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浅述PWM型整流器061230105 何卓电力电子技术是现代电工技术中最活跃的领域，并且在电力系统中得到日益广泛的应用。 电力电子技术根据用电场合而改变电能的应用方式，即所谓“变流”，使得电能的应用更好地满足人们的需求，并通过功能和性能的提高产生经济效益和社会效益。因此，电力电子技术又被认为是电能应用的优化技术。除了线性功率放大的场合，电力电子装置中的功率器件大多工作于开关状态，这种电力电子装置不加控制的扩大应用，带来的一个副作用就是电网的“污染”。例如传统的二极管整流器和晶闸管相控整流器，其运行过程中，网侧电流均含有大量谐波，且总的功率因数较低，大量应用所导致的电磁兼容问题可能会造成严重的后果，因此必须加以限制。环保意识的提高，促使人们在电力电子技术的发展中探索一条“绿色”之路。对变流装置而言，“绿色”的内涵应包括电网无谐波污染、单位功率因数，以及功率控制系统的高性能、高稳定性、高效率等传统变流装置所不具备的优越性能。“绿色”电能变换的需求呼唤着电力电子技术的发展，而电力电子技术的发展又促进了“绿色”电能变换的实现。PWM整流器作为各种电力电子应用系统与电网的接口，其发展方向是将变流技术与微电子技术和自动控制技术相融合，已成为电力电子技术发展中的热点和亮点。PWM控制技术的应用与发展为整流器性能的改进提供了变革性的思路和手段， 结合了PWM控制技术的新型整流器称为整流器。 经过20多年的研究与探索，PWM控制技术已成功应用于整流器的设计中，使整流器获得了前所未有的优良性能。与传统的整流器相比，PWM整流器不仅获得了可控的AC/DC变换性能，而且可实现网侧单位功率因数和正弦波电流控制，甚至能使电能双向传输。一般称电能可双向传输的PWM整流器为可逆PWM整流器。 由于可逆PWM整流器不仅体现出PWMAC/DC变流特性（整流），而且还可呈现出PWMDC/AC变流特性（有源逆变），因而确切地说， 可逆PWM整流器实际上是一种新型的可四象限运行的变流器。随着PWM控制技术的发展，如空间矢量PWM（SVPWM）、滞环电流PWM控制等方案的提出，以及现代控制理论和智能控制技术的发展和应用，PWM整流器的性能得到了不断提高，功能也不断扩展。PWM整流器网侧独特的受控电流源特性，使得PWM整流器作为核心被广泛应用于各类电力电子应用系统中，这些应用系统主要有：（） 功率因数校正 （）；（） 静止无功补偿 （）；（） 有源电力滤波 （）；（） 统一潮流控制器 （）；（ ） 超 导 储 能 （ ）；（） 高压直流输电 （）；（） 可再生能源并网发电；（） 交直流电气传动。PWM整流器及其控制技术以其广泛而重要的应用前景，近年来备受学术界的关注， 已有大量的研究报告陆续发表。这些研究报告从各方面对PWM整流技术展开研究， 从而有力推动了PWM整流器应用技术的发展。PWM整流器概述随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断提高，已从早期广泛使用的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管（SCR）发展到如今性能各异且类型诸多的全控型功率开关，如双极型晶体管 （BJT）、门极关断（GTO）晶闸管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、 集成门极换向晶闸管（IGCT）、功率场效应晶体管（MOSFET） 以及场控晶闸管（MCT） 等。而20世纪90年代发展起来的智能型功率模块（IPM）则开创了功率半导体开关器件新的发展方向。 功率半导体开关器件技术的进步， 促进了电力电子变流装置技术的迅速发展， 出现了以脉宽调制(PWM)控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛的应用。但是，目前这些变流装置很大一部分需要整流环节，以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网“污染”。治理这种电网“污染”最根本措施就是，要求变流装置实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。因此，作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到了学术界的关注，并开展了大量研究工作。其主要思路就是，将PWM技术引入整流器的控制之中， 使整流器网侧电流正弦化，且可运行于单位功率因数。根据能量是否可双向流动，派生出两类不同拓扑结构的PWM整流器，即可逆PWM整流器和不可逆PWM整流器。以下所称PWM整流器均指可逆PWM整流器。能量可双向流动的PWM整流器不仅体现出AC/DC变流特性（整流），而且还可呈现出DC/AC变流特性（有源逆变），因而确切地说，这类 整流器实际上是一种新型的可逆PWM变流器。经过几十年的研究与发展，PWM整流器技术已日趋成熟。PWM整流器主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率等级从千瓦级发展到兆瓦级，而在主电路类型上，既有电压型整流器（），也有电流型整流器（），并且两者在工业上均成功地投入了应用。由于PWM整流器实现了网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数，甚至能量可双向传输，因而真正实现了“绿色电能变换”。 由于PWM整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而这一特性使PWM整流器及其控制技术获得进一步的发展和拓宽，并取得了更为广泛和更为重要的应用，如静止无功补偿（）、有源电力滤波（）、统一潮流控制（）、超导储能（）、高压直流输电（）、电气传动（）、新型以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等，现分别简述如下。 有源电力滤波 （） 及无功补偿 （）图1-1示出了与 滤波器混合的并联型有源电力滤波器主电路拓扑结构， 它主要由无源 环节和基于 整流器拓扑结构的有源滤波环节组成。这种混合并联型有源电力滤波器利用 滤波器以及有源滤波器共同起到电网的谐波抑制及无功补偿作用， 从而有利于提高系统性能价格比。 一般而言， 希望 滤波器承担大部分谐波和无功补 偿 的 任 务， 而利用有源滤波器的作用改善 系 统 性 能， 这样可在满足补偿要求的同时， 大大降低了有源滤波装置的容量，从而减少系统造价。并联型有源电力滤波器网侧实质上可以看成一个等效的可控电流源， 它产生一个与被补偿量 （谐波电流及无功电流） 的量值相等， 且相位相反的补偿电流， 并注入电网， 这样电网电流即获得所需功率因数角的正弦波电流， 以达到有源滤波及无功补偿的目的。 此时， 系统既实现了对电网的有源滤波 （） 同时也补偿了无功 （）。实际上， 当基于 整流器拓扑结构的有源环节只向电网注入无功电流而不补偿谐波电流时， 该有源环节相当一个静止无功补偿器 （）。 统一潮流控制器 （）统一潮流控制器 （） 是柔性交流输电系统 （） 技术中最引人注目、 最有应用前景的一种电力补偿装置。 用于输电网， 主要起控制有功潮流和吞吐无功功率的作用， 其主电路拓扑结构如图1-2所示。 主电路主要由串联变流器和并联变流器组合而成， 其串联变流器通过变压器向电力网引入一个幅值可变、 相位可任意调节的电压源， 从而能对线路的有功、 无功功率进行控制； 而并联变流器则采用了 整流器拓扑结构， 它通过变压器向电力网引入一个幅值可变、 相位可任意调节的电流源， 从而具有快速吞吐无功功率的能力， 并联变流器的另一个主要作用是提供一个稳定的直流电压， 以确保串、并联变流器正常运行。 超导磁能储存 （）随着超导材料及应用技术的发展， 超导磁能储存的研究与应用引起了工程与学术界的关注。 超导磁能储存主要用于电力网的调峰控制以及其他需要短时补偿电能的场合。 在电力网用电量正常时， 电网中的电能通过变流装置的超导线圈储存足够的能量超导磁能储存 （）系统的拓扑结构而当用电量很大 （用电高峰）时， 超导线圈中的能量则通过变流装置向电力网馈能， 从而起到调峰作用。 超导磁能储存（） 系统主电路拓扑结构如图1-3所示。一般而言， 主电路常由电流型 整流器组成， 将损耗极小的超导线圈串入 整流器直流侧， 使其既是电流型 整流器的直流缓冲电感， 又是其直流侧的负载线圈， 这种设计简化了电流型 整流器主电路结构， 并克服了常规电流型变流器损耗大的不足。 中的 整流器在使电能双向传输的同时， 还可以利用其快速的电流响应解决电力系统中的一些问题， 如切换低功率因数负载所引起的电压冲击和短时间的供电失败等。 四象限交流电动机驱动系统在常规的由电压型逆变器组成的交流电动机驱动系统中， 为实现电动机的四象限运行， 必须在逆变器直流侧加装耗能或馈能装置， 这主要是由于常规的电压型逆变器交流电动机驱动系统采用了交 直 交拓扑结构， 而整流环节大都采用二极管整流器，因而无法实现电能回馈， 并且将给电网造成一定的谐波 “污染”。若将 整流器取代二极管整流器， 不仅可实现交流电动机的四象限运行， 以及网侧单位功率因数正弦波电流控制， 还可使直图1-4四象限交流电动机驱动系统的拓扑结构流侧获得足够高且稳定的直流电压，从而改善了电动机的驱动性能。 另一方面， 通过引入适当的控制策略， 还可以大大减少直流侧电容的电容量， 提高装置运行可靠性。 四象限交流电动机驱动系统主电路拓扑结构如图1-4所示。 太阳能、 风能等可再生能源的并网发电太阳能、 风能的大规模应用将是 世纪人类社会发展的一个重要标志。 然而要实现这一目标， 首先必须完成太阳能、 风能由补充能源向替代能源过渡， 使太阳能、 风能的利用由边远无电地区向有电地区的常规供电方向发展。 这就要求开发性能优越的并网发电系统。太阳能光伏并网发电将主要用于调峰电站以及屋顶光 伏 系 统。 目 前美、 日、德等发达国家已推出相应的屋顶光伏计划， 仅美国预计 年内安装容量约为3000MW。 太阳能光伏并网发电系统拓扑结构如图1-5所示。太阳能光伏并网发电系统由太阳电池以及 整流器组成， 整流器经过最大功率点寻优控制将太阳电池电能并入电网， 并实现网侧单位功率因数正弦波控制。风力发电机的并网发电， 传统上常采用同步或异步发电机并网发电系统。 同步发电系统需一套结构复杂的调速机构， 以稳定发电机转子转速； 而异步发电系统在发电的同时， 需向电网吸取无功功率， 或由自备电容器提供无功电能， 并且发电机转速变化范围较小。 若采用交 直 交型风力发电机并网发电系统， 就能较好地克服同步、 异步发电系统的不足， 其拓扑结构如图1-6所示， 图中采用了双 整流器结构。 其中， 风力发电机侧的 整流器控制风力发电机运行， 且输出电流为正弦波， 从而提高了风力发电机的运行效率。 同时， 通过发电机转矩的调节， 以满足风力机的最大功率点运行； 而网侧的 整流器则完成向电网的馈电控制， 并实现网侧单位功率因数正弦波电流控制。基本原理及分类整流器原理概述从电力电子技术发展来看，整流器是较早应用的一种AC/DC变换装置。整流器的发展经历了由不控整流器 （二极管整流）、相控整流器 （晶闸管整流）到PWM整流器（门极关断功率开关管）的发展历程。传统的相控整流器，虽应用时间较长，技术也较成熟，且被广泛使用，但仍然存在以下问题：（）晶闸管换相引起网侧电压波形畸变。（）网侧谐波电流对电网产生谐波 “污染”。（）深控时网侧功率因数降低。（）闭环控制时动态响应相对较慢。虽然二极管整流器，改善了整流器网侧功率因数，但仍会产生网侧谐波电流而 “污染”电网；另外二极管整流器的不足还在于其直流电压的不可控性。针对上述不足，PWM整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面改进。其关键性的改进在于用全控型功率开关管取代了半控型功率开关管或二极管，以斩控整流取代了相控整流或不控整流。因此，PWM整流器可以取得以下优良性能：（）网侧电流为正弦波。（）网侧功率因数控制 （如单位功率因数控制）。（）电能双向传输。（）较快的动态控制响应。显然，PWM整流器已不是一般传统意义上的AC/DC变换器。由于电能的双向传输，当PWM整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态； 而当 整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工作状态。 所谓单位功率因数是指： 当 整流器运行于整流状态时， 网侧电压、 电流同相 （正阻特性）；当 整流器运行于有源逆变状态时， 其网侧电压、 电流反相（负阻特性）。 进一步研究表明， 由于 整流器其网侧电流及功率因数均可控， 因而可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合。综上可见， 整流器实际上是一个其交、 直流侧可控的四象限运行的变流装置。 为便于理解，以下首先从模型电路阐述 整流器的基本原理。图2-1为 整流器模型电路。从图2-1可以看出： 整流器模型电路由交流回路、 功率开关管桥路以及直流回路组成。 其中交流回路包括交流电动势 以及网侧电感 等； 直流回路包括负载电阻 及负载电动势 等； 功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组成。当不计功率开关管桥路损耗时， 由交、 直流侧功率平衡关系得 （2-1）式中 v、i模型电路交流侧电压、 电流；、模型电路直流侧电压、 电流。由式 （2-1） 不难理解： 通过模型电路交流侧的控制， 就可以控制其直流侧， 反之亦然。 以下着重从模型电路交流侧入手，分析 整流器的运行状态和控制原理。稳态条件下， 整流器交流侧矢量关系如图2-2所示。为简化分析， 对于 整流器模型电路， 只考虑基波分量而忽略 谐波分量， 并且不计交流侧电阻。 这样可从图2-2分析： 当以电网电动势矢量为参考时， 通过控制交流电压矢量 即可实现 整流器的四象限运行。 若假设 不变， 因此 也固定不变在这种情况下， 整流器交流电压矢量 端点运动轨迹构成了一个以 为半径的圆。 当电压矢量 端点位于圆轨迹 点时， 电流矢量 比电动势矢量 滞后 ， 此时 整流器网侧呈现纯电感特性， 如图 2-2a 所示；当电压矢量 端点运动至圆轨迹 点时， 电流矢量 与电动势矢量 平行且同向， 此时 整流器网侧呈现正电阻特性， 如图2-2b所示； 当电压矢量 端点运动至圆轨迹 点时， 电流矢量 比电动势矢量 超前 ， 此时 整流器网侧呈现纯电容特性， 如图2-2c所示； 当电压矢量 端点运动至圆轨迹 点时， 电流矢量 与电动势矢量 平行且反向， 此时 整流器网侧呈现负阻特性， 如图2-2d所示。 以上， 、 、 、 四点是 整流器四象限运行的四个特殊工作状态点， 进一步分析，可得 整流器四象限运行规律如下：（） 电压矢量端点在圆轨迹上运动时， 整流器运行于整流状态。 此时， 整流器需从电网吸收有功及感性无功功率， 电能将通过 整流器由电网传输至直流负载。 值得注意的是， 当 整流器运行在 点时， 则实现单位功率因数整流控制； 而在 点运行时， 整流器则不从电网吸收有功功率， 而只从电网吸收感性无功功率。（） 当电压矢量 端点在圆轨迹上运动时， 整流器运行于整流状态。 此时， 整流器需从电网吸收有功及容性无功功率， 电能将通过 整流器由电网传输至直流负载。 当 整流器运行至 点时， 整流器将不从电网吸收有功功率， 而只从电网吸收容性无功功率。（） 当电压矢量 端点在圆轨迹 上运动时， 整流器运行于有源逆变状态。 此时 整流器向电网传输有功及容性无功功率， 电能将从 整流器直流侧传输至电网。 当 整流器运行至 点时， 便可实现单位功率因数有源逆变控制。（） 当电压矢量 端点在圆轨迹 上运动时， 整流器运行于有源逆变状态。 此时， 整流器向电网传输有功及感性无功功率， 电能将从 整流器直流侧传输至电网。显然， 要实现 整流器的四象限运行， 关键在于网侧电流的控制。 一方面， 可以通过控制 整流器交流侧电压， 间接控制其网侧电流； 另一方面， 也可通过网侧电流的闭环控制，直接控制 整流器的网侧电流。PWM整流器分类随着PWM整流器技术的发展， 已设计出多种整流器，并可分类如下：尽管分类方法多种多样， 但最基本的分类方法就是将 整流器分类成电压型和电流型两大类， 这主要是因为电压型、 电流型 整流器， 无论是在主电路结构、 信号发生以及控制策略等方面均有各自的特点， 并且两者间存在电路上的对偶性。 其他分类方法就主电路拓扑结构而言， 均可归类于电流型或电压型 整流器之列。电压型PWM整流器拓扑结构 电压型PWM整流器(Voltage Source Rectifer一VSR)最显著拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流储能，从而使VSR直流侧呈低阻抗的电压源特性。以下介绍几种常见的拓扑结构。1.单相半桥、全桥VSR拓扑结构。图2-3分别示出了VSR单相半桥和单相全桥主电路拓扑结构。两者交流侧具有相同的电路结构，其中交流侧电感主要用以滤除网侧电流谐波。由图2-3a可看出，单相半桥VSR拓扑结构只有一个桥臂采用了功率开关管，另一桥臂则由两个电容串联组成，同时串联电容又兼作直流侧储能电容；而单相全桥 拓扑结构则如图2-3b所示，它采用了具有4个功率开关管的H桥结构。值得注意的是：主电路功率开关管必须反并联一个续流二极管，以缓冲PWM过程中的无功电能。比较两者，显然半桥电路具有较简单的主电路结构，且功率开关管数只有全桥电路的一半，因而造价相对较低，常用于低成本、小功率应用场合。进一步研究表明，在相同的交流侧电路参数条件下，要使单相半桥VSR以及单相全VS获得同样的交流侧电流控制特性，半桥电路直流电压应是全桥电路直流电压的两倍，因此功率开关管耐压要求相对提高。另外，为使半桥电路中电容中点电位基本不变，还需引人电容均压控制，可见单相半桥VSR的控制相对复杂。2.三相半桥、全桥VSR拓扑结构 图2-4分别给出了三相半桥和三相全桥VSR主电路拓扑结构。图2-4a为三相半桥VSR拓扑结构。其交流侧采用三相对称的无中线连接方式，并采用6个功率开关管，这是一种最常用的三相PWM整流器，通常所谓的三相桥式电路即指三相半桥电路。三相半桥VSR较适用于三相电网平衡系统。当三相电网不平衡时，其控制性能将恶化，甚至使其发生故障。为克服这一不足，可采用三相全桥设计，其拓扑结构如图 2-4b所示。其特点是：公共直流母线上连接了三个独立控制的单相全桥，并通过变压器连接至三相四线制电网。因此，三相全桥实际上是由三个独立的单相全桥组合而成的，当电网不平衡时，不会严重影响整流器控制性能，由于三相全桥电路所需的功率开关管是三相半桥电路的一倍，因而三相全桥电路一般较少采用。三电平 拓扑结构图 2-5三相三电平拓扑结构以上所述的拓扑结构属常规