电压型PWM整流器功率控制研究

电压型PWM整流器功率控制研究

汪勇1,2刘美侠2

汪勇1、2刘美侠2（1.中国矿业大学；2.江苏省宿迁学院）

摘要：本文介绍电压型PWM整流器的基本结构及工作原理，提出电压型PWM整流器功率控制技术，根据电压型PWM整流器在同步坐标系中建立的整流器功率控制数学模型,基于功率控制，解决了有功功率和无功功率互为耦合问题。提高了整流器直流电压跟踪和功率跟踪能力，使系统具有响应快、稳定性好、抗负载扰动能力强及结构简单的优点，并对未来电压型PWM整流器功率控制技术的研究发展指出方向。

关键词：PWM整流器功率控制控制模型

1电压型PWM整流器的基本结构及工作原理

电压型PWM整流器的基本结构如图1所示。假设直流侧负载为电阻性负载，由主电路图便可以得到交流侧电压、电流的静态关系：

V=E-VL-RI

式中：E为交流电网的电压，V为电压型PWM整流器交流侧电压，VL为各相感电压，R为电感的内阻，I为交流侧的电流。从关系式可以看出，为了控制交流侧的电流，稳定功率，可以通过控制交流侧的电压来实现控制的目标，这就是PWM取名“电压型”的主要原因。

2电压型PWM整流器功率控制

2.1电压型PWM整流器控制技术从目前的控制技术来看，电压型PWM整流器要控制的变量有两个分别是整流器的输出电压和整流器的输入电流。由于整流器DPC系统采用了功率滞回比较器，导致系统比较复杂。基于Lyapunov非线性大信号方法控制，三相电压型PWM整流器的控制技术有滞环PWM电流控制、状态反馈控制、定开关频率的电流控制、二次型最优控制、预测电流控制、滑模变结构控制、矢量控制、非线性状态反馈控制、直接功率控制、单周期控制、模糊控制、神经网络控制等都已经成功应用在电压型PWM整流器的控制上。伴随着这些控制技术的应用，电压型PWM整流器控制技术得以空前的提高，目前通过电压型PWM整流器进行功率控制，提高功率的稳定性。

2.2电压型PWM整流器功率控制系统的设计电压型PWM整流器功率控制系统的设计目的主要有减少扇形边界对功率控制及直流电压的影响，提高有功功率与无功功率分别控制能力，采用功率内环和电压平方外环提高了直流电压跟踪、功率跟踪能力，提出设置扇形边界死区的控制策略，较好地解决了功率耦合问题降低THD。在设计上，要侧重提出双开关表的控制策略，设计时采用功率前馈解耦控制策略，充分利用功率输出子空间实现功率的预控制，善于采用了变无功给定，改进了功率响应，同时还要采用了空间矢量调制(spacevectormodulation，SVM)。从电压型PWM整流器的主电路可以看出，当电压型PWM整流器直流侧电压低于V1（V1为电网线电压的有效值)时，每个开关管都并联了1个续流二极管。基于传统的电压定向直接功率控制(voltageorienteddirectpowercontrol，VO-DPC)和虚拟磁链定向直接功率控制(virtualfluxbaseddirectpowercontrol，VF-DPC)控制方案，提出了功率预控制策略，达到减轻电网电压畸变产生的影响，保证恒定的开关频率的目的。

电压型PWM整流器就相当于三相不可控整流器，直流电压只能在一定范围内调节，同步变压器检测出来的电网同步电压，通过低通滤波器进行滤波，这是由于主电路的结构决定的。而要使电压型PWM整流器输出电压高于此值,就必须通过PWM来控制功率，从而使电压型PWM整流器能够输出一个高的电压。所以，然后输入到间接功率模型模块中，电流会产生了三相调制波。将调制波输入到触发模块中，就能够产生三相同步脉冲来驱动IGBT，从而对交流侧电流进行控制，达到控制功率的目的。电压对输入电流的控制，间接达到功率控制的目的。在现场中，对于υ的调节可以采用调节器，PI的输出为交流侧电流幅值Im，这个可以调节整个功率控制系统。

2.3电压型PWM整流器功率控制模型PWM整流器具有网侧电流低谐波、单位功率因数、能量双向流动及恒定直流电压控制，通过这些因素，实现功率控制的目标。采用各种功率控制策略，其目的都是为了提高整流器的性能。真正解决解决整流器本身的非线性对性能的影响。在dq两相同步旋转坐标系统中，对电压型PWM整流器进行数学建模，建立电压型PWM整流器模型，绘出主电路拓扑结构进行分析。以三相电路为例子，电路图要包括三相对称电源相电压、三相线电流、整流器的开关函数、单极性二值逻辑开关函数、为直流电压、滤波电抗器的电阻和电感、直流侧电容、负载、整流器的输入相电压、负载电流等内容。为建立数学模型，大胆作如下假设：电源为三相对称正弦电压；开关为理想开关，无损耗，另外滤波电感是线性的，且不考虑饱等。在非线性控制中，功率无源控制模型本质上是能量控制，已在整流器功率控制策略开始应用研究。根据整流器功率EL数学模型，使整流器具有功率响应快、直流电压稳定性好，利用新的阻尼注入方法设计无源功率控制器，采用空间矢量调制，构建更合理的电压型PWM整流器功率控制模型。

3PWM整流器功率控制技术研究展望

PWM整流器功率控制策略有多种，随着PWM整流器在工业领域的广泛应用和电力电子技术的不断发展，对PWM整流器功率控制策略的研究将不断深入。例如，直接功率控制(directpowercontrol，DPC)策略引起社会各界，特别是自动控制领域的学者门的广泛关注，它具有功率快速跟踪，功率因数高，结构、算法简单，动态响应快等特点，符合现在控制的要求，得到社会的认可与支持。本文主要从三方面对PWM整流器功率控制技术研究提出展望。

3.1PWM整流器的功率控制技术在电网不平衡时的作用当电网处于不平衡状态时，为了使PWM整流器在电网处于不平衡状态下仍能正常运行，必须调节电压的负序分量，提出相应的控制策略，使PWM整流器网侧电流和直流输出电压的低次谐波含量降取最低值。通常的情况下，利用常规的以三相电网平衡为约束条件的控制策略进行控制，对降低整流器的性能具体重要的实践意义，在现场控制中得到广泛的支持。这样不但避免PWM整流器出现不正常的运行状态，提高PWM整流器的性能。目前这些研究主要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，围绕整流器网侧的电感及直流侧电容的设计准则而进行的。

3.2DPC系统仿真在电压型PWM整流器功率控制中的应用整流器DPC系统设计，是基于电流解耦为基本原理，通过功率控制策略而进行设计的方法。结合整流器DPC系统和电压型PWM整流器功率控制的特点，有针对性地对整流器DPC系统进行设计，以满足功率控制的目标，也是未来工业自动控制领域的一个新发展方向。设计DPC系统参数：RL=11欧，U=86伏，ω=314转/秒，R=0.1欧，Udcr=200伏，C=2200微法，另外KK=0.0195，K=0.178，把参数都设计好了，再进一步进行系统仿真。所得到的曲线图分别说明、相电压ua、相电流ia、直流电压Udc、直流给定电压Udcr、瞬时有功功率p、瞬时无功功率q的特点与分布。

4结论

本文对相电压型PWM整流器控制技术、特点及其实现方法，以及PWM整流器功率控制技术进行介绍。指出电压型PWM整流器功率控制技术的发展趋势。

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