高功率因数整流器控制技术及其建模研究

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摘 要：随着人们对电力的需求，以及该领域的迅速发展，各种电子设备在电网系统、商业部门和民间中投入使用，造成了许多设备故障和意外事故，使谐波污染的问题变得不容忽视。本文论述了谐波研究的过程及电压型PWM整流器的数学模型。

关键词：谐波；抑制技术；PWM

在公共电网的发展中，一直无法避免电网谐波的产生，消除谐波成为该领域的一大难点。在20世纪初期，静止汞弧变流器被广泛应用，但它却对电网电压和电流波形产生了影响[1]，使其产生了畸变。直到20世纪中叶，伴随着高压直流输电技术的出现，促进了人们对整流器的研究与探索。

谐波源泛指在公用电网工作过程中，会产生谐波电压或谐波电流的设备，通常是一非线性设备。

谐波的危害

在使用公用电网领域发展初期，由于电力电子装置的使用较少，产生的谐波污染也不多，所以并没有引起人们的关注。但随着人们对电力的需求，以及该领域的迅速发展，各种电子设备在电网系统、商业部门和民间中投入使用，造成了许多设备故障和意外事故，使谐波污染的问题变得不容忽视。

谐波所产生的影响主要体现在一下几个方面：

1、降低用电效率。电网设备产生的谐波，会引起设备中的元器件发热[4]，增加元器件的损耗。

2、减少设备使用周期。元器件发热会加速设备老化，降低设备使用寿命。

3、产生串联或并联谐振。谐波会导致电网和补偿电容器之间产生谐振。

4、保护设施发生故障。谐波会造成保护设施做出错误判断，进而引起错误的动作。

5、测量设备不准确。谐波会对测量工具产生干扰，造成测量结果不准确，这将影响测量人员的判断[5]。

6、对周围其他系统产生干扰。谐波会影响到周遭设备的正常运转[3]。

谐波抑制技术

在达到日常生活生产的前提下，还需要满足谐波标准的要求，这就需要降低电子设备产生的谐波。现阶段对谐波的抑制手段主要分为两类：一类是被动对所产生的谐波进行补偿的方式，通常是在电子设备中加入相对独立的滤波器等补偿装置，既能抑制设备所产生的谐波污染，又不对设备本身产生影响[7]。另一类是主动改进电力电子设备的方法，该方法主要是对设备本身的器件进行升级，使之不再产生谐波。目前，在实际使用中，采用较多的谐波抑制技术有：

1、有源电力滤波器

2、有源功率因数校正技术

3、无源电力滤波器

4、PWM整流技术

在电力电子设备中，整流电路为逆变模块和斩波模块提供了直流稳压电源，此类电源通常首先是由二极管进行整理，再经过电容滤波后得到，由于有这些非线性器件存在，所以很难避免产生谐波以及无用功率的问题[8]。

PWM整流技术的出现，对于日益严重的谐波污染问题有了革命性的转折。PWM技术的原理，可以看作是依靠加入半导体器件，进而完成对电压的变频变压操作，从而达到理想中抑制谐波的目的，具体方法是利用二极管通断的特性将直流电压转变为特定波形的电压脉冲序列。从二十世纪中期，研究人员首次将使用在通信系统中的调制技术应用到逆变技术中，发展至今已经实现了多种调制方式，其中具有代表性的是二十世纪八十年代出现的空间矢量PWM（SVPWM）控制策略，它与之前的正弦波脉宽调制SPWM不同，其为了得到准圆形旋转磁场而选用了转换逆变器空间电压矢量，该技术的优点在于取得更高效率的同时，还可以在较低的开关频率下进行。

鉴于不同控制方法的优缺点，再加之各种电子设备的普及化和民用化，使得消除谐波的需求刻不容缓，而统计表明，在所有的谐波污染中有四分之三是有整流设备带来的，所以说本课题关于高功率因数整流器及其控制策略的比较研究是很有实际意义的[2]。

国内外PWM整流技术的发展状况

自PWM整流技术的数学模型首次被建立以来，虽经过许多研究人员的多年开发与改进，但其本质并没有大的改变，仍然是以R.Wu，S.B.Dewan等人在a、b、c三相坐标系中所建立的PWM整流器模型，后人在此基础之上进行了改进，Chun.T.Rim和Dong.Y. Hu等人对原始数学模型进行坐标变换，进而在、坐标系中建立等效模型，并对PWM整流器进行了状态分析。Hengchun Mao等人进一步对该数学模型进行简化，建立了降阶小信号模型。

主流的PWM整流器分类方法是将其分为电压型PWM整流器和电流型PWM整流器两大类，也按照其他分类方法将PWM整流器进行归类，例如按PWM开关的调制方式，可分为软开关调制PWM整流器和硬开关PWM整流器；按调制电平的相位数，可分为二电平PWM整流器、三电平PWM整流器和多电平PWM整流器等。虽然PWM整流器较以往的整流技术具有精度准，特性强，效率高等优点，但在实际应用中却建设成本和复杂度较高，使其很难在一些小众场合中应用。在一些需要大功率整流设备的场合中，例如电镀行业、氧化行业等大中型企业，尤其是在需要将能力进行双向传导时，其具有十分巨大的应用市场。伴随着其他领域技术的发展，也促使PWM整流器向着多功能化、智能化、高频化、电路弱电化以及数字化方向发展，新的拓扑结构和新的控制策略再也不断被开发出来[12]。

电压型PWM整流器的数学模型

在通常情况下，分析和研究PWM整流器的动态特性和静态特性时，研究人员经常选取的方法就是建立与之相对应的数学模型。在本节中，将讲述如何建立三相静止坐标系（a，b，c）、两相静止垂直坐标系（α，β），以及两相同步旋转坐标系（d，q）中的PWM整流器的数学模型。

PWM整流器数学模型的复杂性主要体现在多变量、强耦合、非线性等高阶系统中，需要对其的电压和频率分别进行控制，这就必须要有对电压和频率单独输入变量，对于该系统的分析和仿真是一个相对较为困难的阶段。在实际情况下，研究人员应该在数学模型里给定各个变量的变化范围，从而是得整个结构变得简单，进而减少系统的阶数，便于计算。在PWM整流器的数学模型中，我们常常选用的是低频信号，这使得我们需要避免与高频谐波的开关频率相关的参数[14]。根据整流器的低频模型，我们可以得到整流器的矢量结果，并可以很好地证明整流器的运行机制和物理量的逻辑。脉宽调制整流器的开关频率大大超过了电力系统的基本频率，可以是脉宽调制整流器的一部分，从而简化了其结构，只考虑低频分量，导致低频率模型。低频模型非常适合于控制系统的设计，可直接用于控制器的设计。然而，由于该模型，对开关过程中的高频分量被忽略，所以无法进行动态波形的仿真精度的研究。

基于开关函数，构造了一种符合于PWM整流器的高频数学模型。然而，高频的数学模型中包括的开关过程中的高频分量，想要再利用其去建立控制器是几乎无法完成的。

参考文献

[1] 何新霞.电压型PWM可逆整流器建模与系统仿真[J].石油大学学报，1999，（3）：93-95.

[2] 赵金.新型可逆PWM整流器主电路参数设计仿真.华中科技大学学报[J]，2004，（2）：38-40.

作者简介：曹勇（1993-），男，湖北孝感人，本科在读，现就读于西北民族大学自动化专业。