PWM整流器的直接功率控制

朱建林

一、概述

功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的发展.上世纪90年代出现了以脉宽调制（PWM）控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器，在国民经济各领域中取得了广泛的应用。这些变流装置大多需要整流环节，以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功功率，造成了严重的电网“污染”。治理这种电网“污染”最根本措施就是，要使变流装置实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。

经过近十年的研究与发展，PWM整流器技术已日趋成熟。PWM整流器主电路已从早期的半控型桥路发展到如今的全控型桥路；其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率等级从千瓦级发展到兆瓦级，而在主电路类型上，有电压型整流器（Voltage Source Rectifier—VSR），和电流型整流器（Current Source Rectifier—CSR）之分。

PWM整流器实际上是一个其交、直流可控的四象限运行的变流装置。PWM整流器电路由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势及网侧电感等；直流回路包括负载电阻及负载电动势等；功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组成。

当不计功率开关管桥路损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得

iv=idcvdc （1）

式中v、i为模型电路交流侧电压、电流

vdc、idc为模型电路直流侧电压、电流

由式（1）不难理解：通过模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧，反之亦然。

二、电压型PWM整流器基本原理

PWM整流器最基本的型式有电压型和电流型两大类 电压型PWM整流器网侧电流控制策略主要分成两类：“间接电流控制”和“直接功率控制”。“间接电流控制”实际上就是所谓的“幅相”电流控制，即通过控制电压型PWM整流器的交流侧电压基波幅值、相位，进而间接控制其网侧电流；“间接电流控制”策略的显著优点是结构简单，无需电流传感器，控制成本低，易于实现，静态特性良好，但稳定性差，动态响应慢，动态过程中存在直流电流偏移和很大的电流过冲，自身无限流保护，需有过流保护制约了该种策略的应用，因此这种控制策略已逐步被“直接电流控制”所取代。“直接电流控制”策略由于引入交流电流反馈作为内环，直流电压外环构成整流器控制系统，既可实现单位功率因数，又可控制直流电压恒定；其优点为动态响应速度快、限流容易、控制精度高，主要缺点是输入电流检测需要宽频带、价格昂贵的电流传感器，系统成本增加，同时要实现PWM整流器的电压空间矢量控制，需要解决正弦函数、反正切函数查表的问题，并需要进行一系列乘除法运算，则需要复杂的算法（由DSP或多片单片机实现）和调制模块。

从功率角度看，在交流源电压一定的情况下，如能直接控制PWM整流器的瞬时功率（有功和无功），同样可达到控制瞬时输入电流的效果，此种控制策略称为直接功率控制（DPC）。DPC系统结构为直流电压外环、功率控制内环结构，因为它是通过基于有功功率与无功率的给定值和估计值间的实时误差的开关表来选择变流器开关状态的，没有内电流环和PWM调制块。由于直接功率控制PWM整流器采用瞬时功率控制，则具有更高的功率因数、低的谐波含量、算法及系统结构简单等优点。

三、三相VSR整流器的仿真

三相VSR一般数学模型就是根据三相VSR拓扑结构在三相静止坐标系（a，b，c）中利用电路基本定律（基尔霍夫电压、电流定律）对VSR所建立的一般数学描述。三相VSR拓扑结构如图1所示。

图中，当直流电动势eL=0时，直流侧为纯电阻负载，此时三相VSR只能运行于整流模式；当eL>Udc时，三相VSR既可以运行于整流模式，又可运行于有源逆变模式，当运行于有源逆变模式时，三相VSR将eL所发电能向电网侧输送，有时也称这种模式为再生发电模式；当eL

本文中只考虑整流模式，即eL=0的情形。用KVL建立三相VSR 交流侧回路方程如下：

仿真参数如下：ua=ub=uc=85V，电源频率f=50Hz，L=4mH，R=0.1，c=2200%eF，RL=10，Udcref=200v，ILN=20A。

仿真结果如图2所示。从启动暂态到稳态的由图2（a）可知，ia经历一个周期（20ms）的暂态后进入稳态，稳态时ua与ia同相位，且ia非常接近正弦波；由图2（b）可知，直流输出电压Udc经历一个周期进入稳态，即稳定在给定值Udcref；由图2（c）知，功率p经历2周期进入稳态，即稳定在给定值pref，网侧功率因数非常接近于1。