單相PWM整流器能量雙向傳輸的實現技術

摘要：本文論證了高功率因數電能轉換和負載電能回饋電網的實現是電力節能的關鍵問題。在對電壓型單相PWM整流器的拓撲結構以及其工作原理分析的基礎上,提出了相應的控制方法,并分別對主電路參數和PI調節器參數進行了選擇和設計,重點對IGBT的驅動電路進行了詳細的設計。基于Matlab計算機仿真軟件,文中對整個單相pwm整流器控制系統進行了建模和仿真,結果表明,PWM整流器控制系統能很好地實現高功率因數電能轉換和電能的雙向傳輸。

關鍵詞：PWM整流器;高功率因數;能量回饋;Matlab仿真

引言

PWM 整流器已不是一般傳統意義上的AC/DC轉換器。由于電能的雙向傳輸,當PWM整流器從電網吸取電能時,其運行于整流工作狀態;而當PWM整流器向電網傳輸電能時,其運行于有源逆變工作狀態。作為電網主要“污染”源的整流器首先受到了學術界的關注,并開展了大量研究工作。其主要思路就是將PWM技術引入整流器的控制當中,使整流器網側電流正弦化,且于單位功率因數運行。能量可雙向傳輸的PWM整流器不僅體現出AC/DC特性(整流),而且還可呈現DC /AC特性(有源逆變),因而確切地說,這類PWM整流器是一種新型的可逆PWM變流器。由于PWM整流器實現了網側電流正弦化,且運行于單位功率因數, 甚至能量可雙向傳輸,因而真正實現了“綠色電能轉換”。

整流器的工作原理與控制策略

主電路如圖1所示,為雙極性電壓源型全控IGBT橋式電路。工作過程為：當網側電流i(t)>0時,回路經過T2、T3、Ls;若Us(t)、i(t)同相,則網側電感端電壓ULs(t)=Us(t)+URs(t)+Um=Ldi(t)/dt>0,這時電網電動勢和直流側電容共同使電感磁能增大,從而使網側電流增加,對交流側電感Ls進行儲能;再經過D1、D4、Ls回路進行續流。

圖1 單相PWM整流器主電路

若Us(t)、i(t)同相,則網側電感端電壓ULs(t)=Us(t)-URs(t)-Um=L(di(t)/dt)0,因此,這時電網電動勢和網側電感共同向VSR直流電容充電,網側電感磁能減小,從而使網側電流衰減。類似可分析出i(t)0的情況。

圖2所示為三角波電流比較法控制的原理圖。電路中包括電流滯環和電壓環,電流指令由電壓環PI輸出和一個與電壓同相的單位正弦信號相乘得到,指令電流和反饋電流經電流調節器后與三角波信號比較,得到控制用PWM調制波,控制開關器件的通斷,實現輸出電流跟蹤指令電流。

圖2 三角波電流比較法控制原理圖

三角波電流比較法具有開關頻率固定的優點,且單一橋臂的開關控制互補,為建模分析提供了方便,從而可方便地實現系統的諧波分析;在結構上,其控制電路比定時瞬時電流比較法簡單,因而具有廣闊的應用前景。在直接電流控制中,直接檢測交流側電流信號并加以控制,系統響應快,動態響應好。和滯環比較控制方式相比, 這種控制方式輸出電流所含的諧波少,開關頻率固定且等于載波頻率,高頻濾波器設計方便。

主電路與PI調節器參數的選擇

由于主電路的各電感、電容的參數直接影響PWM整流器整個控制系統的動靜態性能,且電壓電流控制環的調節器的參數影響著系統的跟蹤響應性能。所以主電路與PI調節器參數選擇是整個控制系統關鍵的問題。系統給定參數：

Ud=450v,Us=220v,Is=9.2A,fz=50Hz,Rs=0.2W,負載電阻RL=100W,開關頻率ft=10kHz, ri≤10%,rv≤1%。