PWM整流器

PWM整流器技术是中等容量单位功率因数采用的主要技术,一般需要使用自关断器件。三相PWM整流器在几乎不增加任何硬件的基础上,即可以实现能量的双向流动,_日电路性能稳定其控制策略的实用性研究是电力电子领域的一个热点。

PWM整流器的发展和现状

PWM整流器的出现是基于功率因数校正和谐波抑制。70年代初,国外就开始了该项技术的基础研究,80年代后期随着全控型器件的问一世,采用全控型器件实现PWM整流的研究进入高潮。

PWM整流器主电路拓扑结构

PWM整流器的主电路拓扑结构近几十年来没有重大突破,主电路设计的基本原则是在保持系统的基础上,尽量简化电路拓扑结构,减少开关元件数,降低总成本,提高系统的可靠性。

电压型PWM整流器主电路拓扑结构

单相全桥PWM整流器，通过开关V1-V4进行PWM控制,就可在桥的交流输入端产生正弦调制PWM波UAN、,UAN中不含低次谐波成分,只含有和被调正弦信号波同频率月幅值成比例的基波分量以及与三角载波有关的高频谐波。由于电感Ls的滤波作用,高次谐波只会使交流电流iN产生很小的脉动,在理想情况下,当被调正弦信一号波的频率和电源频率相同时, iN是与电源同频率的正弦波,对UAN中基波分量的幅值和相位进行控制,可以达到使交流侧电流波形正弦化且功率因数接近1的目的。

三相全桥PWM整流器,通过对电路进行正弦波PWM控制,使得整流桥的交流输入端产生正弦PWM电压,对各相电压进行控制,就可以使各相电流i。i为i`「为正弦波且和电压相位相同,从而使功率囚数为1。当电路工作在整流状态下,能量从电网侧流向直流侧的负载;当电路工作在再生状态下,类似于三相PWM电压型逆变器,可以将直流侧的能量回馈到交流电网侧。

电流型PWM整流器主电路拓扑

电流型PWM整流电路。利用正弦波调制的方法控制直流电流在各开关器件的分配,使交流电流波形近似与电源电压同相位的正弦波,实现功率因数近似为1,但其交流侧电流波形中含有较多的谐波成分。

就现状而言,山于电压型PWM整流器的实现相对容易,并月.具有较简单的拓扑结构和响应速度(相对电流型PWM整流整流器而一言),配置简单的输入滤波器即可实现较低的电磁干扰等特点.

PWM整流控制技术研究方向

控制技术是PW整流器发展地关键。近年来,有关PWM整流器高频整流控制技术地研究紧紧围绕以下儿方面地要求;

1)减少AC侧输入电流畸变率,降低其对电网的负面效应。一般要求在整个负载波动范)Ifll内,AC侧输入电流地总谐波畸变率低于5%。

2)提高功率因数,减少整流的非线性,使之对电网而言相对于"纯阻性负载"。

3)提高系统的动态响应能力,减少系统的动态响应时间。

4)降低系统的开关损耗,提高整个装置的效率。

5)减少直流侧纹波系数,缩小直流侧滤波器体积,减轻重量。

6)提高直流侧电压利用率,扩大调制波的控制范围。

自20世纪80年代开始PWM整流器研究以来，PWM整流器控制虽已取得了很多成果，但仍不完善。它的发展趋势大致可归结为以下几个方面。

(1) 新控制方法及集成控制方法研究

VSR 可以采用的控制方法很多，每种控制方法都有其特点和适用场合。随着电力电子、微电子、计算机等技术的发展，采用DSP 可快速实现复杂运算，一些复杂控制算法逐步得到实际应用;为使控制系统具有更高的动静态性能，应该寻找新型的控制方法或改进现有的控制方法;目前电VSR 网侧电流控制有将固定开关频率、滞环及空间矢量控制相结合的趋势;由于很难凭借单独一种控制方法来解决实际控制系统中的众多难点问题和实现综合性的设计目标，因此，可将不同的控制方法进行"整合"集成而形成复合控制，以实现取长补短，有机融合成更有效的控制方案。

(2) PWM 整流器无传感器控制研究

PWM 整流器控制一般需要通过交流电压、交流电流和负载电压的三类传感器来检测交流侧的电流、电压和直流侧的电压值，有的控制方案还需负载电流传感器，实现成本较高。为了简化控制系统的结构、降低成本和安装费用，无传感器控制技术研究取消交流电压和交流电流传感器，而采用预测算法或观测器重构估算出网侧电压或者电流。

(3) PWM 整流器无传感器控制技术

PWM 整流器无交流电流传感器控制策略既有效克服了间接电流控制中动态性能不好的缺点，同时又可以节省价格昂贵的电流传感器，具有硬件结构简单，便于微机实现的优点。通过建立一个电流观测器来计算出网侧电流估计值，其关键部分在于开关函数的检测和输入电流指令的构造。由于该控制策略硬件成本低，因此在实际工程中有很好的应用价值。

(4) 电网不平衡条件下VSR控制研究

常规PWM整流器均以三相电网是平衡的为前提，这样一旦三相电压不平衡，电压的负序分量会使整流器网侧电流和直流输出电压含有丰富的低次谐波，利用常规的电网平衡条件下的控制方法进行控制，则会降低整流器的性能，甚至产生不正常的运行状态。电网不平衡条件下VSR控制技术目前主要集中在整流器网侧电感及直流侧电容的设计，或者是通过控制系统本身去改善和抑制整流器输入侧的不平衡因素以及对传统数学模型的重构和控制策略的改进。通过引入正序、负序两套同步旋转坐标系的独立控制方案，在各自的同步旋转坐标系中，将正序、负序基波分量均转换成直流分量，再通过各自的控制器实现无静差控制，从而大大提高了系统的运行稳定性和鲁棒性。

(5) CSR 控制研究

随着高温超导技术的应用和发展， CSR电感储能的效率得到极大的提高，功率损耗大为降低，体积、价格等方面也得到改善。因此，利用CSR 实现高性能的电能输送将逐渐兴起，而其控制研究也将成为热点。VSR 的控制策略大多也可应用在CSR上，但由于CSR 交流侧二阶滤波结构使整流器交流侧的瞬时功率平衡表达式与VSR 不同，另外，CSR交流侧弱阻尼的二阶滤波环节较之VSR 的一阶环节，更易激起振荡，CSR 的电流控制更为复杂。因此CSR 的控制远不及VSR 成熟。

(6) 电网不平衡条件下CSR 控制研究在CSR 中，电网电压的不平衡同样会带来VSR类似的问题。为了消除由电压不平衡产生的低次非特征谐波，可以采用增大交流侧和直流侧滤波器的尺寸、前馈补偿的方法、反馈控制法等三种方法。

半导体变流技术的发展,立足于电力半导体器件的发展。继电子离子器件之后,电力半导体器件是以美国1956年生产硅整流管〔RS)、1958年生产晶闸管(CSR)为起始点逐渐发展起来的。经过了40多年的发展,在器件制造技术上不断提高,己经历了以晶闸管为代表的分立器件,以可关断晶闸管(GTO)、巨型晶体管(GTR)、功率MOSFET、绝缘栅双极性晶体管(IBT为代表的功率集成器件(PI,以及以智能化功率集成电路(SPIC)、高压功率集成电路H(VIC)为代表的功率集成电路(PIC)等三个发展时期。从晶闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到PID、PIC通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件,从而实现了真正意义上的可控硅。在器件的控制模式上,从电流型控制模式发展到电压型控制模式,不仅大大降低了门极(栅极)的控制功率,而且大大提高了器件导通与关断的转换速度,从而使器件的工作频率由工频一中频~高频不断提高。在器件结构上,从分立器件,发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块,继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。功率集成器件从单一器件发展到模块的速度更为迅速,今天己经开发出具有智能化功能的模块(PIM)。

以SPIC、HVIC等功率集成电路为代表的发展阶段,使电力电子技术与微电子技术更紧密地结合在了一起,是将全控型电力电子器件与驱动电路、控制电路、传感电路、保护电路、逻辑电路等集成在一起的高度智能化的功率集成电路。它实现了器件与电路的集成,强电与弱电、功率流与信息流的集成,成为机和电之间的智能化接口,机电一体化的基础单元,预计PIC的发展将会使电力电子技术实现第二次革命,进入全新的智能化时代。这一阶段还处在初期发展中。

变流技术的发展与应用范围

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"。变流技术发展到今天,其按其实现的功能大致分为5个方面:

1)整流:实现AC/DC变换;

2)逆变:实现DC/AC变换;

3)变频:实现AC/AC(AC/DC/AC)变换;

4)斩波:实现DC/DC(AC/DC/DC)变换;

5)静止式固态断路器:实现无触点的开关、断路器的功能,控制电能的通

断。

变流技术的发展变流技术的发展,已经历了三个阶段。

1.第一阶段

第一阶段是基于电子管、离子管(闸流管、汞弧变流器、高压汞弧阀)的发展与应用,当时把这一学科称作工业电子学(nIdustrialElectornics)o这一阶段的研究工作,主要是集中在整流、逆变和变频技术的开发上。变流技术的应用领域主要是直流传动,直流牵引,电化、电冶、中频、高频淬火、加热,高压直流输电等。由于直流传动,直流牵引,电化电冶在变流技术应用中占有压倒的优势,因此,那时将直流传动、牵引、电化称作变流行业的三大支柱。其实从变流技术的分类来看,它属于整流变换,是变流技术的一小部分。

2.第二阶段

第二阶段是基于硅整流管和晶闸管,而主要是晶闸管的发展与应用。电力电子学(PowerElectornics)在我国始于20世纪60年代初,并取代了工业电子学。由于变流技术的基本理论-整流、逆变、变频技术的研究,可以说在第一阶段已经完成,这已不是第二阶段的研究主题。这一阶段主要是针对硅整流管、晶闸管取代电子管、离子管以后出现的新问题(如硅整流管、晶闸管的阻断电压不高,通态电流不大,耐受过电压、过电流冲击能力不强,应用中稍有异常状况出现,便会造成器件永久性损坏)开展的应用研究,诸如触发电路的研究、器件并联均流措施的研究、器件串联均压措施的研究、器件换相过程中防止开通过电流、关断过电压的缓冲(阻尼)电路的研究、变流装置过电压保护、过电流保护、过热保护的研究,以及器件的热容量与变流系统故障时系统短路电流及快速熔断器短路容量的保护配合研究等。随着器件制造水平的不断提高,变流装置保护措施的不断完善,使得硅整流管、晶闸管在变流装置中的应用技术日趋成熟。

3.第三阶段

第三阶段是基于全控型电力半导体器件的发展与应用,是半导体电力变流器向高频化发展的阶段,也是变流装置的控制方式由移相控制(PhaseshiftContor)l向时间比率控制(TimeRatioConiorl一TRC)发展的阶段。时下将采用上述二种控制方式的变流装置(电源)简单地称作相控电源和开关电源的说法是不确切的,这是因为在半导体电力变流器中,承担功率变换的电力电子器件就是作为无触点开关来应用的,无论是相控电源还是时间比率控制电源都是工_作在开关状态,因此,称为移相控制电源和时间比率控制电源的比较确切。

第三阶段的发展是随着全控型器件的发展而逐渐展开的。首先以GTO、G1'R等双极型全控器件的应用为代表,使逆变、变频、斩波变换电路的结构大为简化,使变换的频率可以提高到20kHz左右,为电气设备的高频化、小型化、高效、节能、节材奠定了基础。但是由于GTO、GTR是电流型控制器件,控制电路功率大,且变换频率也不能很高。随着变换频率的不断提高,PWM电路的缺点便逐渐暴露了出来。由于P枷电路属硬开关电路,一方面使电路中的变换器件工作时所承受的电压应力及电流应力大,同时变换过程中高的dy/dt、di/dt又会产生严重的电磁干扰,使电气电子设备电磁兼容的问题突出;另一方面器件开通与关断损耗的问题逐渐棘手,严重制约了变换频率的进一步提高。于是建立在谐振、准谐振原理之上的软开关电路,即所谓的零电压开关(ZVS)与零电流开关(CzS)电路问世。它是利用谐振进行换相的一种新型变流电路,实现了器件在零电压下的导通和零电流下的关断,从而大大降低了器件的开关损耗,这样一来,TCR技术+软开关技术使得变换频率进一步得到提高。

整流器经历了不可控整流、相控整流和PWM整流三个阶段的发展，其中前两种整流存在交流侧输入电流畸变严重、网侧功率因数较低等问题，而PWM 整流器克服了这些缺点，它是一种高效、可靠、绿色的电能变换器，具有双向的功率流动、低畸变率且正弦化的输入电流、单位或可调的功率因数、可调的直流电压等特点。因此PWM 整流器得到了广泛的应用。根据直流侧电源类型，PWM 整流器可分为电压源型整流器(VSR) 、电流源型整流器(CSR)和Z 源整流器(ZSR)。由于VSR 的结构简单、储能效率高、损耗较低、动态响应快、控制方便。因此VSR 一直是PWM 整流器研究和应用的重点。根据并网交流信号不同，VSR 又可分为电压控制和电流控制。由于电流控制的方法简单、直接，且具有限流和短路保护作用，因此使用比较广泛。VSR 的电流控制方案一般采用以直流电压为外环、交流电流为内环的双环控制结构。根据电流内环是否引入交流电流反馈，可分为直接、间接两种电流控制，由于直接电流控制响应速度快，鲁棒性好，目前占主导地位。

三相VSR 通常都采取直流电压、交流电流(或功率)双级环路结构控制方式，电压外环控制直流侧电压，维持直流母线电压的恒定，它的输出作为交流电流(或功率)内环的交流电流(或功率)指令，利用交流电流(或功率)内环快速、及时地调整交流侧的电流，抑制负载扰动影响，使实际交流电流能够快速跟踪交流电流指令，实现单位功率因数控制。在双环控制中，电压外环与电流(或功率)内环在速度上必须进行配合，外环要比内环慢得多。

它是目前广泛实际采用方法，内环电流可在三相静止abc坐标系或两相同步旋转dq坐标系中直接控制。早期的控制电路主要用模拟电路，要实现坐标变换非常复杂，控制器一般在静止标系实现，为弥补静止坐标系控制器的不足，在静止坐标系的电流控制器引入电网反电势信号作为前馈补偿可以使电流的控制效果和旋转坐标系很近;随着处理器技术的发展，数字化系统已基本取代模拟电路，数字系统的坐标变换很方便，现基本采用同步坐标系下的控制器，此时可实现dq轴电流的解耦无静差控制，电流响应也更快，但常需锁相环节提供用于触发脉冲生成所需的基准相位，实现dq轴的定位，比较复杂。

优点:控制结构简单，动态响应速度快，电流控制精度高;限流容易，只要使指令电流限幅，就可实现过流保护;对负载参数不敏感及具有较强鲁棒性;具有固定的开关频率，易于系统的设计。

缺点:电流内环为抑制非线性负载扰动，必须具备足够高的带宽，这加大了数字控制器实现难度;同步坐标系下电流内环控制一般需要锁相环节实现d、q轴的定位，比较复杂;需要宽频带、快速的电流传感器，控制成本高。根据PWM 数学模型，采用基于检测开关函数和输入电流的电流观测器，可实现无电流传感器控制，降低成本。

直接功率控制(DPC)方式是1991 年由Tokuo Ohnishi 提出，它通过控制输出的有功功率、无功功率的方法来间接地控制输出电流(当交流电压一定的情况下)。它的控制结构为直流电压外环、功率控制内环结构，根据交流电源电压及瞬时功率在预存的开关表中选择整流器输

入电压所需的控制开关量，从而实现高性能整流。DPC 可分为电压定向、虚拟磁链定向两种类型，其中电压定向又可分为有交流电压传感器和无交流电压传感器两种方案。

优点:估算的瞬时功率不仅有基波，还有谐波分量，提高了总功率因数和效率;系统无电流环和复杂的算法，有功、无功功率得到了独立精确控制，其误差由功率滞环比较器的滞宽决定;具有功率因数高、谐波干扰低、响应快、效率高, 动态性能和鲁棒性好;系统结构与算法实现简单，无需旋转坐标变换和解耦控制，无电流内环和PWM 调制模块，只需从预存的开关表中直接选取所需的开关信号，对交流侧电压不平衡和谐波失真也有一定补偿作用;通过估计虚拟磁链来计算无功与有功功率，可省略电网侧电压传感器，节约了成本。

缺点:功率滞环比较器没有恒定的开关频率，且又属非线性和无严格的数学描述，导致功率和直流电压跟踪能力差;功率滞环比较器不能完全跟踪按时间变化的信号，需采用较高且变化的开关频率，给滤波器设计带来困难;功率估算需要检测整流器的开关状态，需要高速的处理器和A/ D 转换器;有功功率和无功功率之间存在耦合，直流电压受有功功率决定的同时也受到无功功率的影响，功率内环采用常规单开关表同时控制有功和无功功率，且对无功功率调节强于有功功率，导致暂态过程中有功功率、直流电压出现了较大波动，且稳态时负载电流扰动会产生较大的直流动态压降。通过交替采用有功、无功功率的双开关表控制策略，且采用负载电流反馈控制双开关表转换信号的占空比，可改善系统启动性能和减少直流动态压降或消除稳态直流压降，但双开关表控制系统结构较为复杂。

DPC通常是通过前馈解耦控制，采用两个独立的PI 调节器，来控制相应的有功和无功分量，而有功分量和无功分量之间的动态耦合以及PWM 电压利用率的约束，影响了整流器有功分量(即输出直流电压)的动态响应。时间最优控制是1997 年由Choi Jongwoo 等提出的控制方法，它根据时间最优控制算法求解出跟踪指令电流所需的最优控制电压，并在动态过程中降低相应无功分量的响应速度，从而有效地提高了有功分量(直流电压)的动态响应速度，实现了直流电压的时间最优控制。

优点:系统结构简单，易于实现;通过加入积分环节，保证了电流控制无静差;可根据性能指标矩阵改变系统的控制性能，满足所需系统响应特性;系统对负载变化或系统参数有较强鲁棒性和适应性，使系统具有高功率因数，且输出电压可调。

缺点:系统工作在高功率因数下，整流器的无功电流不能独立调节，无法实现对系统功率因数的控制;最优控制是从精确的数学模型计算出来的，当模型存在偏差将严重影响系统的性能，使品质恶化，因此有必要解决鲁棒闭环算法问题;理论上还有最优化算法的简化和实用性问题。

1 PWM整流器

PWM整流器技术是中等容量单位功率因数采用的主要技术,一般需要使用自关断器件。三相PWM整流器在几乎不增加任何硬件的基础上,即可以实现能量的双向流动,_日电路性能稳定其控制策略的实用性研究是电力电子领域的一个热点。

PWM整流器的发展和现状

PWM整流器的出现是基于功率因数校正和谐波抑制。70年代初,国外就开始了该项技术的基础研究,80年代后期随着全控型器件的问一世,采用全控型器件实现PWM整流的研究进入高潮。

PWM整流器主电路拓扑结构

PWM整流器的主电路拓扑结构近几十年来没有重大突破,主电路设计的基本原则是在保持系统的基础上,尽量简化电路拓扑结构,减少开关元件数,降低总成本,提高系统的可靠性。

电压型PWM整流器主电路拓扑结构

单相全桥PWM整流器，通过开关V1-V4进行PWM控制,就可在桥的交流输入端产生正弦调制PWM波UAN、,UAN中不含低次谐波成分,只含有和被调正弦信号波同频率月幅值成比例的基波分量以及与三角载波有关的高频谐波。由于电感Ls的滤波作用,高次谐波只会使交流电流iN产生很小的脉动,在理想情况下,当被调正弦信一号波的频率和电源频率相同时, iN是与电源同频率的正弦波,对UAN中基波分量的幅值和相位进行控制,可以达到使交流侧电流波形正弦化且功率因数接近1的目的。

三相全桥PWM整流器,通过对电路进行正弦波PWM控制,使得整流桥的交流输入端产生正弦PWM电压,对各相电压进行控制,就可以使各相电流i。i为i`「为正弦波且和电压相位相同,从而使功率囚数为1。当电路工作在整流状态下,能量从电网侧流向直流侧的负载;当电路工作在再生状态下,类似于三相PWM电压型逆变器,可以将直流侧的能量回馈到交流电网侧。

2)电流型PWM整流器主电路拓扑

电流型PWM整流电路。利用正弦波调制的方法控制直流电流在各开关器件的分配,使交流电流波形近似与电源电压同相位的正弦波,实现功率因数近似为1,但其交流侧电流波形中含有较多的谐波成分。

就现状而言,山于电压型PWM整流器的实现相对容易,并月.具有较简单的拓扑结构和响应速度(相对电流型PWM整流整流器而一言),配置简单的输入滤波器即可实现较低的电磁干扰等特点.

PWM整流控制技术研究方向

控制技术是PW整流器发展地关键。近年来,有关PWM整流器高频整流控制技术地研究紧紧围绕以下儿方面地要求;

1)减少AC侧输入电流畸变率,降低其对电网的负面效应。一般要求在整个负载波动范)Ifll内,AC侧输入电流地总谐波畸变率低于5%。

2)提高功率因数,减少整流的非线性,使之对电网而言相对于"纯阻性负载"。

3)提高系统的动态响应能力,减少系统的动态响应时间。

4)降低系统的开关损耗,提高整个装置的效率。

5)减少直流侧纹波系数,缩小直流侧滤波器体积,减轻重量。

6)提高直流侧电压利用率,扩大调制波的控制范围。