基于纹波电压补偿的单相PWM可逆整流器的研究

图 7 仿真波形
幅值（V）
2008 年 第 6 期
李学亮，宋建成，郑丽君 基于纹波电压补偿的单相PWM 可逆整流器的研究
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5 仿真波形及结果分析
单位功率因数整流与有源逆 变运行时的仿真波形如图 7 所示。 可以看出，经过一段时间后直流电 压稳定在给定值 400V 左右，整流 模式运行时的偏差不超过 0．5％， 有源逆变运行时的偏差不超过 3．5％，交流输入电流与电压同相 位，并保持正弦形状，且在两种运
compensating output ripple voltage is applied to improve the traditional voltage and current closed -loop control
strategy. The simulation of the single-phase reversible rectifier model is carried out with Simulink. The simulation
中所含的二次纹波，可由锁相环得到。
4 单相 PWM 的 Simulink 模型
应用 Matlab/Simulink 中的模块所搭建的单相 PWM 整流电路的物理仿真模型如图 5 所示 ［4］，其 中各个功能块用子系统封装起来，主要包括 PI 调 节模块、PWM 脉冲生成模块、纹波电压补偿模块。 其中负载端的直流电压在整流模式运行时给定值 为 0V，在有源逆变模式运行时给定值为 800V。
Key words: single-phase PWM; reversible rectifier; ripple voltage compensation
1 引言
目前电力机车牵引系统普遍采用长距离单相 供电，若将单相 PWM 整流电路用于交流电力机 车传动系统，为间接式变频电源提供直流中间环 节，不仅可以使网侧基波功率因数达到 1，有效提 高电能利用率，而且可以显著提高电网运行质量 和经济效益，并减轻对环境的电磁干扰。同时 PWM 整流电路还具有稳压功能，当负载和网压变 化时，能维持直流电压恒定，有效改善逆变电路的 工作条件；与传统的不控整流和相控整流相比， PWM 整流电路还具有能量双象限传输特性，可实 现再生制动、节省能耗等优点。随着 PWM 整流电 路的不断发展，其应用范围也由牵引电源不断扩 大到电力系统有源滤波、无功补偿、潮流控制、不 间断电源等诸多领域。本文采用基于补偿输出纹 波电压的控制策略来降低 PWM 整流电路的输入 电流的畸变，并通过仿真试验进行了验证，效果明 显。
VT1
iN uL
LN
uN
uS
VD1 VT3
VD3 id ud
Cd Rd
VT2 VD2 VT4 VD4 图 1 单相 PWM 整流电路拓扑结构
D
0
A
uN
C
uL
uS φ
iN Β
图 2 单相 PWM 稳态矢量关系
2008 年 第 6 期
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cos φ sin（2ωt）
（8）
由于双闭环控制的目的是要使输出电压跟随
给定电压 Ud* 的变化，输入电流跟随给定电流的变
化，所以上式可变为：
u軌d
=-
UN IN 4ωCUd*
cos φ sin（2ωt）
（9）
式中，cosφ 代表功率流动的方向，整流运行时为 1，
有源逆变运行时为-1；sin（2ωt）代表直流输出电压
uN
锁相环 sin ωt
Ud* + -
PI IN*
ud =u軌d +Ud
iN* + - PI
比 PWM 较 脉冲
图 3 传统的双闭环控制策略
相乘后形成交流输入电流的给定信号，与实际交流 输入电流进行比较，比较后的电流误差信号经电流 PI 调节器后与三角载波信号进行比较形成 PWM 脉冲信号。控制框图如图 3 所示。
3 改进的控制策略
常用的电压型 PWM 整流控制策略有幅相控 制、滞环控制和双闭环控制 3 种。其中幅相控制系 统动态性能不佳，对系统参数变化比较敏感；滞环 控制开关频率在一个工频周期内不固定，谐波电 流频谱分布随机，给滤波器的设计带来困难等。
传统的双闭环控制［2］ 其外环为直流电压控制 环，内环为交流电流控制环。直流电压给定信号与 通过电压霍尔传感器检测到的实际直流电压比较 后，将比较产生的误差信号送入电压 PI 调节器，PI 调节器的输出为一直流电流指令信号，其大小与 交流输入端的电流幅值成正比，它与标准正弦波
（太原理工大学 电气与动力工程学院，山西 太原 030024）
摘要：在分析单相 PWM 整流器工作原理的基础上，采用补偿输出纹波电压的方法改进了传统的电压电流双
闭环控制策略，并在 Simulink 环境中对单相可逆整流器模型进行了仿真。仿真结果表明，采用补偿输出纹波
电压的方法可以有效降低由输出纹波电压引起的输入电流畸变，从而减少对电网的污染。
Mag（% of Fundamental）
③电压矢量 uS 端点在圆轨迹 CD 上运动时， PWM 整流电路运行于有源逆变状态。此时，PWM 整流电路向电网传输有功功率及容性无功功率。
④电压矢量 uS 端点在圆轨迹 DA 上运动时， PWM 整流电路运行于有源逆变状态。此时，PWM 整流电路向电网传输有功功率及感性无功功率。
其中，当 PWM 整流电路运行在 B 点和 D 点 时，可实现单位功率因数整流和有源逆变运行。整 流器输入端电压 uS 中除了含有与电网同频率的 基波分量外，不含低次谐波成分，但含有与开关频 率有关的高次谐波。由于 LN 的滤波作用，这些高 次谐波电压只会使交流电流 iN 产生很小的脉动。 如果忽略这种脉动，iN 为频率与电网同频率的正 弦波。
（College of Electrical and Dynamical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuad on the analysis of the operation principle of single -phase PWM rectifier, the method of
u軌d -
PI IN*
iN* + - PI
ud
sin ωt iN
-1 4ωCUd*
sin 2ωt cos φ
UN ×IN
比 PWM 较 脉冲
图 4 改进的双闭环控制
假设输入电压、电流均为纯正弦波，且运行在 单位功率因数状态，其表达式为：
u（N t）=UN sin ωt
（1）
i（N t）=IN sin（ωt-φ）
cosφ
cos（2ωt）
（3） （4）
同式（4）一样，直流侧的瞬时功率也由两部分
组成，一部分是流过负载的平均功率，一部分是纹 波电流流过直流输出电容起的纹波功率，其表达
式为：
p（d t）=Ud Id +CUd
du軌d dt
（5）
式中：Ud 和 Id 分别为平均输出电压和电流；u軌d，为输 出纹波电压。
-C-
Vs*Is
×
K-
Sin（2ωt）
1
zhengliu yunxing
（a）纹波补偿子模块
1 v（0）
Rectangular Pulse Generator1
NOT
AND ＞＝ olea NOT AND
1
in1
AND
× ＞＝ olea NOT AND
bubl 1 PWM
-1 Rectangular Pulse Generator2 （b）PWM 脉冲生成子模块
2008 年 第 30 卷 第 6 期 第 34 页
电气传动自动化 ELECTRIC DRIVE AUTOMATION
文章编号：1005—7277（2008）06—0034—04
基于纹波电压补偿的 单相PWM 可逆整流器的研究
Vol．30，No．6 2008，30（6）：34～ 37
李学亮，宋建成，郑丽君
假设系统无损耗，交流输入端的功率和直流输 出端的功率相等，则有：
p（N t）=p（d t）
（6）
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电气传动自动化
2008 年 第 6 期
将式（4）和式（5）代入式（6）可得：
CUd
du軌d dt
=- UN IN 2
cos φ cos（2ωt）
（7）
上式两端同时积分可得：
u軌d
=-
UN IN 4ωCUd
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势矢量为参考时，通过控制整流器输入端电压 uS 即可实现 PWM 整流器的四象限运行。从图 2 可以 看出：
①电压矢量 uS 端点在圆轨迹 AB 上运动时， PWM 整流电路运行于整流状态。此时，PWM 整流 电路需从电网吸收有功功率及感性无功功率。
②电压矢量 uS 端点在圆轨迹 BC 上运动时， PWM 整流电路运行于整流状态。此时，PWM 整流 电路需从电网吸收有功功率及容性无功功率。
+
i -
+
L
220V
g
+
R
A
C
+ -
V
+
-
Ed
B
V（0） compensating ripple
voltage block
Universal Bridge
+ -
Ud
400 Ud* Out1
in
PI controller
In1 PWM PWM generator
图 5 Simulink 仿真模型
纹波补偿子模块如图 6（a）所示。PWM 脉冲生 成子模块如图 6 （b） 所示，图中有两个周期为 0．02s 的矩形脉冲信号，其作用是防止上下桥臂的 两个 IGBT 同时导通。这是因为在系统处于整流模 式运行时，VT2、VT3 只在输入电压的正半周期导通， VTl、VT4 只在输入电压的负半周期导通；有源逆变 运行时情况正好相反。通过两个矩形脉冲信号可以 控制各 IGBT 在不需要导通的半个周期内不提供触 发脉冲，从而抑制上下桥臂 IGBT 的误导通。