直流偏置有效降低，该方式不需要配置额外的硬件，也不会受到传统参数和传感器的影响，能够对因测量误差导致的网侧电流畸变以及直流纹波畸变有效抑制。

四、结语

相比于不控与相控整流器，PWM整流器兼具良好的动态跟随性能以及稳定的直流电压，在分布式并网发电系统、四象限交流电器传动、有源电力滤波等方面都有广泛的运用，未来也势必将有更广阔的发展空间。

基金项目：2021年广东科技学院校级科研项目（自然科学类）： 三相电压型PWM整流器控制策略研究（GKY-2021KYYBK-8 ）

参考文献

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