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1、4 PWM整流技术,4.1 PWM整流技术的应用情况,4.1.1发展原因,功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽调制（）控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛的应用。 但是，目前这些变流装置很大一部分需要整流环节，以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网“污染”。 治理这种电网“污染”最根本措施就是，要求变流装置实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。,因此，作为电网主要“污染”源
2、的整流器，首先受到了学术界的关注，并开展了大量研究工作。其主要思路就是，将技术引入整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化，且可运行于单位功率因数。,4.1.2 有源电力滤波（）及无功补偿（）,分析,并联型有源电力滤波器网侧实质上可以看成一个等效的可控电流源，它产生一个与被补偿量（谐波电流及无功电流）的量值相等，且相位相反的补偿电流，并注入电网，这样电网电流即获得所需功率因数角的正弦波电流，以达到有源滤波及无功补偿的目的。此时，系统既实现了对电网的有源滤波（）同时也补偿了无功（）。 实际上，当基于整流器拓扑结构的有源环节只向电网注入无功电流而不补偿谐波电流时，该有源环节相当一个静止无功补偿器（
3、）。,4.1.3 统一潮流控制器（）,统一潮流控制器（）是柔性交流输电系统（）技术中最引人注目、最有应用前景的一种电力补偿装置。用于输电网，主要起控制有功潮流和吞吐无功功率的作用,分析,。主电路主要由串联变流器和并联变流器组合而成， 其串联变流器通过变压器向电力网引入一个幅值可变、相位可任意调节的电压源，从而能对线路的有功、无功功率进行控制； 而并联变流器则采用了整流器拓扑结构，它通过变压器向电力网引入一个幅值可变、相位可任意调节的电流源，从而具有快速吞吐无功功率的能力，并联变流器的另一个主要作用是提供一个稳定的直流电压，以确保串、并联变流器的正常运行。,4.1.超导磁能储存（),超导磁能储存
4、主要用于电力网的调峰控制以及其他需要短时补偿电能的场合。在电力网用电量正常时，电网中的电能通过变流装置的超导线圈储存足够的能量，系统的拓扑结构而当用电量很大（用电高峰） 时，超导线圈中的能量则通过变流装置向电力网馈能，从而起到调峰作用。超,图 超导磁能储存（）,分析,一般而言，主电路常由电流型整流器组成，将损耗极小的超导线圈串入整流器直流侧，使其既是电流型整流器的直流缓冲电感，又是其直流侧的负载线圈，这种设计简化了电流型整流器主电路结构，并克服了常规电流型变流器损耗大的不足。,4.1.5 四象限交流电动机驱动系统,若将整流器取代二极管整流器，不仅可实现交流电动机的四象限运行，以及网侧单位功率因
5、数正弦波电流控制，还可使直流侧获得足够高且稳定的直流电压，从而改善了电动机的驱动性能。 另一方面，通过引入适当的控制策略，还可以大大减少直流侧电容的电容量，提高装置运行可靠性。,四象限交流电动机驱动 系统的拓扑结构,4.1.6 太阳能、风能等可再生能源的并网发电,太阳能光伏并网发电系统由太阳电池以及整流器组成，整流器经过最大功率点寻优控制将太阳电池电能并入电网，并实现网侧单位功率因数正弦波控制。 风力发电机侧的整流器控制风力发电机运行，且输出电流为正弦波，从而提高了风力发电机的运行效率。同时，通过发电机转矩的调节，以满足风力机的最大功率点运行；而网侧的整流器则完成向电网的馈电控制，并实现网侧单
6、位功率因数正弦波电流控制。,太阳能光伏并网发电系统的拓扑结构,风力发电机并网发电系统的拓扑结构,4.2 整流器原理概述,整流器实际上是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变流装置。先从模型电路阐述整流器 的基本原理。,整流器 模型电路,可以看出：整流器模型电路由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势以及网侧电感等；直流回路包括负载电阻及负载电动势等；功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组成。,稳态条件下，整流器交流侧矢量关系如图所示。,为简化分析，对于整流器模型电路，只考虑基波分量而忽略谐波分量，并且不计交流侧电阻。这样可从图分析：当以电网电动势矢量为参考时，通过控
7、制交流电压矢量即可实现整流器的四象限运行。 若假设不变，因此也固定不变，在这种情况下，整流器交流电压矢量端点运动轨迹构成了一个以为半径的圆。,当电压矢量端点位于圆轨迹点时，电流矢量比电动势矢量滞后，此时整流器网侧呈现纯电感特性，如图所示；,整流器四象限运行规律,（）电压矢量端点在圆轨迹)上运动时，整流器运行于整流状态。此时，整流器需从电网吸收有功及感性无功功率，电能将通过整流器由电网传输至直流负载。值得注意的是，当整流器运行在点时，则实现单位功率因数整流控制；而在点运行时，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。,（）当电压矢量端点在圆轨迹)上运动时，整流器运行于整流状态。此
8、时，整流器需从电网吸收有功及容性无功功率，电能将通过整流器由电网传输至直流负载。当整流器运行至点时，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。,（）当电压矢量端点在圆轨迹)上运动时，整流器运行于有源逆变状态。此时整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能将从整流器直流侧传输至电网。当整流器运行至点时，便可实现单位功率因数有源逆变控制。,（）当电压矢量端点在圆轨迹) 上运动时，整流器运行于有源逆变状态。此时，整流器向电网传输有功及感性无功功率，电能将从整流器直流侧传输至电网。,结论,显然，要实现整流器的四象限运行，关键在于网侧电流的控制。一方面，可以通过控制整流器交流侧电压，间接控
9、制其网侧电流；另一方面，也可通过网侧电流的闭环控制，直接控制整流器的网侧电流。,4.3 PWM整流器的主电路拓扑结构,PWM整流器根据主电路中开关器件的多少可以分为单开关型和多开关型；根据输入电源相数可以分为单相PWM整流电路和三相PWM整流电路；根据输出要求可以分为电压源型和电流源型。下面介绍几种常见的三相PWM整流电路的拓扑结构并简要分析它们的工作特性。,4.3.1 三相单开关PWM整流电路,三相单开关PWM整流器的主电路拓朴结构主要有如下几种。,1 单开关Boost型（升压型）,电路如图1所示，其中输出电压恒定，工作于电流断续模式（DCM），这种电路结构简单，在PWM整流电路中应用广泛。
10、,图1 三相单开关Boost型,.2 单开关Buck型（降压型）,电路如图2所示，与升压型成对偶关系，其输出电流恒定，输出电压较低，工作于断续电流模式（DCM）。,图2 三相单开关Buck型,4.3.2三相多开关PWM整流电路,三相多开关PWM整流器的主电路拓朴结构主要有如下几种。,.1 六开关Boost型,亦称为两电平电压型整流器或三相桥式可逆PWM整流器。电路如图3所示，每个桥臂上的可关断开关管都带有反并联二极管，可以实现能量的双向流动。以A相为例予以说明：当A相下桥臂中的开关管导通时，A相储能电感储能；当其关断时，A相电感储能通过上桥臂的二极管向直流侧释放磁能。因此，从广义上讲，这种桥式
11、PWM可逆整流器拓扑，仍属于升压式结构。六开关Boost型PWM整流器的特点是结构简单且宜于实现有源逆变，因而是目前应用和研究最为活跃的一种类型，也是多开关PWM整流电路中应用最为广泛的一种。,图3 三相多开关Boost型,.2 六开关Buck型,也可称为两电平电流型整流器，电路如图4所示，直流侧电抗器一般要求很大。由于电流型变换器的特点，交流侧输入LC滤波器通常是必不可少的，以改善电流波形和功率因数。这种电路拓朴较适合于空间矢量调制，且有降压作用。其缺点是直流侧大电感内阻较大，消耗功率较大导致其效率略低于六开关Boost型。,图4 三相多开关Buck型,3 三电平PWM整流电路,在大功率PW
12、M变流装置中，常采用拓朴结构如图5所示的三点式电路，这种电路也称为中点钳位型(Neutral Point Clamped)电路。与两点式PWM相比，三点式PWM调制波的主要优点，一是对于同样的基波与谐波要求而言，开关频率低得多，从而可以大幅度降低开关损耗；二是每个主开关器件关断时所承受的电压仅为直流侧电压的一半，因此，这种电路特别适合于高电压大容量的应用场合。不过三点式PWM可逆整流器的缺点也是显而易见的，一方面其主电路拓扑使用功率开关器件较多，另一方面，控制也比两点式复杂，尤其是需要解决中点电位平衡问题。,图5 三电平PWM整流电路,分析,从上面的分析可以知道，单开关主电路拓朴结构的共同优点
13、在于，控制结构简单，易于实现，且电源可靠性高；缺点在于其应用场合受到开关器件的影响，开关器件的耐压水平高低和开关频率的高低限制了这种电路的应用，其主要应用于中小功率的变频器或UPS电源。 与单开关结构的PWM整流器相比，多开关PWM整流电路的共同优点在于功率因数高，谐波失真小，可实现能量的双向流动，调节速度快，应用范围宽，主要应用于中大功率场合。缺点也很突出，诸如电路结构复杂，控制难度大，而且需要检测和控制的点较多，提高了控制成本；器件的增多也降低了系统的可靠性。但由于其性能指标要高于单开关结构的PWM整流器，且可实现能量的双向流动，是很有发展前途的拓朴结构。,4.4 控制方式,控制技术是PW
14、M高频整流器发展的关键。要使PWM整流器工作时达到单位功率因数，必须对电流进行控制，保证其为正弦且与电压同相或反相。根据有没有引入电流反馈可以将这些控制方法分为两大类：引入交流电流反馈的称为直接电流控制（DCC）；没有引入交流电流反馈的称为间接电流控制，间接电流控制也称为相位幅值控制（PAC）。,4.4.1 间接电流控制,间接电流控制就是通过控制PWM整流器的交流输入端电压，实现对输入电流的控制。这种控制方法没有引入交流电流控制信号，而是通过控制输入端电压间接控制输入电流，故称间接电流控制。又因其直接控制量为电压，所以又称为相位幅值控制。其原理图如图6所示。,图6 间接电流控制框图,分析,间接
15、电流控制引入一个电压环，由电压环得到一个与整流电路输出功率相匹配的输入电流幅值给定。再经过两个乘法器转换成输入电流的有功分量ip和无功分量iq，分别经R和L环节后转换成电压信号再与电源电压相减后，便得到给定电压调制信号，最后与三角波比较产生控制用的PWM信号，控制主电路的工作。这种控制方式的电路简单，但由于缺少了电流环，响应速度受到一定程度的影响；另外，用到了电路参数R及L，电路参数与给定参数一致性较差，也会影响控制的精度。,4.4.2 直接电流控制,与间接电流控制相反，在控制电路中引入交流输入电流反馈信号，对输入电流进行直接控制，称为直接电流控制。根据电流跟踪方法的不同，直接电流控制可分为滞环电流比较法控制、定时瞬时电流比较法控制和三角波电流比较法控制等。,(1) 滞环电流比较法控制,图7所示为滞环电流比较法控制的原理图。以其中A相进行说明，基本工作原理是电压调节器输出与和电源电压同相位的单位正弦信号相乘得到A相电流参考信号iA，iA再与检测到的A相电流信号iA比较，经过滞环产生PWM调制波，对各开关器件进行控制，达到控制电流与电压完全同相或反相的目的。,图7 滞环电流比较法控制原理图,
