PWM整流系統(tǒng)的研究

1、目錄摘要2ABCTRCT3第一章 緒論41.1研究背景意義、及其現(xiàn)狀41.1.1 研究背景及現(xiàn)狀41.1.2 研究意義及發(fā)展趨勢41.2 主要研究內(nèi)容5第2章 PWM 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其原理62.1 PWM 整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與基本原理62.1.1 PWM 整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)62.2三相整流器基本原理8第三章 三相PWM整流器的數(shù)學(xué)模型113.1三相abc靜止坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型123.2 兩相靜止坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型123.3兩相dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型13第四章 三相PWM 整流器控制系統(tǒng)設(shè)計154.1基于電流內(nèi)環(huán)的控制器設(shè)計154.2基于電壓外環(huán)的控制器設(shè)計17第五章PWM整流系統(tǒng)的仿真研究195.1Ma

2、tlab簡介195.2三相 VSR 系統(tǒng)仿真19第六章 總結(jié)與展望23參考文獻(xiàn)23PWM整流系統(tǒng)的研究摘要：由于傳統(tǒng)的整流器是由不可控以及半控型器件組成的，所以整流器不能實(shí)現(xiàn)完全控制。這種控制上的不足，造成了網(wǎng)測的低功率因數(shù)，電流諧波較大，不可雙向流動等弱點(diǎn)。PWM整流器采用了全控器件的PWM之后，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)測的功率因數(shù)接近為1，電流諧波含量少，接近正選波，節(jié)約能源的優(yōu)勢，并且動態(tài)響應(yīng)較快，輸出直流測電壓可控等優(yōu)點(diǎn)。本文主要研究了三相PWM整流系統(tǒng)，分析了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型、電流電壓雙閉環(huán)調(diào)制策略，以及PI控制器設(shè)計。然后在理論分析的基礎(chǔ)上，做出了基于matlab的仿真系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，理

3、論的可行性以及正確性。關(guān)鍵字：PWM整流器；雙閉環(huán)調(diào)制；仿真系統(tǒng)Study on the PWM Rectifier and Its Control StrategiesABCTRCT:Since conventional rectifier is not controlled and semi-controlled device consisting of a rectifier is not so complete control. This lack of control, resulting in a net measure of low power factor, harmonic

4、current is large, not two-way flow of weaknesses. After the PWM rectifier uses PWM full-controlled devices, enabling network measured power factor close to 1, the current harmonic content of less positive election approaching wave, the advantages of energy saving, and fast dynamic response, measure

5、the output DC voltage controllable and so on. This paper studies the three-phase PWM rectifier system, analyzes its topology, the mathematical model, the current-voltage double closed loop modulation strategy, as well as PI controller design. Then, based on the theoretical analysis, we made a matlab

6、-based simulation systems, simulation results show the feasibility and correctness of the theory.Keywords： PWM rectifier, double closed loop modulation；simulation systems窗體頂端第1章 緒論1.1研究背景意義、及其現(xiàn)狀1.1.1 研究背景及現(xiàn)狀 在現(xiàn)代電氣技術(shù)領(lǐng)域中電力電子技術(shù)必不可少，并且在現(xiàn)代電氣行業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。在電力電子裝置和電網(wǎng)當(dāng)中，整流器是充當(dāng)接口的成分。PWM整流器數(shù)學(xué)模型的研究是PWM控制技術(shù)及變流技術(shù)的基礎(chǔ)

7、。從PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上講，可以將PWM整流器分為電流型整流器和電壓型整流器兩大類。近年來可逆PWM整流器因在能量雙向傳輸以及控制技術(shù)的發(fā)展迅速所以整流器在電氣相關(guān)領(lǐng)域得到了充分的應(yīng)用。 凡是能直接將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路廣泛稱之為整流電路，在應(yīng)用中構(gòu)成直流電源裝置，由于交流電能大多數(shù)來自公共電網(wǎng)，因而是公共電網(wǎng)與電力電子裝置的接口，其性能將影響電網(wǎng)的運(yùn)行和電能質(zhì)量。在二十世紀(jì)七十年代末PWM 控制技術(shù)應(yīng)用于整流器上，當(dāng)時因可關(guān)斷器件的相關(guān)研究及生產(chǎn)工藝上的進(jìn)步，加快了PWM技術(shù)的研究與應(yīng)用。自二十世紀(jì)九十年代以來，高功率因數(shù)整流器一直是研究的熱點(diǎn)，其應(yīng)用的領(lǐng)域研究也越來越多。隨著研究

8、的深入，高功率因數(shù)整流器及其控制技術(shù)慢慢變的完善。迄今為止PWM整流器已經(jīng)發(fā)展到了全控型器件，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也發(fā)展為多相組合拓?fù)洹?.1.2 研究意義及發(fā)展趨勢在電力變換中，基本變換形式有四種分別是：交流-直流（AC/DC）、交流-交流（AC/AC)、直流-交流（DC/AC)、直流-直流（DC/DC)。直流電能是由整流和大電容或電感濾波后能夠得到的相對平滑的波形。在社會各行各業(yè)變流裝置的使用都非常的廣泛，但是在廣泛運(yùn)用的同時在諧波污染問題上卻越來越嚴(yán)重。傳統(tǒng)的相控整流器在較早的時候就應(yīng)用就相對普遍了再技術(shù)方面的相對比較成熟，但是也會對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波進(jìn)行污染并且在閉環(huán)控制時會影響相控整流的響應(yīng)速度，使

9、其響應(yīng)速度變慢。變流裝置是引起諧波污染與無功功率的主要來源，為了減小諧波與無功功率帶來的污染，因此有必要研究設(shè)計高功率因數(shù)整流器，滿足控制系統(tǒng)的高效率、高性能、高穩(wěn)定性等要求。傳統(tǒng)方式是采用并聯(lián)電容器來補(bǔ)償無功功率，但是僅僅只能補(bǔ)償固定的無功功率所以還是會產(chǎn)生并聯(lián)諧振，使得濾波放大。隨著不斷的實(shí)驗(yàn)與研究發(fā)現(xiàn)多重化整流器倒是可以避免產(chǎn)生并聯(lián)諧波，能夠減少整流裝置所產(chǎn)生的諧波和無功功率對電網(wǎng)的干擾。但是同樣也存在較多的缺陷：使用系統(tǒng)元器件增多，電路結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜造成系統(tǒng)成本增加并且系統(tǒng)損耗增大。脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)進(jìn)入變流領(lǐng)域后，成功取代傳統(tǒng)整流器并且取得良好的效果。PWM整流器可以實(shí)現(xiàn)功率因

10、數(shù)為1或者可調(diào)，并且使電網(wǎng)的一側(cè)輸入電壓和電流趨于正弦化，降低了電容、電感濾波器件和儲能元件的要求，并且提高了系統(tǒng)響應(yīng)時間。這種解決方式滿足了高功率因數(shù)整流器的工業(yè)需求以及未來對PWM整流器的研究提供了良好的動力。1.2 主要研究內(nèi)容這篇文章的主要研究對象為三相電壓型PWM整流器，利用PWM整流器為主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，以及對PWM整流器數(shù)學(xué)模型的分析和建立。通過Matlab軟件中Sumlink建立仿真模型，并且得到網(wǎng)測輸入電壓與輸入電流的仿真波形。根據(jù)SimPowerSystem仿真模型，設(shè)計電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)。主要進(jìn)行以下幾個方面的工作：1. 詳細(xì)闡述了PWM 整流器的工作原理和

11、數(shù)學(xué)模型的建立，電壓型PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各個坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，以及 PWM 整流器的瞬態(tài)換相過程。2. 針對 PWM 整流器兩種控制策略在Sumlink下的仿真研究，介紹PWM信號生成的空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）。3. 對雙閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，分析其電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)，最后進(jìn)行了Sumlink仿真驗(yàn)證。第2章 PWM 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其原理2.1 PWM 整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與基本原理 2.1.1 PWM 整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 隨著電力電子技術(shù)發(fā)展的研究與應(yīng)用，PWM 整流技術(shù)得到廣泛的發(fā)展和推廣，至今已設(shè)計出多種PWM整流器。PWM整流器的分類可以按照如下圖2-1-1所示： 圖2-1

12、-1整流器分類圖由上圖可知PWM整流器分類具有多種多樣的性質(zhì)，實(shí)際通過主電路結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)把PWM整流器基本分為電壓型PWM整流器與電流型PWM整流器兩種類型。不管是電壓型整流器還是電流型整流器，其兩種整流器的主電路結(jié)構(gòu)都具有對偶性，主要區(qū)別在于電壓型PWM整流器的結(jié)構(gòu)簡單、損耗較低、控制方便，所以一直是人們重點(diǎn)研究的對象，并且電壓型的開關(guān)管是用場效應(yīng)管(電壓控制)。而電流型PWM整流器由于需要較大的直流儲能電感，以及存在交流側(cè)濾波問題，并且電流型的開關(guān)管是用雙極型大功率三極(電流控制)，所以它的發(fā)展受到了制約。隨著技術(shù)的革新超導(dǎo)技術(shù)慢慢浮出水面，超導(dǎo)技術(shù)使得電流型PWM整流器有更大的優(yōu)勢，因

13、為超導(dǎo)線圈可以直接作為直流儲能電感，克服了電流型PWM整流器原有的不足。電壓型PWM整流器的主要特征是直流側(cè)采用電容進(jìn)行直流儲能，使電壓型PWM整流器直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特征；電流型PWM整流器的主要特征是直流側(cè)采用電感進(jìn)行直流儲能，從而使電流型PWM整流器直流側(cè)呈現(xiàn)高阻抗的電流源特征。下面介紹幾種常見的VSR電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 1單相電壓型PWM整流器（ VSR） 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2-1-2a 為電壓型 PWM 整流器單相半橋主電路，圖2-1-2b為全橋主電路。由下圖可知，兩種VSR交流側(cè)具有相同的電路結(jié)構(gòu)。 在圖2-1-2a中，單相半橋型VSR電路只有其中一個橋臂有功率開關(guān)管，而另一橋臂則是由兩

14、個電容相互串聯(lián)而成的；在圖 2-1-2b 中，單相全橋型VSR電路中含有四個功率開關(guān)管的H橋結(jié)構(gòu)。由圖2-1-2 可知，相對單相半橋型VSR而言，單相全橋型 VSR 的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且功率開關(guān)管數(shù)是單相半橋的兩倍，故其造價成本相對高。通過不斷深入探索可以得出，如若兩種單相電壓型PWM整流器在網(wǎng)側(cè)電路參數(shù)具有一樣的網(wǎng)側(cè)電流控制特性，單相半橋電壓型PWM整流器電路直流電壓是單相全橋電壓型PWM整流器電路直流電壓的兩倍，此時需提高單相全橋電壓型PWM整流器電路的耐壓值。如果對電容進(jìn)行均壓控制可以使單相半橋電壓型PWM整流器電路中的電容中點(diǎn)電位不發(fā)生變化。 圖 2-1-2 單相VSR 電路結(jié)

15、構(gòu) 2三相 VSR 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。下圖分別給出了電壓型PWM整流器三相半橋和三相全橋主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中圖 2-1-3 為三相半橋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；圖 2-1-4 為三相全橋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三相半橋 VSR網(wǎng)側(cè)采用的是三相對稱無中線連接方式，并且通過6只功率開關(guān)管連接而成的橋臂，其結(jié)構(gòu)上與三項(xiàng)逆變器的結(jié)構(gòu)有些相似。三相半橋電路是三相電壓型PWM整流器相關(guān)研究設(shè)計中的代表作品，所以其應(yīng)用相對較多。三相半橋電壓型PWM整流器適用于三相電網(wǎng)平衡系統(tǒng)，當(dāng)三相電網(wǎng)不平衡的時候其控制性能將惡化，嚴(yán)重甚至可能發(fā)生故障。為了彌補(bǔ)三相半橋VSR的缺點(diǎn)我們可以采用三相全橋設(shè)計方法，下圖中圖 2-1-4 為三相全橋電路拓?fù)浣Y(jié)

16、構(gòu)。所以當(dāng)電網(wǎng)不平衡時，三相全橋并不會嚴(yán)重影響其控制性能，但因?yàn)槿嗳珮蛩韫β书_管是三相半橋的一倍，所以三相全橋電路的應(yīng)用較少采用。圖 2-1-3 三相電壓型 PWM 整流器半橋電路結(jié)構(gòu)圖 2-1-4 三相電壓型 PWM 整流器全橋電路結(jié)構(gòu)2.2三相整流器基本原理 在整個三相平衡對稱系統(tǒng)當(dāng)中，三相半橋VSR電路結(jié)構(gòu)是最常運(yùn)用到的，如圖2-1-3所示。本小節(jié)采用開關(guān)函數(shù)對三相半橋VSR的一般數(shù)學(xué)模型進(jìn)行較為詳細(xì)的描述，對開關(guān)模式利用單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)Sk 可定義為： （2-1） k= a，b，c 將三相電壓型PWM整流器功率開關(guān)管的損耗等效電阻RS與電感內(nèi)阻R1進(jìn)行合并，合并為R=R1+R

17、S，然后采用基爾霍夫定律來建立三相電壓型PWM整流器a相的回路電壓方程。如下式： （2-2）當(dāng)Va導(dǎo)通而Va關(guān)斷時，Sa=1，且Van=Vdc；當(dāng)Va關(guān)斷時Va導(dǎo)通時，Sa=0。由于VaN=VdcSa，式（2-2）可以改寫為： （2-3）同理，可以得到b，c相得電壓方程式： （2-4） （2-5）考慮到三相平衡，可以得到： （2-6）由（2-3）、（2-4）、（2-5）、（2-6）可得： （2-7）在圖2-1-3中，任何時候控制器運(yùn)行中總會有三個功率管是導(dǎo)通的，其開關(guān)模式共有8（2x2x2=8）種，因此直流側(cè)電流idc可描述為： （2-8）此外，對直流側(cè)電容正極點(diǎn)處應(yīng)用基爾霍夫電流定律可得：

18、(2-9)通過式子（2-3）至（2-9），并且對其中引入狀態(tài)變量X，且X=ia，ib，ic，vdc，采用已定義的單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)sk描述的三相電壓型PWM整流器一般數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)變量表達(dá)式為： (2-10)式中: (2-11) (2-12) (2-13) (2-14)通過式子（2-3）至（2-9）可以得出三相靜止堆成坐標(biāo)系（a，b，c）中，三相開關(guān)函數(shù)的模型結(jié)構(gòu)如下圖2-2-1所示：圖 2-2-1 三相靜止坐標(biāo)系（a，b，c）中三相VSR開關(guān)函數(shù)模型結(jié)構(gòu)第三章 三相PWM整流器的數(shù)學(xué)模型迄今為止，PWM 整流器的研究設(shè)計已經(jīng)有很多種的電路拓?fù)?。其中三相半橋電壓型PWM整流器相比其他PWM

19、整流器的運(yùn)用最為廣泛。所以在本章的下文當(dāng)中主要是對三相半橋性PWM整流器進(jìn)行研究，其中論述的PWM整流器均是三相半橋電壓型 PWM整流器。為了分析并設(shè)計出三相電壓型PWM整流器系統(tǒng)，我們必須先設(shè)計出三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型。首先，我們根據(jù)三相電壓型PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用所學(xué)過的電路基本定律在三相靜止坐標(biāo)系中來建立三相電壓型PWM整流器的一般數(shù)學(xué)模型。我們可以假設(shè)：（1）假設(shè)電網(wǎng)電動勢為三相平衡的，純正弦波電動勢；（2）假設(shè)網(wǎng)側(cè)濾波電感L是線性的，其內(nèi)阻為R1且不考慮飽和；（3）假設(shè)三相VSR功率開關(guān)管導(dǎo)通電阻為RS，實(shí)際的開關(guān)等效為理想開關(guān)并且與RS串聯(lián)。假設(shè)三相電網(wǎng)電動勢為ea

20、 eb ec，三相網(wǎng)側(cè)電流分別為ia ib ic，直流側(cè)負(fù)載為電RL，直流電動勢為eL。根據(jù)以上假設(shè)，我們便可以得到三相電壓型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。3.1三相abc靜止坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型由圖2-1-3可知，利用基爾霍夫電壓定律是可以建立VSR的，其中A相回路方程為：（3-1）同理就可以得到另外兩相電壓的回路方程。對三相 VSR 運(yùn)用基爾霍夫電流定律KCL，可以得到三相 VSR 在三相 abc 靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型，如3-2 式： （3-2）3.2 兩相靜止坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型為了對三相VSR在三相 abc 靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡化，減少上一小節(jié)得到的式子(3-2)中的變量?？梢詫⑷?VSR

21、在三相 abc 靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為兩相 靜止坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型。以電網(wǎng)電壓矢量E為例，令軸與a軸重合，軸超前軸90o，變換關(guān)系如圖 3-2-1 所示，便可以知道其變換關(guān)系： （3-3）式中E，E為三相電壓矢量在和軸上的投影。 圖 3-2-1 坐標(biāo)系與abc坐標(biāo)系的變換 令 同理可得： （3-4） （3-5）將式(3-3)、(3-4)、(3-5)代入式(3-2)中，即可得到三相VSR在兩相 靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型： （3-6）3.3兩相dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型在上一節(jié)中對三相對稱靜止坐標(biāo)系（a，b，c）中的三相VSR數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析。上式(3-6)中的三相電壓型PWM整流器的網(wǎng)側(cè)變量均為

22、時變量，為此可以通過坐標(biāo)變化將兩相靜止坐標(biāo)系下的三相電壓型PWM整流器模型轉(zhuǎn)化為與三相交流電網(wǎng)同步旋轉(zhuǎn)的兩相dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，從而簡化了三相電壓型PWM整流器數(shù)學(xué)模型。令q軸的初始相位與 軸軸線重合，q 軸超前d軸90o，并且dq 坐標(biāo)系是以電網(wǎng)基波角速度為逆時針同步旋轉(zhuǎn)，根據(jù)兩者之間的關(guān)系如圖 3-3-1，可以得到變換矩陣： （3-7）式中為q軸與軸夾角。變換方程為： （3-8）將式(3-8)代入式(3-6)中，可以得到三相VSR在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型：圖 3-3-1 坐標(biāo)系與 dq 坐標(biāo)系的變換 （3-9）由上式可得VSR在dq坐標(biāo)系下系統(tǒng)模型如圖3-3-2所示。圖3-3

23、-2 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中VSR模型結(jié)構(gòu)第四章 三相PWM 整流器控制系統(tǒng)設(shè)計在上一章節(jié)中本文討論了三相 VSR 在三相平衡對稱系統(tǒng)中對總 dq 模型的建立。若是在只考慮交流基波分量的條件下，則在dq坐標(biāo)系下的電網(wǎng)矢量d、q分量均為直流量。為了有利于三相 VSR的有功分量與無功分量的單獨(dú)控制，可以將電壓矢量Edq與q 軸相互重合，那此時的q軸表示的是三相 VSR 有功分量參考軸，d軸分別表示的是三相 VSR 無功分量參考軸。在三相VSR整流系統(tǒng)當(dāng)中，其控制方式一般都是采用電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。其中三相VSR整流側(cè)母線電壓是有電壓外環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)則是按照電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行控制的

24、。4.1基于電流內(nèi)環(huán)的控制器設(shè)計三相VSR整流器如上圖2-1-3所示，在dq坐標(biāo)系中三相VSR 模型可以表示為： (4-1)令dq坐標(biāo)系中的q軸與電網(wǎng)電動勢edq矢量進(jìn)行重合，則其d軸分量 Ed=0 。從三相VSR在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型式(4-1)可知，三相VSR控制器設(shè)計變得困難，因?yàn)閮奢S分量相互耦合。如若電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)時，可以采用前饋解耦的控制策略，就可以實(shí)現(xiàn)耦合變量分離至此實(shí)現(xiàn)解耦。此時Vd 、Vq的控制方程如下： （4-2）上式中Kip與 Kil為電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例與積分系數(shù)；id* 、iq*為id 、iq電流指令值。典型電流內(nèi)環(huán)簡化結(jié)構(gòu)如圖 4-1所示

25、。圖4-1電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)在忽略電流環(huán)擾動Eq情況，由圖4-1可得電流內(nèi)環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為: （4-3）當(dāng)PI控制器零點(diǎn)與電流控制對象傳遞函數(shù)的極點(diǎn)抵消，即 ，電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)變成典型二階系統(tǒng)：、 （4-10）式子中，。根據(jù)二階最佳整定法【13】，取，可以計算出電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器中的參數(shù)、。為了電流環(huán)獲得較快的電流跟隨性，按典I型控制系統(tǒng)設(shè)計PI參數(shù)。用PI調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)抵消傳遞函數(shù)中的極點(diǎn)，即： （4-4）將式(4-4)代入式(4-3)中即可得到開環(huán)傳遞函數(shù)為： （4-5）取系統(tǒng)阻尼比即可得出電流內(nèi)環(huán) PI 調(diào)節(jié)器設(shè)計參數(shù)為： （4-6）由此可以得到電流環(huán)簡化閉環(huán)的傳遞函數(shù)： （4-

26、7）從上式(4-7)可以看出，電流內(nèi)環(huán)按照典型I型系統(tǒng)設(shè)計。若是將電流內(nèi)環(huán)近似的看做一個慣性環(huán)節(jié)，如果開關(guān)頻率足夠高那么電流內(nèi)環(huán)就會有較快的動態(tài)響應(yīng)。在實(shí)際設(shè)計當(dāng)中，要實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行可以設(shè)定無功電流指令iq* =0，這樣就可以讓無功電流控制環(huán)和有功電流控制環(huán)選擇相同的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)。4.2基于電壓外環(huán)的控制器設(shè)計電壓外環(huán)的設(shè)計主要是對直流輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制，控制有功功率的輸出。首先我們需要分析出電壓外環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，假設(shè)三相電網(wǎng)電動勢三相平衡對稱，開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于電動勢基波頻率。在忽略PWM諧波分量的情況下可以得出開關(guān)函數(shù)的低頻分量： （4-8）三相VSR電壓外環(huán)控制框圖如圖4-2所示，設(shè)設(shè)

27、電壓外環(huán)采樣時間常數(shù)為，圖中，和分別為電壓外環(huán)PI控制器的比例與積分系數(shù)，。 圖4-2電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖圖4-1中G ( s )為電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)，K為時變環(huán)節(jié)，為了方便系統(tǒng)的設(shè)計，在該環(huán)節(jié)去最大比例增益最大值為 0.75，由于最大增益對整個電壓環(huán)穩(wěn)定性影響較大，所以去最大值是一種極限的處理方法。考慮到電壓環(huán)的抗擾性能，因此選擇典型型系統(tǒng)設(shè)計電壓調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： （4-9）式中，則電壓外環(huán)中頻寬為。由典型二階系統(tǒng)參數(shù)整定關(guān)系10得： （4-10）由此，得電壓環(huán)中頻帶寬hv為： （4-10）按典型型系統(tǒng)整定關(guān)系得： （4-11）一般工程上綜合考慮系統(tǒng)的動態(tài)跟隨性，抗干擾性，取代入得

28、： （4-12） （4-13）在綜合考慮系統(tǒng)跟隨性和抗擾性的同時，按照典型系統(tǒng)來設(shè)計電壓環(huán)時，若選擇頻寬=5，代入式(4-11)中，則可以得到電壓外環(huán) PI 控制器參數(shù)。 （4-14）由上面各式，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)解耦，由此可得到出三相VSR的控制系統(tǒng)框圖，如圖4-3。圖4-3三相PWM 整流器控制框圖通過4-3所示：我們知道由于給定參考電壓Udc*與整流側(cè)檢測輸出電壓相互比較后，它們之間的差經(jīng)過電壓外環(huán)PI控制器，得到的輸出信號作為網(wǎng)測電流的dq軸上的電流iq*。為了達(dá)到整流器的單位功率因數(shù)的運(yùn)行，我們首先設(shè)定id*為0，然后dq軸的電流相互比較后，得到的輸出信號進(jìn)入電流內(nèi)環(huán)控制器，最后生成的指令生成

29、PWM整流模塊上IGBT的門級驅(qū)動信號，共分為六路，如此一來實(shí)現(xiàn)了三相PWM整流器的單位功率運(yùn)行。第五章PWM整流系統(tǒng)的仿真研究5.1Matlab簡介MATLAB是由兩個詞組合而成的，分別是matrix和laboratory，意為矩陣工廠或者矩陣實(shí)驗(yàn)室。MATLAB是一個可以多維數(shù)值計算的第四代編程語言，可用于基數(shù)計算的高級語言。MATLAB可以進(jìn)行矩陣操作計算、數(shù)值分析、繪圖功能和數(shù)據(jù)處理等集成在一個易于使用的視窗環(huán)境當(dāng)中，并且新版本中加入了對C、C+、Java、Fortran和Python等其他語言編寫的程序接口，可以將基于MATLAB的算法與外部應(yīng)用程序和語言（如C、C+、Fortran

30、、Java、COM以及Microsoft Excel）集成的各種函數(shù)。2004年，MATLAB在工業(yè)和學(xué)術(shù)界擁有大約一百萬用戶，MATLAB用戶來自于各種背景的工程學(xué)家、科學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)學(xué)家等。MATLAB是一種廣泛應(yīng)用于學(xué)術(shù)方面、研究機(jī)構(gòu)以及工業(yè)企業(yè)的全能軟件。5.2三相 VSR 系統(tǒng)仿真仿真是在以數(shù)學(xué)模型已建立為基礎(chǔ)的條件下，通過對系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)來研究存在的或設(shè)計中的系統(tǒng)。本節(jié)應(yīng)用Matlab2012b軟件中的Simulink工具箱進(jìn)行三相VSR的建模與仿真。仿真的主要參數(shù)設(shè)置為：三相對稱電壓源E為660V，負(fù)載電阻40，仿真算法為Ode23tb。網(wǎng)側(cè)濾波電感L為2mH，整流側(cè)電容C為200

31、F。設(shè)定仿真中，1s之后負(fù)載突然增大一倍。仿真主電路如圖5-1為主電路模型：圖5-1PWM整流器模型圖5-2為雙閉環(huán)控制電路模型，主要是由直流測電壓外環(huán)與前饋電流內(nèi)環(huán)組成：圖5-2PWM整流器控制電路 從仿真我們可以得知：直流母線電壓經(jīng)過與給定直流電壓相比較，經(jīng)過電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的作用之后生成d軸分量上的電流。同樣地，PWM網(wǎng)側(cè)三相輸入電流經(jīng)過三相靜止到兩相靜止的變換器之后，與鎖相環(huán)檢測得到的信號偏轉(zhuǎn)角經(jīng)過dq變換，得到dq兩軸上的電流分量。令q軸參考電流為0，電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)之后的d軸生成d軸給定電流，然后dq軸檢測電流分別與參考電流相比較，分別經(jīng)過dq兩軸上的電流PI調(diào)節(jié)器，得到了dq軸

32、上的參考電壓。dq參考電壓與前面鎖相環(huán)檢測的偏轉(zhuǎn)角經(jīng)過dq逆變換、三相兩相逆變換，與空間矢量生成六路PWM波形控制整流電路。下圖為輸出直流測電壓，給定直流測電壓為1100V，可以看出電壓波形穩(wěn)定，1s之后負(fù)載突變，很明顯電壓波形經(jīng)過擾動之后，馬上回復(fù)穩(wěn)定了，達(dá)到前面的給定電壓值1100V。圖5-4為直流測電流，可以看出，電流值經(jīng)過負(fù)載突變之后，也能迅速回復(fù)之前的穩(wěn)定狀態(tài)。圖5-5為鎖相環(huán)跟標(biāo)幺值，作為dq變換的參考正弦與余弦角度的偏轉(zhuǎn)角。圖5-6為網(wǎng)測輸入電流與輸入電壓，很顯然網(wǎng)測三相電壓與相電壓能夠達(dá)到功率因數(shù)為1的運(yùn)行狀態(tài)。以看出整流器功率因數(shù)保證為1，網(wǎng)側(cè)相電壓與相電流同相位，實(shí)現(xiàn)了單位

33、功率因數(shù)控制。整流電壓、電流由于PI 控制器的調(diào)節(jié)，一直保持穩(wěn)定。圖5-3直流測電壓 圖5-4直流測電流圖5-5鎖相環(huán)與標(biāo)么值 圖5-6網(wǎng)測輸入電壓與輸入電流第6章 總結(jié)與展望為了進(jìn)一步改善整流器的性能，本文針對三相電壓PWM整流器進(jìn)行了分析與研究，并基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系建立了三相控制系統(tǒng)dq模型。主要做了如下工作： 1 分析并建立了三相電壓型 PWM 整流器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。2 詳細(xì)介紹了電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方法，對PI參數(shù)調(diào)節(jié)進(jìn)行了推導(dǎo)與研究。3 利用matlab仿真平臺中的simulink模塊搭建了三相雙閉環(huán)整流系統(tǒng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)整流，整流時能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流與電網(wǎng)相電

34、壓同相位相、同頻率，同時網(wǎng)測輸入電壓與輸入電流波形畸變較小。雖然這篇論文中做了以上的工作，但是由于學(xué)識有限，未能夠利用更加先進(jìn)、優(yōu)化的調(diào)制策略來研究PWM整流器，所以接下來的工作就是繼續(xù)深入研究PWM整流器控制策略，達(dá)到更為優(yōu)質(zhì)的輸出量。對三相電壓型PWM整流器的功率因數(shù)進(jìn)行更進(jìn)一步的提高。PWM整流器具有比較好的發(fā)展前景，但在本文中只是在Matlab/Simulink軟件中進(jìn)行了仿真，在實(shí)際中任然還存在許多沒有解決的問題，這些都是以后研究中需要解決的問題。參考文獻(xiàn)1 李永東，高躍，候軒大容量多電平變換器 PWM 控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展J電力電子技術(shù)，2005，39(5)：2-6 2 陳國呈PWM 逆變技術(shù)及應(yīng)用M北京：中國電力出版社,2007：222-248 3 劉鳳君現(xiàn)代逆變技術(shù)及應(yīng)用M北京：電子工業(yè)出版社，2006：132-142 4 林渭勛等編著.現(xiàn)代電力電子技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006