整流器的现状与发展

PWM整流器的现状与展望李永东王剑清华大学电机系，北京100084摘要本文介绍了几种PWM整流器的直接电流方法和功率控制原理。同时，对无交流电压传感器时，交流电网电压矢量相角或虚拟磁链矢量相角的估算方法也进行了研究。最后指出，当电网电压不平衡时，整流器的控制策略以线电流正弦、以负序输入电流为零、以总无功功率输入最小为目标。关键词PWM整流，直接电流控制，电网电压估算1．引言随着工业技术的飞速发展，人们对所使用的电能的质量要求越来越高；在能源日益危机的今天，以高效节能、优质合理使用电能为特点的电力电子装置得到了前所未有的发展。然而，电力电子技术在给人们的生活带来方便的同时，也引发了新问题，即对电网的污染问题。传统的整流电路一般采用不控整流，输出并联大电容滤波。这种电路的优点是具有很高的可靠性，简单易用，不需要控制电路。但即使负载为纯阻负载，由于滤波电容的使用，整流电路的入端电流为脉冲电流，谐波含量十分丰富。另外由于对输出电压没有控制，输出电压随负载波动变化较大，使得下一级电路的设计必须留出一定的裕量，造成对器件使用效率的限制。在一些电路中采用相控整流虽然可以对输出直流电压进行控制，但是这种电路的入端电流谐波含量很高，而且还造成电流的滞后。不控或相控整流电路的谐波污染和功率因数低下形成了人们常说的电力公害,其中尤以谐波污染为甚。大量的谐波会引起电力线路和设备发热增加、损耗加大，破坏绝缘，影响使用寿命。谐波也会影响电力系统中继电保护装置和自动控制系统的工作，给电网带来危害。谐波引起的电磁场还会耦合至通讯线路，影响通讯质量。为了保证电网和用电设备的安全经济运行，目前许多工业发达国家、国际电工组织以及一些大电力公司都制定了相应的谐波标准，对用电设备的入端性能作出严格的限制，如IEC555-2、IEEE519等。这些标准对电器的入端功率因数和入端电流各次谐波的含量都作出了具体的限定。随着这些规范逐渐被各国采用，功率因数和谐波含量成为电力电子系统设计人员必须考虑的问题。我国则于1993年完成了国家标准《电能质量及公用电网谐波》的制定，并由国家技术监督局发布，于1994年3月1日起正式执行。在这种背景下，人们开始对造成谐波污染的整流装置进行大量的研究，许多新的整流技术不断被提出来，以实现低谐波、高功率因数；微处理器技术和电力半导体技术的飞速发展也为进一步实现电力电子系统的高可靠性、高性能提供了坚实的物质基础。为了改善整流器网侧电流谐波畸变率，提高网侧入端功率因数，可以在普通交－直－交电压型逆变器的三相输入端或直流母线上串接电抗器，由于受电抗器体积和成本的限制，电感量一般较小，对功率因数的改善也有限；或者运用多重化技术，使用多绕组移相变压器将电压进行移相后进行多相整流，可以在变压器原边获得较低的谐波电流，适用于大容量应用场合；也可以采用功率因数校正装置控制功率因数；还可以在谐波负载的网侧加装功率因数和谐波补偿装置，甚至采用有源滤波装置，这样会大大增加系统成本。改善网侧功率因数最根本的办法是改造整流装置本身。对于中小容量电力电子装置，采用PWM控制的整流器，使其对电网不产生谐波且基本上不消耗无功功率，这是技术发展的必然趋势和提高产品竞争力的要求。由于电力半导体开关器件制造技术已逐渐成熟，其成本呈逐年下降的趋势，过去阻碍PWM整流器走向大规模应用的门槛已经逐步消除。越来越多的工业应用场合需要使用PWM整流器。在这种形势下，一些国际知名的大公司又相继推出了自己的PWM整流产品，如西门子公司的有源前端（ActiveFrontEnd）系列产品，使更加实用、性能更为优异的大容量交流传动的应用成为可能。国内在功率换流领域方面的研究起步较晚，与先进的工业国家相比尚有较大的差距。因此，进行高性能的PWM整流器的研究开发工作，并尽快产品化具有重大意义。2．PWM整流器的基本拓扑整流器按照电源的相数可以分为单相整流器、三相整流器和多相整流器，按照电能是否能双向流动可以分为可逆整流器和不可逆整流器。文献[1]列举了数十种AC－DC变换器的拓扑，这里重点关注几种典型的三相可逆PWM整流器拓扑。2.1Boost型PWM整流器典型拓扑如图1所示。由于直流储能环节为电容，具有电压源性质，常被称为电压型PWM整流器。这是目前研究得最多、应用最广泛的拓扑，具有直流母线电压可控、交流电流几乎正弦、单位功率因数等特点，而且主电路与最常用的电压型逆变器结构相同，可以与电压型逆变器组成背靠背结构的变频器，是交－直－交变频器理想的整流器。它的母线电压高于电网电压峰值，以保证对交流电流的控制能力，可以实现能量的双向流动。图1Boost型PWM整流器2.2Buck型PWM整流器典型拓扑如图2所示。这种拓扑与Boost型典型拓扑相比，除了直流储能变成电感之外，在交流侧还增加了一组滤波电容，可以起到抑制整流桥交流侧谐波电压的作用。在IGBT构成的桥臂上，需要串联与IGBT同方向的二极管，以提供阻断反向电流的能力。它的直流电压方向可逆，在低于电网电压的范围内大小可控，可以作为稳定的低压直流电源。图2Buck型PWM整流器2.3多电平PWM整流器在高压大容量系统中，多电平结构有很大的发展前景。图3是典型的二极管中点箝位型三电平PWM整流器拓扑。多电平结构可以用电压等级较低的开关管构成电压等级较高的系统，而且开关管换流时的电压变化率较两电平的低，交流侧电压非常接近正弦。但是存在电容均压问题，控制复杂。负载图3二极管箝位型三电平PWM整流器3．PWM整流器基本控制原理PWM整流器的控制目标有两个：一是使直流侧输出电压稳定，二是使交流侧输入功率因数为1或可控。三相Boost型PWM整流器运行于单位功率因数整流时，其交流侧基波相量图如图4所示。如果以电流为控制对象，要做到单位功率因数整流，只需控制整流器网侧电流与电网电压同相位。根据电流控制策略的不同，可以分为直接电流控制和间接电流控制。近年来，以网侧输入的有功功率和无功功率为控制对象的直接功率控制策略也得到了不少研究，尤其是用于无电压传感器的整流控制中。aIaEaULaU图4PWM整流器交流侧稳态相量图3.1间接电流控制也称为幅值相位控制或幅相控制。通过控制整流桥交流侧基波电压的幅值和相位达到控制输入电流的目的，其电流控制的依据是整流器交流侧的稳态相量关系，对电流的控制是开环的。间接电流控制控制结构简单，无需电流传感器，成本较低。但是基于稳态模型的控制在系统的过渡过程中特性很差，有较大的电流超调，电流振荡剧烈，因此实际应用很少。3.2直接电流控制直接电流控制对整流器输入电流进行闭环控制，其控制依据是整流器的动态方程。直接电流控制对瞬时电流波形进行高精度控制，具有很好的动态性能，可以补偿系统参数变化带来的误差以及管压降和死区的影响，而且易于防止过载和实现过流保护[2]。事实上，高性能的电力电子控制设备大多具有直接电流控制，在研究PWM逆变器时提出的电流控制技术基本上都能应用于PWM整流器中。直接电流控制的PWM整流器的控制器都是采用的双闭环结构。外环为电压环，通过对直流母线电压的调节得到交流电流的指令瞬时值。内环为电流环，控制三相交流电流跟随指令值。电流控制器比较电流瞬时值与指令值，产生能减少电流误差的开关信号，因此电流控制器具有减小误差和产生调制的作用[2]。3.3.1滞环电流控制如图5所示，将实际电流与给定电流比较，偏差值作为滞环比较器的输入，当偏差在滞环之外时改变开关管通断的驱动信号，驱动整流桥桥臂状态改变，使电流误差减小。传统的滞环电流控制器可以用模拟器件实现，开关频率不固定，而且随着滞环宽度的减小而升高，随着负载增加而升高，因此电流谐波的分布是随机的，不利于滤波器的设计；开关损耗变化较大，不利于散热设施的设计。为了得到固定的开关频率和便于微机数字控制，现在应用较多的是具有固定开关频率的滞环控制，即增量调节控制。增量调节控制将每一个等时间间隔采样的实际电流与给定电流比较，根据二者的大小决定整流器的开关状态。采样周期越小，实际电流越接近给定电流，开关频率也越高。这种控制有固定的开关频率，但是电流误差的幅值不再恒定。采用三相滞环电流比较的整流器，由于各相独立控制，其直流电压利用率只能达到0.866，而且相间存在互相影响，开关状态的改变并不一定使该相电流往设定的方向改变，电流误差可能会超出原先设定的滞环宽度。但是系统结构简单，电流响应速度快，控制运算未使用电路参数，具有很强的鲁棒性。+−++−−三相负载*Ai*Bi*CiDCUBSCSAiBiCiAS图5滞环电流控制器3.3.2预测电流控制在每个采样周期的开始，根据实际电流的误差和电路参数、负载情况等信息，计算出合适的开关状态或者电压矢量，使采样周期结束时，电流实际值与给定值之间保持最小的误差。如图6所示。预测电流控制器可以在三相坐标系中实现，也可以在两相坐标系中实现。在三相坐标系中实现时，直流母线电压利用率只能达到0.866；在两相坐标系中实现可以提高电压利用率至1，扩大了系统的带载稳定范围，增加系统的调节能力。预测电流控制具有良好的控制效果，但是其控制精度依赖于系统参数，在采样频率不高时，电流误差较滞环电流控制时大。+−−三相负载T*sisiDCUBSCSASPWM调制负载模型电压矢量指令值计算*sue图6预测电流控制器3.3.3PI调节电流控制这是种典型的线性控制方法，包括ABC坐标系下的PI调节电流控制和同步旋转坐标系下的PI调节电流控制，其中后者的使用较多，这可能也是目前应用得最多的控制方式。将电流指令值与实际值的偏差作为PI调节器的输入，调节器输出所需的空间电压矢量。在同步旋转坐标系中，电流给定值是直流量，PI调节器可以做到无差调节，因此系统的控制精度高。运用空间矢量将三相作为一个整体考虑，直流电压利用率高。+−−三相负载*didiDCUBSCSASPWM调制ABCαβdqαβdqαβ+*qiqiγ图7同步旋转坐标系下PI调节电流控制器3.3直接功率控制该方法以整流桥交流侧的瞬时有功功率和瞬时无功功率作为被控量，进行反馈调节，因此称为直接功率控制。与直接电流控制的电压环输出电流指令值不同，直接功率控制的电压环输出有功功率的指令值，因为PWM整流器的直流母线电压是与电网输入的有功功率直接相关联的。为了实现单位功率因数整流，无功功率的指令值为零。将整个电压矢量空间划分出扇区，当电网电压矢量处于某个扇区时，整流桥输出的不同电压矢量对于系统输入的有功功率和无功功率的影响是不同的。因此可以制作一个矢量表，表中存储电网电压矢量在不同的扇区时，如果需要增加或减少有功功率或无功功率，整流桥应该发出相应的矢量。三相负载DCUBSCSAS矢量表电网电压相角和功率计算+−−*pp+*qqγ图8直接功率控制使用滞环比较器，其输入为瞬时有功功率和瞬时无功功率与对应的指令值的偏差，输出为有功功率或无功功率的调整方向。根据功率调整方向和电网电压矢量所在扇区查表，即可得到整流桥桥臂的驱动信号。直接功率控制结构较为简单，动态响应好；缺点是开关频率不固定。4．PWM整流器无传感器控制三相Boost型PWM整流器通常需要三种传感器，即交流电压传感器、交流电流传感器和直流电压传感器，比普通的逆变器多两个传感器。不少学者研究了省去部分传感器的整流器控制策略[3-23]。对于实际运行的整流器，通常需要装设交流过电流保护和直流母线过电压保护，省去交流电流传感器或者直流电压传感器都会对整流装置造成不利影响[6]。省去交流电压传感器对整流器的安全运行不会造成太大的危害，可以用普通的逆变器实现整流而无需增加设备[7]，也利于PWM整流装置的模块化。省去交流电压传感器就无法直接测量电网电压同步信号，因此获得同步信号就是PWM整流的关键。4.1电网电压估算文献[6]提出了用瞬时功率和电流矢量估算电网电压矢量的方法。整流器的瞬时视在功率可以表示为电压矢量与电流矢量的积*svipjqαβαβ==+(1)其中有功功率和无功功率分别为[]()31()()()3abcabcDCaabbccaccaDCabcbcacabdididipLi