PWM整流器的現(xiàn)狀與展望

1、PWM整流器的現(xiàn)狀與展望 李永東 王劍 清華大學(xué)電機系北京 100084 摘 要 本文介紹了幾種PWM整流器的直接電流方法和功率控制原理。同時對無交流電壓傳感器時交流電網(wǎng)電壓矢量相角或虛擬磁鏈?zhǔn)噶肯嘟堑墓浪惴椒ㄒ策M行了研究。最后指出當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時整流器的控制策略以線電流正弦、以負序輸入電流為零、以總無功功率輸入最小為目標(biāo)。 關(guān)鍵詞 PWM整流直接電流控制電網(wǎng)電壓估算 1引言 隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展人們對所使用的電能的質(zhì)量要求越來越高在能源日益危機的今天以高效節(jié)能、優(yōu)質(zhì)合理使用電能為特點的電力電子裝置得到了前所未有的發(fā)展。然而電力電子技術(shù)在給人們的生活帶來方便的同時也引發(fā)了新問題即對電網(wǎng)的污

2、染問題。 傳統(tǒng)的整流電路一般采用不控整流輸出并聯(lián)大電容濾波。這種電路的優(yōu)點是具有很高的可靠性簡單易用不需要控制電路。但即使負載為純阻負載由于濾波電容的使用整流電路的入端電流為脈沖電流諧波含量十分豐富。另外由于對輸出電壓沒有控制輸出電壓隨負載波動變化較大使得下一級電路的設(shè)計必須留出一定的裕量造成對器件使用效率的限制。在一些電路中采用相控整流雖然可以對輸出直流電壓進行控制但是這種電路的入端電流諧波含量很高而且還造成電流的滯后。 不控或相控整流電路的諧波污染和功率因數(shù)低下形成了人們常說的電力公害其中尤以諧波污染為甚。大量的諧波會引起電力線路和設(shè)備發(fā)熱增加、損耗加大破壞絕緣影響使用壽命。諧波也會影響電

3、力系統(tǒng)中繼電保護裝置和自動控制系統(tǒng)的工作給電網(wǎng)帶來危害。諧波引起的電磁場還會耦合至通訊線路影響通訊質(zhì)量。 為了保證電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全經(jīng)濟運行目前許多工業(yè)發(fā)達國家、國際電工組織以及一些大電力公司都制定了相應(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)對用電設(shè)備的入端性能作出嚴(yán)格的限制如IEC555-2、IEEE519等。這些標(biāo)準(zhǔn)對電器的入端功率因數(shù)和入端電流各次諧波的含量都作出了具體的限定。隨著這些規(guī)范逐漸被各國采用功率因數(shù)和諧波含量成為電力電子系統(tǒng)設(shè)計人員必須考慮的問題。我國則于1993年完成了國家標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量及公用電網(wǎng)諧波的制定并由國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布于1994年3月1日起正式執(zhí)行。 在這種背景下人們開始對造成諧波污染的整流

4、裝置進行大量的研究許多新的整流技術(shù)不斷被提出來以實現(xiàn)低諧波、高功率因數(shù)微處理器技術(shù)和電力半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展也為進一步實現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的高可靠性、高性能提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。 為了改善整流器網(wǎng)側(cè)電流諧波畸變率提高網(wǎng)側(cè)入端功率因數(shù)可以在普通交直交電壓型逆變器的三相輸入端或直流母線上串接電抗器由于受電抗器體積和成本的限制電感量一般較小對功率因數(shù)的改善也有限或者運用多重化技術(shù)使用多繞組移相變壓器將電壓進行移相后進行多相整流可以在變壓器原邊獲得較低的諧波電流適用于大容量應(yīng)用場合也可以采用功率因數(shù)校正裝置控制功率因數(shù)還可以在諧波負載的網(wǎng)側(cè)加裝功率因數(shù)和諧波補償裝置甚至采用有源濾波裝置這樣會大大增加系統(tǒng)成

5、本。 改善網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)最根本的辦法是改造整流裝置本身。對于中小容量電力電子裝置采用PWM控制的整流器使其對電網(wǎng)不產(chǎn)生諧波且基本上不消耗無功功率這是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢和提高產(chǎn)品競爭力的要求。 由于電力半導(dǎo)體開關(guān)器件制造技術(shù)已逐漸成熟其成本呈逐年下降的趨勢過去阻礙PWM整流器走向大規(guī)模應(yīng)用的門檻已經(jīng)逐步消除。越來越多的工業(yè)應(yīng)用場合需要使用PWM整流器。在這種形勢下一些國際知名的大公司又相繼推出了自己的PWM整流產(chǎn)品如西門子公司的有源前端Active Front End系列產(chǎn)品使更加實用、性能更為優(yōu)異的大容量交流傳動的應(yīng)用成為可能。 國內(nèi)在功率換流領(lǐng)域方面的研究起步較晚與先進的工業(yè)國家相比尚有較大的

6、差距。因此進行高性能的PWM整流器的研究開發(fā)工作并盡快產(chǎn)品化具有重大意義。 2PWM整流器的基本拓撲 整流器按照電源的相數(shù)可以分為單相整流器、三相整流器和多相整流器按照電能是否能雙向流動可以分為可逆整流器和不可逆整流器。文獻1列舉了數(shù)十種ACDC變換器的拓撲這里重點關(guān)注幾種典型的三相可逆PWM整流器拓撲。 2.1 Boost型PWM整流器 典型拓撲如圖1所示。由于直流儲能環(huán)節(jié)為電容具有電壓源性質(zhì)常被稱為電壓型PWM整流器。這是目前研究得最多、應(yīng)用最廣泛的拓撲具有直流母線電壓可控、交流電流幾乎正弦、單位功率因數(shù)等特點而且主電路與最常用的電壓型逆變器結(jié)構(gòu)相同可以與電壓型逆變器組成背靠背結(jié)構(gòu)的變頻器

7、是交直交變頻器理想的整流器。它的母線電壓高于電網(wǎng)電壓峰值以保證對交流電流的控制能力可以實現(xiàn)能量的雙向流動。 圖1 Boost型PWM整流器 2.2 Buck型PWM整流器 典型拓撲如圖2所示。這種拓撲與Boost型典型拓撲相比除了直流儲能變成電感之外在交流側(cè)還增加了一組濾波電容可以起到抑制整流橋交流側(cè)諧波電壓的作用。在IGBT構(gòu)成的橋臂上需要串聯(lián)與IGBT同方向的二極管以提供阻斷反向電流的能力。它的直流電壓方向可逆在低于電網(wǎng)電壓的范圍內(nèi)大小可控可以作為穩(wěn)定的低壓直流電源。 圖2 Buck型PWM整流器 2.3 多電平PWM整流器 在高壓大容量系統(tǒng)中多電平結(jié)構(gòu)有很大的發(fā)展前景。圖3是典型的二極管

8、中點箝位型三電平PWM整流器拓撲。多電平結(jié)構(gòu)可以用電壓等級較低的開關(guān)管構(gòu)成電壓等級較高的系統(tǒng)而且開關(guān)管換流時的電壓變化率較兩電平的低交流側(cè)電壓非常接近正弦。但是存在電容均壓問題控制復(fù)雜。 負載 圖3 二極管箝位型三電平PWM整流器 3PWM整流器基本控制原理 PWM整流器的控制目標(biāo)有兩個一是使直流側(cè)輸出電壓穩(wěn)定二是使交流側(cè)輸入功率因數(shù)為1或可控。 三相Boost型PWM整流器運行于單位功率因數(shù)整流時其交流側(cè)基波相量圖如圖4所示。如果以電流為控制對象要做到單位功率因數(shù)整流只需控制整流器網(wǎng)側(cè)電流與電網(wǎng)電壓同相位。根據(jù)電流控制策略的不同可以分為直接電流控制和間接電流控制。 近年來以網(wǎng)側(cè)輸入的有功功率

9、和無功功率為控制對象的直接功率控制策略也得到了不少研究尤其是用于無電壓傳感器的整流控制中。 aIaEaULaU 圖4 PWM整流器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)相量圖 3.1 間接電流控制 也稱為幅值相位控制或幅相控制。通過控制整流橋交流側(cè)基波電壓的幅值和相位達到控制輸入電流的目的其電流控制的依據(jù)是整流器交流側(cè)的穩(wěn)態(tài)相量關(guān)系對電流的控制是開環(huán)的。間接電流控制控制結(jié)構(gòu)簡單無需電流傳感器成本較低。但是基于穩(wěn)態(tài)模型的控制在系統(tǒng)的過渡過程中特性很差有較大的電流超調(diào)電流振蕩劇烈因此實際應(yīng)用很少。 3.2 直接電流控制 直接電流控制對整流器輸入電流進行閉環(huán)控制其控制依據(jù)是整流器的動態(tài)方程。直接電流控制對瞬時電流波形進行高精度

10、控制具有很好的動態(tài)性能可以補償系統(tǒng)參數(shù)變化帶來的誤差以及管壓降和死區(qū)的影響而且易于防止過載和實現(xiàn)過流保護2。事實上高性能的電力電子控制設(shè)備大多具有直接電流控制在研究PWM逆變器時提出的電流控制技術(shù)基本上都能應(yīng)用于PWM整流器中。 直接電流控制的PWM整流器的控制器都是采用的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。外環(huán)為電壓環(huán)通過對直流母線電壓的調(diào)節(jié)得到交流電流的指令瞬時值。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)控制三相交流電流跟隨指令值。電流控制器比較電流瞬時值與指令值產(chǎn)生能減少電流誤差的開關(guān)信號因此電流控制器具有減小誤差和產(chǎn)生調(diào)制的作用2。 3.3.1 滯環(huán)電流控制 如圖5所示將實際電流與給定電流比較偏差值作為滯環(huán)比較器的輸入當(dāng)偏差在滯環(huán)之外時

11、改變開關(guān)管通斷的驅(qū)動信號驅(qū)動整流橋橋臂狀態(tài)改變使電流誤差減小。 傳統(tǒng)的滯環(huán)電流控制器可以用模擬器件實現(xiàn)開關(guān)頻率不固定而且隨著滯環(huán)寬度的減小而升高隨著負載增加而升高因此電流諧波的分布是隨機的不利于濾波器的設(shè)計開關(guān)損耗變化較大不利于散熱設(shè)施的設(shè)計。為了得到固定的開關(guān)頻率和便于微機數(shù)字控制現(xiàn)在應(yīng)用較多的是具有固定開關(guān)頻率的滯環(huán)控制即增量調(diào)節(jié)控制。 增量調(diào)節(jié)控制將每一個等時間間隔采樣的實際電流與給定電流比較根據(jù)二者的大小決定整流器的開關(guān)狀態(tài)。采樣周期越小實際電流越接近給定電流開關(guān)頻率也越高。這種控制有固定的開關(guān)頻率但是電流誤差的幅值不再恒定。 采用三相滯環(huán)電流比較的整流器由于各相獨立控制其直流電壓利用

12、率只能達到0.866而且相間存在互相影響開關(guān)狀態(tài)的改變并不一定使該相電流往設(shè)定的方向改變電流誤差可能會超出原先設(shè)定的滯環(huán)寬度。但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單電流響應(yīng)速度快控制運算未使用電路參數(shù)具有很強的魯棒性。 ?三相負載AiBiCiDCUBSCSAiBiCiAS 圖5 滯環(huán)電流控制器 3.3.2 預(yù)測電流控制 在每個采樣周期的開始根據(jù)實際電流的誤差和電路參數(shù)、負載情況等信息計算出合適的開關(guān)狀態(tài)或者電壓矢量使采樣周期結(jié)束時電流實際值與給定值之間保持最小的誤差。如圖6所示。預(yù)測電流控制器可以在三相坐標(biāo)系中實現(xiàn)也可以在兩相坐標(biāo)系中實現(xiàn)。在三相坐標(biāo)系中實現(xiàn)時直流母線電壓利用率只能達到0.866在兩相坐標(biāo)系中實現(xiàn)可

13、以提高電壓利用率至1擴大了系統(tǒng)的帶載穩(wěn)定范圍增加系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。 預(yù)測電流控制具有良好的控制效果但是其控制精度依賴于系統(tǒng)參數(shù)在采樣頻率不高時電流誤差較滯環(huán)電流控制時大。 ?三相負載TsisiDCUBSCSASPWM調(diào)制負載模型電壓矢量指令值計算sue 圖6 預(yù)測電流控制器 3.3.3 PI調(diào)節(jié)電流控制 這是種典型的線性控制方法包括ABC坐標(biāo)系下的PI調(diào)節(jié)電流控制和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的PI調(diào)節(jié)電流控制其中后者的使用較多這可能也是目前應(yīng)用得最多的控制方式。 將電流指令值與實際值的偏差作為PI調(diào)節(jié)器的輸入調(diào)節(jié)器輸出所需的空間電壓矢量。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中電流給定值是直流量PI調(diào)節(jié)器可以做到無差調(diào)節(jié)因此系

14、統(tǒng)的控制精度高。運用空間矢量將三相作為一個整體考慮直流電壓利用率高。 ?三相負載didiDCUBSCSASPWM調(diào)制ABCdqdqqiqi 圖7 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下PI調(diào)節(jié)電流控制器 3.3 直接功率控制 該方法以整流橋交流側(cè)的瞬時有功功率和瞬時無功功率作為被控量進行反饋調(diào)節(jié)因此稱為直接功率控制。與直接電流控制的電壓環(huán)輸出電流指令值不同直接功率控制的電壓環(huán)輸出有功功率的指令值因為PWM整流器的直流母線電壓是與電網(wǎng)輸入的有功功率直接相關(guān)聯(lián)的。為了實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流無功功率的指令值為零。 將整個電壓矢量空間劃分出扇區(qū)當(dāng)電網(wǎng)電壓矢量處于某個扇區(qū)時整流橋輸出的不同電壓矢量對于系統(tǒng)輸入的有功功率和無功功

15、率的影響是不同的。因此可以制作一個矢量表表中存儲電網(wǎng)電壓矢量在不同的扇區(qū)時如果需要增加或減少有功功率或無功功率整流橋應(yīng)該發(fā)出相應(yīng)的矢量。 三相負載DCUBSCSAS矢量表電網(wǎng)電壓相角和功率計算?ppqq 圖8 直接功率控制 使用滯環(huán)比較器其輸入為瞬時有功功率和瞬時無功功率與對應(yīng)的指令值的偏差輸出為有功功率或無功功率的調(diào)整方向。根據(jù)功率調(diào)整方向和電網(wǎng)電壓矢量所在扇區(qū)查表即可得到整流橋橋臂的驅(qū)動信號。 直接功率控制結(jié)構(gòu)較為簡單動態(tài)響應(yīng)好缺點是開關(guān)頻率不固定。 4PWM整流器無傳感器控制 三相Boost型PWM整流器通常需要三種傳感器即交流電壓傳感器、交流電流傳感器和直流電壓傳感器比普通的逆變器多兩

16、個傳感器。不少學(xué)者研究了省去部分傳感器的整流器控制策略3-23。對于實際運行的整流器通常需要裝設(shè)交流過電流保護和直流母線過電壓保護省去交流電流傳感器或者直流電壓傳感器都會對整流裝置造成不利影響6。省去交流電壓傳感器對整流器的安全運行不會造成太大的危害可以用普通的逆變器實現(xiàn)整流而無需增加設(shè)備7也利于PWM整流裝置的模塊化。 省去交流電壓傳感器就無法直接測量電網(wǎng)電壓同步信號因此獲得同步信號就是PWM整流的關(guān)鍵。 4.1 電網(wǎng)電壓估算 文獻6提出了用瞬時功率和電流矢量估算電網(wǎng)電壓矢量的方法。 整流器的瞬時視在功率可以表示為電壓矢量與電流矢量的積 svipjq 1 其中有功功率和無功功率分別為 313

17、abcabcDCaabbccaccaDCabcbcacabdididipLiiidtdtdtVSiSiSididiqLiidtdtVSiiSiiSii? 2 求出視在功率和電流矢量后電壓矢量為 2ivsi 3 即 221viipvqiiii? 4 這種方法非常直觀但是計算功率的時候用到了電流的導(dǎo)數(shù)使得這樣估算的電壓很不可靠。作者指出為了提高微分運算的精度在一個開關(guān)周期內(nèi)要進行大約10次的有限差分計算而且換流瞬時會有很大誤差要避免在此時采樣。這對于控制系統(tǒng)的實現(xiàn)要求非常高。 文獻11不通過功率反求電壓而是采用直接測量的方法求電壓。在整流橋發(fā)零矢量時相當(dāng)于三相交流電感接成星型負載由電網(wǎng)電壓供電。此

18、時對于每個單相例如a相電感上的電壓等于電網(wǎng)電壓如圖9所示。如果測量得到該相的電流就可以通過 aadivLdt 5 得到該相的瞬時電壓。該方法對于采樣時間要求非常嚴(yán)格必須在整流橋發(fā)零矢量時進行否則式5不能成立。 NaLaeN 圖9 零矢量時交流側(cè)單相等值電路 由于涉及微分運算用有限差分誤差會很大作者提出使用微分器進行測量或者使用與交流電感同鐵心的二次繞組測量二次繞組的電壓并按照匝比放大就可以知道交流電感上的電壓。這樣做無疑增加了裝置的復(fù)雜性。 4.2 虛擬磁鏈估算 文獻24分析了用虛擬磁鏈作為相位參考的優(yōu)點。受它的啟發(fā)文獻14將虛擬磁鏈用于無交流電壓傳感器的整流器中取得了較好效果。 將電網(wǎng)和整流

19、器交流電感看作虛擬發(fā)電機電網(wǎng)電壓為發(fā)電機的定子感應(yīng)電勢交流電感為發(fā)電機的定子漏電感。整流橋交流側(cè)的電壓為發(fā)電機的端電壓交流側(cè)輸入電流為虛擬定子電流。發(fā)電機產(chǎn)生定子感應(yīng)電勢是由旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的因此設(shè)想虛擬發(fā)電機也有旋轉(zhuǎn)磁場因而有虛擬磁鏈且在相量上落后虛擬感應(yīng)電勢90電角度見圖10。 LLueSuLiqiditqd 圖10 虛擬發(fā)電機相量圖 在坐標(biāo)系中虛擬發(fā)電機端電壓即整流橋交流側(cè)電壓表示為直流母線電壓和開關(guān)狀態(tài)的函數(shù) 213213SDCabcSDCbcuUSSSuUSS? 6 虛擬發(fā)電機定子感應(yīng)電勢等于端電壓與定子漏抗壓降之和而虛擬磁鏈等于定子感應(yīng)電勢的積分 SSdiuLdtdtdiuLdtdt?

20、 7 上式中微分運算在積分運算之內(nèi)化簡后求解虛擬磁鏈的表達式中不再含有微分項。由于積分本身有濾高頻信號的作用因此算法的抗干擾能力大大增強。如果還需要計算電網(wǎng)的輸入功率可以采用 piiqii? 8 這樣計算出的功率抗干擾性也較強。 如果使用矢量控制可以建立以虛擬磁鏈?zhǔn)噶慷ㄏ虻恼髌髂Ｐ透鶕?jù)該模型進行控制。如果使用直接功率控制只需將開關(guān)函數(shù)表作調(diào)整即可。 4.3 利用狀態(tài)觀測器觀測電網(wǎng)電壓 前面的方法獲得相位參考都采用開環(huán)的方式。文獻19提出用全階觀測器或者降階觀測器的方法觀測電網(wǎng)電壓。該文獻考慮了電網(wǎng)電壓不對稱需要觀測的電壓包括正序分量和負序分量。作者對一相電壓突然跌落又恢復(fù)的情況進行了仿真和實

21、驗研究。仿真的效果相當(dāng)不錯。遺憾的是實驗波形的比例尺取得不太合適但是大體可以看到一些問題比如在電網(wǎng)電壓平衡時估計的電壓誤差比電網(wǎng)不平衡時大這是不能令人滿意的。 4.4 電網(wǎng)頻率跟蹤 文獻7和8對電網(wǎng)電壓頻率積分得到電網(wǎng)電壓的位置。如果電網(wǎng)頻率有微小波動很可能使積分得到的角度與實際電壓相角逐漸偏離因此需要對電網(wǎng)的頻率進行跟蹤。 電網(wǎng)電壓定向矢量控制PWM整流器的PI電流調(diào)節(jié)器的方程是 dpddiddqpqqiqqvkiikiidtvkiikiidt? 9 電流調(diào)節(jié)環(huán)的輸出為 dqdqdqvLiEvvLiv? 10 如果估計的dq軸位置與實際dq軸位置有所偏差如圖11所示它們之間的誤差角度為 1t

22、anqdE? 11 ?qd?dq?qv?e?dEv 圖11 估計的dq軸位置與實際dq軸位置關(guān)系 為了減小這個誤差需要調(diào)節(jié)角頻率的估算值。文獻8采用PI調(diào)節(jié)器 pfifkkdt 12 而文獻7則是使角頻率在電網(wǎng)額定角頻率附近調(diào)節(jié) fnk 13 估算電網(wǎng)電壓相角為 dt 14 5電網(wǎng)不平衡情況下PWM整流器的控制 前面的分析和控制方法都建立在電網(wǎng)電壓是三相對稱的前提下但是這一假設(shè)并不總能成立。配電網(wǎng)三相帶不同負載或有較大容量的單相負載、輸電線非全換位以及不對稱故障都可以造成整流器的電網(wǎng)電壓不平衡。 隨著對三相Boost型PWM整流器深入研究和廣泛應(yīng)用研究者也開始關(guān)注如何在電網(wǎng)電壓不平衡情況下對它

23、進行控制27-30以達到期望的控制目標(biāo)。 文獻27運用PWM整流器的低頻模型分析了電網(wǎng)電壓含有負序分量時整流器的三相輸入電流也含有負序分量如果開關(guān)管按照電網(wǎng)電壓對稱正弦的假定開通和關(guān)斷那么整流橋直流側(cè)的電流必將含有2次諧波從而使直流母線電壓也有2次諧波。要使直流母線的電壓紋波減小必須增大交流側(cè)電感或者直流母線電容。通過分析計算作者給出了一些設(shè)計曲線查曲線可以得到在不同性能要求下選用的電感值和電容值但是并未從控制的角度解決問題。 文獻28更加詳細嚴(yán)格的推導(dǎo)了電網(wǎng)電壓正負序基波和各次諧波對PWM整流器的影響。首先用d-q坐標(biāo)系中的變量表示三相電壓 12323213320nnDDnnnQQnDnnnQvvvvCRnCRnvvvvCRnv? 15 其中 321013221322C? 16 cossin sincosRt? 17 這樣就將電網(wǎng)電壓表示成了以正負序各次諧波角頻率旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系中的變量之和。根據(jù)d-q坐標(biāo)系中整流器的電壓方程 nnnnnDpDDDQnQnnnnpQQQDdivvrillni