功率因数闭环控制的PWM整流器设计

1. 引言

近几年来，随着电力电子装置的应用日益广泛，电网中谐波电流和无功功率对电力系统的污染也日益严重。消除谐波污染并提高功率因数，已经成为电力电子技术中的一个重大课题。作为解决这一问题的途径之一，能够实现任意功率因数运行，直流输出稳定，动态响应好，且几乎不产生谐波的PWM 整流器已得到广泛的研究。
针对以上课题，本文提出了一种功率因数闭环控制，可以实现功率因数实时调节的PWM整流器。在克服电流谐波污染的同时，可以通过对功率因数的调整，对电网的无功功率进行一定的补偿。

2. PWM整流原理

三相PWM整流器主电路结构如图1所示，主要包括交流侧的电感、电阻、直流电容、以及由全控开关器件（IGBT）和续流二极管组成的三相全桥电路。Ua、 Ub、Uc为三相交流电源，RL为负载。通过适当的策略控制三相全桥电路中的六个全控开关器件V1~V6的开关状态，便可以在直流侧得到稳定的电压输出，同时保证交流侧电流相位可控，且谐波小。常用的控制方案包括电流跟踪和矢量控制等。[1]

图1所示的三项PWM整流器主电路中，假设电网电压三相对称且稳定；开关器件理想，没有过渡过程，其通断状态由开关函数描述，开关函数定义为 。可以得到电阻性负载RL情况下，三相PWM整流器在ABC坐标系中的一般数学模型为[1]：

(1)
电流跟踪PWM整流器中，利用上下桥臂的开通与关断控制相应相电流的瞬时值，使交流电流严格跟踪三相参考电流，实现对功率因数的控制。如图2所示。三相参考电流的相位由交流电压相位和功率因数设定决定，而其幅值则与直流侧电压有关。[p]
三相整流器的控制应该达到如下要求：1）直流端电压稳定；2）线电流正弦；3）功率因数可控。整流器直流电压的调节是通过调节交流侧电流实现的。根据三相坐标系下整流器的数学模型，由电流正弦和功率因数的要求，设给定电流为：(2) 式中 为电压复制给定； 代表A，B，C三相。
在理想状态下，忽略线路损耗、电流电压正选对称，且直流端电压恒定的情况下，根据功率平衡的原则有：(3) 式中 为相电压幅值； 为设定功率因数。
所以：(4)
一般地，对直流电压得调节是用PI调节器来实现的。为了能起到调节直流端电压的作用，线电流幅值的给定还要加上直流端电压实际值和给定值差值的比例讥讽调节值，即：
(5)

3. 主电路设计

主电路拓扑已经在图1中给出，对主电路的设计主要是指对主电路中储能元件，即交流侧电感和直流侧电容参数的选择。
交流侧电感的选择需满足以下3 点要求[2]：①电感上压降尽可能小，一般不大于电源额定电压的30 %；②在一个开关周期内交流侧电流的最大超调量尽可能小，一般小于交流侧额定电流的10 %；③交流侧电流THD（total harmonic distortion 电流畸变率）尽可能小，一般规定一个上限，本文中定为交流侧额定电流的5 %。
直流电容的选择是三相PWM整流电路设计中的一个重要环节,选择的是否合适将直接影响系统的特性及安全性。由参考文献[ ]直流侧电容的取值范围为：
(6)
根据以上结论[3]，确定的主电路参数为：
La=Lb=Lc=2mH；
Ra=Rb=Rc=2Ω；
Cd=1000μF;
Vdc=400V；
交流电源为三相Sm=220V；
直流侧负载RL=50Ω。

4. 系统控制结构

本系统控制结构如图2所示，可视为公率因数、交流电流串级双闭环控制系统。其中电流反馈和电流跟踪控制器构成内环[1]，利用电流跟踪控制控台响应好，跟踪精度高，鲁棒性强，瞬时响应无直流偏移量等优势，保证交流电流严格复现三相参考电流。外环则由公率因数反馈和功率因数控制器构成，使系统在设定的功率因数下工作达到消除无功功率的目的。[p]

如上文所述，功率因数调节器根据功率因数给定和反馈的差值调节三项参考电流的相位，而三相参考电流的幅值则由直流电压得给定值与实际值共同决定。

5. Matlab仿真

根据上文中的分析和设计，利用Matlab的电力电子工具箱对系统进行了仿真试验[4]，电路参数已在上文中给出。文中图3为直流电压阶跃响应曲线，图4为交流a电压、电流曲线，图5功率因数响应曲线。

6. 结论

通过MATLAB仿真，得到直流电压、交流电流及公路因数曲线，可以看到本系统据有直流电压响应速度快，交流侧电流波形为正弦波切于交流电压相位相同的特点。仿真结果说明：本设计硬件结构合理，参数调节适当，控制有效，验证了设计的设计方案正确性和可行性。