電壓型PWM整流器電感下限值設(shè)計(jì)與分析

摘要：從電壓型PWM整流器(VSR)網(wǎng)側(cè)輸入正弦電流在過(guò)零點(diǎn)處電流脈動(dòng)量最大特點(diǎn)出發(fā)，詳細(xì)分析了電流過(guò)零處一個(gè)PWM采樣周期內(nèi)電流脈動(dòng)量與各開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間、電源頻率、系統(tǒng)電感值、電網(wǎng)電壓、功率給定及輸出直流電壓的關(guān)系，設(shè)計(jì)了VSR交流側(cè)電抗器最小值。在Saber仿真平臺(tái)上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，得到了不同電感值下系統(tǒng)輸出直流電壓、輸入電流的變化波形，結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的正確性和可行性。
關(guān)鍵詞：整流器；電抗器設(shè)計(jì)；電流脈動(dòng)量；最大輸出功率

1 引言
PWM整流器以其交、直流側(cè)可控的4象限運(yùn)行方式，可控制網(wǎng)側(cè)電流及功率因數(shù)的特點(diǎn)，逐漸成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，對(duì)于PWM整流器的研究熱點(diǎn)集中在控制策略的研究方面，對(duì)系統(tǒng)主電路參數(shù)設(shè)計(jì)的研究較少。在三相VSR的設(shè)計(jì)中，網(wǎng)側(cè)電感參數(shù)的確定至關(guān)重要。功率電路設(shè)計(jì)的好壞也是三相VSR系統(tǒng)能否正常及進(jìn)一步實(shí)用化的關(guān)鍵，三相VSR網(wǎng)側(cè)電感對(duì)三相VSR系統(tǒng)的影響是綜合性的，其取值不僅影響系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能，而且還會(huì)對(duì)三相VSR的額定輸出功率等其他因素產(chǎn)生影響。增大電感值，可抑制系統(tǒng)輸入電流的諧波，減小整流器的使用所造成的電網(wǎng)污染。但系統(tǒng)提供給負(fù)載的最大功率就會(huì)下降；減小電感值，可提高系統(tǒng)響應(yīng)速度及系統(tǒng)輸出功率，但輸入電流的脈動(dòng)量會(huì)變大，造成系統(tǒng)輸入電流諧波增加。
因此，正確選取系統(tǒng)交流側(cè)電抗器值對(duì)系統(tǒng)而言具有重要意義。文獻(xiàn)提出了一些計(jì)算方法，但結(jié)果均不理想。在此從VSR網(wǎng)側(cè)輸入正弦電流在過(guò)零點(diǎn)處電流脈動(dòng)量最大特點(diǎn)出發(fā)，詳細(xì)地分析了在電流過(guò)零處一個(gè)PWM采樣周期內(nèi)電流脈動(dòng)量與各開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間、電源頻率、系統(tǒng)電感值、電網(wǎng)電壓、功率給定及輸出直流電壓的關(guān)系，設(shè)計(jì)了VSR交流側(cè)電抗器最小值。在仿真平臺(tái)上進(jìn)行了仿真，得到了不同電感值情況下系統(tǒng)輸出直流電壓、輸入電流的變化波形，結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的正確性和可行性。

2 基于開(kāi)關(guān)函數(shù)的三相VSR系統(tǒng)模型
三相VSR主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。Lre為網(wǎng)側(cè)濾波電感，即所需設(shè)計(jì)的對(duì)象。根據(jù)基爾霍夫電壓定律有：Lredik／dt=ek-ikRrem-uk+uo，k=a，b，c。

由于三相VSR系統(tǒng)無(wú)中線(xiàn)，且電網(wǎng)輸入平衡，將直流電容的中點(diǎn)作為系統(tǒng)參考地時(shí)，網(wǎng)側(cè)三相電源中心點(diǎn)電壓值為：uo=(ua+ub+uc)／3。將其代入Lredik／dt=ek-ikRre-uk+uo可得：
Lredik／dt=ek-ikRre-uk+(ua+ub+uc)／3 (1)
其中，對(duì)三相VSR的整流橋開(kāi)關(guān)信號(hào)S作如下定義：當(dāng)Sk=1時(shí)，上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷；當(dāng)Sk=0時(shí)，下管導(dǎo)通，上管關(guān)斷。根據(jù)主電路結(jié)構(gòu)形式，直流側(cè)電壓與整流橋網(wǎng)側(cè)輸入電壓間存在如下關(guān)系：uk=SkUD+(1-Sk)UD-。將上式代入式(1)，則：
Lredik／dt=ek+(-3Sk+Sa+Sb+Sc)Udc／3 (2)

3 基于輸入電流脈動(dòng)量的電感最小值設(shè)計(jì)
三相VSR在運(yùn)行中，電流脈動(dòng)量較大處就是在電流過(guò)零和峰值處，其中過(guò)零點(diǎn)處電流脈動(dòng)量最大。下面以限制輸入電流最大脈動(dòng)量為目的來(lái)設(shè)計(jì)電感，以a相為例，討論電感設(shè)計(jì)。圖2為a相電流在過(guò)零處，一個(gè)采樣周期內(nèi)a相電流和開(kāi)關(guān)信號(hào)的對(duì)應(yīng)波形。

根據(jù)圖2所示，依據(jù)電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)方法，此時(shí)給定電壓矢量處于第VI扇區(qū)，即處于a相過(guò)零附近。如果忽略零矢量的作用，則：t1=t3=T1／2，t2=T2，T1，T2為非零矢量作用時(shí)間。則在(ωt，ωt+t1]，(ωt+t1，ωt+t1+t2]，(ωt+t1+t2，ωt+Tcs]內(nèi)，根據(jù)式(2)分別可得：