整流器中PWM整流控制策略的研究*

2016-12-12黄麒元王致杰朱俊杜彬王东伟王浩清吕金都

风能 2016年8期

文 | 黄麒元，王致杰，朱俊，杜彬，王东伟，王浩清，吕金都

整流器中PWM整流控制策略的研究*

文 | 黄麒元，王致杰，朱俊，杜彬，王东伟，王浩清，吕金都

随着社会经济的迅速发展，各种电力电子设备得到广泛应用，由此引发的电网谐波污染越来越严重。因此，如何解决这一难题已成为电力电子技术中的一个重要课题。由于PWM整流器具有谐波含量低的特征,其早已成为电力电子技术发展中的热门话题。目前主要使用直流侧电容为该装置的逆变器主电路提供稳定的直流电压。若直流侧电压不能保持稳定，则谐波补偿以及闪变抑制效果势必会受到影响。为了实现对直流侧电压的实时控制，实现系统的冗余以及提高稳定性，有必要对PWM整流电路进行研究。

谐波含义和谐波分析

一、谐波产生原因

谐波的产生主要原因是大容量电力设备及用电整流或换流设备还有其他非线性负荷在电力系统中的应用。

在电力体系中，非线性负载是导致谐波出现的本质原因。当负载有电流流过，并与之所加的电压呈非线性关系，就会出现非正弦电流，那么这时电路中就会出现谐波。

二、基于傅里叶级数算法的谐波分析

（一）三相不可控桥式整流电路谐波分析

表1 基波和各次谐波电流有效值

三相整流电路如图1所示，在一般情况下，即使在变压器初级侧输入的交流电压为正弦波，由于负载中电抗和变压器二次侧漏抗，交流输入也可能造成失真，引发谐波电流。所以，三相整流电路带感性负载时，其输入电流谐波分量普遍较大，功率因数较低。二极管整流电路尽管相移因数靠近

1，但因为电容滤波，输入电流谐波分量也很大，功率因数也不高。假设输入端没有调正环节，输入功率因数通常会小于0.8，于是输入电流波形常常会像平面波的波形，乃至靠近方波。

若简化其数学模型进行分析，假设：电源为三相平衡电源，直流电感Ld无穷大，交流侧电抗为零。依据三相电源的对称性，运用傅里叶级数展开的电流波形，电流负、正半波之间的中点为零，整流电路负载参数：L＝15mH，R＝10Ω，系统交流侧为三相交流源U2＝50V，Rs＝1.2Ω，Ls＝0.3mH进行算例分析可得：

上式中，I1为基波电流有效值，I5、I7、I11、I13分别为5次、7次、11次和13次谐波电流有效值，IH为谐波电流总和，THD为电流的总谐波失真。可以发现三相不可控桥式整流电路的电流波形畸变很严重。

（二）三相四线制桥式整流电路谐波分析

U2＝220V，忽略负载侧电感。用傅立叶级数分解波形可以得到表2：

上式中，I1为基波电流有效值，I3、I5、I7、I9、I11、I13、I15分别为3次、5次、7次、9次、11次、13次和15次谐波电流有效值，IH为谐波电流总和，THD为电流的总谐波失真。由此可以看出电流总畸变率很严重。

从图4中可以看到，没有偶次谐波，谐波有效值、谐波次数的倒数近似成正比，而且基波有效值与其比为谐波次数。

以上两个例子都表明了不可控整流电路的谐波含量比较大的畸变率也大，所以为了改善电能的质量我们采用了PWM整流电路。

PWM整流器工作原理

PWM（脉宽调制）控制是脉冲宽度调制技术，是一种模拟控制方法，它通过调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来改变晶体管或MOS管导通时间，从而达到改变开关稳压电源输出。这种方式不论在任何工作环境下都能保持恒定的电源输出电压。稳定状态下，整流器输出直流电压恒定，整流桥的三相桥臂按正弦的脉宽调制规律驱动。开关频率较高的情况下，高次谐波电压通过电感器的滤波会产生较小的谐波电流，整流器在忽略其他因素的情况下可认为是一个理想的三相交流电压源。