【正文】 MCT)等。功率半導(dǎo)體的進(jìn)步促進(jìn)了電力電子變流技術(shù)的迅速發(fā)展，如變頻器、逆變 電源、高頻開關(guān)電源等，這些變流裝置在國民經(jīng)濟(jì)中得到廣泛應(yīng)用。常規(guī)的整流環(huán)節(jié)一般采用二極管不可控整流或晶閘管相控整流，并且輸出側(cè)常使用大電容或大電感濾波來降低紋波。無功功率的增加不僅增加線路損耗，降低發(fā)電量和用電設(shè)備的利用率，而且沖擊性的無功負(fù)載，還會(huì)使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。因 此它的應(yīng)用十分廣泛，但是這種整流器的廣泛使用也帶來了以下幾個(gè)方面 的 問題： 極管整流會(huì)使網(wǎng)側(cè)電流波形嚴(yán)重 畸變 ，造成功率因數(shù)較低，最高功率因數(shù)只可能為 左右 。 ，發(fā)現(xiàn)輸入電流中含有豐富的低次諧波電流。為了裝置的安全運(yùn)行，這部分能量必須通過一定的 途徑 消耗掉。 該方法雖然簡單，但是有如下缺點(diǎn) :浪費(fèi)能量，系統(tǒng)效率低 ； 電阻發(fā)熱嚴(yán)重，影響系統(tǒng)的其他部分正常工作 ； 簡單的能耗制動(dòng)不能及時(shí)抑制快速制動(dòng)產(chǎn)生的泵升電壓，限制了性能的提高。 目前解決電網(wǎng)污染的途徑主要有兩種： （ 1） .對電網(wǎng)來說， 采用在電力系統(tǒng)中加入補(bǔ)償 器來補(bǔ)償電網(wǎng)中的諧波 ，如 LC 濾波器， 有源濾波 (APF: Active Power Filter)等 。前者是產(chǎn)生諧波后進(jìn)行補(bǔ)償，而后者是消除了諧波源，是解決 諧波 問題的根本措施 。這種整流器 稱 為 PWM 整流器，又稱為高功率因數(shù)變流器 。功率半導(dǎo)體開關(guān)器件技術(shù)的進(jìn)步， 促進(jìn)了電力電子交流技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了以脈寬 調(diào)制 (PWM)控制為基礎(chǔ) 的各類變流裝置，如變頻器、逆變電源、不間斷電源（ UPS)、高頻開關(guān)電源等 各類變流器。 因此，作為電網(wǎng)主要 “ 污染 ” 源的整 流器得到了大家的關(guān)注，并開展了大量 研究工作，主要是將 PWM 技術(shù)引入整 流器的控制之中，使整流器 網(wǎng)側(cè)電流 正弦化，且 運(yùn)行于高功率因數(shù)， 甚至 實(shí)現(xiàn)能 量 的雙向流動(dòng) 。 70 年代初，國外就開始了 PWM 整流逆變技術(shù)的基礎(chǔ)研究。經(jīng)過幾十年的研究與發(fā)展， PWM 整流器技術(shù)已日趨成熟。 目前，國內(nèi)外對于三相電壓型 PWM 整流器的系統(tǒng)的建模分析研究較少，主要是集中于電 流控制方法和系統(tǒng)控制策略的實(shí)驗(yàn)研究，分析各參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系，并找到改善電流跟蹤性能，提高輸入功率因數(shù)的方法，仿真和實(shí)驗(yàn)是主要手段。間接電流控制實(shí)際上就是所謂的“幅相 ”電流控制，即根據(jù)整流器的穩(wěn)態(tài)電壓平衡關(guān)系，通過控制電壓型 PWM 整流器的交流側(cè)電壓基波幅值、相位，進(jìn)而間接控制其網(wǎng)側(cè)電流，最顯著的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，檢測量少，無需電流傳感器，成本低，實(shí)現(xiàn)容易，靜態(tài)特性良好，但其電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 慢，適用于對控制性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高的場合。 直接電流控制策略以其快速的電流響應(yīng)和魯棒性得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并先后研究出不同的控制方案，主要包括以固定開關(guān)頻率且采用電網(wǎng)電動(dòng)勢前饋的 PWM 電流控制，以及以快速電流跟蹤為特征的滯環(huán)電流控制等。在交流源電壓一定時(shí)，如能直接控制 PWM 整流器的瞬時(shí)有功和無功，同樣可達(dá)到控制輸入電流的效果，這種控制技術(shù)稱為直接 功率 控制。當(dāng)整流器的全控型開關(guān)器件在不同的開關(guān)狀態(tài)時(shí)，有著不同的瞬時(shí)有功和無功，通過控制開關(guān)狀態(tài)，就可以直接對功率進(jìn)行控制，目前這種控制策略引起了很多研究人員的關(guān)注，以直接功率控制為基礎(chǔ)的控制算法主要有基于電壓的直接功率控制和基于虛擬磁鏈的直接功率控制。而隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電力電子設(shè)備的應(yīng)用日益廣泛，從而使得電網(wǎng)的諧波污染日益嚴(yán)重。為了避免諧波的危害，保持高的供電品質(zhì)，許多國家和國際組織出臺(tái)了治理措施和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對產(chǎn)生電力污染的用電設(shè)備提出了明確的限定。 IEEE519 標(biāo)準(zhǔn)和 IEC5552 標(biāo)準(zhǔn) (1995 年修訂后 為 IEC100032)對負(fù)載產(chǎn)生的諧波進(jìn)行限制 ，使 負(fù)載對電網(wǎng)注入的諧波 在規(guī)定的范圍內(nèi)。 目前，抑制諧波電流將電力電網(wǎng)的諧波水平控制在諧波限值標(biāo)準(zhǔn)的范圍之內(nèi)的 途徑主 要有兩條 :一是對電力電子設(shè)備本身進(jìn)行改造，研究開發(fā)高功率因數(shù)變流器，使其不產(chǎn)生諧波污染 :二是裝設(shè)補(bǔ)償裝置來抑制諧波的 污染和擴(kuò)散，從而提高電能供電質(zhì)量。 另外，隨著電力傳動(dòng)及控制技術(shù)的發(fā)展，具有能夠節(jié)約能源、降低功耗、提高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)的變頻調(diào) 速 制系統(tǒng)越來越廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域 中 。一方面通用變頻器的二極管不可控整流電路對電網(wǎng)注入了大最諧波及無功 功率 ，造成了電網(wǎng)的嚴(yán)重污染。 針對以上問題，本課題所研究的三相 電壓 型 PWM 整流器具有高功率因數(shù)、直流電壓穩(wěn)定控制等特性，解決了傳統(tǒng)意義上的整流電路中存在諧波含量大、功率因數(shù)低等問題。另外，三相電壓型 PWM 整流器已被廣泛應(yīng)用于新能源的利用，如用作并網(wǎng)裝置時(shí)可把本地裝置消耗不了的電能回饋到電網(wǎng)，可以以高功率三相電壓型 PWM 整流器設(shè)計(jì) 5 因數(shù)運(yùn)行，消除諧波，最終可以提高對風(fēng)能、太陽能的利用率。 本課題所做的工作 本課題以三相電壓型 PWM 整流器為研究對象，分析三相電壓型 PWM 整流器的工作原理，介紹一種空間電壓矢量脈寬調(diào)制間接控制方法，進(jìn)行系統(tǒng)仿真，具體工作如下： PWM 整流器的基本工作原理，建立基于開關(guān)函數(shù)的三相電壓型PWM 整流器的數(shù)學(xué)模型。 PWM 整流器系統(tǒng)的仿真研究，建立主電路、空間電壓矢量 PWM控制模塊及 PI 控制調(diào)節(jié)器的仿真模型，進(jìn)行三相電壓型 PWM 整流器系統(tǒng)的仿真。主要有：（ 1） 功率開關(guān)器件的選擇設(shè)計(jì)； （ 2） 交流側(cè)電感 的設(shè)計(jì)； （ 3） 直 流側(cè)電容的設(shè)計(jì)； （ 4）智能功率模塊 IPM 的隔離驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路設(shè)計(jì)。整流器的發(fā)展經(jīng)歷了由不控整流器、相控整流器 到 PWM 整流器的發(fā)展歷程。 三相電壓型 PWM 整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 三 相電壓型 PWM 整流器 主 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 21 所示。 三個(gè)控制電感 L 一端連接 在三相電源，另一端連接在電壓源型整流器的輸入端。另外，由三個(gè)電 阻在三個(gè)控制電感與三相電源連接處構(gòu)造電 壓 參考點(diǎn) O。由于交流電感的濾波作用，整流器交流側(cè)的輸入可近似認(rèn)為是三相正弦電流，直流側(cè)有大電容穩(wěn)壓 ，輸出 呈 直流電壓源特性，穩(wěn)態(tài)時(shí)三 相 電 源 ABCRRRONLLL??ai t??bi t??ci tabcaK bK cKLidciC LRdcVaK? bK? cK?三相電壓型 PWM 整流器設(shè)計(jì) 7 輸出 直流母線電壓可認(rèn)為保持不變。 圖 22 單相等效電路 圖 23 整流狀態(tài)向量圖 圖 24 逆變狀態(tài)向量圖 在圖 23 與圖 24 中， E 為電網(wǎng)電動(dòng)勢的電壓相量 ， V 為三相電壓型 PWM 整流器的網(wǎng)側(cè)電壓相量， LV 為交流濾波電感兩端 間的電壓相量， I 為交流電源輸出的電流相量 。 如何控制輸入電流，得到 理 想的功率因數(shù)以及實(shí)現(xiàn)能量 的雙向流動(dòng)，根本任務(wù) 在于得到各功率開關(guān)器件的控制規(guī)律和通斷時(shí)間。 本文基于空間電 壓 矢量脈寬調(diào)制原理，通過空間電壓矢 量PWM 控制，在整流 器 交流側(cè)生成幅值、相位受控的正弦 PWM 電壓。Iamp。qEamp。Eamp。Iamp。 在傳統(tǒng)的相位幅值 控制方式中，在功率因數(shù)為 1 時(shí)，控制角與控制電壓矢量 V 的計(jì)算是完全根據(jù)矢量圖并依賴 于主電路參數(shù)如下式 ： 22VE???（ IL） (01) arctan ILE?? ? (02) 式中 ? 為交流電源電壓的角頻率 ,I 為交流電源的電流的幅值 ,V 為整流器的網(wǎng)側(cè)控制電壓幅值， E 為交流電源電壓的幅值 , ? 為控制相位角 , L 為網(wǎng)側(cè)濾波電感值 。本文提出的控制方法是將 PI 調(diào)節(jié)器 的輸出作為相位角 ? 的給定，而 相 位角 ? 作為被指對象的輸入 變量 ，依據(jù)能 量守恒原則和系統(tǒng)的調(diào)節(jié)關(guān)系以及矢量 關(guān)系確定控制算法，這樣就實(shí)現(xiàn)了對 整 流器網(wǎng)側(cè)控制電壓 V 的相位的控制，系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu) 框圖 如圖 25 所示。 令 *V =E， 由 式 (23)得 3dcmEV? (04) ae*dcU PI 控制器 ? ?je ??????移 相 空間電壓矢量調(diào)制 直流電壓檢測 abcdq dcUqDua ubbece*ua*ub+三相電壓型 PWM 整流器設(shè)計(jì) 9 依據(jù)式 (24)，根據(jù)電壓空間矢量脈寬調(diào)制原理，便可 得到與交流電源電壓 幅 值 相等而相位相差 ? 的整 流器網(wǎng)側(cè)控制電壓。本文中對 ? 的取值大小作如下限 定： 0 6???? (06) 由式 (25)和式 (26)得，功率因數(shù)的大小范圍為 ： 1??? (07) 因此，本文三相電壓型 PWM 整流器的工作原理 是通過控制電感 L 的引入，將高功率因數(shù)控制和直流母線電壓穩(wěn)定控制問題轉(zhuǎn)化為電感端電壓的控制問題。 本章小結(jié) 本章首先介紹 了 三相電壓型 PWM 整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后根據(jù)三相電壓 型PWM 整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，闡述了三相電壓型 PWM 整流器的工作原理，通過分析可知，適當(dāng)控制 V 的大小與 E 之間的相位角 ? ，就能控制輸入電流的大小與相位， 從而控制了整流器傳送能量的大小及直流側(cè)電壓 ，就能夠?qū)崿F(xiàn)高功率因數(shù)控制。目前，三相電壓 型 PWM 整流 器 的電流控制技術(shù)主要分為兩大類，即直接電流控制和間接電流控制 。 這類控制可以獲得較高品質(zhì)的電流響應(yīng)，但控制結(jié) 構(gòu)和算法十分復(fù)雜。由于這種控制方案通過直 接控制整流器交流側(cè)電壓進(jìn)而達(dá)到控制交流側(cè)電流的目的，因而是一種間接電流控制方式 。本文采用間 接電流控制方法，對整流器直流側(cè) 電壓穩(wěn)定控制的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù) 控制。 PWM 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于整 流系統(tǒng)以提高功率因數(shù)并改善電流波形，本文基于空間電壓矢量脈寬調(diào)制原理，通過空間電壓矢量 PWM 控制，在整 流器橋路交流 側(cè)生成幅值、相位受控的正弦 PWM電壓，該電壓與電網(wǎng)電動(dòng)勢共同 作用于整 流器 交流側(cè)控制電感，實(shí)現(xiàn)輸入電流控制。 下面以電壓矢量 U 為例，說明從三相對稱靜止坐標(biāo)系 (a， b， c) 到兩相正 交靜止坐標(biāo)系 （ d， q） 的交換。 其中 d 軸與 a 軸重合 ，而 q 軸超前 a 軸 90176。 三相電壓型 PWM 整流器設(shè)計(jì) 11 圖 31 坐標(biāo)系 (a， b， c)與坐標(biāo)系 (d， q) 若 U與 d 軸 的夾角為 ? ，則 U 與 d、 q 軸上的投影滿足： 22cossindmqmm d quuuuu u u?????? ??? ???? (08) 另外， U在 a、 b、 c 軸上的投影為 ： c os2c os32c os3ambmcmuuuuuu????????? ??? ??? ??? ??? ??? ? ??? ??? (09) 由式 （ 32） 得 c os13c os si n2213c os si n22amb m mc m muuu u uu u u?????????? ? ? ????? ? ??? (010) 聯(lián)立式 (31)(33) 得 == + 3daq a buuu u u????? （ 2 ） / (011) q cubcbudauduqquaU三相電壓型 PWM 整流器設(shè)計(jì) 12 三相電壓型 PWM 整流器的 空間 電壓 矢量脈寬調(diào)制方法 三相電壓型 PWM 整流器空間電壓矢量分布 電壓型 PWM整流器空間電壓矢量 描 述了三相 PWM整流器交流側(cè)相電壓（ aOv 、 bOv 、cOv ） 復(fù)平面上的空間分布，有 : ? ?? ?? ?131313aO a a b c dcbO b a b c dcc O c a b c dcv S S S S vv S S S S vv S S S S v? ??? ? ? ?? ?????? ??? ? ? ?? ?????? ??? ? ? ?? ????? (012) 式中 aS 、 bS 、 cS —— 三相單極性邏輯開關(guān)函數(shù) 。 表 31 不同開關(guān)組合是的電壓值 aS bS cS aOv bOv cOv kV 0 0 0 0 0 0 0V 0 0 1 3dcv 3dcv 2 3dcv 5V 0 1 0 3dcv 2 3dcv 3dcv 3V 0 1 1 2 3dcv 3dcv 3dcv 4V 1 0 0 2 3dcv 3dcv 3dcv 1V