PWM整流器的应用研究

魏昂[1]

(电子电气工程学院 淄博职业学院，山东省 淄博市 255314)

摘要：由于三相PWM整流器具有网侧电流谐波少、能量双向流动、功率因数可调等优点，在现代电力电子技术中得以广泛应用。本文以PWM整流器的数学模型和拓扑结构为基础，举例说明PWM整流器在各领域的应用现状，研究表明PWM整流器适用领域广，应用前景可期。

关键词：电力电子；变流装置；PWM整流器；数学模型

0 引 言

整流器作为电力电子变流装置中的核心装置，其在各领域中都发挥着不可替代的作用。整流器能提供稳定的直流电压，为了顺应现代科技对电能质量的要求，降低谐波污染出现了PWM整流器。PWM整流器内部结构为全控型器件构建的整流桥，如此实现功率因数可控，降低电流谐波以及电能双向传递等特点，其优点明显，更适应现代科技的发展和应用，因此，PWM整流器逐渐取代了传统的整流装置。

整流器装置自20世纪末期提出至今，整流装置拓扑结构与核心器件越来越成熟[2]。最早期，PWM整流器拓扑结构中的开关器件选用可关断器件搭建全桥整流桥，实现电流型PWM整流器网侧单位功率因数电流控制。随着A.W.Green最早提出PWM整流器坐标变换的数学模型，PWM整流器的研究进入飞速发展阶段。现阶段PWM整流器功率开关器件已经从早期的半控型器件逐渐转变为全控性电力电子开关器件。整流器拓扑结构也越来越复杂，整流装置从单相拓扑结构转变为三相电路至多相组合拓扑电路。整流器开关调制方式也逐渐从硬开关调剂发展至软开关调剂。因此PWM整流器拥有广泛的应用前景。本文以PWM整流器的拓扑结构和数学模型为基础，举例说明PWM整流器在众多领域的应用现状。

1 PWM整流器拓扑结构及数学模型

PWM整流器的拓扑结构如图1所示，该整流器直流侧为无源负载。

图1 PWM整流器拓扑结构图

Fig. 1 The Block Diagram of PWM Rectifier

图中，、、为网侧电压源；L为交流侧输入滤波电感；R为交流侧输入电阻；C分别为滤波电容；为直流侧负载电阻；、、为交流侧电流；、、为交流侧输入电压；+-为直流侧输出电压。

根据该整流器拓扑结构，通过abc/αβ坐标变换，得到系统在α-β坐标系下的数学模型：

           (1)

2 PWM整流器的应用现状

由于PWM整流器具有网侧电流谐波少、能量双向流动、功率因数可调等优点，被广泛应用于船舶电力推进系统、双馈风力发电系统[4]、陆战平台综合电力系统以及新能源汽车充电系统等多个领域，这些应用技术的发展又促进了PWM整流器控制技术的进步和完善。下文对不同应用系统进行详细阐述。

2.1 船舶电力推进系统

如图2所示船舶电力推进系统，该电力推进系统由发电系统与电力推进系统两个部分。该系统首先由发电系统中船载柴油原动机与发电机进行发电，由配电盘对发电机所发出的电能进行分配，而后其中一部分电能分配至船舶电力推进系统，经AC-DC-AC变频器对输入电能进行控制输出，并将稳定交流电能输送至推进电机带动螺旋桨。该过程中AC-DC-AC变频器包含整流器和逆变器两个部分，是整个电力推进系统的核心。

图2 船舶电力推进系统

Fig. 2  The marine electric propulsion system

2.2 双馈风力发电系统

风力电机前置变速结构，其轴心与双馈电机转轴连接，从而将风能转化为电能，由于自然风力存在波动，可能直接导致电网电压出现波动，因此在双馈风力发电系统中加入背靠背变流器实现功率变换。首先利用定子侧整流器获得稳定直流电压，而后由转子侧逆变器输出稳定三相励磁电流，从而控制双馈电机发电。其中功率变换器利用PWM整流器能量双向流动的特点，将双PWM整流器背靠背连接，用以调节励磁电流幅值、频率和相位，使DFIG实现变速恒频运行，实现风力发电系统的最大风能跟踪和定子输出无功功率的调节。

2.3 陆战平台综合电力系统

陆战平台综合电力系统为地面战斗平台电驱动、电武器、电防护以及其他多用电任务提供直流电能。由于系统负载特性各异，所以要求系统并联结构元素不对称。通过PWM整流器与直流供电网络连接，提供战斗平台遂行任务所需的平均功率。将PWM整流器应用在对电能要求更高的陆战平台上更是说明PWM整流器现阶段在稳定性、电能传输能力、谐波治理等多个方面都具备良好的性能。

2.4 新能源汽车充电系统

新能源汽车是未来汽车发展的主要方向，在我国也具有政策支持和鼓励，然而新能源汽车的充电问题一直有待解决。现阶段新能源汽车充放电系统由PWM整流器、双向DC/DC变换部分、动力电池等部分构成，利用PWM整流器双向传输特性、网侧电流谐波低、功率因数高以及高恒定直流侧电压等优点实现高功率因数快速充放电，充电时从电网接入交流电由整流器转换为稳定的直流电并经过DC/DC变换装置进行降压后给动力电池充电；放电时，动力电池经过

DC/DC变换装置升压后再通过PWM整流器逆变为交流电反馈回电网。

3 结 论

本文首先针对电网电压不平衡时的PWM整流器系统，建立系统模型，而后，针对PWM整流器在船舶电力推进系统、双馈风力发电系统、陆战平台综合电力系统以及新能源汽车充电系统等领域的应用进行分析，说明PWM整流器在现代电能转换系统的应用，根据其在不同系统中的应用可以看出PWM整流器在电力电子技术的应用中优势明显，涉及领域众多，具有非常光明的前景。

［参考文献］

[1] 张军.电压型PWM整流器控制现状及发展趋势分析[J].电气工程学报, 2018, 13(10):29-34.

[2] 邹乐,吴学光,寇龙泽,等.电网电压对称骤升下双馈风力发电系统的改进控制策略研究[J]. 电网技术, 2020, 44(04):1360-1367.

[3] 邹渊,焦飞翔,崔星,等.地面无人平台动力源集成技术发展综述[J]. 兵工学报, 2020, 41(10):2131-2144.

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