摘要：本文对大功率整流器对电网造成的谐波污染进行了分析，主要介绍了一种新型的混合开关PWM电流型整流器[1]。该混合开关整流器在大功率领域具有显著的电流特性和成本优势，并能有效地抑制网侧的电流谐波。为进一步提高该混合开关电流型整流器的工作频率来减小交流侧和直流侧的滤波器成本和体积，本文提出了一种优化的空间矢量控制策略。最后通过电路仿真以及实验结果来验证该优化的电流型空间矢量控制策略能提高混合开关整流器的工作频率，来提高抑制谐波的能力。
叙词：混合开关 网侧电流谐波 空间矢量调制
传统的大功率整流器在从电网取电时，由于大功率电子器件的作用以及无功元器件的影响，大量的谐波电流被注入到电力系统，使电网中的谐波水平逐年增高。谐波对从电网取电的其他设备将会造成一些严重的威胁。为解决大功率变流装置对电网的干扰：一是加接滤波器来提供谐波电流的通路;另外一个更加有效的方法是增加整流相数，即增加整流电压的脉波数，如多脉波整流桥和PWM整流桥等。 信息来源:http://365zhanlan.com
三相PWM整流器通过将网侧电流或电压调制成高频的PWM脉冲波，经滤除网侧电流的高频谐波及其倍频谐波，其网侧谐波失真率完全可以达到国家安全标准。图1是三相PWM电流型整流器[2]，大功率条件下电路需使用大功率开关管，如IGBT、IGCT、IECT等可控高频开关管来实现。但这些管子价格昂贵，后两者目前只有少数国外公司能生产，故不能广泛应用。
处于研究领域的三相混合开关PWM电流型整流器如图2所示。该电路的输出电压具有降压特性;网侧电流谐波分量小;电路的输出侧电感使电路更稳定安全;使用晶闸管使该电路具有成本优势。该电路可适用于电机驱动和金属热处理工业。
图1 传统的三相PWM电流型整流器 图2 三相混合开关PWM电流型整流器 请登陆:www.365zhanlan.com 浏览更多信息
1 电路拓扑
三相混合开关PWM电流型整流器相比较传统的三相PWM电流型整流器[3][4]，具有以下特点：在整流桥部分使用6个晶闸管替代了6个IGBT;仅使用一个开关管(如IGBT)与晶闸管整流桥串联，IGBT能强制关断整流桥中已导通的晶闸管，这样可使晶闸管整流桥具有脉宽调制的能力。由于晶闸管没有擎住效应限制，其电流特性比IGBT好，而且其导通压降也小于IGBT，可提高电路的效率。图2中IGBT关掉后，晶闸管由导通恢复到正向阻断状态需要一定的时间[5],故晶闸管的关断特性将限制电路的工作频率。为提高工作频率来减小滤波器的体积和成本，必须减小晶闸管关断恢复时间TOFF，或者优化控制策略来分配给晶闸管更多的关断时间。为缩减TOFF，可以给已开通的晶闸管提供反压来加速其反向恢复过程，如图3所示的系统框图，增加了反压电路网络(Q2和Umax)以及控制电路驱动电路。反压网络只需提供给晶闸管反向恢复电流，所以普通功率等级的开关管即可满足Q2的要求。提供反压的电压源Umax 是通过工频变压器将网侧电压升压，再经二极管整流桥整流后加到稳压电容上，经滤波得到。
图3 增加反压电路的混合开关PWM电流型整流器 信息来源:365zhanlan.com
2电流型空间矢量控制策略
三相混合开关PWM电流型整流器采用空间矢量控制(SVPWM)[6][7] [8]来实现。电流型空间矢量控制能充分利用DSP芯片的中断功能，使得PWM控制波形的发生和控制方案的实现大为简化。图4所示为三相电流型整流器的电流矢量以及相应的坐标轴。SVPWM调制方式使用图4中的九个电流矢量来合成所需要的参考电流矢量I*。
图4 三相电流型整流器的电流矢量
给定一个参考矢量I*(如图4)，可基于式(1)~ 式(4)用I1和I6矢量合成，其中T1T6T0是I1I6和I7矢量的作用时间，Ts是开关周期，m是调制比，可得到零矢量作用时间T0。在传统的空间矢量控制中[9]，T0被平均分配到I1和I6之间，提供给晶闸管的关断时间为T0/2，如图5所示。电路的最高工作频率fS由式(5)决定。 信息来源:http://www.365zhanlan.com
图5 SVPWM中各矢量的时序图
3 优化的电流型空间矢量控制策略
为提高控制系统分配给晶闸管的关断时间，以下对电路的开关过程进行分析。图4所示的扇区I中，当-π/6<α<0时，网侧电容电压VA’ 信息来源:http://365zhanlan.com
令关断时间TOFF=41.67μs，调制比m=0.9，由传统的电流型空间矢量控制式(5)得到工作频率为1.2kHz;而优化的电流型空间矢量控制式(6)得到工作频率为2.4kHz。以扇区I为例，优化的空间矢量条件下，各矢量的时序分配如图6所示。开关周期0<α≤α2内，晶闸管强制换流时刻α=α1，晶闸管S5承受最小反压值。根据式(7)， 代入m=0.9，TS=416.7μs后得到α1≈0.072。由式(8)计算出晶闸管最小反压值VAC’。电容电压峰值VS≈311V，则VAC’≈38.75V。理论上满足晶闸管加反压关断的条件。
以下是扇区间换流的情况。图7所示为扇区I到扇区Ⅱ的矢量分配图。图中在非自然换流时，晶闸管的关断时间为TOFF;在自然换流时，晶闸管承受的反压远大于最小反压值38.75V。即能保证电路优化后的电流型空间矢量正常进行。
图6 优化SVPWM扇区I内的矢量时序图 图7 优化SVPWM中扇区I到扇区Ⅱ的矢量时序图
4 仿真结果
对三相混合开关PWM电流型整流器使用优化空间矢量控制策略进行仿真验证。仿真电路的功率为300kW，直流侧电流为700A;网侧滤波器谐振频率为750Hz，滤波交流电感为100μH，等效串联电阻为0.047Ω，网侧三相滤波电容为450μF，则滤波器的品质因数约为10;电路的工作频率为2.4kHz。
图8 优化控制策略的网侧电流波形：(a)相网侧PWM电流波形;(b)各相网侧电流波形 信息来源:365zhanlan.com
图8为网侧电流波形。对网侧电流进行傅里叶分析，图8(b)中网侧电流ISA的THD≈11.66%，各次谐波分量列于表1。5次到19次谐波由滤波器谐振放大，49次和53次为开关频率及其边频谐波。通过增加谐振吸收电路来滤除低次谐波，网侧电流如图9所示。
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