朱建林

一、概述

功率半導(dǎo)體開關(guān)器件技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了電力電子變流裝置技術(shù)的發(fā)展.上世紀(jì)90年代出現(xiàn)了以脈寬調(diào)制（PWM）控制為基礎(chǔ)的各類變流裝置，如變頻器、逆變電源、高頻開關(guān)電源以及各類特種變流器，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中取得了廣泛的應(yīng)用。這些變流裝置大多需要整流環(huán)節(jié)，以獲得直流電壓，由于常規(guī)整流環(huán)節(jié)廣泛采用了二極管不控整流電路或晶閘管相控整流電路，因而對電網(wǎng)注入了大量諧波及無功功率，造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)“污染”。治理這種電網(wǎng)“污染”最根本措施就是，要使變流裝置實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且運行于單位功率因數(shù)。

經(jīng)過近十年的研究與發(fā)展，PWM整流器技術(shù)已日趨成熟。PWM整流器主電路已從早期的半控型橋路發(fā)展到如今的全控型橋路；其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已從單相、三相電路發(fā)展到多相組合及多電平拓?fù)潆娐?；PWM開關(guān)控制由單純的硬開關(guān)調(diào)制發(fā)展到軟開關(guān)調(diào)制；功率等級從千瓦級發(fā)展到兆瓦級，而在主電路類型上，有電壓型整流器（Voltage Source Rectifier—VSR），和電流型整流器（Current Source Rectifier—CSR）之分。

PWM整流器實際上是一個其交、直流可控的四象限運行的變流裝置。PWM整流器電路由交流回路、功率開關(guān)管橋路以及直流回路組成。其中交流回路包括交流電動勢及網(wǎng)側(cè)電感等；直流回路包括負(fù)載電阻及負(fù)載電動勢等；功率開關(guān)管橋路可由電壓型或電流型橋路組成。

當(dāng)不計功率開關(guān)管橋路損耗時，由交、直流側(cè)功率平衡關(guān)系得

iv=idcvdc （1）

式中v、i為模型電路交流側(cè)電壓、電流

vdc、idc為模型電路直流側(cè)電壓、電流

由式（1）不難理解：通過模型電路交流側(cè)的控制，就可以控制其直流側(cè)，反之亦然。

二、電壓型PWM整流器基本原理

PWM整流器最基本的型式有電壓型和電流型兩大類 電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流控制策略主要分成兩類：“間接電流控制”和“直接功率控制”。“間接電流控制”實際上就是所謂的“幅相”電流控制，即通過控制電壓型PWM整流器的交流側(cè)電壓基波幅值、相位，進(jìn)而間接控制其網(wǎng)側(cè)電流；“間接電流控制”策略的顯著優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，無需電流傳感器，控制成本低，易于實現(xiàn)，靜態(tài)特性良好，但穩(wěn)定性差，動態(tài)響應(yīng)慢，動態(tài)過程中存在直流電流偏移和很大的電流過沖，自身無限流保護(hù)，需有過流保護(hù)制約了該種策略的應(yīng)用，因此這種控制策略已逐步被“直接電流控制”所取代?！爸苯与娏骺刂啤辈呗杂捎谝虢涣麟娏鞣答佔鳛閮?nèi)環(huán)，直流電壓外環(huán)構(gòu)成整流器控制系統(tǒng)，既可實現(xiàn)單位功率因數(shù)，又可控制直流電壓恒定；其優(yōu)點為動態(tài)響應(yīng)速度快、限流容易、控制精度高，主要缺點是輸入電流檢測需要寬頻帶、價格昂貴的電流傳感器，系統(tǒng)成本增加，同時要實現(xiàn)PWM整流器的電壓空間矢量控制，需要解決正弦函數(shù)、反正切函數(shù)查表的問題，并需要進(jìn)行一系列乘除法運算，則需要復(fù)雜的算法（由DSP或多片單片機(jī)實現(xiàn)）和調(diào)制模塊。

從功率角度看，在交流源電壓一定的情況下，如能直接控制PWM整流器的瞬時功率（有功和無功），同樣可達(dá)到控制瞬時輸入電流的效果，此種控制策略稱為直接功率控制（DPC）。DPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為直流電壓外環(huán)、功率控制內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)，因為它是通過基于有功功率與無功率的給定值和估計值間的實時誤差的開關(guān)表來選擇變流器開關(guān)狀態(tài)的，沒有內(nèi)電流環(huán)和PWM調(diào)制塊。由于直接功率控制PWM整流器采用瞬時功率控制，則具有更高的功率因數(shù)、低的諧波含量、算法及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。

三、三相VSR整流器的仿真

三相VSR一般數(shù)學(xué)模型就是根據(jù)三相VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在三相靜止坐標(biāo)系（a，b，c）中利用電路基本定律（基爾霍夫電壓、電流定律）對VSR所建立的一般數(shù)學(xué)描述。三相VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中，當(dāng)直流電動勢eL=0時，直流側(cè)為純電阻負(fù)載，此時三相VSR只能運行于整流模式；當(dāng)eL>Udc時，三相VSR既可以運行于整流模式，又可運行于有源逆變模式，當(dāng)運行于有源逆變模式時，三相VSR將eL所發(fā)電能向電網(wǎng)側(cè)輸送，有時也稱這種模式為再生發(fā)電模式；當(dāng)eL

本文中只考慮整流模式，即eL=0的情形。用KVL建立三相VSR 交流側(cè)回路方程如下：

仿真參數(shù)如下：ua=ub=uc=85V，電源頻率f=50Hz，L=4mH，R=0.1，c=2200%eF，RL=10，Udcref=200v，ILN=20A。

仿真結(jié)果如圖2所示。從啟動暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的由圖2（a）可知，ia經(jīng)歷一個周期（20ms）的暫態(tài)后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)時ua與ia同相位，且ia非常接近正弦波；由圖2（b）可知，直流輸出電壓Udc經(jīng)歷一個周期進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，即穩(wěn)定在給定值Udcref；由圖2（c）知，功率p經(jīng)歷2周期進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，即穩(wěn)定在給定值pref，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)非常接近于1。