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1、大连理工大学电源技术大作业学习中心：奥鹏远程教育深圳学习中心（直属）层 次： 高起专 专 业： 电力系统自动化技术 年 级： 2013年春季 学 号： 131061128286 学生姓名： 王岚 大工14春电源技术大作业及要求题目四：PWM整流器控制技术的发展总 则：对PWM整流器控制技术的原理及发展趋势进行研究。撰写要求：（1）介绍PWM整流器控制技术的基本原理及其主要特点。（2）对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。（3）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。（4）总结（需要说明的问题）。（5）为区分离线作业是否独立完成，请写些自己对该课
2、程的想法或者学习心得。PWM整流器控制技术的发展 PWM整流器可以实现功率因数校正和谐波抑制，网侧电流且电能可双向流动。早在20世纪70年代，国外就开始了该项技术的基础研究。从20世纪80年代后期开始，随着全控型器件的问世，采用全控型器件实现PWM高频整流的研究进入高潮。 控制技术是PWM整流器发展的关键。就已发展的控制技术看，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
3、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PVVM整流器调制技术、原理、特点进行系统的分析和综述，并评述了国内对PWM整流器控制技术研究的主要贡献。由此展望未来的控制技术。一、PWM整流器控制技术的基本原理及其主要特点 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，P
4、WM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
5、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。二、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。 （一）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。该类控制原理如图1所示。 图1三相PWM整流器滞环电流控制 这种控制方法的优
6、点是结构简单，电流响应速度快，控制运算中未使用电路参数，系统鲁棒性好，应用较广。缺点是开关频率在一个工频周期内不固定，谐波电流频谱随机分布，因而给滤波器的设计带来困难。 （二）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。三相PWM整流器固定开关频率控制原理如图2所示。 图2三相PWM整流器固定开关频率控制这种控制方法克服了滞环电流控制方式开关频率不固定的缺点，每相电流的变化只和该相输人电压和输出电流有关，电流响应速度快，系统鲁棒性好。 （三）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，
7、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。图3为三相PWM整流器预测电流控制原理图。 图3三相PWM整流器预测电流控制预测电流控制具有良好的控制效果，但其控制精度依赖于系统参数，且在采样频率不高或受微处理器运算速度限制的情况下，其电流误差比滞环电流控制要大。 （四）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。图4给出基于dq坐标变换控制的系统框图。其中，电压调节器输出有功电流给定，为保证整流器的功率因数为1，无功电流给定=0。这种控制策略不仅具有直接电流控制的动态响应快、稳态性能好、
8、自身有限流保护能力等优点，并且还可以消除电流稳态误差，使系统得到较好的动静态性能。图4 三相PWM整流器基于dq坐标变换矢量控制 （五）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。图5所示为基于电压的直接功率控制系统框图。有功功率的给定值由PI调节器的输出和反馈的直流电压相乘得到，为保证整流器的功率因数为1，无功功率给定值设为0。有功和无功功率的计算公式为： （1） (2) 直接功率控制系统的结构和算法都较简单，系统动态性能好，鲁棒性强，容易实现数字化，且对于交流侧电压的不平衡
9、和谐波失真也有一定的补偿作用。图5 三相PWM整流器基于电压的直接功率控制 （六）单周期控制 单周期控制是一种非线性控制技术网，同时具有调制和控制的双重性。单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。图6所示是PWM整流器单周期控制原理图：图6 三相PWM整流器单周期控制单周期控制技术的主要优点是:控制电路简单，在一个周期内消除稳态、瞬态误差，动态响应快，开关频率恒定，抗电源扰动性好，鲁棒性好。三、电流型PWM整流器的控制技术三相电流型PWM整流器拓扑及其控制系统结构如图7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PM整流器上。但由于电流型直
10、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。图7三相电流型PWM整流拓扑及控制系统结构 （一）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圈产生的整流桥人端三相线电流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
11、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引起网侧动态过程电流谐振。 （二）特定谐波消除PWM应用特定谐波消除PWM可以将电流型PWM整流器人端三相线电流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1给出了消除偶数次谐波和奇数次谐波的方法。文献2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3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。 （三）空间矢量PWM三相电流型PWM整流器的六个开关管总共有9种开关状态，需采
12、用三值逻辑PWM信号发生技术。定义三值逻辑开关函数为由电流型整流器的9种开关状态构成的电流空间矢量图如图8所示。几为6个非零矢量，为三个零矢量，当零矢量有效时，直流侧电流通过二极管续流，三相电流型PWM整流器交流侧不输出任何电流。 图8 电流空间矢量及扇区划分4、 PWM整流器控制技术的研究现状 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4、瞬时值比较法电流控制5、固定开关频率的PWM控制6、预测电流解耦控制7、非线性系统反馈解耦控制8、单周期控制、无电流传感器的三相PWM整流器控制策略9均得到研究。另外，文献10提出了一种新的带初始磁链估
13、计的虚拟电网磁链观测器方案。文献11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12-文献15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。五、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：（一）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
14、不平衡状态下仍能正常运行，必须提出相应的控制策略。 （二）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。 （三）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。六、结论本文对PWM整流器控制技术原理、特点及三相电压型和电流型PWM整流器主要控制技术的原理，以及国内在PWM整流器控制领域的主要研究成果进行了综述，同时展望了控制技术的发展趋势。PWM整流器的控制策略均有各自的优点和不足之处。可以预测的是，随着电力电子技术的不断发展，PWM整流器控制技术将会不断地发展和深入，从而促进WPM整流器更广泛地应用在更广阔的领域。参考文献：1HKarshenas，HKojori，SDewan.Generalizedtechniquesofselectiveharmoniceliminationandcurrentcontroli
