电气工程学科前沿——三相电压型PWM变流器分析

姓名： 学号： 专业：

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。

LiVEeL负载

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)gi(t)ic(t)gudc(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]

DEAVDEVLOVLBICO’VAIOC

B

Da) 正电阻特性运行 b) 纯电感特性运行

IVAEDVLOCO’EAVOVLICB

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, VL—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。

V1eaebOecLLLiaibicV4V6VD4V3VD1VaVbVcV2VD6NVD2V5VD3VD5C负载

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。

三相静止坐标系中的数学模型

由基尔霍夫电路定律建立三相电压型整流器电压回路方程，得：

diaLdtRiaea(vaNvNO)dibRibeb(vbNvNO)LdtdicLRicec(vcNvNO)dt(1)

开关函数定义为

1Sk0上桥臂开通，下桥臂关断上桥臂关断，下桥臂开通2

考虑到系统三相对称，且考虑到交流侧电压与开关函数和直流侧电压的关系，因此有：

udcvSkNO3ka,b,cvSgukNkdc(3)

带入(1)式可得：

1diaLRie(S(SaSbSc))gudcaaadt31dibRibeb(Sb(SaSbSc))gudcL3dt1dicLRie(S(SaSbSc))gudcccc3dt(4)

在某一时刻，某一开关状态下对直流侧电容与负载运用基尔霍夫电流定律，并联立(3)

式，可得三相电压型PWM整流器在abc三相静止坐标系数学模型。

1diaLRie(S(SaSbSc))gudcaaadt3LdibRie(S1(SSS))gubbbabcdcdt3LdicRie(S1(SSS))gucccabcdcdt3duCdciaSaibSbicSciLdt(5)

可用控制框图表示为下图所示：

ecebeciaPI调节器uaubuc*ia*icsasbsc*udc直流电压检测ibPI调节器SPWM*icicPI调节器电压调节器i*udc负载

图4 abc三相静止坐标系PWM控制框图

两相同步旋转坐标系中的数学模型

在三相静止坐标系下，ea、eb、ec以及ia、ib、ic存在耦合。为了简化三相电压型整

流器控制系统的设计，降低系统的阶次，通常将三相静止坐标系（abc）中开关函数描述的一般数学模型变换到两相同步旋转坐标系（dq）中。其中d轴与三相电压合成矢量方向重合且以角速度ω逆时针同步，q轴超前d轴90。[3]坐标系之间的关系如下图所示：

。bdwq0ac

图5 abc坐标系和 dq 坐标系

根据等量变换原则，

c3s/2rcoscos(120)2sinsin(120)31122cos(120)sin(120)126

可得到三相VSR在旋转两相dq坐标系下的系统模型为：

didLdtudRsidSdvdcwLiqdiquqRsiqSqvdcwLsid Ldtdudc3Cdt2(idSdiqSq)iL(7)

在静止三相坐标系中三相电源是相互耦合的。坐标变换方法，如果电网输入电压平衡，

此时d、q分量均为直流，且dq坐标系中d轴电流为系统输入有功电流，q轴电流为系统无功电流。这样就可以实现三相VSR网侧有功和无功分量无耦合、控制。所以调节器的设计方便，运算简单，而且很容易实现输入功率因数为1。

可用控制框图表示为：

Park变换Park变换iieeClarke变换eaebecClarke变换i0*qiqPI调节器PI调节器电压调节器ed非线 性耦合*udceqeb*VqPark变换同步信号检测i*didV*V*dV*sasbscSVPWMudc直流电压检测负载

图6 dq两相旋转坐标系PWM控制框图

4电压型PWM变流器应用

三相电压型整流器是目前电力电子技术研究热点，由于其具有交流侧电流正弦化、单位功率因数运行、低谐波含量、能量可双向流动以及交流侧呈现受控电流源特性等优点，应用场合越来越广泛。近些年，电压型整流器主电路拓扑结构取得了很大的突破。主电路设计的原则应使拓扑结构尽量简单、开关器件数目尽量少、成本尽量低，且系统具有较高稳定性。根据整流器的功率不同，研究的侧重点也不同。在小功率应用场合，研究工作主要是减少功率器件数目、提高直流电压性能；在大功率应用场合，研究工作主要是多电平技术、变流器组合和软开关等技术。[4]

随着各领域对电力设备容量需求的不断增加，整流器在大功率电力设备中的应用已成为重要的研究方向。在电力系统中应用主要是由于其可以处于4种运行方式:(l)整流运行；(2) 逆变运行；(3)无功补偿；(4)电流超前电压运行。同时,PWM 整流器技术是一种绿色电力电子技术, 这也是其电路本质特性决定以多种形式应用于电力系统的根本。

参考文献

[1]张崇巍，张兴. PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003：15-18.

[2]唐蕾，陈维荣.瞬时无功功率理论坐标变换的推导及谐波电流检测原理分析[J].电网技术，2008，32（5）. [3]陈伯时.电力拖动自动控制系统第4版[M].北京：机械工业出版社，2000：162-166.

[4]伍小杰，罗悦华，乔树通.三相电压型PWM整流器控制技术综述[J].电工技术学报，2005，20（12）.