吳詞福++陳剛++肖伸平

摘 要針對能量回饋過程中存在直流母線電壓不穩(wěn)定，從而造成回饋電能質(zhì)量低，本文通過三相電壓型PWM整流器的基本原理和開關函數(shù)描述，建立相應的的數(shù)學模型，并對比不同的控制策略下，能量雙向流動時網(wǎng)側(cè)電壓變化情況，通過MATLAB仿真，驗證PWM整流器的雙閉環(huán)控制策略在能量回饋系統(tǒng)中的可行性。

【關鍵詞】能量回饋 直流母線電壓 雙閉環(huán)控制

脈沖寬度調(diào)制技術最初應用于直流-直流變換電路和直流-交流變換電路中，隨著全控器件的不斷演進更新，此技術在以上兩種電路中的應用已經(jīng)非常成熟。一般變頻器的不足之處是其能量不可逆，當負載電機運行于回饋制動狀態(tài)時，電路自身缺陷導致能量不可逆使得回饋制動產(chǎn)生的能量傳送回直流側(cè)的濾波電容器上。積累在電容器上的電能多利用電阻直接消耗掉，這不僅是對電能的浪費，也會對整個電路的運行造成不利影響。

傳統(tǒng)的整流電路多采用電力電子器件晶閘管可控整流電路實現(xiàn)交流電向直流電的不斷轉(zhuǎn)化與變換，然而晶閘管可控整流電路存在其自身固有的缺陷，因此考慮引入PWM技術以提高電路運行性能。借鑒此項技術在直流-直流變換電路和直流-交流變換電路中的應用，對基于此技術的整流器能量回饋進行分析和研究，通過對基于此技術的整流電路的設計及控制，實現(xiàn)不同能量之間的相互轉(zhuǎn)換，提高能源的利用率。

本文以三相電壓型PWM整流電路的基本結(jié)構(gòu)為基礎，利用電路基本原理建立數(shù)學模型，以三相電路為研究重點，對其數(shù)學模型進行描述，分析不同的控制策略，并以固定開關頻率電流控制策略系統(tǒng)進行仿真以分析其能量回饋過程。

1 三相電壓型PWM整流器和數(shù)學模型

1.1 PWM整流器的基本結(jié)構(gòu)

當直流側(cè)負載中的eL=0時，根據(jù)電路工作基本原理可知，對應于此設定的圖1電路并不滿足直流側(cè)接直流電動勢且其絕對值略大于交流側(cè)電壓有效值的條件，因此只能工作在整流狀態(tài)；當eL>Ud時，根據(jù)有源逆變電路工作基本原理可知，如果滿足有源逆變的另一條件，對應于此設定的圖1電路即可運行于有源逆變狀態(tài)；反之，當eL

對功率開關器件的開關函數(shù)定義如下：

（1）

利用最基本的電路工作原理得到圖1所示電路中a相回路方程為：

（2）

對于a相中的兩個電力電子器件，假設控制上橋臂電力電子器件導通下橋臂電力電子器件關斷時，開關函數(shù)滿足Sa=1，且UaN=Ud，Ud為直流側(cè)平均電壓，假設上橋臂電力電子器件關斷下橋臂電力電子器件導通時，開關函數(shù)滿足Sa=0，且uaN=0，由于uaN=Ud*Sa，因此式（2）可以改寫為

（3）

同理可以得到b相和c相的電壓方程：

（4）

（5）

由假設電網(wǎng)電動勢三相平衡可得：

（6）

聯(lián)立式（3）-式（6），得到：

（7）

根據(jù)圖5電路的工作原理可知：

（8）

再利用最基本的電路工作原理得到直流側(cè)電容滿足的方程如下：

（9）

2 電壓型PWM整流器直接電流控制

電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流控制策略按照電流控制方式可以分為直接電流控制和間接電流控制。直接電流控制有不同的電流控制方法，最常用的是固定開關頻率PWM電流控制和滯環(huán)PWM電流控制。

2.1 固定開關頻率PWM電流控制

固定開關頻率PWM電流控制是指PWM載波頻率固定不變而以電流偏差調(diào)節(jié)信號作為調(diào)制波的PWM控制方法。電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 滯環(huán)PWM電流控制

滯環(huán)PWM電流控制基本結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

從圖中可以看出，此結(jié)構(gòu)中不含有傳統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器，而是采用非線性環(huán)節(jié)滯環(huán)替代。當實際輸出電流與其參考值的偏差大于滯環(huán)控制器的寬度時，通過調(diào)制電路的作用控制電力電子器件的通斷，使得差值縮小到滯環(huán)范圍內(nèi)，性能較為良好。

3 能量回饋原理

在電動機的運行過程中對電動機進行分析，假設以其轉(zhuǎn)速為縱坐標軸、以其轉(zhuǎn)矩為橫坐標軸建系，以描述電動機的運行狀態(tài)，第一象限表示電動機正向電動狀態(tài)，第二象限表示電動機回饋制動狀態(tài)，第三象限表示電動機反向電動狀態(tài)，第四象限表示電動機反接制動狀態(tài)。

在滿足一定條件的情況下，相同拓撲結(jié)構(gòu)的電路，只改變控制方式即可使電路工作在整流狀態(tài)或者有源逆變狀態(tài)，實現(xiàn)電網(wǎng)能量與直流側(cè)能量的交換與傳遞。采用IGBT構(gòu)造圖1所示電路圖，一方面可以優(yōu)化電網(wǎng)運行特性，減小諧波污染；另一方面可以將電動機制動產(chǎn)生的能量反饋給電網(wǎng)，實現(xiàn)能源的再次利用，經(jīng)濟又環(huán)保。

4 仿真結(jié)果及分析

本文采用MATLAB/Simulink對圖1所示的電路系統(tǒng)運行過程進行研究，電流控制部分采用性能較為優(yōu)越的旋轉(zhuǎn)同步坐標系固定開關頻率SPWM控制策略。

圖4所示為整流狀態(tài)下直流側(cè)電壓波形，在仿真電路設計中對Timer模塊進行設置，使其輸出在某一時刻由1變?yōu)?，也即切斷所有的PWM脈沖，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為不可控整流系統(tǒng)。穩(wěn)定運行情況下，直流側(cè)電壓保持穩(wěn)定，PWM脈沖切斷后，直流側(cè)電壓下降但仍能保持穩(wěn)定。通過兩種整流系統(tǒng)的對比可知，三相電壓型PWM整流器具有升壓整流的特性。

圖5所示為PWM整流器在整流狀態(tài)下交流側(cè)電壓波形，與圖4相對應。

圖6所示為PWM整流電路在逆變狀態(tài)下交流側(cè)電壓波形，此時直流側(cè)可控電壓源設置為200V，從圖中可以看出工作于逆變狀態(tài)的電路將其直流側(cè)能量回饋到電網(wǎng)側(cè)，避免了能源的浪費。通過對器件觸發(fā)脈沖的控制作用，調(diào)節(jié)直流側(cè)反饋輸出的電壓或者電流的幅值、相位，實現(xiàn)能量的有效反饋。

5 結(jié)論

本文以單相電壓型與三相電壓型PWM整流電路的基本結(jié)構(gòu)為基礎，利用電路基本原理建立數(shù)學模型，以三相電路為研究重點，對其不同數(shù)學模型進行描述，分析不同的控制策略，并以固定開關頻率控制策略為例進行系統(tǒng)仿真以分析其能量回饋過程。通過控制過程的變化就能夠?qū)崿F(xiàn)整流與逆變狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)能量雙向流動。在實際應用過程中，可以通過對器件觸發(fā)脈沖的控制作用，調(diào)整直流側(cè)反饋輸出的電壓或者電流的幅值、相位，實現(xiàn)直流側(cè)反饋輸出電壓與電網(wǎng)電壓的同步，避免反饋過程中對電網(wǎng)電壓造成的不良影響。

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作者單位

湖南工業(yè)大學 湖南省株洲市 412008