电气工程学科前沿——三相电压型PWM变流器分析

三相电压型 PWM 变流器分析

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1 引言

随着现代电力电子技术、微电子技术以及计算机技术的发展，以PWM(Pulse Width Modulation) 技术为基础的功率变换装置得到了越来越广泛的应用。PWM 整流具有高功率因

数、低谐波污染、能量双向流动、小容量储能环节、恒定直流电压控制等优点，在电力系统

有源滤波、无功补偿、潮流控制、太阳能发电以及交直流传动系统等领域，具有越来越广阔

的应用前景。根据整流器拓扑结构的不同，可以分为电压型整流器（ Voltage Source Rectifier ，

简称 VSR ）和电流型整流器（ Current Source Rectifier ，简称 CSR）两类 ,这两种整流器各有

优缺点，且互为对偶。而 VSR 具有结构简单、能量损耗低、变流效果好、动态响应速度快等

优点， 20 世纪 90 年代以来，电压型整流器的研究成为电力电子和电能变换领域最重要的研

究方向之一。[1]

2 PWM 变流器的原理

PWM 变流器是PWM 整流器和PWM 逆变器的统称，是运用脉宽调制技术对由电力电

子开关器件构成的特定的电路进行控制从而使得交流侧输入电流正弦且功率因数为1、能量可双向流动的一种电路结构。

与传统意义上的整流电路相比，PWM 整流器不仅是AC ／ DC 变换器。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。无论工作在那种状态，其网侧电流均能实现单

位功率因数控制。所谓单位功率因数是指：输入电流波形正弦，且当PWM 整流器运行于整

流状态时，网侧电压、电流同相位；当PWM 整流器运行于有源逆变状态时，其网侧电压、

电流反相位。因此，PWM 整流器实际上是一个交、直流侧可控的四象限运行的变流装置。

下面通过变流器的模型来说明其工作的原理。

L i

E V负

e L载

图1 变流器的单相等效模型

变流器的单相等效模型如上图所示，在不考虑功率管以及连接电感损耗时，按照交直流侧功率平衡原则可得：

e(t ) i (t) i c (t ) u dc (t)(1)

由(1) 式不难得出，在电网电压不变时，可以通过控制交流侧电流即可实现对直流侧的控制；

反之亦然。由于整流电路的目的就是要获取一个稳定的直流侧电压且交流侧电流按正弦规律变

化，同时实现单位功率因数，因此，其控制完全可以通过直接或者间接的对网侧电

流进行控制实现。稳态条件下，PWM 整流器交流侧矢量关系可由下图表示。[2]

D D

E

O ’ E

O

A O C

V L C

V

V L

V A

I

B

I

B

a) 正电阻特性运行

b) 纯电感特性运行

I D

D

I

V

V L

O V L

E

E

A

O C

O ’ A

V C

B

B

c) 负电阻特性运行 d) 纯电容特性运行

图 2 PWM 整流器交流侧矢量关系图

其中 E — 电网电动势矢量 , V L — 电感电压矢量 ,V — 交流侧电压矢量 ,I — 交流侧电流矢量 (a)电压矢量 V 端点在圆轨迹 AB 上运动时， PWM 整流器运行于整流状态。

此时， PWM

整流器需从电网吸收有功及感性无功功率，电能将通过 PWM 整流器由电网传输至直流负

载。值得注意的是，当

PWM 整流器运行在

B 点时， 则实现单位功率因数整流控制；而在

A 点运行时， PWM 整流器则不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收感性无功功率。

(b)当电压矢量 V 端点在圆轨迹 BC 上运动时，PWM 整流器运行于整流状态。

此时，PWM

整流器需从电网吸收有功及容性无功功率， 电能将通过 PWM 整流器由电网传输至直流负载。

当 PWM 整流器运行至 C 点时， PWM 整流器将 不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收容性

无功功率

(c)当电压矢量 P 端点在圆轨迹 CD 上运动时， PWM 整流器运行于有源逆变状态。此时

PWM 整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能将从 PWM 整流器直流侧传输至电网。

当 PWM 整流器运行至

D 点时，便可实现单位功率因数有源逆变控制。

(d)当电压矢量 V 端点在圆轨迹 DA 上运动时，PWM 整流器运行于有源逆变状态。

此时，

PWM 整流器向电网传输有功及感性无功功率，电能将从

PWM 整流器直流侧传输至电网。

3 三相电压型变流器（ VSR ）SVPWM 数学模型

三相电压型整流器的数学模型是进行系统理论分析、 仿真实验以及系统开发设计的前提条件。图 3 所示为三相电压型整流器的主电路拓扑结构。

V 1 V 3 V 5

e a L i a VD 1

VD 3

VD 5

V a

负 e b L i b

C

V b

L

i c

载

e c

V c

O

V 4

V 6 V 2

VD 4

VD 6

VD 2

N

图 3 三相电压型整流器系统模型

由图可知， 三相电压型整流器的主电路主要由交流侧电感、 功率变换桥路、 直流侧滤波电容组成。