PWM整流技术综述

PWM 整流技术综述 摘要 摘要 随着电力电子技术的发展 电力半导体开关器件性能不断提高 出现了以脉宽调制 PWM 控制为基础的各类变流器 这些变流器在各个领域取得的广泛的应用 尤其是使变 流器实现网侧电流正弦化 运行于单位功率因数 这种可逆双向 PWM 整理器成为业界的研 究重点 本文总结了 PWM 整流器基本原理及分类 对不同的 PWM 整流器控制策略进行了分 析 为 PWM 整流器的应用和研究提供了参考 关键词 关键词 PWM 整理器 电压型 电流型 空间矢量 一 引言一 引言 PWM 整流器以其优越的性能和潜在的优势在电力行业取得广泛的应用 经过几十年的 研究和发展 PWM 整流技术已由最初的半控型发展到如今的全控型 其拓扑由早期的单相 三相结构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 功率等级也从千万级发展到如今常见的兆瓦级 PWM 整流技术随着电力电子技 术的发展而取得突飞猛进的发展 PWM 整流器具有输入电流正弦 谐波含量低 功率因数高及双向能量流动等特点 在 功率因数补偿 电能回馈 有源滤波等领域得到越来越广泛的应用 其中 按照主电路拓 扑及外特性 PWM 整流器可以分为电压型和电流型 按照是否具有能量回馈功能 PWM 整流 器分为无能量回馈和有能量回馈整流器 控制技术是 PWM 整流器发展的关键 目前常见的 控制方法有滞环 PWM 电流控制 矢量控制 直接功率控制等 本文就三相电压型 PWM 整流器拓扑结构以及控制技术进行了分析和综述 并对整流器 未来的发展和应用进行分析 二 电压型二 电压型 PWMPWM 整流器的拓扑结构及原理整流器的拓扑结构及原理 如图1 所示是三相电压型PWM 整流器主电路 它具有很快的响应和更好的输入电流波 形 稳态工作时 输出直流电压不变 开关管按正弦规律脉宽调制 整流器交流侧的输出 电压和逆变器相同 忽略整流器输出交流电压的谐波 变换器可以看作是可控正弦三相电 压源 它和正弦的电网电压共同作用于输入电感 产生正弦电流波形 适当控制整流器输 出电压的幅值和相位 就可以获得所需大小和相位的输入电流 如图2所示的三电平PWM整流器是目前具有应用前景的整流器 当应用开关频率较低的 GTO 时 这种电路较合适 开关频率在300 600Hz时就能满足对输入电流谐波的要求 这 种电路的另一优点是每个主开关器件关断时 所承受的电压仅为直流侧电压的一半 因此 该电路特别适合于高电压大容量的应用场合 图 1 电压型三相 PWM 整流器主电路 图 2 三电平 PWM 整流器电路 三 电压型三 电压型 PWMPWM 整流器控制技术整流器控制技术 电压型整流器 VSR 工作时 能够在稳定直流侧电压的同时 实现交流侧在受控功率因 素 单位功率因数 条件下的正弦波电流控制 另一方面 常规的 VSR 控制系统一般采用 双闭环控制 即电压外环和电流内环控制 在 VSR 双闭环控制设计中 电流控制动态性能 直接影响 VSR 电压外环控制性能 目前 VSR 电流控制技术主要分为两大类 即间接电流 控制和直接电流控制 间接电流控制主要以相幅控制 PAC 为代表 直接电流控制则以快速 电流反馈控制为特征 如滞环电流控制 固定开关频率电流控制 空间矢量电流控制等 这类直接电流控制可以获得较高的品质的电流响应 但是控制结构与算法较间接电流控制 复杂 3 1 VSR 间接电流控制 间接电流控制技术的实质上是 通过 PWM 控制 在 VSR 桥路交流侧生成幅值 相位受 控的正弦波 PWM 电压 3 2 VSR 直接电流控制 直接电流控制与间接电流控制在结构上的主要差别在于 前者具有网侧电流闭环控制 而后者则无网侧电流闭环控制 由于采用网侧电流闭环控制 使 VSR 网侧电流动静态性能 得到了提高 同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感 从而增强了电流控制系统的鲁棒 性 滞环PWM电流控制技术则具有较高的电流响应 且电流跟踪动态偏差由滞环宽度确定 而不随电流变化率变化而变动 这种控制方法将实际输入电流与指令电流的上 下限相比 较 其交点作为开关点 指令电流的上 下限形成一个滞环 从而控制输入电流的变化 控制原理如图3所示 图 3 三相PWM整流器滞环电流控制 固定开关频率PWM电流控制 一般是指PWM载波 如三角波 频率固定不变 而以电流偏 差调节信号作为调制波的PWM控制方法 其电流环控制结构如图4所示 可以看出固定开关 频率就是将电流误差信号方法后作为调制波 然后与载波比较 从而输出开关控制PWM信号 图4 固定开关频率电流控制结构 矢量控制则在dq坐标变换的基础上 通过对PWM整流器有功和无功电流的控制 达到控 制输入电流的结果 图5给出了基于dq坐标变换控制的系统框图 这种控制方法具有直接电 流控制的动态响应快 稳态性能好 自身有限流保护的优点 还可以消除电流稳态误差 图5 三相PWM整流器基于dq坐标变换矢量控制 四 四 PWMPWM整流器的应用整流器的应用 PWM整流器由于其可以实现单位功率因数 甚至可以实现能量的双向流动 因此可以实 现 绿色电能变换 由于PWM整流器网侧呈现出受控电源特性 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展 并取得更为广泛的应用 如静止无功补偿器 SVG 高功率因数整流器 HPFR 有源电力滤波器 APF 可再生能源并网发电 图6 单级式光伏并网结构的拓扑结构 图7 双馈型风力发电拓扑结构 参考文献 1 张兴 张崇巍 PWM整流器 M 机械工业出版社 2012 2 胡学芝 PWM整流技术综述 J 电气传动自动化 2008 01 3 屈莉莉 张波 PWM整流技术