张文臣 赵爱明 张行 李国君 张梓轩

摘 要：为了达到使传统开关型器件在光伏发电系统中结合物联网技术对防逆流控制器在非线性情况下对瞬时功率连续可调的目的，采用电流型PWM整流器拓扑结构，提出通过脉冲宽度调制调节输出功率的方法。通过Matlab/SimuLink单相电流型PWM整流电路仿真模型实验可知，在脉冲宽度固定的基础上调节频率，改变电感和电容之间谐振点，达到单位功率因数，并得到网侧功率因数的影响因素。

关键词：光伏发电;物联网;单相电流;PWM整流功率;可调单位功率因数;LC滤波

中图分类号：TP271文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）10-00-04

0 引 言

静止变流器在不间断电源、变速驱动和光伏电池储能系统中得到广泛应用[1]。变流器通过维持直流侧电压恒定，从而使得电流谐波含量达到功率因数为1的控制目的[2]。分布式光伏发电系统中的防逆流控制器利用物联网技术，在家庭与小型工厂等对热水需求比较规律的场合进行热水加热功率连续调节控制。

针对传统开关型可控硅调节功率存在瞬时功率连续不可调的问题[3]，文献[4]在锂电池储能系统中设计了功率调节系统拓扑结构，其中包括升降压斩波电路、电压源型变流器、LCL滤波器，在基于规则的功率优化控制策略下，使得电池组输出功率基本稳定，控制器性能良好。文獻[5]利用脉宽移相调功与锁相控制相结合的方法调节移相角改变输出电压、电流值，从而达到调节功率的目的。文献[6]提出利用较宽移相角调节范围的容性移相PWM调节输出功率，但是移相角或脉宽的变化导致高次谐波无法消除，且在脉宽调窄时谐波含量仍然较大。文献[7]提出基于阶梯波合成技术的脉冲密度调制策略，降低高频谐波逆变器输出电压的3次及5次谐波，进一步实现对感应电能传输系统输出功率的控制。与传统移相控制相比，有效降低了合成输出电压的谐波失真，且功率器件开关次数少，开关损耗小。文献[8]提出谐波代替基波移相调功的方法调节输出功率，解决了传统移相调功在轻载时带来的效率低的问题。文献[9]提出单相变流器的直接功率控制方法，利用电压外环通过PI控制器降低超调量，对采样电压进行修正，从而达到了谐波含量小及单位功率因数输出的要求。

相比传统可控硅调节功率方式存在的缺点，现有移相角调节功率电路虽然简单，移相控制也较容易实现软开关，但开关损耗较大。AC-DC单相变流器的功率控制方法可应用于谐波含量小、单位功率因数输出和功率可连续调节的场合。分析比较几种典型的功率调节方法，本文提出采用电流型PWM整流电路可连续调节功率的方法，通过调节频率实现交流侧的电感和电流发生谐振，从而降低谐波电流，进一步实现网侧单位功率因数输出的目的。

1 PWM整流电路结构分析

由主电路的拓扑结构可知，PWM整流器可分为电流型和电压型两类[10]。

1.1 电压型PWM整流电路

单相电压型PWM整流器电路拓扑结构如图1所示。其中：Us，Is为交流侧电网电压、电流;Ls为交流侧电感;Udc为直流侧电压;V1～V4为全控型功率开关管;VD1～VD4为依次并联在V1～V4上的续流二极管;电容C为直流滤波电容，可降低直流电压纹波。

将电压型PWM整流电路与电流型PWM整流电路对比分析可知，电流型PWM整流电路具有输入电流谐波含量少、网侧可单位功率因数运行、直流侧电压从零可调，对输出功率从零可调且控制电流更直接方便、动态响应更快以及拥有内在短路保护能力等优点。故本文对电流型PWM整流电路拓扑结构进行研究。

2 单相电流型PWM整流电路分析

电流型整流器又称为降压型整流器，与电压型PWM整流器相似，电流型PWM整流器具有四象限运行能力[13]。

2.1 单相电流型PWM整流电路数学模型

电流型PWM整流电路降压型整流器的等效模型如图3所示。

在电压Us（t）处于正半周时刻，由导通与关断所得到的瞬时功率平衡可进一步推导出其降压特性。在t =0时刻驱动V4导通、V2关断，电源Us向负载供电，给直流侧电感Ldc充电，直流侧电流I0按指数曲线上升。每个开关管都串联一个二极管，同时也保证了其电流流向。当t =t1时刻，控制V4关断、V2导通，直流侧负载经V2，V1二极管续流导通，直流侧电感Ldc向负载供电，Ldc取值较大，使得直流侧电流按指数曲线缓慢下降且脉动较小。同理，负半周时刻等效模型类似，不再赘述。

2.2 单相电流型PWM整流器工作过程分析

由于在同样的开关频率下，由单极性调制方式得到的交流侧谐波电流水平更低[14]，因此本文选取单极性调制方式。

3 电路仿真

通过Matlab/SimuLink仿真软件，在上述分析电流型PWM整流电路原理与时序控制的基础上，搭建单相电流型PWM整流电路的模型，如图6所示。

其中，各个功能块用子系统封装，主要包括PWM驱动信号产生模块与单相电流型PWM整流桥模块。系统仿真参数：交流侧电网电压220 V;频率50 Hz;交流侧滤波电感Ls=500 mH;滤波电容C=5 μF;直流侧储能电感Ldc=100 mH;直流侧负载电阻RL=50 Ω;开关频率10 kHz。

3.1 PWM控制时序对输出功率的影响

通过改变脉冲宽度调节直流侧输出电压得到直流侧输出功率值、交流侧输入功率值、比率大小，不同调制比下的功率值与比率见表1所列。调制比变化时，交流侧的功率和直流侧输出功率也发生变化，对比分析调制比m在一定比率下的直流侧输出功率，比率相同，可知其线性度较好，且交流侧输入功率与直流侧输出功率的差值较小，由此可知单相电流型PWM整流电路的效率较高，输出功率效率可达97%。

3.2 网侧LC滤波器对功率因数的影响

网侧电压电流仿真波形如图7所示。由图可知，交流侧电感与交流侧电容所构成的LC滤波电路对网侧电压、电流的功率因数有较大影响。其中，当LC滤波器中的电容参数较小（C=0.5 nF）时，网侧电流产生了大量谐波电流，不符合PWM整流电路下的功率因数要求。LC滤波器中电容或电感过大或过小都会使得网侧电流与电压之间产生相位差，从而降低网侧功率因数。当电感较大（Ls=0.5 H）时，网侧电压相位超前于电流相位。当电容较大（C=50 mF）时，网侧电压滞后于电流相位，且电容过大将导致短路电流出现。调节频率使得电感与电容发生谐振，网侧电压与电流同相位（cos=1），可达到单位功率因数输出。因此，LC滤波器的参数影响网侧功率因数，且LC发生谐振时得到网侧电压电流同相。

3.3 直流侧电感对纹波的影响

直流侧电压、电流仿真如图8所示。由圖可知，由于直流侧电感Ldc的存在使得直流侧电压、电流的输出含有一定的纹波，在单相电流型PWM整流电路调制比m =0.8，Ldc=0.02 H时可看出直流侧电压、电流在某一数值范围内波动，在直流稳定量上有一定的交流量存在。直流侧电感越小，得到的直流稳定量上的脉动就越大，因此Ldc应尽量取大些。

4 结 语

本文通过对单相电流型PWM整流电路的拓扑结构、数学模型及工作状态分析，得到了对于单相电流型PWM整流电路的特点：

（1）在调制比相同比率下得到的直流侧输出功率比率k2相同，且处于线性变化状态，可实现运用调节脉冲宽度的方法对直流侧输出功率进行线性调节。

（2）直流侧电压存在少量纹波，由直流侧输出功率与交流侧功率之间的比值可得直流侧输出功率的效率约为97%。

（3）LC滤波器中电感、电容参数是网侧功率因数的影响因素，通过调节频率改变LC发生谐振得到网侧电压电流同相，可单位功率因数输出。对于具体的LC滤波器中电感、电流参数及直流侧电感参数取值不再详述。然而，对于本文所提到的频率调节方法还有待于进一步研究。

注：本文通讯作者为赵爱明。

参 考 文 献

[1] SINGH B，SINGH B N，CHANDRA A，et al. A review fsingle-phase improved power quality AC-DC converters [J].IEEE transactions on industrial electronics，2003，50（5）： 962-981.

[2] GIRI F，ABOULOIFA A，LACHKAR I，et al. Formal framework for nonlinear control of PWM AC/DC boost rectifiers-controller design and average performance analysis [J]. IEEE transactions on control systems technology，2010，18（2）：323-335.

[3]黄利生.可控硅零电位触发及功率调节电路在炉温自控中的应用[J].金属制品，1989，15（6）：32-35.

[4]严干贵，冯爽，李军徽，等.储能功率调节系统主电路参数设计与控制策略研究[J].电测与仪表，2014，51（21）：96-100.

[5]陈富豪，葛运旺，芦逸云.超音频感应加热电源功率调节方法[J].金属热处理，2017，42（11）：183-186.

[6]孙起良，张志宏.感应加热电源的容性移相PWM调功[J].安徽理工大学学报，2013 ，33（1）：33-37.

[7]范满义，史黎明，殷正刚，等.感应电能传输系统基于阶梯波合成技术的谐波消除和脉冲密度功率调节方法[J].中国电机工程学报，2017，37（22）：6516-6523.

[8]蔡华，史黎明，李耀华.感应耦合电能传输系统输出功率调节方法[J].电工技术学报，2014，29（1）：215-220.

[9]马庆安，李群湛，邱大强，等.基于直接功率控制的单相 AC-DC 变流器控制器设计[J].电工技术学报，2012，27（7）：251-256.

[10] HASAN K，KUKRER O.Lyapunov-based control for three-phase PWM AC/DCvoltage-source converter [J]. IEEE Appl. on power electron，1998，13（5）：801-803.

[11]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[12]潘天明.工频和中频感应炉[M].北京：冶金工业出版社，1981.

[13]李玉玲.电流型 PWM 整流器及其控制策略的研究[D].杭州：浙江大学，2006.

[14] MOHAN N，UNDELAND T，ROBBINS W.Power electronics： converters，applications，and design [M]. 2nd Ed.New York：John Wiley & Sons，Inc.，1995.

[15]张军伟，王兵树，刘治安，等.单相电压型PWM整流电路原理分析与仿真[J].现代电子技术，2009，32（8）：186-189.