PWM整流技术综述.doc

摘要：PWM整流器以其优越的性能和潜在的优势得到了广泛地应用。本文介绍了各种PWM方法及在PWM整流器中的实现和应用，并就目前PWM整流技术在主电路结构及其控制策略方面的研究现状进行了综述。关键词：PWM；整流器；电压源型；电流源型0引言PWM技术从最初追求电压波形正弦，到电流波形正弦，再到磁通的正弦，取得了突飞猛进的发展。而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，体积小及重量轻等特点，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。按是否具有能量回馈功能，PWM整流器可分为无能量回馈整流器和有能量回馈整流器；按主电路拓扑结构和外特性分，PWM整流器可分为电压源型和电流源型高频整流器。近年来，为了提高PWM整流器性能，在控制策略上有不少现代控制方法和技术在整流器中的应用研究，如基于LyaPunov稳定理论的控制策略；基于现代控制理论的模糊控制、滑模变结构控制策略和基于人工神经网络理论的控制策略等。本文从整流器的主电路拓扑结构和控制策略着手,对该项技术进行了综述 。 1PWM整流器主电路拓扑结构和工作原理PWM整流器按其主电路拓扑结构分为单开关与多开关型；根据输入电源相数分为单相和三相PWM整流电路；按电路结构和特性分为电压源型和电流源型。由于单相PWM整流器功率小，应用少，下面只介绍目前在实际应用广泛的三相PWM整流器。1.1无能量回馈功能的整流器无能量回馈型单管三相PWM整流电路如图1所示，(a)为boost型，(b)为buck型，其最大的优点是简单、经济。由于仅有一个可控元件，要使三相电流均为正弦波且与电压同相位是十分困难的，一般这种电路只工作在DCM方式(不连续电流模式)，这时每相电流峰值和每相电压成正比，每相电流峰值为正弦，由于电流不连续，自然形成零电流开通。开关管在关断时，要关断三相电流，所以关断损耗大，并且随着输出功率增大，输入电流的峰值迅速增加，电流应力问题更加突出。为了解决这一问题，我们可用同一个脉冲驱动三个下管，这时可将电流应力减少30左右。12有能量回馈功能的整流器121电压源型三相桥式PWM整流器图2是三相电压型PWM整流器主电路，它具有很快地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，整流器交流测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。122电流源型三相PWM整流器与图2相对偶的是图3所示的电流源型三相PWM整流器，其输出呈直流电流源特性，利用正弦调制方法控制直流电流Ii在各开关器件的分配，使交流电流波形接近正弦波，且和电源电压同相位，交流侧电容的作用是滤除与开关频率有关的高次谐波。电流源型整流器的优点是：由于输出电感的存在，它没有桥臂直通过流及输出短路问题；开关器件直接对直流电流作脉宽调制，所以其输入电流控制简单，控制速度快。缺点是：整流器输出电感的体积、重量和损耗大；常用的全控器件都是双向导通的，主电路构成不方便且通态损耗大。123其它类型PWM整流器除上述的电压源型和电流源型PWM整流器外，从基本电路结构上还派生出了一些其它的电路形式，如三相四线型的PWM整流器，它能为后端的三相UPS提供中点而无需变压器；再如低成本四开关三相整流电路，它比常规三相整流器少用一个桥臂。另外一种很有应前景的整流器如图4所示的三电平PWM整流器，应用开关频率较低的GTO时，这种电路较合适，开关频率在300600Hz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。2 PWM整流器的控制方式PWM控制技术主要有电压控制PWM、电流控制PWM、空问电压矢量控制、谐振开关控制PWM等多种。为了提高PWM整流器的动态性能和稳态性能，比较成功地应用于PWM整流器的控制方案主要有以下几种控制策略。 21间接电流控制问接电流控制即幅相控制，它以控制变流器前端输入点电压的幅值和相位来达到控制输入电流相位的目的，常用的间接电流控制系统结构图如图5所示，其中PWM整流器主电路为图2所示电路，系统以直流侧电压作闭环控制，电压环采用PI调节器，PI调节器输出信号作电流指令，id，id的大小和整流器流人电流的幅值成正比。稳态时，Udc*=Udc，PI调节器输人为零，而PI调节器输出id和整流器负载电流的大小相对应，也和整流器交流输入电流的幅值相对应。当负载电流变化，则经过调节达稳态后PI输入仍为零，而id与新的负载电流相对应。若整流器变为逆变运行时，则输入电流与输入电压反向，稳态时仍是Udc*=Udc，PI调节器输人为零，输出为负值，与逆变电流大小相对应。这种控制方法优点是控制简单。缺点：当R、L的运算值和实际值有误差时，影响控制效果；电压环响应速度较慢；网侧存在着直流偏移量，因而在瞬态时输入滤波器易出现振荡和负载电流发生畸变。22直接电流控制这类控制中，通过运算求出交流电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。直接电流控制中，又有不同的电流跟踪方法，常见的有滞环电流控制(HCC)和预测电流控制，滞环电流控结构如图6所示。它是一个双闭环控制系统，其外环是直流电压控制环，内环是交流电流控制环，它将电流给定信号与检测到的变流器实际输入信号做比较后，通过滞环对各开关器件进行控制，可使实际电流围绕给定电流做锯齿状的变化，并将偏差电压控制在一定范围内。这种控制机理清晰、简单，电流响应速度快，系统鲁棒性好。其不足之处是开关频率可变，平均开关频率随负载电流的变化而变化，导致开关状态的不稳定性和随意性。预测电流控制是在固定的采样周期内，根据电路的模型选择最优控制电压矢量，再选择合适电压控制矢量来决定三相桥臂各功率器件的通断，使其在采样周期内的平均电压等于估算出的最优控制电压，实际上是以本次采样实际电流与下一个采样时刻的预测参考电流进行比较，求出最优控制电压以及电压空间矢量，使得电流误差最小，迫使下一个采样时刻的实际电流以最优特性跟踪这一时刻参考电流，由图2的变压器，可有方程：式中：Uk为电源电压；Ldikdt，Rik分别为滤波电感和开关器件压降；Urk是调制电压的基波分量。设以为一个开关周期的占空比，则调制电压为：如果线电流在一个开关周期Ts内由现值Ik变到指令值 ick ，则需要的电流变化率为： 由此可得：由(4)式得到占空比来控制开关管的通断，则线电流被迫在规定的开关周期内达到预测值。为使线电流为正弦，指令电流应为：式中：c为对开关延迟的补偿。预测电流控制结构图如图7所示，这种控制方法的特点是控制简单，类似于幅相控制，电压环响应速度快；缺点是整个系统对参数的变化较敏感。23同步旋转坐标系下的电流控制同步旋转坐标系下的电流控制框图如图8示，它实际上是矢量控制PWM的具体应用，它是目前应用最广泛的一种控制方式，它采用坐标变换将三相坐标系下的交流量变成直流量，可以用PI调节器进行电流控制，清除静差。在同步坐标系下，d轴和q轴电流是独立控制的，一般是控制d轴电流以控制有功，控制q轴电流以控制无功，为使整流器运行在单位功率因数的状态下，采用使i=0的控制方式实现。由于引入电流状态反馈和电网电压作为前馈控制，使得系统输入电流解耦，提高了动态性能，同时对参数的变化不敏感，稳定性比较高。24预测电流控制预测电流控制是在固定的采样周期内，根据电路模型选择最优控制电压矢量，并由此决定三相桥臂各功率器件的通断。实际上它是以本次采样实际电流与下一采样时刻的预测电流进行比较，求出最优控制电压以及电压空间矢量，使电流误差最小。该方法的优点是，控制简单，可获得比较快速、准确地响应，在高开关频率时，电流精度高。缺点是整个系统对参数的变化敏感，鲁棒性差。25滑模变结构控制策略近年来PWM变流器的滑模变结构控制方式已有出现，它是为了解决变流器的时变参数问题而提出的一种控制方案。因为整流器的开关切换动作与变结构系统的运动点沿切换面高频切换动作上有对应关系，因而用滑模变结构的方法来控制整流器。它实质是用滑模控制器来代替传统的外环PI控制器。用滑模控制器的整流器系统的优点是系统的鲁棒性好，抗干扰能力强，动态品质好。3结束语近年来国内外学者在整流器研究上，做了不少的工作，PWM整流器应用将会越来越广泛，单位功率因数整流器的研究已成为电力电子领域的一大热点。综上所述，目前PWM整流器研究主要是探索新的电路拓扑和如何提高整流器的稳态和动态性能。在主电路拓扑方面，除基本的电压源型和电流源型三相单开关和三相多开关PWM整流器主电路外。现已出现三电平、五电平和七电平结构，随着功率器件性能和应用水平的提高，将会有更好的主电路拓扑结构出现。在控制方法方面，目前，已有多种控制策略在整流器中