【文章內(nèi)容簡介】 整流器的主電路得到其簡化電路如圖32所示。圖32 PWM整流器簡化電路圖中i是網(wǎng)側(cè)電流，e是交流電動(dòng)勢， v是開關(guān)管交流側(cè)的輸入電壓，udc是直流側(cè)電壓，idc是包括電容，負(fù)載在內(nèi)的直流側(cè)的總電流。從圖32可以看出，PWM整流器的交流回路的組成有電網(wǎng)電源，開關(guān)管交流側(cè)輸入電壓，交流側(cè)電感。設(shè)V為開關(guān)管交流側(cè)輸入電壓矢量，E是交流側(cè)電網(wǎng)電壓矢量，K為交流側(cè)電感電壓矢量，I為交流側(cè)電流矢量。為簡化對(duì)電路的分析，忽略PWM整流器對(duì)應(yīng)物理量的諧波分量，只是考慮它的基波分量。設(shè)不變，則也固定不變，根據(jù)文獻(xiàn)[l]的分析，PWM整流器包含四個(gè)特殊的運(yùn)行狀態(tài)：正阻狀態(tài)運(yùn)行，純電感狀態(tài)運(yùn)行，負(fù)阻狀態(tài)運(yùn)行，純電容狀態(tài)運(yùn)行，當(dāng)整流器在這四個(gè)狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，PWM整流器開關(guān)管交流側(cè)輸入電壓矢量V端點(diǎn)的軌跡形成了一個(gè)圓，其半徑為。 圖33 PWM整流器純電感運(yùn)行時(shí)交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖PWM整流器的純電感狀態(tài)運(yùn)行的交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖如圖33所示。在圖33中的A點(diǎn)，因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓矢量E超前交流側(cè)電流矢量I九十度，矢量E，I之間的相位關(guān)系和純電感上電流，電壓相位關(guān)系相同，因此稱PWM整流器此時(shí)交流側(cè)呈現(xiàn)純電感運(yùn)行特性，所以此時(shí)整流器將從電網(wǎng)吸收無功功率。當(dāng)開關(guān)管交流側(cè)輸入電壓矢量V端點(diǎn)從圓的A運(yùn)行到B的過程中，PWM整流器從電網(wǎng)吸收無功和有功功率，整流器便處于整流狀態(tài)。 圖34 PWM整流器正阻特性運(yùn)行時(shí)交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖 PWM整流器的正阻狀態(tài)運(yùn)行的交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖如圖34所示[l]。在圖34中的B點(diǎn)，電網(wǎng)電壓矢量E和交流側(cè)電流矢量I的相位相同，矢量I，E之間的相位關(guān)系同電阻上電流，電壓相位關(guān)系一樣，因此PWM整流器的交流側(cè)可以處于單位功率因數(shù)運(yùn)行的狀態(tài)，只有電網(wǎng)中的有功功率才能被整流器吸收，無功功率則不能被吸收。在開關(guān)管交流側(cè)輸入電壓矢量V端從B點(diǎn)運(yùn)行到C點(diǎn)的過程中，整流器依然運(yùn)行于整流狀態(tài)。這時(shí)，整流器吸收電網(wǎng)中的容性無功和有功功率。 圖35 PWM整流器純電容特性運(yùn)行時(shí)交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖PWM整流器的純電容特性運(yùn)行時(shí)交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖如圖35所示。在圖35中的C點(diǎn)，由于電網(wǎng)電壓矢量E滯后交流側(cè)電流矢量I九十度，矢量E， I之間的相位關(guān)系和電容上電流，電壓相位關(guān)系一樣，因此稱PWM整流器此時(shí)交流側(cè)運(yùn)行特性呈現(xiàn)純電容性，這時(shí)只有電網(wǎng)中的容性無功功率才能被整流器吸收。當(dāng)開關(guān)管交流側(cè)輸入電壓矢量V端從C運(yùn)行到D的過程中，PWM整流器運(yùn)行于有源逆變的狀態(tài)。這時(shí)，電能夠從PWM整流器直流側(cè)傳輸流向電網(wǎng)。 圖36 PWM整流器負(fù)阻特性運(yùn)行時(shí)交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖PWM整流器的負(fù)阻狀態(tài)運(yùn)行交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖如圖36所示。在圖36中的D點(diǎn)，由于電網(wǎng)電壓矢量E和交流側(cè)電流矢量I的相位相差180度，此時(shí)整流器只吸收電網(wǎng)中的有感性無功功率。當(dāng)開關(guān)管交流側(cè)輸入電壓矢量V端點(diǎn)從D運(yùn)行到A過程中，電能從PWM整流器直流側(cè)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。PWM整流器仍然處于同上的逆變狀態(tài)。綜上所述:如果要對(duì)PWM整流器的交流側(cè)輸入電流矢量I進(jìn)行合適的控制，可以通過控制交流側(cè)電感電壓矢量VL，而VL則可根據(jù)PWM整流器的交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖，轉(zhuǎn)化為對(duì)開關(guān)管交流側(cè)輸入電壓矢量V的控制，所以開關(guān)管交流側(cè)的輸入電壓矢量V可以由直流電壓和SPWM或者SVPWM技術(shù)結(jié)合得出，從而完成對(duì)PWM整流器的控制過程。整個(gè)控制過程可以由下圖形象的描述。 圖37 PWM整流器電流矢量控制過程 三相電壓型PWM整流器控制方法目前，三相PWM整流器廣泛采用雙閉環(huán)的控制方法，控制方法的研究也主要集中在控制網(wǎng)側(cè)電流取得網(wǎng)側(cè)電流給定值并抑制直流側(cè)電壓波動(dòng)的電壓外環(huán)這兩個(gè)方面。歷經(jīng)數(shù)十年的研究與探索，PWM整流器技術(shù)已日漸趨于成熟。PWM整流器主電路已從早期的半控型器件橋路發(fā)展到現(xiàn)在的全控型器件橋路。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已從單相、三相電路發(fā)展到多相組合及多電平拓?fù)潆娐?。PWM開關(guān)控制由從前單純的硬開關(guān)調(diào)制發(fā)展到軟開關(guān)調(diào)制。功率等級(jí)也從千瓦發(fā)展到如今的兆瓦級(jí)。隨著對(duì)PWM整流器及其控制策略的研究日益深入，研究人員也陸續(xù)提出了一些較為新穎的系統(tǒng)控制策略，如無電網(wǎng)電動(dòng)勢傳感器及無網(wǎng)側(cè)電流傳感器控制、直接功率控制，PWM整流器的時(shí)間最優(yōu)控制、電網(wǎng)不平衡條件下的PWM整流器控制略關(guān)于Lyapunov穩(wěn)定性理論的PWM整流器控制等其他控制策略。這些控制系統(tǒng)都各有優(yōu)勢，但是對(duì)于電壓型PWM整流器目前應(yīng)用較多的是電流控制策略。PWM整流器的電流控制策略包含“直接電流控制”和“間接電流控制”兩種控制策略。根據(jù)有沒有引入電流反饋可以將這些控制方法分為兩種，引入交流電流反饋的稱為直接電流控制，的稱為間接電流控制沒有引入交流電流反饋。實(shí)際上間接電流控制是幅相控制，根據(jù)系統(tǒng)低頻穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型(反映穩(wěn)態(tài)下電壓平衡關(guān)系)要控制網(wǎng)側(cè)電流，可以通過控制電壓型PWM整流器的交流側(cè)電壓基波的幅值、相位來實(shí)現(xiàn)?！伴g接電流控制”策略著優(yōu)點(diǎn)是無需電流傳感器、結(jié)構(gòu)簡單、靜態(tài)特性良好，但這種控制方式的缺點(diǎn)是: 動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，穩(wěn)定性差、動(dòng)態(tài)過程中存在直流電流偏移和很大的電流過沖、自身無限流保護(hù)、需有過流保護(hù)限制了該種策略的實(shí)際應(yīng)用?！爸苯与娏骺刂啤辈呗允峭ㄟ^對(duì)交流電流的直接控制而使其跟隨電流給定信號(hào)的控制方法，采用交流電流內(nèi)環(huán)、直流電壓外環(huán)構(gòu)成整流器控制系統(tǒng)，既可恒定控制直流電壓因數(shù)，又可實(shí)現(xiàn)單位功率。直接電流控制的PWM整流器采用SPWM調(diào)制方式，采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電壓外環(huán)輸出作為電流指令，電流內(nèi)環(huán)則控制輸入電流，使之快速跟蹤電流指令，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快、控制精度高、限流容易在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是其缺點(diǎn)是對(duì)硬件和CPU的要求比較高。直接電流方法的提出引起了學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注，從系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)形式分，直接電流控制分為三種類型：1)電壓電流雙閉環(huán)控制。這是目前應(yīng)用最廣泛，最為實(shí)用化的控制方式。他們的共同特點(diǎn)是:輸入電流和輸出電壓分開控制，電壓外環(huán)的輸出作為電流指令信號(hào)，電流內(nèi)環(huán)控制輸入電流，使之快速地跟蹤電流指令。電流內(nèi)環(huán)控制電流，而且起到了改善控制對(duì)象的作用。由于電流內(nèi)環(huán)的存在，只要把電流指令限幅就可自然起到過流保護(hù)的作用，這是雙閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)電流控制器的實(shí)現(xiàn)形式，又分以下幾種形式電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器。它具有相當(dāng)快的電流控制特性，適應(yīng)參數(shù)變化的能力也很強(qiáng)。其缺點(diǎn)是開關(guān)的頻率不固定，開關(guān)應(yīng)力較大，現(xiàn)在已基本淘汰。代替滯環(huán)控制器被串比例或比例積分等線性控制器所代替，并結(jié)合電流狀態(tài)反饋實(shí)現(xiàn)電流解耦的控制方法應(yīng)用比較廣泛，其動(dòng)態(tài)特性和滯環(huán)控制接近。當(dāng)不考慮直流電壓的變化時(shí)，整流器輸入電流的模型是線性時(shí)不變系統(tǒng)。所以也有采用狀態(tài)反饋的方法配置電流響應(yīng)的閉環(huán)極點(diǎn)，這種方法和前述串聯(lián)比例電流調(diào)節(jié)器加電流反饋解禍的控制方式的本質(zhì)上是一樣的。假設(shè)是在離散電流模型中設(shè)置極點(diǎn)，并使得電流在采樣點(diǎn)后一拍或數(shù)拍跟蹤上電流指令，這就是所謂的無差拍電流控制或預(yù)測電流控制。對(duì)于電流的控制既可以在靜止坐標(biāo)系中，也可以是在兩相同步坐標(biāo)中進(jìn)行。在同步坐標(biāo)系下可以實(shí)現(xiàn)電流的無靜差跟蹤，電流響應(yīng)也較為快一些。早期的控制電路主要采用模擬電路，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換十分復(fù)雜，所以控制器一般選擇在靜止坐標(biāo)系中實(shí)現(xiàn)。為彌補(bǔ)控制器在靜止坐標(biāo)系下的不足，可以通過在靜止坐標(biāo)系的電流控制器中引入電網(wǎng)反電勢信號(hào)作為前饋補(bǔ)償可以增加靜止坐標(biāo)系的電流控制效果和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的接近度。隨著處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，模擬電路正逐步被數(shù)字化系統(tǒng)所代替。在數(shù)字化系統(tǒng)中進(jìn)行坐標(biāo)變換非常方便，因此使用靜止坐標(biāo)系的控制器便會(huì)越來越少。第二類控制方式是以整流器的小信號(hào)線性化狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ)。電壓、電流控制不分開，而是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)極點(diǎn)配置或設(shè)計(jì)最優(yōu)二次型調(diào)節(jié)器。這種控制方式需要先離線算出每個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)的狀態(tài)空間模型及其對(duì)應(yīng)的反饋矩陣，然后將其存入存儲(chǔ)器。當(dāng)整流器工作時(shí)，應(yīng)該檢測等效負(fù)載電阻或負(fù)載電流以確定當(dāng)前工作點(diǎn)，然后查表讀取相應(yīng)的反饋矩陣。這種方式的控制效果不錯(cuò)，只是要對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的劃分很細(xì)，所以造成計(jì)算量大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。非線性控制方法。因?yàn)檎髌鞅举|(zhì)上是非線性的，所以用非線性控制方法更為適合。這類方法目前還只是處于研究階段，是國內(nèi)外學(xué)者研究的新熱點(diǎn)。本文采用的電流電壓雙閉環(huán)控制系統(tǒng)是基于dq坐標(biāo)變換的矢量控制方法，根據(jù)矢量控制的觀點(diǎn)，把整流器里三相靜止坐標(biāo)系中的各變量變換成兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的兩相分量，得出兩相電流分量和電流有功分量、無功分量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)控制采用電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，通過對(duì)PWM整流器有功和無功電流的單獨(dú)控制，達(dá)到控制功率因數(shù)的目的。 三相PWM整流器的數(shù)學(xué)模型如圖38所示為三相電壓型主電PWM整流器路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了簡化推導(dǎo)過程，特作如下假設(shè)：② 電網(wǎng)電壓為理想電壓源,即三相對(duì)稱、穩(wěn)定，內(nèi)阻為零；② 各相電感相等，均為 L , L=L=L=L。③ 每個(gè)橋臂上、下兩個(gè)開關(guān)互補(bǔ)運(yùn)行，即若開關(guān)VT的占空比為d，則開關(guān)VT 的占空比為1；③ 開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電源頻率；