基于瞬时功率理论的PWM整流器设计

2015-05-28刘高源苗晓杰刘伟伟赵怀功

电气技术 2015年12期

刘高源苗晓杰刘伟伟赵怀功

（1.山东大学，济南 250061；2.山东建筑大学，济南 250101）

PWM 整流器作为新型的绿色换能装置，从根源上杜绝了电网污染问题，提高了电网质量，已备受人们关注[1]。PWM 整流器交流侧电流畸变率是衡量整流器对电网影响的一个重要指标。然而，为降低交流侧电压畸变率，常用的策略主要有加入LCL 滤波和复杂的SVPWM 等算法[2]。LCL 滤波器的加入易引起谐振现象，造成滤波器经常性损坏且加大整流器体积，而复杂控制算法的引入，造成算法难以实现，响应速度较慢现象。

为进一步降低交流侧电流畸变率，简化控制算法，采用基于瞬时电流直接控制脉宽调制新方法来直接控制交流侧的瞬时有功和无功电流，达到快速控制的效果并通过Matlab 仿真以及实验验证了所提方法的有效性。

1 整流器瞬时功率理论

瞬时功率理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统的定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量[3]。

在三相三线制系统中，三相电压和电流的瞬时值分别ea、eb、ec和ia、ib、ic[4]。通过三相至两相坐标变换，把它们变换到两相正的αβ 坐标系中，如图1所示。

得到瞬时电压eα、eβ和瞬时电流iα、iβ。进而得到旋转的的电压矢量e和电流矢量i，可表示为

图1 坐标变换

定义三相电路瞬时三相电路瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq分别为矢量i在矢量e及其法线上的投影[3]，即

进而定义出三相电路瞬时无功功率q（瞬时有功功率p）为电压矢量e的模和三相电路瞬时无功电流iq（三相电路瞬时有功电流ip）的乘积[3]，即

2 瞬时电流直接控制的脉宽调制

瞬时电流直接控制基本原理是借助脉宽调制手段，在开关元件最高允许开关频率的约束下通过对开关状态的选择及各工作状态作用时间的控制实现对瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq的直接控制，从而使整流装置电流达到很快的响应速度及调控精度。控制框图如图2所示。

图2 控制系统框图

控制系统结构仍沿用经典的电压外环电流内环双闭环控制结构[5]，直流电压差值信号经过PI 调节后的输出作为瞬时有功电流的给定值，瞬时无功电流给定值设为0，经过pq-abc 反变换后得到三相瞬时指令电流iac、ibc、和icc。此三相瞬时指令电流作为瞬时电流直接控制算法的输入。

为分析方便，以单相整流桥臂为例，对采用互补导通的单相整流桥臂，根据T1 及T2 的导通情况和电流极性以及电流控制的角度来讲，正常的工作状态分为以下几种，采用集合方式表示为

{S1=(T1 开通，T2 关断，ic≥0)，

S2=(T1 关断，T2 关断或开通，ic≥0)，

S3=(T1 关断，T2 开通，ic＜ 0 )，

S4=(T1 关断或开通，T2 关断，ic＜ 0 )}

S1 工作状态如图3所示。

图3 S1 状态下工作示意图

设T1 管导通时间为Trp，Trp内当前输出电流由ic(k)变化至指令电流ic(k+ 1)时，差值记为 Δic则有：

由于一个周期内开关管有开通也有关断，同理可推出T1 管关闭时间Trd对电流的关系式：

根据式（5）、式（6）可知在调控周期TS足够短、直流侧电容器E1、E2容量选择合理及输出电抗器Lc不发生饱和的情况下可以认为在一个TS周期内Vdc1、Vdc2、us及Lc保持不变，在任一特定的调制周期内电流变化量完全取决于开关管的作用时间。为方便起见，在式（5）、式（6）中定义：

可见τ1、τ2显现出了在调控时间内对电流的控制作用，设期望的k+ 1时刻电流值为ic(k+ 1)，k时刻实际电流为ic(k)电流跟踪控制的任务实际就是通过对τ1、τ2的选取及作用时间控制经一个完整的调制周期TS使ic(k)转移至ic(k+ 1)。假设τ1的作用时间即T1 管的开通时间为t1，τ2的作用时间即T1管的关断时间为t2，则可列得以下一组表达式：

由以上两式即可求得开关管T1 的开通时间t1：

这样开关管T2 的关断时间即为开关管T1 的导通时间t1，同理可求得其他两相的控制时间。

3 控制系统的验证

3.1 仿真

为验证上述理论的正确,在Matlab/Simulink 环境下搭建了与系统对应的仿真模型，部分仿真参数如下：交流侧电感L=2mH；交流侧电阻R=1Ω；直流侧电容C=6300μF；负载电阻RL=40Ω两个并联；直流侧电压给定值Udc=800V。图4给出运行时交流侧电流电压波形，在0.1s 时突加负载，即RL=20Ω。图5给出突加负载后的交流侧电流FFT 分析，电流畸变率为2.86%。

图4 电流电压波形

图5 FFT 分析

3.2 实验

为实际验证本系统的可行性，搭建了25kW 样机，并进行了测试，波形如图6所示。

图6 实验结果

在图6中电流测量值缩小了10 倍，直流侧给定800V；负载为纯阻性负载40Ω，运行中突加负载后变为20Ω，测量结果显示交流侧电流有效值为28A，直流电压795V。由于示波器观测不出交流侧电流畸变率，现用电能质量分析仪测得稳定运行时畸变率如图7所示，交流侧电流畸变率为4.1%，大大降低了交流侧电流畸变率，改善了电能质量。