DQZHAN技術訊：電力百科：PWM整流器控制技術
隨著工業(yè)生產(chǎn)和電力電子技術的飛速發(fā)展，在鋼鐵、冶金、石油、化工等工業(yè)領域,電氣設備、電力電子變換裝置的應用日益普及。在電力變換裝置中，AC/DC變換即整流的應用較為廣泛。如變頻器、逆變電源、高頻開關電源等，這些變換器大部分都需要整流環(huán)節(jié)，以獲得直流電壓。二極管整流濾波裝置的接入，給電網(wǎng)中注入了大量的電力諧波。電力諧波干擾導致電氣設備異常和事故有逐年增長的趨勢，電力系統(tǒng)諧波已成為威脅電力系統(tǒng)和其它用電負荷**運行的“電力公害”。
目前解決電網(wǎng)污染的途徑主要有兩種：
(1)對電網(wǎng)來說,采用在電力系統(tǒng)中加入補償器來補償電網(wǎng)中的諧波?？梢圆捎糜性礊V波器(APF),但是其成本比較高,控制過程復雜。近年來,靜止無功補償(SVC)已應用于負載無功補償,但在補償無功的同時,卻不能抑制諧波,甚至因晶閘管相控工作方式而成為新的諧波源。
(2)設計輸入電流和電壓同相、諧波含量低、功率因數(shù)高的整流器。
前者是產(chǎn)生諧波后進行補償,而后者是消除了諧波源,是解決諧波問題的根本措施。把逆變電路中的PWM技術應用于由MOSFET、IGBT等全控器件組成的整流電路,工作時可以使網(wǎng)側(cè)電流正弦化,獲得單位功率因數(shù),甚至能量可以雙向流動,真正實現(xiàn)綠色電能轉(zhuǎn)換,這種整流器稱為PWM整流器,又稱為單位功率因數(shù)變流器。
1、PWM整流器拓撲
就PWM整流器拓撲結(jié)構(gòu)而言,按直流儲能形式可分為電壓型和電流型;按電網(wǎng)相數(shù)可分為單相電路、三相電路和多相電路;PWM開關調(diào)制可分為硬開關調(diào)制和軟開關調(diào)制;按橋路結(jié)構(gòu)可分為半橋電路和全橋電路;按調(diào)制電平可分為二電平電路、三電平電路和多電平電路;但是*基本的是按直流儲能形式分為電流型和電壓型兩大類。電壓型PWM整流器(VSR)的顯著拓撲特性就是直流側(cè)采用電容進行直流儲能,從而使VSR直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性,拓撲結(jié)構(gòu)主要有以下幾種:單相半橋、全橋VSR拓撲結(jié)構(gòu);三相半橋、全橋VSR拓撲結(jié)構(gòu);三電平VSR拓撲結(jié)構(gòu);基于軟開關調(diào)制的VSR拓撲結(jié)構(gòu)。電流型PWM整流器(CSR)拓撲結(jié)構(gòu)的顯著特性就是直流側(cè)采用電感進行直流儲能,從而使CSR直流側(cè)呈高阻抗的電流源特性,常采用的CSR拓撲結(jié)構(gòu)有單相、三相兩種。而對于不同功率等級以及不同的用途,可以研究各種不同的PWM整流器拓撲結(jié)構(gòu)。在小功率應用場合,PWM整流器拓撲結(jié)構(gòu)的研究主要集中在減小功率開關和改進直流輸出性能上。在大功率應用場合,其拓撲結(jié)構(gòu)的研究主要集中在多電平拓撲結(jié)構(gòu)、變流器組合以及軟開關技術上。
2、PWM整流器控制技術
控制技術是決定PWM整流器發(fā)展的關鍵因素,PWM整流控制對象是輸入電流和輸出電壓,其中輸入電流控制是整流器控制的關鍵。這是由于應用PWM整流器的目的是使輸入電流正弦化,在單位功率因數(shù)下運行。對輸入電流有效控制實質(zhì)就是對電力電子變換器的能量流動進行控制,進而控制輸出電壓;相反,控制變換器有功功率和無功功率流動,可以控制輸出直流電壓和輸入電流,使系統(tǒng)處于單位功率因數(shù)運行狀態(tài)。目前電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流控制策略主要分成兩類:一類是“間接電流控制”策略;另一類就是目前占主導地位的“直接電流控制”策略。“間接電流控制”實際上就是所謂的“幅相”電流控制,即通過控制電壓型PWM整流器的交流側(cè)電壓基波幅值和相位,進而間接控制其網(wǎng)側(cè)電流。由于“間接電流控制”其網(wǎng)側(cè)電流的動態(tài)響應慢,并且對系統(tǒng)參數(shù)變化靈敏,因此這種控制策略已逐步被“直接電流控制”策略所取代。直接電流控制的主要特點在于引入了電流環(huán),使系統(tǒng)動態(tài)性能明顯改善。電壓外環(huán)輸出作為電流指令,電流內(nèi)環(huán)則控制輸入電流,使之快速跟蹤電流指令,其動態(tài)響應速度快、限流容易、控制精度高。目前已研究出各種不同的方案,主要有以下幾種：
(1)空間電壓矢量控制
空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)是目前廣泛應用的數(shù)字化高頻調(diào)制方式,其優(yōu)點是容易采用微處理器實現(xiàn),易于實現(xiàn)交流側(cè)輸入電流正弦化,功率因數(shù)為1;直流側(cè)輸出電壓紋波小;直流電壓利用率高。在同樣交流線電流THD要求下,比其它控制模式的開關頻率低得多,但其缺點是計算量龐大,先要做復雜的坐標變換，進行矢量選擇，然后需要分別計算各矢量的持續(xù)時間，再將分區(qū)段的時間相加變成三相脈寬調(diào)制時間，導致三相PWM整流器的實時控制需要雙單片機、DSP等高速處理器。另外，過多運算環(huán)節(jié)容易引起控制誤差甚至錯誤。從本質(zhì)上講，空間電壓矢量調(diào)制是基于規(guī)則采樣的正弦脈寬調(diào)制算法，*終目的是優(yōu)化開關函數(shù)。
(2)SPWM調(diào)制控制
移相采樣SPWM是PWM技術中應用于PWM整流器控制比較早的技術,包括規(guī)則采樣和自然采樣,其開關頻率固定,有明顯載波,用模擬和數(shù)字電路容易實現(xiàn),但是無法克服其直流電源利用率低的缺點。使用模擬電路實現(xiàn)時,脈沖開關時間很短,幾乎瞬間完成,但是硬件投資較多,不夠靈活,參數(shù)的改變和系統(tǒng)的調(diào)試都比較復雜。使用數(shù)字電路實現(xiàn)時,以軟件為基礎,其投資少,靈活性好,缺點是計算脈沖寬度時需要一定的延時和響應時間。但是隨著高速、高精度微處理器的發(fā)展,采用數(shù)字化SPWM技術已經(jīng)占領了主導地位,而且SPWM輸出電壓諧波主要是開關頻率及其倍數(shù)的諧波,容易濾除。
(3)開關邏輯表控制
這種控制方式主要是使用優(yōu)化開關邏輯表來達到控制目標,是基于直接功率控制和電流控制所提出的。其過程主要依賴于瞬時有功及無功功率控制環(huán),不需要電流內(nèi)環(huán)和PWM調(diào)制模塊,通過預估有功功率和無功功率值與給定值之間的瞬時誤差來選擇開關邏輯,與電流滯環(huán)控制有點相似,不同之處在于電流滯環(huán)開關輸出直接與誤差有關,而開關邏輯輸出不僅與功率滯環(huán)帶和誤差有關,而且與電壓矢量所處扇區(qū)有關。相對于電壓定向的控制方式而言,不需要坐標變換,不需要計算開關作用時間,實時性要求不高,其缺點是開關頻率不固定,需要高速處理器。
(4)電流滯環(huán)控制
這種控制方式開關邏輯輸出是由滯環(huán)帶寬和電流誤差所決定的,其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、響應速度快、諧波相對較小,過程容易實現(xiàn)。其*大缺點是在固定帶寬內(nèi),給定參考電流在一個周期內(nèi)PWM脈沖頻率差別很大,開關頻率不固定。在頻率低的一段,電流的跟蹤性差于頻率高的一段,而且參考電流變化率接近零時,功率開關管的工作頻率增高,加劇開關損耗,甚至超過功率器件的**工作區(qū)。輸入電流頻譜隨機分布,給交流側(cè)濾波器設計帶來困難。
3、PWM整流器控制技術展望
近年來有關PWM整流器控制的研究緊緊圍繞以下幾個方面:
(1)減小AC側(cè)輸入電流諧波畸變率,降低其對電網(wǎng)的負面效應。
(2)提高功率因數(shù),減小整流器的非線性,使之對電網(wǎng)而言相當于純阻性負載。
(3)提高系統(tǒng)動態(tài)響應能力,減小系統(tǒng)動態(tài)響應時間。
(4)降低開關損耗,提高整個裝置的效率。
(5)減小直流側(cè)紋波系數(shù),縮小直流側(cè)濾波器體積,減輕重量。
(6)提高直流側(cè)電壓電流利用率,擴大調(diào)制波的控制范圍。
根據(jù)上述控制要求,隨著PWM整流器控制策略研究的不斷深入,其控制技術主要向以下幾個方面發(fā)展：
(1)電網(wǎng)不平衡條件下PWM整流器的控制技術研究
目前關于電網(wǎng)處于不平衡狀態(tài)時,PWM整流器的研究主要圍繞整流器網(wǎng)側(cè)的電感及直流側(cè)電容的設計準則,或者是通過控制系統(tǒng)本身去改善和抑制整流器輸入側(cè)的不平衡因素。為了使PWM整流器在電網(wǎng)處于不平衡狀態(tài)下仍能正常運行,必須提出相應的控制策略。
(2)將非線性控制理論應用到PWM整流器控制技術中
為提高PWM整流器的性能,研究人員開始將非線性狀態(tài)反饋控制,Lyapunov非線性大信號方法以及無源性控制理論應用到PWM整流器控制中。待研究的主要問題是*佳能量函數(shù)和反饋控制率的確定方法。
(3)智能控制技術的研究
針對PWM整流器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中的PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)難以確定,以及系統(tǒng)參數(shù)具有非線性和時變性的問題,為進一步提高PWM整流器的性能,將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制結(jié)合起來,利用模糊邏輯的智能推理機制和神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習能力,將組成更好的控制方案。
4、結(jié)束語
本文主要論述了PWM整流器控制技術,分析了幾種控制策略,*后對PWM整流器控制技術的發(fā)展進行了展望。隨著電力電子技術的不斷發(fā)展,PWM整流器技術將會不斷地發(fā)展和深入,從而促進PWM整流器廣泛應用在更廣闊的領域。

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電力百科：PWM整流器控制技術

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