pWM整流器控制策略在能量回馈系统中的应用

吴词福++陈刚++肖伸平

摘 要针对能量回馈过程中存在直流母线电压不稳定，从而造成回馈电能质量低，本文通过三相电压型PWM整流器的基本原理和开关函数描述，建立相应的的数学模型，并对比不同的控制策略下，能量双向流动时网侧电压变化情况，通过MATLAB仿真，验证PWM整流器的双闭环控制策略在能量回馈系统中的可行性。

【关键词】能量回馈 直流母线电压 双闭环控制

脉冲宽度调制技术最初应用于直流-直流变换电路和直流-交流变换电路中，随着全控器件的不断演进更新，此技术在以上两种电路中的应用已经非常成熟。一般变频器的不足之处是其能量不可逆，当负载电机运行于回馈制动状态时，电路自身缺陷导致能量不可逆使得回馈制动产生的能量传送回直流侧的滤波电容器上。积累在电容器上的电能多利用电阻直接消耗掉，这不仅是对电能的浪费，也会对整个电路的运行造成不利影响。

传统的整流电路多采用电力电子器件晶闸管可控整流电路实现交流电向直流电的不断转化与变换，然而晶闸管可控整流电路存在其自身固有的缺陷，因此考虑引入PWM技术以提高电路运行性能。借鉴此项技术在直流-直流变换电路和直流-交流变换电路中的应用，对基于此技术的整流器能量回馈进行分析和研究，通过对基于此技术的整流电路的设计及控制，实现不同能量之间的相互转换，提高能源的利用率。

本文以三相电压型PWM整流电路的基本结构为基础，利用电路基本原理建立数学模型，以三相电路为研究重点，对其数学模型进行描述，分析不同的控制策略，并以固定开关频率电流控制策略系统进行仿真以分析其能量回馈过程。

1 三相电压型PWM整流器和数学模型

1.1 PWM整流器的基本结构

当直流侧负载中的eL=0时，根据电路工作基本原理可知，对应于此设定的图1电路并不满足直流侧接直流电动势且其绝对值略大于交流侧电压有效值的条件，因此只能工作在整流状态；当eL>Ud时，根据有源逆变电路工作基本原理可知，如果满足有源逆变的另一条件，对应于此设定的图1电路即可运行于有源逆变状态；反之，当eL

对功率开关器件的开关函数定义如下：

（1）

利用最基本的电路工作原理得到图1所示电路中a相回路方程为：

（2）

对于a相中的两个电力电子器件，假设控制上桥臂电力电子器件导通下桥臂电力电子器件关断时，开关函数满足Sa=1，且UaN=Ud，Ud为直流侧平均电压，假设上桥臂电力电子器件关断下桥臂电力电子器件导通时，开关函数满足Sa=0，且uaN=0，由于uaN=Ud*Sa，因此式（2）可以改写为

（3）

同理可以得到b相和c相的电压方程：

（4）

（5）

由假设电网电动势三相平衡可得：

（6）

联立式（3）-式（6），得到：

（7）

根据图5电路的工作原理可知：

（8）

再利用最基本的电路工作原理得到直流侧电容满足的方程如下：

（9）

2 电压型PWM整流器直接电流控制

电压型PWM整流器网侧电流控制策略按照电流控制方式可以分为直接电流控制和间接电流控制。直接电流控制有不同的电流控制方法，最常用的是固定开关频率PWM电流控制和滞环PWM电流控制。

2.1 固定开关频率PWM电流控制

固定开关频率PWM电流控制是指PWM載波频率固定不变而以电流偏差调节信号作为调制波的PWM控制方法。电流环控制结构如图2所示。

2.2 滞环PWM电流控制

滞环PWM电流控制基本结构图如图3所示。

从图中可以看出，此结构中不含有传统的电流调节器，而是采用非线性环节滞环替代。当实际输出电流与其参考值的偏差大于滞环控制器的宽度时，通过调制电路的作用控制电力电子器件的通断，使得差值缩小到滞环范围内，性能较为良好。

3 能量回馈原理

在电动机的运行过程中对电动机进行分析，假设以其转速为纵坐标轴、以其转矩为横坐标轴建系，以描述电动机的运行状态，第一象限表示电动机正向电动状态，第二象限表示电动机回馈制动状态，第三象限表示电动机反向电动状态，第四象限表示电动机反接制动状态。

在满足一定条件的情况下，相同拓扑结构的电路，只改变控制方式即可使电路工作在整流状态或者有源逆变状态，实现电网能量与直流侧能量的交换与传递。采用IGBT构造图1所示电路图，一方面可以优化电网运行特性，减小谐波污染；另一方面可以将电动机制动产生的能量反馈给电网，实现能源的再次利用，经济又环保。

4 仿真结果及分析

本文采用MATLAB/Simulink对图1所示的电路系统运行过程进行研究，电流控制部分采用性能较为优越的旋转同步坐标系固定开关频率SPWM控制策略。

图4所示为整流状态下直流侧电压波形，在仿真电路设计中对Timer模块进行设置，使其输出在某一时刻由1变为0，也即切断所有的PWM脉冲，使系统转换为不可控整流系统。稳定运行情况下，直流侧电压保持稳定，PWM脉冲切断后，直流侧电压下降但仍能保持稳定。通过两种整流系统的对比可知，三相电压型PWM整流器具有升压整流的特性。

图5所示为PWM整流器在整流状态下交流侧电压波形，与图4相对应。

图6所示为PWM整流电路在逆变状态下交流侧电压波形，此时直流侧可控电压源设置为200V，从图中可以看出工作于逆变状态的电路将其直流侧能量回馈到电网侧，避免了能源的浪费。通过对器件触发脉冲的控制作用，调节直流侧反馈输出的电压或者电流的幅值、相位，实现能量的有效反馈。

5 结论

本文以单相电压型与三相电压型PWM整流电路的基本结构为基础，利用电路基本原理建立数学模型，以三相电路为研究重点，对其不同数学模型进行描述，分析不同的控制策略，并以固定开关频率控制策略为例进行系统仿真以分析其能量回馈过程。通过控制过程的变化就能够实现整流与逆变状态的转换，实现能量双向流动。在实际应用过程中，可以通过对器件触发脉冲的控制作用，调整直流侧反馈输出的电压或者电流的幅值、相位，实现直流侧反馈输出电压与电网电压的同步，避免反馈过程中对电网电压造成的不良影响。

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作者单位

湖南工业大学 湖南省株洲市 412008