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大連理工大學電源技術(shù)大作業(yè) 學習中心：奧鵬遠程教育深圳學習中心（直屬） 層 次： 高起專 專 業(yè)： 電力系統(tǒng)自動化技術(shù) 年 級： 2013年春季 學 號： 131061128286 學生姓名： 王嵐 大工14春《電源技術(shù)》大作業(yè)及要求 題目四：PWM整流器控制技術(shù)的發(fā)展 總 則：對PWM整流器控制技術(shù)的原理及發(fā)展趨勢進行研究。 撰寫要求： （1）介紹PWM整流器控制技術(shù)的基本原理及其主要特點。 （2）對三相電壓型和電流型PWM整流器主要控制技術(shù)的原理進行闡述。 （3）分析國內(nèi)外對PWM整流器控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并對其發(fā)展趨勢進行展望。 （4）總結(jié)（需要說明的問題）。 （5）為區(qū)分離線作業(yè)是否獨立完成，請寫些自己對該課程的想法或者學習心得。 PWM整流器控制技術(shù)的發(fā)展 PWM整流器可以實現(xiàn)功率因數(shù)校正和諧波抑制，網(wǎng)側(cè)電流且電能可雙向流動。早在20世紀70年代，國外就開始了該項技術(shù)的基礎(chǔ)研究。從20世紀80年代后期開始，隨著全控型器件的問世，采用全控型器件實現(xiàn)PWM高頻整流的研究進入高潮。 控制技術(shù)是PWM整流器發(fā)展的關(guān)鍵。就已發(fā)展的控制技術(shù)看，三相電壓型PWM整流器的電流控制技術(shù)有滯環(huán)PWM電流控制、固定開關(guān)頻率的電流控制、預測電流控制、矢量控制、直接功率控制、單周期控制。另外，狀態(tài)反饋控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、基于Lyapunov非線性大信號方法控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等也都已經(jīng)成功應用在電壓型PWM整流器的控制上；電流型PWM整流器常用的調(diào)制技術(shù)包括載波調(diào)制PWM、特定諧波消除PWM和空間矢量PWM。 為此，本文分別就三相電壓型PWM整流器的電流控制技術(shù)和電流型PVVM整流器調(diào)制技術(shù)、原理、特點進行系統(tǒng)的分析和綜述，并評述了國內(nèi)對PWM整流器控制技術(shù)研究的主要貢獻。由此展望未來的控制技術(shù)。 一、PWM整流器控制技術(shù)的基本原理及其主要特點 從電力電子技術(shù)發(fā)展來看，傳統(tǒng)的相控整流器應用時間較長，技術(shù)也成熟，且被廣泛應用，但其存在如下的諸多問題： 1.晶閘管換相引起網(wǎng)側(cè)電壓波形畸變； 2.網(wǎng)側(cè)諧波電流對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波“污染”； 3.深控時，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低； 4.閉環(huán)控制時，動態(tài)響應相對較慢。 針對這些問題，PWM整流器進行了全面的改進。其關(guān)鍵性的改進在于用全控型功率開關(guān)管取代了半控型功率開關(guān)管和二極管，以PWM斬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優(yōu)良性能： 1.網(wǎng)側(cè)電流為正弦波； 2.網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制； 3.電能雙向傳輸； 4.較快的動態(tài)控制響應。 由于電能的雙向傳輸，當PWM整流器從電網(wǎng)吸取電能時，其運行于整流工作狀態(tài)；而當PWM整流器向電網(wǎng)傳輸電能時，其運行于有源逆變工作狀態(tài)。所謂單位功率因數(shù)是指：當PWM整流器運行于整流狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)電壓、電流同相（正阻特性）；當PWM整流器運行于有源逆變狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)電壓、電流反相（負阻特性）。進一步研究表明，由于PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流及功率因數(shù)均可控。因而可被推廣應用于有源電力濾波及無功補償?shù)确钦髌鲬脠龊稀? 綜上可見，PWM整流器實際上是一個交、直流可控的四象限運行變流裝置。 二、電壓型PWM整流器控制技術(shù) 電壓型PWM整流器要控制的變量有兩個：一是整流器的輸出電壓，二是整流器輸入電流；前者要求穩(wěn)定輸出控制，后者要求跟隨輸入電壓的相位，因此PWM整流器控制結(jié)構(gòu)常采用雙環(huán)控制系統(tǒng)。 （一）滯環(huán)PWM電流控制 PWM整流器滯環(huán)PWM電流控制是將實際輸入電流與指令電流的上、下限相比較，其交點作為開關(guān)點。指令電流的上、下限形成一個滯環(huán)，從而控制輸入電流的變化。該類控制原理如圖1所示。 圖1三相PWM整流器滯環(huán)電流控制 這種控制方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，電流響應速度快，控制運算中未使用電路參數(shù)，系統(tǒng)魯棒性好，應用較廣。缺點是開關(guān)頻率在一個工頻周期內(nèi)不固定，諧波電流頻譜隨機分布，因而給濾波器的設計帶來困難。 （二）固定開關(guān)頻率PWM控制 固定開關(guān)頻率的PWM控制是將指令電流和實際電流誤差經(jīng)比例調(diào)節(jié)后和三角波比較，其結(jié)果用來控制整流器主電路中開關(guān)元件的通斷。三相PWM整流器固定開關(guān)頻率控制原理如圖2所示。 圖2三相PWM整流器固定開關(guān)頻率控制 這種控制方法克服了滯環(huán)電流控制方式開關(guān)頻率不固定的缺點，每相電流的變化只和該相輸人電壓和輸出電流有關(guān)，電流響應速度快，系統(tǒng)魯棒性好。 （三）預測電流控制 預測電流控制的思想是從開關(guān)的在線優(yōu)化出發(fā)，根據(jù)負載情況和給定的電流矢量變化率，推導出使電流誤差矢量趨勢于零的電壓矢量去控制PWM整流器的開關(guān)。圖3為三相PWM整流器預測電流控制原理圖。 圖3三相PWM整流器預測電流控制 預測電流控制具有良好的控制效果，但其控制精度依賴于系統(tǒng)參數(shù)，且在采樣頻率不高或受微處理器運算速度限制的情況下，其電流誤差比滯環(huán)電流控制要大。 （四）矢量控制 基于dq坐標變換的矢量控制通過對PWM整流器有功和無功電流的控制，達到控制輸入電流的結(jié)果。圖4給出基于dq坐標變換控制的系統(tǒng)框圖。其中，電壓調(diào)節(jié)器輸出有功電流給定，為保證整流器的功率因數(shù)為1，無功電流給定=0。 這種控制策略不僅具有直接電流控制的動態(tài)響應快、穩(wěn)態(tài)性能好、自身有限流保護能力等優(yōu)點，并且還可以消除電流穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)得到較好的動靜態(tài)性能。 圖4 三相PWM整流器基于dq坐標變換矢量控制 （五）直接功率控制 直接功率控制是通過對PWM整流器瞬時有功和無功功率的直接控制，達到直接控制瞬時輸入電流的結(jié)果。基于電壓的直接功率控制是以基于dq坐標變換控制為基礎(chǔ)的。圖5所示為基于電壓的直接功率控制系統(tǒng)框圖。有功功率的給定值由PI調(diào)節(jié)器的輸出和反饋的直流電壓相乘得到，為保證整流器的功率因數(shù)為1，無功功率給定值設為0。 有功和無功功率的計算公式為： （1） (2) 直接功率控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和算法都較簡單，系統(tǒng)動態(tài)性能好，魯棒性強，容易實現(xiàn)數(shù)字化，且對于交流側(cè)電壓的不平衡和諧波失真也有一定的補償作用。 圖5 三相PWM整流器基于電壓的直接功率控制 （六）單周期控制 單周期控制是一種非線性控制技術(shù)網(wǎng)，同時具有調(diào)制和控制的雙重性。單周期控制電路主要元件包括積分器、復位單元、比較器和D觸發(fā)器等器件。圖6所示是PWM整流器單周期控制原理圖： 圖6 三相PWM整流器單周期控制 單周期控制技術(shù)的主要優(yōu)點是:控制電路簡單，在一個周期內(nèi)消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，動態(tài)響應快，開關(guān)頻率恒定，抗電源擾動性好，魯棒性好。 三、電流型PWM整流器的控制技術(shù) 三相電流型PWM整流器拓撲及其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。從理論上講，電壓型PWM整流器的控制策略均可以對偶地應用在電流型PM整流器上。但由于電流型直流側(cè)需要較大的電感儲能，交流側(cè)的濾波電容與網(wǎng)側(cè)電感一起組成LC濾波器易導致振蕩和電流畸變，其結(jié)構(gòu)和控制相對復雜，僅有有限的幾種控制方法得到應用和研究。本文重點介紹電流型PWM整流器的在線PWM調(diào)制技術(shù)。 圖7三相電流型PWM整流拓撲及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （一）載波調(diào)制PWM 載波調(diào)制PWM利用載波與調(diào)制信號的交點決定開關(guān)動作的位置，產(chǎn)生PWM信號控制電流型PWM整流器。載波信號一般采用三角波和鋸齒波，調(diào)制信號可以是正弦波、注入零序分量的正弦波、梯形波等。 三角載波與網(wǎng)側(cè)電流正弦信號波調(diào)制圈產(chǎn)生的整流橋人端三相線電流PWM波形中，含有與載波頻率相關(guān)且邊(頻)帶與調(diào)制波頻率相關(guān)的諧波成分，幅值較大的諧波主要分布在載波頻率及其整數(shù)倍附近。由于電流型PWM整流器網(wǎng)側(cè)具有二階濾波環(huán)節(jié)，這些諧波的存在可能引起網(wǎng)側(cè)動態(tài)過程電流諧振。 （二）特定諧波消除PWM 應用特定諧波消除PWM可以將電流型PWM整流器人端三相線電流PWM波形中不希望有的低次諧波消除，并控制基波電流的大小。文獻[1]給出了消除偶數(shù)次諧波和奇數(shù)次諧波的方法。文獻[2]利用三個單相電流型PWM整流器構(gòu)成三相電流型PWM整流器，減少了求解非線性超越方程組的工作量，但與三相六管的結(jié)構(gòu)相比，功率開關(guān)管增加了一倍。文獻[3]提出了一種在控制基波電流的大小的同時，消除任意次諧波的方法。 （三）空間矢量PWM 三相電流型PWM整流器的六個開關(guān)管總共有9種開關(guān)狀態(tài)，需采用三值邏輯PWM信號發(fā)生技術(shù)。定義三值邏輯開關(guān)函數(shù)為 由電流型整流器的9種開關(guān)狀態(tài)構(gòu)成的電流空間矢量圖如圖8所示。幾為6個非零矢量，為三個零矢量，當零矢量有效時，直流側(cè)電流通過二極管續(xù)流，三相電流型PWM整流器交流側(cè)不輸出任何電流。 圖8 電流空間矢量及扇區(qū)劃分 4、 PWM整流器控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀 目前，PWM整流器控制技術(shù)的研究取得了一定的進展。在電壓型PWM整流器控制技術(shù)方面，滯環(huán)電流控制[4]、瞬時值比較法電流控制[5]、固定開關(guān)頻率的PWM控制[6]、預測電流解耦控制[7]、非線性系統(tǒng)反饋解耦控制[8]、單周期控制、無電流傳感器的三相PWM整流器控制策略[9]均得到研究。另外，文獻[10]提出了一種新的帶初始磁鏈估計的虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測器方案。文獻[11]提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡電流內(nèi)環(huán)控制加混合模糊PI電壓外環(huán)控制的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。 在電流型PWM整流順控制方面，文獻[12]-文獻[15]相繼對電流型PWM整流器的Dalta調(diào)制、空間矢量調(diào)制、預測控制、電網(wǎng)不平衡條件下的控制、非線性控制進行了研究。 五、控制技術(shù)研究展望 隨著PWM整流器控制策略研究的的不斷深入，其控制技術(shù)主要向以下三個方面發(fā)展： （一）電網(wǎng)不平衡條件下PWM整流器的控制技術(shù)研究 目前關(guān)于電網(wǎng)處于不平衡狀態(tài)時，PWM整流器的研究主要圍繞整流器網(wǎng)側(cè)的電感及直流側(cè)電容的設計準則，或者是通過控制系統(tǒng)本身去改善和抑制整流器輸入側(cè)的不平衡因素。為了使PWM整流器在電網(wǎng)處于不平衡狀態(tài)下仍能正常運行，必須提出相應的控制策略。 （二）將非線性控制理論應用到PWM整流器控制技術(shù)中 為提高PWM整流器的性能，研究人員開始將非線性狀態(tài)反饋控制，Lyapunov非線性大信號方法以及無源性控制理論應用到PWM整流器控制中。待研究的主要問題是最佳能量函數(shù)和反饋控制率的確定方法。 （三）智能控制技術(shù)的研究 針對PWM整流器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中的PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)難以確定，以及系統(tǒng)參數(shù)具有非線性和時變性的問題，為進一步提高PWM整流器的性能，將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制結(jié)合起來，利用模糊邏輯的智能推理機制和神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習能力，將能組成更好的控制方案。 六、結(jié)論 本文對PWM整流器控制技術(shù)原理、特點及三相電壓型和電流型PWM整流器主要控制技術(shù)的原理，以及國內(nèi)在PWM整流器控制領(lǐng)域的主要研究成果進行了綜述，同時展望了控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。PWM整流器的控制策略均有各自的優(yōu)點和不足之處?？梢灶A測的是，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，PWM整流器控制技術(shù)將會不斷地發(fā)展和深入，從而促進WPM整流器更廣泛地應用在更廣闊的領(lǐng)域。 參考文獻： [1]HKarshenas，HKojori，SDewan.Generalizedtechniquesofselectiveharmonic eliminationandcurrentcontrolincurrentsourveinverters/converters[J].IEEETransPowerElectron，1995，10(5):566-573. 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