PWM整流器控制技术的发展

PWM整流器控制技术的发展
文章分别就PWM整流器控制技术的基本原理及其主要特点、三相电压型和电流型PWM整流器主要控制技术的原理进行阐述。

此外还分析国内外对PWM 整流器控制技术的研究现状，并对其发展趋势进行展望。

从电力电子技术发展来看，传统的相控整流器应用时间较长，技术也成熟且被广泛应用，但其存在如下的诸多问题。

1).晶闸管换相引起网侧电压波形畸变。

2).网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”。

3).深控时网侧功率因数降低。

4).闭环控制时动态响应相对较慢。

针对这些问题，PWM整流器进行了全面的改进。

其关键性的改进在于用全控型功率开关管取代了半控型功率开关管和二极管，以PWM斩控整流取代了相控整流或不控整流。

因此PWM整流器就取得了以下的优良性能。

1).网侧电流为正弦波。

2).网侧功率因数控制。

3).电能双向传输。

4).较快的动态控制响应。

由于电能的双向传输，当PWM整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态，而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工作状态。

所谓单位功率因数是指当PWM整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相正阻特性，当PWM整流器运行于有源逆变状态时，网侧电压、电流反相、负阻特性。

进一步研究表明，由于PWM整流器网侧电流及功率因数均可控。

因而可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合。

综上可见，PWM整流器实际上是一个交、直流可控的四象限，运行变流装置。

控制技术是决定PWM整流器发展的关键因素，PWM整流控制对象是输入电流和输出电压，其中输入电流控制是整流器控制的关键。

这是由于应用PWM 整流器的目的是使输入电流正弦化，在单位功率因数下运行。

对输入电流有效控制实质就是对电力电子变换器的能量流动进行控制，进而控制输出电压。

相反，
控制变换器有功功率和无功功率流动，可以控制输出直流电压和输入电流，使得系统处于单位功率因数运行状态。

目前PWM整流器控制技术主要分成两类，一类是三相电压型PWM整流器控制技术；另一类就是三相电流型PWM整流器控制技术。

就已发展的控制技术来看，三相电压型PWM整流器的电流控制技术有滞环PWM电流控制、固定开关频率的电流控制、预测电流控制、矢量控制、直接功率控制、单周期控制。

另外，状态反馈控制、滑模变结构控制、基于Lyapunov 非线性大信号方法控制、模糊控制、神经网络控制等也都已经成功应用在电压型PWM整流器的控制上，电流型PWM整流器常用的调制技术包括载波调制PWM、特定谐波消除PWM和空间矢量PWM。

为此，本文分别就三相电压型PWM整流器的电流控制技术和电流型PWM整流器调制技术原理进行阐述并分析国内外对PWM整流器控制技术的研究现状并对其发展趋势进行展望。

电压型PWM 整流器控制技术
电压型PWM整流器要控制的变量有两个，一是整流器的输出电压，二是整流器输入电流。

前者要求稳定输出控制，后者要求跟随输入电压的相位，因此PWM整流器控制结构常采用双环控制系统。

1滞环PWM电流控制。

PWM整流器滞环PWM电流控制是将实际输入电流与指令电流的上、下限相比较，其交点作为开关点。

指令电流的上、下限形成一个滞环，从而控制输入电流的变化。

2固定开关频率PWM控制。

固定开关频率的PWM控制是将指令电流和实际电流误差经比例调节后和三角波比较，其结果用来控制整流器主电路中开关元件的通断。

3预测电流控制。

预测电流控制的思想是从开关的在线优化出发，根据负载情况和给定的电流矢量变化率，推导出使电流误差矢量趋势于零的电压矢量去控制PWM整流器的开关。

4矢量控制。

基于dq坐标变换的矢量控制通过对PWM整流器有功和无功电流的控制,达到控制输入电流的结果。

5直接功率控制。

直接功率控制是通过对PWM整流器瞬时有功和无功功率的直接控制，达到直接控制瞬时输入电流的结果。

基于电压的直接功率控制是以基于dq坐标变换控制为基础的。

6单周期控制。

单周期控制是一种非线性控制技术，同时具有调制和控制的双重性。

单位周期控制电路主要元件包括积分器、复位单元、比较器和D 触发器等器件。

电流型PWM整流器的控制技术
三相电流型PWM整流器的拓扑结构
三相电流型PWM整流器拓扑及其控制系统结构如图所示。

从理论上讲，电压型PWM整流器的控制策略均可以对偶地应用在电流型PWM整流器上。

但由于电流型直流侧需要较大的电感储能，交流侧的滤波电容与网侧电感一起组成LC滤波器易导致振荡和电流畸变，其结构和控制相对复杂，仅有有限的几种控制方法得到应用和研究。

本文重点介绍电流型PWM整流器的在线PWM调制技术。

1载波调制PWM。

载波调制PWM利用载波与调制信号的交点决定开关动作的位置，产生PWM信号控制电流型PWM整流器。

载波信号一般采用三角波和锯齿波，调制信号可以是正弦波、注入零序分量的正弦波、梯形波等。

三角载波与网侧电流正弦信号波调制产生的整流桥入端三相线电流PWM波形中，含有与载波频率相关且边频带与调制波频率相关的谐波成分，幅值较大的谐波主要分布在载波频率及其整数倍附近。

由于电流型PWM整流器网侧具有二阶滤波环节，这些谐波的存在可能性引起网侧动态过程电流谐振。

2特定谐波消除PWM 。

应用特定谐波消除PWM可以将电流型PWM整流器入端三相线电流PWM波形中不希望有的低次谐波消除，并控制基波电流的大小。

文献给出了消除偶数次谐波和奇数次谐波的方法。

文献[12]利用三个单相电
流型PWM整流器构成三相电流型PWM整流器减少了求解非线性超越方程组的工作量，但与三相六管的结构相比，功率开关管增加了一倍。

文献[12]提出了一种在控制基波电流的大小的同时，消除任意次谐波的方法。

3空间矢量PWM 三相电流型PWM整流器的六个开管总共有9种开关状态，需采用三值逻辑
PWM信号发生技术。

PWM整流器控制技术的现状
目前，PWM整流器控制技术的研究取得了一定的进展。

在电压型PWM整流器
控制技术方面，滞环电流控制[1]、瞬时值比较法电流控制[2]、固定开关频率的PWM控制[3]、预测电流解耦控制[4]、非线性系统反馈解耦控制[5]、无电流传感器的三相PWM整流器控制策略[6]均得到研究。

另外，文献[7]提出了一种新的带初始磁链估计的虚拟电网磁链观测器方案。

文献[8]提出了一种神经网络电流内环控制加混合模糊PI电压外环控制的双环控制结构。

在电流型PWM整流顺控制方面，文献[9]-文献[11]相继对电流型PWM整流器的Dalta调制、空间矢量调制、预测控制、电网不平衡条件下的控制、非线性控制进行了研究。

控制技术研究展望
随着PWM整流器控制策略研究的的不断深入，其控制技术主要向以下三个方面发展：
(1)电网不平衡条件下PWM整流器的控制技术研究目前关于电网处于不平衡状态时，PWM整流器的研究主要围绕整流器网侧的电感及直流侧电容的设计准则，或者是通过控制系统本身去改善和抑制整流器输入侧的不平衡因素。

为了使PWM整流器在电网处于不平衡状态下仍能正常运行必须提出相应的控制策略。

(2)将非线性控制理论应用到PWM整流器控制技术中。

为提高PWM整流器的性能，研究人员开始将非线性状态反馈控制Lyapunov非线性大信号方法以及无源性控制理论应用到PWM整流器控制中。

待研究的主要问题是最佳能量函数和反馈控制率的确定方法。

(3)智能控制技术的研究。

针对PWM整流器的双闭环控制系统中的PI调节
器的参数难以确定，以及系统参数具有非线性和时变性的问题，为进一步提高PWM整流器的性能，将模糊控制和神经网络控制结合起来，利用模糊逻辑的智能推理机制和神经网络的自学习能力，将能组成更好的控制方案。

结束语。

随着电力电子技术的不断发展，可以预测的是PWM整流器控制技术将会不断地发展、深入，从而促进PWM整流器在更广阔的领域得到应用。

[1]董晓鹏，王兆安。

三相电压型单位功率因数PWM整流器的研究[J]。

电力电子技术，1997（4）：39-41。

[2]屈莉莉，杨兆华，秦忆等。

恒频电流跟踪控制的三相PWM可逆AC/DC变流器的研制[J]。

电力电子技术，2002，36（4）：12-14 [3]鞠儒生，陈宝贤，陈燕。

一种新型PMW整流器[J]。

电工技术学报，2002，17（6）：42-58 [4]邓卫华，张波，丘东元等。

三相电压型PWM整流器状态反馈精确线性化解耦控制研究[J]。

中国电机工程学报，2005，25（7）：97-103 [5]毛鸿，王毅，吴兆麟等。

三相电压型PWM整流器无电流传感器控制策略研究[J]。

电工技术学报，2001，16（2）：56-60 [6]赵仁德，贺益康。

无电网电压传感器三相PWM整流器虚拟电网磁链定向矢量控制研究[J]。

中国电机工程学报，2005，25（20）:56-60 [7]王宝诚,梅强,邬伟扬等。

三相变流器的模糊PI神经网络控制研究[J]。

电工技术学报，2005，20（8）：68-73 [8]李玉玲，楼珍丽，张仲超。

三相电流型整流器的空间矢量调制技术研究[J]。

电力系统及其自动化学报，2005，17（1）：41-44 [9]李玉玲，鲍建宇，张仲超。

电流型变流器的改进模型预测控制[J]。

控制理论与应用，2005，22（6）：1-5 [10]李玉玲，张仲超。

电流型变流器在电网电压不平衡时的控制[J]。

电力系统自动化。

2005，29（16）：72-75 [11]张兴，张崇巍。

采用电流矢量控制的电流型PWM AC/DC变换器的非线性控制策略的研究[J]。

微电子与计算机，2002，8，7-10
[12]孙琳琳，郝瑞祥，游小杰。

无死区的特定谐波消除PWM控制策略的研究[J]。

电气应用。

2008,27（5）：76-79。