功率因數閉環控制的PWM整流器設計

1. 引言

近幾年來，隨著電力電子裝置的應用日益廣泛，電網中諧波電流和無功功率對電力系統的污染也日益嚴重。消除諧波污染并提高功率因數，已經成為電力電子技術中的一個重大課題。作為解決這一問題的途徑之一，能夠實現任意功率因數運行，直流輸出穩定，動態響應好，且幾乎不產生諧波的PWM 整流器已得到廣泛的研究。
針對以上課題，本文提出了一種功率因數閉環控制，可以實現功率因數實時調節的PWM整流器。在克服電流諧波污染的同時，可以通過對功率因數的調整，對電網的無功功率進行一定的補償。

2. PWM整流原理

三相PWM整流器主電路結構如圖1所示，主要包括交流側的電感、電阻、直流電容、以及由全控開關器件（IGBT）和續流二極管組成的三相全橋電路。Ua、 Ub、Uc為三相交流電源，RL為負載。通過適當的策略控制三相全橋電路中的六個全控開關器件V1~V6的開關狀態，便可以在直流側得到穩定的電壓輸出，同時保證交流側電流相位可控，且諧波小。常用的控制方案包括電流跟蹤和矢量控制等。[1]

圖1所示的三項PWM整流器主電路中，假設電網電壓三相對稱且穩定；開關器件理想，沒有過渡過程，其通斷狀態由開關函數描述，開關函數定義為 。可以得到電阻性負載RL情況下，三相PWM整流器在ABC坐標系中的一般數學模型為[1]：

(1)
電流跟蹤PWM整流器中，利用上下橋臂的開通與關斷控制相應相電流的瞬時值，使交流電流嚴格跟蹤三相參考電流，實現對功率因數的控制。如圖2所示。三相參考電流的相位由交流電壓相位和功率因數設定決定，而其幅值則與直流側電壓有關。