单相PWM整流器能量双向传输的实现技术

摘要：本文论证了高功率因数电能转换和负载电能回馈电网的实现是电力节能的关键问题。在对电压型单相PWM整流器的拓扑结构以及其工作原理分析的基础上,提出了相应的控制方法,并分别对主电路参数和PI调节器参数进行了选择和设计,重点对IGBT的驱动电路进行了详细的设计。基于Matlab计算机仿真软件,文中对整个单相pwm整流器控制系统进行了建模和仿真,结果表明,PWM整流器控制系统能很好地实现高功率因数电能转换和电能的双向传输。

关键词：PWM整流器;高功率因数;能量回馈;Matlab仿真

引言

PWM 整流器已不是一般传统意义上的AC/DC转换器。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。作为电网主要“污染”源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PWM技术引入整流器的控制当中,使整流器网侧电流正弦化,且于单位功率因数运行。能量可双向传输的PWM整流器不仅体现出AC/DC特性(整流),而且还可呈现DC /AC特性(有源逆变),因而确切地说,这类PWM整流器是一种新型的可逆PWM变流器。由于PWM整流器实现了网侧电流正弦化,且运行于单位功率因数, 甚至能量可双向传输,因而真正实现了“绿色电能转换”。

整流器的工作原理与控制策略

主电路如图1所示,为双极性电压源型全控IGBT桥式电路。工作过程为：当网侧电流i(t)>0时,回路经过T2、T3、Ls;若Us(t)、i(t)同相,则网侧电感端电压ULs(t)=Us(t)+URs(t)+Um=Ldi(t)/dt>0,这时电网电动势和直流侧电容共同使电感磁能增大,从而使网侧电流增加,对交流侧电感Ls进行储能;再经过D1、D4、Ls回路进行续流。

图1 单相PWM整流器主电路

若Us(t)、i(t)同相,则网侧电感端电压ULs(t)=Us(t)-URs(t)-Um=L(di(t)/dt)0,因此,这时电网电动势和网侧电感共同向VSR直流电容充电,网侧电感磁能减小,从而使网侧电流衰减。类似可分析出i(t)0的情况。

图2所示为三角波电流比较法控制的原理图。电路中包括电流滞环和电压环,电流指令由电压环PI输出和一个与电压同相的单位正弦信号相乘得到,指令电流和反馈电流经电流调节器后与三角波信号比较,得到控制用PWM调制波,控制开关器件的通断,实现输出电流跟踪指令电流。

图2 三角波电流比较法控制原理图

三角波电流比较法具有开关频率固定的优点,且单一桥臂的开关控制互补,为建模分析提供了方便,从而可方便地实现系统的谐波分析;在结构上,其控制电路比定时瞬时电流比较法简单,因而具有广阔的应用前景。在直接电流控制中,直接检测交流侧电流信号并加以控制,系统响应快,动态响应好。和滞环比较控制方式相比, 这种控制方式输出电流所含的谐波少,开关频率固定且等于载波频率,高频滤波器设计方便。

主电路与PI调节器参数的选择

由于主电路的各电感、电容的参数直接影响PWM整流器整个控制系统的动静态性能,且电压电流控制环的调节器的参数影响着系统的跟踪响应性能。所以主电路与PI调节器参数选择是整个控制系统关键的问题。系统给定参数：

Ud=450v,Us=220v,Is=9.2A,fz=50Hz,Rs=0.2W,负载电阻RL=100W,开关频率ft=10kHz, ri≤10%,rv≤1%。