能量可回馈的单相PWM整流器研究

黄静+刘江峰+齐志伟+余振

摘 要：针对单相全桥电压型PWM整流器，分析了其主电路拓扑和开关模式，根据其稳态矢量关系，指出整流器实现单位功率因数运行，关键在于控制网侧电流。采用基于滞环电流控制的双闭环控制策略，提高系统的动静态性能。实验验证了此方案具有能使整流器网侧功率因数接近于1、直流侧电压稳定、能量可回馈等优点，能很好满足控制系统动态性能和静态性能的要求。还将PWM整流器应用于背靠背永磁同步电机驱动系统中，具有很好的工程实用价值。

关键词：整流器；单极性调制；矢量关系；滞环电流控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.136

1 引言

电压型脉宽调制（pulse width modulation， PWM）整流器由于具有能量双向流动、功率因数高、谐波污染少等优点，已逐渐代替传统的二极管或相控整流，并广泛应用于工业直流电源、变频调速系统、无功功率补偿、新能源（如太阳能、风力发电）等领域[1-4]。

在PWM整流器技术发展过程中，电压型PWM整流器网侧电流控制策略分为两类：间接电流控制和直接电流控制。由于间接控制其网侧电流的动态响应慢，且对系统参数变化灵敏，因此此控制策略已逐渐被直接控制策略所取代[5]。滞环电流控制[6]属于直接控制方案中的一种，技术电路简单，电流动态响应速度快，且对电路参数变化不敏感，对负载适应能力强，无需载波，因此输出电压中不含特定频率的谐波分量。但滞环电流控制存在开关损耗大的问题，对此，可以选择合适的开关模式来降低其开关损耗。

2 单相PWM整流器的工作原理

2.1 主电路拓扑

单相全桥电压型PWM整流器的主电路电路拓扑如下图1所示。图中，Ti （i=1， 2， 3， 4）为功率开关管；Di （i=1， 2， 3， 4）为续流二极管，兼有整流的作用；us为网侧电压；is为网侧电流；Vdc为整流器直流侧电压；idc为整流器输出电流；ic为直流侧电容电流；iL为负载电流；L为交流侧电感；Cd为直流侧电容；RL为直流侧负载；E为用电负载（最常见的是电动机负载）的感应电动势；图中给出了各个电压、电流的正方向。

2.2 开关模式

为了降低开关管的开关频率，即降低功率损耗、延长寿命，针对图1所示的电压型PWM整流器主电路拓扑，本文采用的是单极性调制开关模式。整流器交流侧电压uab（t）将在Vdc、0和0、-Vdc之间切换。其中，在交流基波电压正半周期，uab（t）将在Vdc、0间切换；而在交流基波电压负半周期，uab（t）将在0、-Vdc间切换。因此，单极性调制时，单相PWM整流器工作过程中存在四种开关模式，且可采用三值逻辑开关函数S来描述，即：

整流器运行于单位功率因数，根据式（1）可以分析整流器工作于整流或逆变状态下的电流换流路径（这里不再详细列举），得到以下结论：当网侧基波电压处于正半周期时，前桥臂的一个开关管导通，另一个开关管关断，后桥臂的两个开关管进行高频调制；当网侧基波电压处于负半周期时，后桥臂的一个开关管导通，另一个开关管关断，前桥臂的两个开关管进行高频调制。因此，这种开关模式可以大大减少开关管的开关损耗。

3 整流器稳态电压、电流矢量关系

若开关管的损耗可以忽略，则整流器的输入输出功率平衡，单相PWM整流器的功率模型方程为：

Is Us =Idc Vdc （2）

式中， Is为网侧电流；Us为网侧电压；Idc为整流器输出电流；Vdc为整流器直流侧电压。从式（2）可以得到：通过对模型电路交流侧的控制，可以控制其直流側；反之亦然。若只考虑基波分量而忽略谐波分量，可得到整流器交流侧稳态电压、电流矢量关系，如图2所示。

图2（a）为整流器运行于整流状态，us与is同相，整流器呈正阻特性，实现单位功率因数运行，负载从电网吸收功率；图2（b）为整流器运行在逆变状态，us与is反相，整流器呈负阻特性，实现单位功率因数逆变运行，负载向电网输送功率。分析图2可知，要实现整流器单位功率因数，关键在于控制网侧电流is。

4 单相PWM整流器的控制原理

为使整流器的控制既能具有快速的电流响应，又能保证直流侧电压稳定在允许偏差范围内和网侧输入端功率因数接近于1，故PWM整流器采用了基于滞环的双闭环控制，其控制原理见图3。

电压外环采用PI控制器，实现整流器直流侧电压Vdc跟踪给定电压Vdc*，从而保证直流侧电压的稳定。电压外环的输出作为网侧电流指令is*的幅值；检测网侧电压us，利用软件过零锁相（PLL）得到与us同频同相的单位正弦波，与is*的幅值相乘得电流指令is*。电流内环采用滞环比较器，网侧电流is为电流内环的输入信号，电流内环的主要任务是使网侧输入电流is跟踪电流指令is*。

在这种方式下，电流指令is*与网侧电压us只有两种可能情况：（1）当电压外环输出为正时，is*与us同频同相；（2）当电压外环输出为负时，is*与us同频反相。假设电流内环能完全使网侧输入电流跟踪电流指令，则第1种情况下负载从电网吸收能量；第2种情况下负载向电网回馈能量[7]。

5 实验结果分析

搭建了单相全桥电压型PWM整流器实验平台。该实验平台的主控芯片为Freescale公司的MC56F8013；IGBT的型号为 2MBI400N-060-01；电流、电压直接通过Agilent示波器MSO-X3014A测量。图4给出了系统的结构图和实物图，表1给出了具体的实验参数。

图5为单极性调制开关模式下整流器交流侧电压uab的波形，证明整流器交流侧电压在单极性开关模式下确实为二电平结构，在电压的正半周期，uab在Vdc、0间切换；在电压的负半周期，uab在0、-Vdc间切换。

图6（a）和（b）分别为整流器空载启动过程和突加负载过程。空载启动过程是整流器从二极管不控整流状态进入到PWM整流状态，将直流侧电压Vdc升高到给定值，实现boost功能；突加负载时，直流侧电压Vdc出现一定量的跌落，但经过双闭环控制的快速调节，大约1s后直流侧又恢复到给定值。图6（c）是整流器带纯阻性负载时的稳态波形，从波形可以看出，整流器运行于单位功率因数整流状态。图6（d）为模拟整流状态与逆变状态切换过程。直流侧电压的给定值设为380V，整流器启动时，直流侧电压开始升高。为了模拟整流和逆变切换过程，当直流侧电压Vdc大于370V时，整流器运行于逆变状态，逆变电流与当前时刻的电流反相，并且幅值始终为5A，此过程直流侧电压开始跌落；当直流侧电压Vdc低于340V时，整流器又进入整流状态，网侧电流is立即跟踪电压外环输出的电流指令，网侧电流立即反相，此过程直流侧电压又开始上升。因此整流状态和逆变状态可以来回地进行切换。

图7为整流器带电机负载波形。单相全桥PWM整流器作为直流电源，与三相逆变器组成背靠背永磁同步电机驱动系统，带动电机空载转动。此过程分为三个阶段：①PWM整流器直流侧达到稳定值，闭合整流器与逆变器之间的接触器，相当于整流器瞬间突加负载，直流侧电压开始跌落，但此时整流器网侧电流也开始增大以补充直流侧消耗掉的功率，使直流侧电压恢复到稳定值；②整流器直流侧电压恢复后，闭合逆变器直流侧电容前的继电器旁路掉充电电阻；③大约2s后，永磁同步电机开始运转，直流侧电压瞬间跌落，但通过电压外环调节电流指令，使整流器直流侧电压又立即恢复到稳定值。

6 结论

针对单相全桥电压型PWM整流器的主拓扑、开关模式、整流器稳态矢量关系及控制原理进行了研究。为降低开关损耗，采用了单极性调制开关模式；为使整流器具有较好的动静态性能，采用了基于滞环电流控制的双闭环控制策略。实验证明了基于滞环电流控制的双闭环控制策略具有能使网侧功率因数接近于1、直流侧电压稳定、能量可回馈等优点；并尝试将PWM整流器应用于背靠背系统中，实现了永磁同步电机驱动系统的运行，具有很好的工程实用价值。

参考文献：

[1]Singh B，Singh B N，Chandra A，et al.A review of three-phase improved power quality AC-DC converters[J].IEEE Transaction on Industrial Electronics，2004，51（03）：641-660.

[2]Song Z F，Xia C L，Shi T N.Assessing transient response of DFIG based wind turbines during voltage dips regarding main flux saturation and rotor deep-bar effect[J].Applied Enegry，2010，87（10）：3283-3293.

[3]馬永健，徐政，沈沉.有源电力滤波器闭环控制算法研究[J].电工技术学报，2006，21（02）：73-78.

[4]康劲松，张烨.多电平变流器在风力发电系统中的应用[J]. 中国电机工程学报，2009，29（24）：20-25.

[5]张兴，张崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2012.

[6]贾月朋，任稷林，祁承超，贾月颖.能量回馈型单相交流电子负载的研究[J].电力电子技术，2011，45（06）：91-93.

[7]李涛丰，欧阳晖，熊健，张凯.单相全桥PWM整流器的直接电流控制技术研究[J].电力电子技术，2010，44（10）：51-53.

作者简介：黄静（1988-），女，河南信阳人，硕士，讲师，主要研究方向：电力电子与电力传动。