PWM-整流技术研究现状与发展趋势作业.doc

PWM 整流技术研究现状与发展趋势 姓名：王启龙 学号201431403054在传统整流领域，工业上广泛采用的是不控整流和相控整流两种方式相控整流电路虽然有一定的调压能力，但功率因数低并且谐波污染严重；不控整流器电路结构简单，但是没有调压能力，仍存在交流侧谐波污染问题这些装置工作时产生的大量谐波和无功功率会引起电力线路和设备发热，同时对电网也造成污染为了得到更高效、更清洁的整流方式，学术界把PWM 控制技术引入到整流器的控制之中，其主要目的是使网侧电流正弦化，并且可使其处于单位功率因数运行或可控状态为了实现上述目标，国内外学者已经提出了很多控制策略，主要有间接电流控制、直接电流控制以及一些非线性控制理论等间接电流控制又称幅相控制，直接电流控制包括固定开关频率控制、滞环电流控制等由于功率器件的非线性特征，一些学者利用非线性理论，提出了几种非线性控制策略，包括直接功率控制、状态反馈线性化控制等1 三相PWM 整流器模型和拓扑结构1.1 三相PWM 整流器数学模型 图1 为三相电压型PWM 整流器主电路拓扑结构，主要由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组成。

设定E 为电网电动势参考矢量，V 表示交流侧电压矢量，VL表示交流侧电感电压矢量，I 表示交流侧电流矢量上述矢量之间关系如公式（1）1.2三相电压型PWM整流器PWM 整流器拓扑结构改进目的主要是为了抑制谐波和针对特定的适用场合具体的有多电平电路、变流器组合电路、基于软开关技术的拓扑结构等在高压大容量场合，多电平技术备受青睐三电平PWM整流器拓扑结构，较之传统的两电平整流器，具有器件承压低、开关频率低、输出谐波小和du/dt 小的优点[3]在超导储能、感应加热和大容量UPS 等方面有较好的应用价值在低压大电流场合，基于软开关技术[2]的拓扑结构也有很多应用全桥三电平LLC 谐振变换器能有效克服硬开关方式引起的脉冲电压和电流，有开关损耗低，电磁干扰小，输出电压稳定的优点其电路图如图22 电流控制策略PWM 控制技术的控制目标有两个：(1) 通过一定手段来调节交流侧电流I 和电网电动势E 的相位，使功率因数为1或可调；(2)直流侧输出电压udc稳定无波动通过对PWM 整流器数学模型分析可知，要想控制交流侧电流矢量I，可以通过控制交流侧电压矢量V 间接控制I，也可以通过引入交流侧电流反馈进行直接控制。

2.1 间接电流控制该控制策略的实质利用电压矢量V 与电网电动势E，在桥路交流侧生成幅值、相位可控的正弦基波电压，进而形成正弦基波电流I，谐波电流由滤波电感滤除这种控制策略的优点是硬件结构简单、成本低、静态稳定性好；主要缺点是该控制策略立足于整流器的稳态模型，电流动态响应不够快，并且直流输出电压在负载参数变化时波动较大因此只适用于动态响应不高且控制结构简单的场合2.2 直接电流控制直接电流控制的特点是引入了交流侧电流反馈，对电流的控制有很好的动态性能，可以补偿参数变化以及管压降和死区时间带来的影响具有代表性的控制策略有滞环电流控制和固定开关频率控制等3 非线性控制策略在上述控制策略中，间接电流控制基于整流器电压电流稳态矢量关系，直流侧电压的鲁棒性能较差；滞环电流控制结构简单，鲁棒性好，但是由于开关频率不固定带来的功率管损耗问题以及滤波电感参数设置问题不容忽视；固定开关频率控制可以实现功率管开关频率固定，但是会出现较大的电流偏差基于功率器件本身的非线性特征和电流控制模式的不足之处，一些学者提出了利用非线性理论来解决PWM 整流器的控制问题，包括直接功率控制、状态反馈线性化控制等3.1 直接功率控制上个世纪90 年代初，日本学者Tokuo Ohnishi 等人提出了将瞬时有功功率、无功功率控制理论用于PWM 整流器闭环控制，其基本思想是控制交流侧的瞬时有功功率和无功功率，从而间接控制交流侧瞬时电流。

控制结构一般采用直流电压外环，功率内环控制结构为了实现单位功率因数运行，设置无功功率为零该控制策略的优点在于可以使用较低的电压电流采样频率达到THD 低、动态性能好的效果，同时还能实现有功功率和无功功率的解耦控制缺点是网侧滤波器设计起来较为困难，同时还需要高速DSP 来实现控制算法3.2 非线性状态反馈线性化控制 用状态反馈线性化的方法，主要思想是选择适当的非线性坐标变换Z =T (X)和非线性状态反馈量v=a(x)＋b(x)u，使非线性系统得到在大范围甚至在全局范围内线性化，对于MIMO 非线性系统，在实现线性化的同时还能实现解耦其非线性解耦控制框图如图3 图3 非线性解耦控制框图4 智能控制理论在PWM 整流器控制中的应用4.1 模糊控制在PWM 整流器控制中的应用 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制模糊控制系统由模糊控制器、I/O 接口装置、控制对象、反馈环节等部分组成,核心部分为模糊控制器用模糊控制逻辑取代了PI 环节，运用模糊逻辑控制策略进行了信号处理，产生正确的实时6 相PWM 控制信号，获得了THD<3.9%，谐波含量低的效果。

根据系统输出直流母线电压误差变化率提出并设计一种模糊逻辑电压控制器，在不改变系统的拓扑结构、不增加控制器的实现难度的情况下，在PWM 整流系统中使用模糊逻辑控制，有效地改善系统的动态性能，抑制动态响应过程中的超调量，提高系统动态响应速度4.2 基于人工神经网络的PWM 整流器控制策略 该控制策略基本思想是使用神经元PID 来替代传统的PID，使输入、输出的对应关系可以任意逼近给定的非线性动态系统或非线性函数提出了新的预测电流解耦控制方案，采用单神经元自适应PID 与常规PID 相结合的复合控制方案当直流电压误差超过规定值时，采用单神经元自适应PID 控制，抑制系统的超调，降低过渡时间；小于规定值时，采用传统的PID 控制，提高系统的动态性能5 未来的研究趋势展望控制技术是整流技术发展的关键，不管是哪一种策略都应该兼顾整流器的各种性能指标，包括功率因数、输入电流畸变率、开关损耗、直流电流纹波系数、静态及动态控制精度、对指令的响应特性等考虑到以上几点指标因素，结合当前研究现状，PWM 整流器控制策略的发展趋势大致可归结为以下几个方面：（1）电网不平衡条件下PWM 整流器控制技术三相PWM 整流器运行时的不平衡条件来自两个方面：（a）三相电网自身的不平衡情况；（b）整流器器件实际参数的不平衡。

在这种情况下，基于电网平衡条件下的控制方法会出现不正常运行状态，目前针对这种情况的控制技术主要集中在整流器交流侧电感及直流侧电容的设计上，或者是通过控制系统本身去改善和抑制整流器输入侧的不平衡因素以及对传统数学模型的重构和控制策略的改进2）非线性控制策略功率器件本身的非线性，导致采用非线性理论进行控制已成为一种趋势但是，就目前的情况来看，几种非线性控理论还不成熟，反馈线性化虽能很好地实现模型精确线性化以及电流、电压有功和无功分量的解耦，但是计算过于繁琐，需要高速DSP；直接功率控制在结构和算法实现上较为容易，系统动态性能和鲁棒性能好，但由于对功率的估算需要检测整流器的开关状态，所以对控制电路的处理器和A/D 转换器要求较高3）PWM 整流器无传感器控制技术PWM 整流器无交流电流传感器控制策略既有效克服了间接电流控制中动态性能不好的缺点，同时又可以节省价格昂贵的电流传感器，具有硬件结构简单，便于微机实现的优点通过建立一个电流观测器来计算出网侧电流估计值，其关键部分在于开关函数的检测和输入电流指令的构造由于该控制策略硬件成本低，因此在实际工程中有很好的应用价值4）智能控制在PWM 控制策略中的应用模糊控制适合于表达和处理模糊的定性知识，但缺乏自学习能力。

神经网络具有并行计算、分布式储存、容错能力强等特点，而且具备自学习能力，但不适于表达基于逻辑规则的知识为了进一步提高整流器性能，可将模糊控制和神经网络控制结合起来，利用模糊逻辑的智能推理机制和神经网络的自学习能力，组成更好的控制方案。