双PWM变换器的发展_现状及应用

电动机系统能耗大、效率低的原因有两个方面。

其一是由于大部分电动机系统为直接拖动，造成大量的能源浪费。

其二是在牵引、矿井等需要频繁四象限运行的场合，大量的电动机制动时的再生能量通常被直接消耗掉，在大功率场合同样造成了能源的极大浪费。

随着电力电子技术的不断发展，功率器件的不断更新，控制技术的不断完善，针对第一个问题，目前越来越多的场合采用ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　ＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）逆变器对电机实施调速，能够有效地改善系统运行效率，极大地节约了能源。

然而，大多数的交流调速系统前端整流器采用二极管整流，对于上述第二个问题束手无策。

因此，用ＰＷＭ逆变器取代二极管整流，与ＰＷＭ逆变器一起，构成双ＰＷＭ变换器，则不但能够解决第一个问题，而且能在负载制动时将能量直接回馈给电网，实现真正高性能的、高效的电动机系统。

２　双ＰＷＭ变换器基本原理图１给出了双ＰＷＭ变换器的模型电路。

假设电网电压为理想电压，同时只考虑整流桥交流侧ＰＷＭ电压的基波分量，这样以网侧电动势矢量Ｅ为参考时，通过控制整流桥交流侧电压矢量Ｖ，可以使得双ＰＷＭ变换器工作在如图２所示的四种情况。

稳态情况下，输入电流矢量ｉＬ的双ＰＷＭ变换器的发展、现状及应用金丽萍１，　２ 邱晓燕１ 张瑞伟２１、四川大学电气信息学院 ６１００６５２、重庆通信学院电力电子教研室 ４０００３５１　引言能源短缺是全球人类所面临的世纪性难题，节能减排也成为我国的基本国策。

国家制定了《节能中长期专项规划》，为实现规划目标，国家发展和改革委员会启动了“十一五”国家重点节能工程，电动机系统节能工程是其中之一［１］。

电动机是电能消耗的最大户，也是节电潜力最大的用户。

据统计，我国电动机总装机容量４亿多千瓦，其年用电量约为１５０００亿千瓦时，约占全国总发电量的６５％～７０％［２］。

因此，研究电动机系统的节能问题具有重大的现实意义和深远的可持续发展意义。

模长不变，因此，电感电压矢量ｖＬ的模长也不变。

因此，双ＰＷＭ变换器交流侧电压相量Ｖ运动轨迹构成了一个以ＶＬ为半径的圆。

Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ是双ＰＷＭ变换器四象限运行的四个特殊工作点。

在这四个点，系统分别体现为纯电感特性（Ａ）、纯电阻特性（Ｂ）、电容特性（Ｃ）以及负阻特性（Ｄ）。

双ＰＷＭ变换器工作在这四个特殊点中间时，在不同段就工作在不同的象限，与电网之间有功、无功的交换也各不相同。

显然，只要根据电网电压矢量Ｅ的大小和方向，合理地控制整流桥交流侧电压矢量Ｖ，就可以控制网侧电流和系统运行模式，实现能量双向流动。

３　双ＰＷＭ变换器的发展双ＰＷＭ变换器最早出现在１９８７年，功率器件采用门极可关断晶闸管（ＧＴＯ）［３］，系统具有网侧高功率因数、低电流谐波和能量双向流动的特性。

９０年代初，出现了基于绝缘栅双极性晶体管（ＩＧＢＴ）的双ＰＷＭ变换器［４］，将开关频率提高到４．８ｋＨｚ，系统的动静态性图２ 双ＰＷＭ变换器输入侧稳态矢量关系图１ 双ＰＷＭ变换器模型电路能得到进一步提高，并推动了双ＰＷＭ变换器进一步研究。

此后，双ＰＷＭ变换器不断取得发展，理论和实践不断完善，出现了各种各样的拓扑结构和控制策略。

３．１　主电路拓扑的发展１）电流源型双ＰＷＭ变换器和普通的电力电子变换装置类似，双ＰＷＭ变换器也分为电压源型和电流源型两大类。

图３给出了电流源双ＰＷＭ变换器的主电路拓扑图。

这种拓扑结构必须采用大电感作为中间直流滤波环节，其优点是电流保护容易，不存在直通现象。

但是，电流源型双ＰＷＭ变换器的传输比低，而且输出的端电压存在较大的电压尖峰以及共模电压。

２）两电平电压型双ＰＷＭ变换器两电平电压型双ＰＷＭ变换器是目前应用最为广泛的双ＰＷＭ变换器拓扑结构，如图４所示。

其优点是：电路简单，性能可靠，是目前研究最为充分、技术最为成熟的拓扑结构，适合于在中小容量领域的应用。

３）简化的两电平双ＰＷＭ变换器为了减少主功率开关器件，有学者提出了如图５所示的只用８个功率开关的双ＰＷＭ变换器［５］。

这种变换器优点是电路结构比较简单紧凑。

但是其母线电压为传统两电平双ＰＷＭ变换器的两倍，随之而来的是母线电容和功率开关器件的耐压都必须提高，适合于低电压场合。

４）矩阵式双ＰＷＭ变换器图６给出了近年来出现的基于矩阵变换器的双ＰＷＭ变换器［６］。

该变换器不仅保留了矩阵变换器固有的优点，而且换流更加安全可靠，减小了开关器件的数量。

这种变换器的优点非常具有吸引力，具有很好的应用前景。

但是，和矩阵变换器类似，受制于功率开关器件，目前难以实用化。

５）谐振环节软开关双ＰＷＭ变换器为了提高系统效率，降低功率开关器件的开关损耗，出现了带谐振环节的双ＰＷＭ变换器［７］，如图７所示。

主功率开关器件在一定条件下能够零电压开关。

但是，这种变换器控制相对复杂，对时序要求高，系统稳定性难以得到保障，在高压大容量变换器中应用困难。

６）中点箝位三电平双ＰＷＭ变换器中点箝位三电平变换器近年来由于具有独特的优势，成为高压大容量电力电子领域的热门研究方向［８］。

三电平变换器主电路中的每个开关器件仅承受一半的直流侧电压，且无需动态均压电路；而且由于电平数的增加，减小了波形的谐波含量；在相同直流母线电压下，输出的ｄｖ／ｄｔ减小了一半，同时也有利于电机或滤波器的绝缘和安全运行。

基于这些优点，中点箝位三电平双ＰＷＭ变换器成为目前最为适合在高压大容量场合的双ＰＷＭ电路拓扑结构，如图８所示。

３．２　控制技术的发展如图１所示，双ＰＷＭ变换器基本上由ＰＷＭ整流、直流母线和ＰＷＭ逆变三部分组成。

其中整流部分的控制目标是减小输入电流谐波，保证功率因数要求，控制直流母线电压；逆变侧完成对电机的控制，包括启动、制动、调速等等。

１）ＰＷＭ整流器控制技术ＰＷＭ整流器的研究开展于上世纪８０年代。

１９８２年有学者首先提出了基于可关断器件的ＰＷＭ整流器电流的间接电流控制策略［９］，实现了单位功率因数正弦波电流控制，此后ＰＷＭ整流器控制技术得到了长足的发展。

目前，直接电流控制技术由于具有较快的动态响应速度和鲁棒性，已经取代简介电流控制，成为ＰＷＭ整流器控制策略的主流［１０］，并衍生出了很多种控制方法。

包括电压定向矢量控制技术［１１］、电流滞环ＰＷＭ控制技术［１２］以及预测电流控制技术［１３］等等。

此外，近年出现了新型的直接功率控制策略［１４］。

该策略并不以电流为控制目标，转而实现对网侧瞬时有功、无功的直接控制，在简化了控制结构的同时，大大提高了系统的动态响应性能。

此外，上述这些常规的控制策略一般采用稳态工作点小信号扰动线性化整定方案，这种方案的不足之处在于无法保证控制系统大范围扰动的稳定性。

为解决这一问题，有学者提出了基于李亚普诺夫稳定性理论的非线性控制策略［１５］，该方案较好地解决了ＰＷＭ整流器的大范围稳定控制问题。

２）逆变器异步电机的高性能控制技术逆变器异步电机高性能控制策略主要有磁场定向控制和直接转矩控制。

主要目标是完成电机的启动、制动，调速等等运行功能，同时使系统具有良好的动、静态性能。

这方面的研究开展较早，已有大量的研究成果，目前研究的重点集中在无速度传感器控制和现代控制图５ 简化两电平双ＰＷＭ变换器电路拓扑图图６ 矩阵式双ＰＷＭ变换器电路拓扑图图３ 电流源双ＰＷＭ变换器电路拓扑图图４ 两电平电压型双ＰＷＭ变换器电路拓扑图图８ 中点箝位三电平双ＰＷＭ变换器主电路图图７ 谐振环节软开关双ＰＷＭ变换器电路拓扑图理论的应用方面。

３）双ＰＷＭ的综合控制策略在早期的双ＰＷＭ变换器控制中，一般整流部分和逆变部分采用独立控制，并没有使两者协调一致。

系统工作时，直流环节动态响应很慢，为避免直流电压出现大的波动，就必须加大直流母线电容，而大电容的引入必然会带来成本的提高、重量体积的增大及故障的增多。

为解决这一问题，围绕双ＰＷＭ变换器整流、逆变综合控制开展了很多研究工作，从思路和出发点的不同，这些方法总体上可以分为三类。

最早出现的也是目前应用最为广泛的综合控制方法是负载电流前馈方案［１６］，通过检测直流回路流入逆变侧的电流来实现负载电流前馈综合控制。

该方法的优点在于物理意义清晰，控制原理简单，易于实现。

缺点是负载电流的直接测量和间接重构比较困难，重构误差对系统控制性能影响较大，改善效果对硬件和算法依赖性较大。

另外一种方法是直接电容电流控制思路［１７］，该方法通过提出的模型来控制直流环节电容电流为零，使得直流回路在理想情况下不参与系统中能量的交换和流动，其本质是也是对负载电流前馈思路的一种改进，但是动态效果取得了较为明显的改进。

近来还有文献［１８］提出了主从控制模式的概念，按照电机侧逆变回路的状态作为主状态，将网侧整流回路状态作为从状态，按照主从控制模式实现了双ＰＷＭ变换器的协调控制。

４　双ＰＷＭ变换器的应用随着上述技术的不断发展，双ＰＷＭ变换器的优势越来越明显，其巨大潜力正在受到越来越多的重视，应用也越来越广泛。

因此，可以预见，双ＰＷＭ变换器必将在现代工业领域发挥重要作用。

４．１　四象限交流电机驱动系统图１即为目前双ＰＷＭ变换器应用最多的场合—四象限交流电机驱动。

在交流电动机的四个象限，电机的运行状态可以分为电动和发电两种情况。

当电动机工作在电动状态时，能量从网侧通过ＰＷＭ整流器、ＰＷＭ逆变器传递到电机侧，驱动电机运行。

当系统制动时，电动机工作在发电状态时，电机再生能量通过ＰＷＭ逆变器（运行于整流状态）、ＰＷＭ整流器（运行在回馈状态）回馈给电网。

控制输入侧交流电压矢量，使双ＰＷＭ变换器工作在如图２所示的Ｂ和Ｄ点，就可以实现在单位功率因数下能量的双向流动。

４．２　统一潮流控制器统一潮流控制器（ＵＰＦＣ）是柔性交流输电系统（ＦＡＣＴＳ）技术中最引人注目、最有应用前景的一种电力补偿装置。

ＵＰＦＣ用于输电网主要起控制有功潮流和吞吐无功的作用，其主电路拓扑结构如图９所示，为典型的双ＰＷＭ变换器结构。

其串联变换器通过变压器向电力网引人一个幅值可变、相位可任意调节的电压源，从而能对线路的有功、无功进行控制；而并联变换器则通过变压器向电力网引入一个幅值可变、相位可任意调节的电流源，从而具有快速吞吐无功的能力，并联变流器的另一主要作用是提供一个稳定的直流电压以确保串、并联变流器的正常运行，相当于一个ＰＷＭ整流器。

４．３　风力发电并网系统风力发电机的并网发电，传统上常采用同步或异步发电机并网发电系统。

同步发电系统需一套结构复杂的调速机构以稳定发电机转子转速；而异步发电系统在发电的同时，需向电网吸取无功、或由自备电容器提供无功电能，并且发电机转速变化范围较小。

若采用双ＰＷＭ变换器型风力发电机并网发电系统，就能较好地克服同步、异步发电系统的不足，其拓扑结构如图１０所示。

其中，风力发电机侧的变换器控制风力发电机运行，且输出电流为正弦波，从而提高了风力发电机的运行效率。