PWM整流器阻抗特性研究

PWM整流器由于在给直流负载提供稳定的电压的同时,还能实现交流电网侧的单位功率因数和正弦电流控制而得到广泛应用。当PWM整流器的直流负载中存在呈负阻抗特性的电力电子变换器时,系统会存在不稳定隐患;同时当PWM整流器作为电网的负载时,也有可能造成系统的不稳定。现阶段多使用基于阻抗的稳定判据来判断级联系统的稳定性。因此需要分析PWM整流器的阻抗特性以及研究影响阻抗特性的各个因素。本文介绍了三相PWM整流器的基本工作原理,详细推导了d-q坐标系下PWM整流器的小信号模型,并依此设计电压外环、电流内环控制器参数;对比分析了常用的电压控制器的简化设计模型和小信号模型的区别,指出由于中频段特性相同,可使用简化模型设计控制器参数。在PWM整流器小信号模型的基础上,推导了PWM整流器的直流侧输出阻抗的表达式;介绍了直流阻抗的测量原理,并通过电路仿真测量阻抗,验证了PWM整流器的直流侧输出阻抗表达式的正确性。分析了电路参数、控制器参数、控制延时、开关频率等因素对PWM整流器直流侧输出阻抗特性影响。指出阻抗中低频段主要受控制器参数影响,阻抗中频段宽和电压环带宽正相关,阻抗高频段主要受直流电容参数影响。由于阻抗中频段为系统级联稳定性判断的主要频段,故系统级联稳定性主要与电压控制器参数相关。指出PWM整流器直流侧输出阻抗受电流环影响较小,因而得出一种基于电流环简化的直流阻抗计算方法。分析了直流负载电流前馈控制对于直流侧输出阻抗的改善作用,并对比了加入负载电流前馈控制和增大电容对阻抗影响的异同。通过仿真验证以上结论。推导了PWM整流器交流侧输入导纳的表达式;分析了交流电感和电流控制器参数对输入导纳特性的影响。指出导纳低频段部分受电压环参数影响,导纳中、低频段主要受电流控制器参数影响,导纳高频段主要受交流电感影响。搭建了5kW PWM整流器实验平台,进行PWM整流器运行和阻抗测量实验,实验结果理论分析结论的正确性。