整流器直接功率控制

1、畢業(yè)論文說明書三相PWM整流器的直接功率控制仿真研究計算機(jī)與控制工程學(xué)院1205044222何子奕學(xué)生姓名： 學(xué)號： 電氣工程及其自動化學(xué) 院： 趙俊梅專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 2016 年 6 月三相PWM整流器直接控制摘要隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，越來越多的目光落在了變流裝置上，如逆變電源和高頻開關(guān)等等，這些變流裝置大多都需要整流裝置的配合。傳統(tǒng)整流器中不論是使用二極管的不控整流，還是使用晶閘管的相控整流都會在電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生大量的諧波電流和電壓，造成低功率因數(shù)、電網(wǎng)運行不經(jīng)濟(jì)等缺點。本文在此基礎(chǔ)上，研究一種基于PWM波的整流控制技術(shù)，它可以使得交流側(cè)輸入的電壓電流實現(xiàn)同相位，減小網(wǎng)側(cè)中的諧波成分。這種控

2、制的實現(xiàn)是基于電路有功和無功功率的分析，這種技術(shù)就是直接功率控制，簡稱DPC。本文以電壓型PWM整流器為模板，通過分析其拓?fù)鋱D結(jié)構(gòu)，建立了三相整流器在兩相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。通過學(xué)習(xí)和研究瞬時功率理論，在模型中加入了瞬時功率計算模塊。設(shè)計兩相電壓u、u比較得到輸入電壓的相位。根據(jù)這些模塊算法建立了PWM整流系統(tǒng)的控制模型。最后在MATLAB的simulink中建立了PWM整流器直接功率控制的仿真模型，整個控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)系統(tǒng)反饋控制電流相位。原理是根據(jù)所采集的瞬時功率和電壓相位信號推算出此時所需的輸出電壓，由開關(guān)表不同開關(guān)量對應(yīng)的不同輸出電壓來選取整流器功率開關(guān)的通斷順序。關(guān)鍵詞：PWM，整

3、流器，直接功率控制Direct control of three phase PWM rectifierABSTRACTWith the development of modern industry, more and more attention has been on the converter, such as inverter power and high frequency switch. Traditional rectifier, whether using diode rectifiers, or the use of thyristor tube of phase contr

4、olled rectifier will at the grid side produced a lot of harmonic current and voltage, resulting in low power factor, power grid operation without economic disadvantage. On the basis of this, this paper studies a kind of rectifier control technology based on PWM wave, which can make the input voltage

5、 and current of the AC side to achieve the same phase, and reduce the harmonic component in the network side. This technology is the direct power control, referred to as DPC.In this paper, a voltage type PWM rectifier is used as the template. By analyzing the structure of the topology, the mathemati

6、cal model of three-phase rectifier in the two-phase. By studying and studying instantaneous power theory, instantaneous power calculation module is added in the model. The phase of the input voltage is compared with the design of the two phase voltage ua and ub. According to these modules, the contr

7、ol model of PWM rectifier system is established.Finally, the simulation model of direct power control of PWM rectifier is established in MATLAB /Simulink. The whole control system adopts double closed loop system to control current phase. The principle is according to the acquisition of the instanta

8、neous power and phase voltage signal is calculated at the required output voltage, by the switching table corresponding to different switch quantity output different voltage to select rectifier power switch of the switching sequence.Key words: PWM, rectifier, direct power control中北大學(xué)2016屆畢業(yè)設(shè)計說明書目 錄1

9、 緒論11.1 研究的背景及意義11.2 PWM整流器的研究概況21.3 直接功率控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀21.4 畢業(yè)設(shè)計課題的任務(wù)和要求32 PWM整流器的分析設(shè)計52.1 三相PWM整流器的工作原理52.1.1 整流器主電路拓?fù)溥x擇52.1.2 整流器的開關(guān)工作狀態(tài)52.2 PWM整流器的數(shù)學(xué)模型62.2.1 三相電壓在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型82.3 本章小結(jié)103 三相電壓型PWM整流器直接功率控制策略103.1 三相PWM整流器直接功率控制理論103.2 直接功率控制系統(tǒng)的基本組成113.3 直接功率控制系統(tǒng)的工作原理123.3.1 電壓、電流和功率的測量133.3.2 輸入空間扇形區(qū)

10、劃分133.3.3 功率滯環(huán)比較器143.3.4 開關(guān)狀態(tài)表153.4 本章小結(jié)174 系統(tǒng)仿真及實驗結(jié)果184.1 整流電路參數(shù)的設(shè)計184.1.1 直流側(cè)電壓選取184.1.2 交流側(cè)電感選取194.1.3 直流側(cè)電容選取224.2 仿真模型23第 頁 共 頁4.2 仿真波形304.3 本章小結(jié)34參考文獻(xiàn)35致謝37第 頁 共 頁中北大學(xué)2016屆畢業(yè)設(shè)計說明書1 緒論1.1 研究的背景及意義伴隨著半導(dǎo)體科技的快速成長，電力電子裝置在交通、工業(yè)、能源、運輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的應(yīng)用，其中整流電路可以把交變電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓或可調(diào)電壓的一種設(shè)備1。整流電路一般由主電路、濾波器件和變壓器件

11、構(gòu)成。1970年以后，整流裝置通常采用含有硅的整流二極管以及晶閘管組成。濾波器接在整流電路后面，但要在負(fù)載之前，用作濾出直流電壓中的交流諧波。變壓器的設(shè)置與否要根據(jù)實際情況的不同做出改變。變壓器的作用是電隔離。它可以減小電路兩側(cè)電壓和電流之間的影響，使得整個系統(tǒng)運行在更穩(wěn)定的狀態(tài)，在一定程度上保證整流供電的可靠性。整流電路通過對晶閘管觸發(fā)相位的控制，從而達(dá)到控制輸出直流電壓的目的，所以這種電路又稱之為相控整流電路。這種整流電路的工作機(jī)理是當(dāng)電壓到達(dá)自然換相點時自然換相，不需要專門設(shè)置驅(qū)動電路，所以其的使用起來簡單方便、穩(wěn)定可靠，是以在直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、同步電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)、工業(yè)制煉、電鍍等范圍

12、得到廣泛的使用。當(dāng)相控角較大時，電壓電流的相位偏差很大，無法實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行，網(wǎng)測電流中諧波成分較大。此外，一般的整流環(huán)節(jié)通常采用二極管搭建的不控整流電路或是使用晶閘管的相控整流電路，這樣做的好處是可以簡單方便的實現(xiàn)整流，但是單純的使用二極管或晶體管會在電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的諧波電流和無功功率損失，造成嚴(yán)重的電網(wǎng)“污染”。如何提高整流電路的功率因數(shù)（實現(xiàn)單位化）、消弭諧波電流已經(jīng)成為電力電子這門技術(shù)中的重要目的，伴隨著以PWM整流設(shè)備的出現(xiàn)防治這種電網(wǎng)“污染”最有效的解決途徑就是，使得變流裝置不產(chǎn)生諧波電流，使得電網(wǎng)內(nèi)電流的正弦化并且實現(xiàn)較高的功率因數(shù)。因為PWM整流器可以使電網(wǎng)內(nèi)電流處于正弦波

13、輸入，并且運行于單位功率因數(shù)從而減小電網(wǎng)中的感性無功，最終實現(xiàn)能量的兩向流動2，做到電源綠色無污染，因此開發(fā)PWM整流器實現(xiàn)單位功率控制成為解決問題的關(guān)鍵。風(fēng)能的大量應(yīng)用是人類社會邁向新紀(jì)元的一個重要標(biāo)志，其原理是利用風(fēng)力帶動迎風(fēng)的葉片旋轉(zhuǎn)，再利用提速裝置將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促進(jìn)發(fā)電機(jī)發(fā)電。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)得到的風(fēng)力是非恒定的，因此其輸出的電壓是一個變化值，需要經(jīng)過整流設(shè)備整流，再對蓄電瓶充電，把風(fēng)電能變?yōu)榛瘜W(xué)能。然后經(jīng)過有源逆變將化學(xué)能變?yōu)?20V的交流市電，保證穩(wěn)定的使用。我國風(fēng)能資源豐富，如不加以利用會造成極大的資源浪費，因此將PWM整流技術(shù)運用到風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)中就變得尤為重要3。在整個風(fēng)力

14、發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)電整流技術(shù)是很重要的一個環(huán)節(jié)，為了不造成資源的浪費，使用整流器實現(xiàn)單位功率因數(shù)的改變就變得尤為重要。1.2 PWM整流器的研究概況 PWM控制技術(shù)是從逆變技術(shù)和直直斬波電路中發(fā)展出來的，隨著全控開關(guān)器件的不斷完善，PWM控制技術(shù)在整流電路里也開始應(yīng)用了。對于電壓型整流器實施PWM控制有兩個目的：第一，保持中間回路直流電壓在允許范圍；第二，使變壓器一次側(cè)的功率因數(shù)接近于1，即輸入正弦電壓電流，且輸入電流量可以和電壓的波形保持在相同相位的關(guān)系4。針對一般的系統(tǒng)，要實現(xiàn)PWM整流器正常工作，需要同時控制直流側(cè)輸出電壓和交流側(cè)輸入電流，直流輸出電壓作為外環(huán)控制量，交流輸入電流作為內(nèi)環(huán)控制

15、量。想要讓PWM整流器在單位功率因數(shù)運行，可以通過很多控制方法實現(xiàn)。根據(jù)是否測量電流值作為反饋量，反饋控制可以劃分為兩類：直接電流控制和間接電流控制。在直接電流控制系統(tǒng)里，通過直流電壓控制環(huán)節(jié)求出交流電流給定量，同時檢測交流電流反饋值，由電流給定值與反饋值比較的結(jié)果決定開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)，從而達(dá)到對交流電流的直接控制，且使其跟蹤電流的給定值?？刂葡到y(tǒng)是兩個閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中外環(huán)控制環(huán)節(jié)是直流電壓控制，內(nèi)環(huán)控制采用交流電流控制環(huán)結(jié)。直流電壓給定值ud*和直流電壓實際采樣值ud做差，將結(jié)果送入PI調(diào)節(jié)器。達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，ud與ud*相等，PI調(diào)節(jié)器的輸入恢復(fù)到0。1.3 直接功率控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀在1

16、990年以后，國外的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種將瞬時有功功率和無功功率用于PWM變換器閉環(huán)控制系統(tǒng)中的新型控制策略，該控制方法的基理是用對照開關(guān)表的方式選擇合適的電壓空間向量，從而實現(xiàn)對電流的直接控制，即控制了瞬時功率，這種方法的核心是瞬時功率理論5，在電網(wǎng)電壓控制的基礎(chǔ)上通過觀察基于功率變化所引起的電壓相位變化這一現(xiàn)象，由瞬時功率理論可知，功率變化會引起電網(wǎng)中電壓電流的變化，進(jìn)而影響系統(tǒng)的瞬時有功功率和無功功率，如果我們能對整流器的功率開關(guān)加以控制，就能間接控制交流側(cè)電流，使之和電壓成同相位，即實現(xiàn)單位功率因數(shù)，這種控制方法稱為直接功率控制策略，簡稱DPC。在DPC控制系統(tǒng)中，控制結(jié)構(gòu)為電壓外環(huán)、功

17、率內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。細(xì)節(jié)劃分為：采集三相整流電路的各相電壓和各相電流作為雙環(huán)控制中功率計算的數(shù)據(jù)值，而電壓外環(huán)控制需要采集的是直流側(cè)電壓的大小。首先將三相電壓和三相電流進(jìn)行兩相坐標(biāo)下的計算，因為轉(zhuǎn)化為兩相坐標(biāo)下的數(shù)值可以讓我們方便的計算出整流電路輸入的瞬時有功功率和瞬時無功功率。將計算出的功率瞬時值與給定的基準(zhǔn)值比較作為整流器件開關(guān)狀態(tài)控制的參考量。兩相坐標(biāo)下的電壓值還要通過比值計算來得出電壓矢量的相位值。這個相位值也同樣作為開關(guān)狀態(tài)控制的參考量。就像之前所說的，只要我們先不同的功率情況下選取出相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)，我們就可以控制交流側(cè)的電流大小和相位。使其和電壓實現(xiàn)同相位工作，即單位功率因數(shù)運行

18、。由于其具有眾多優(yōu)點，DPC控制方法日益引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和廣泛研究6。1.4 畢業(yè)設(shè)計課題的任務(wù)和要求針對這種注入電網(wǎng)側(cè)的大量諧波電壓電流以及感性無功造成的電網(wǎng)運行問題。我們提出了直接功率控制技術(shù)，如何實現(xiàn)對PWM整流器的直接功率控制是治理這種電網(wǎng)“污染”最根本措施就，以此在本次課程設(shè)計中如何使得基于電壓工作的三相PWM整流器實現(xiàn)直接功率控制是最關(guān)鍵的問題。基于此，此次任務(wù)的具體工作如下：第二章主要介紹了基于電壓工作的三相PWM整流器的工作原理和電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在分析三相PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了三相PWM整流器在兩相坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型。第三章介紹了瞬時功率控制理論，給出了瞬時功率

19、的計算方法和控制原理，分析了直接功率控制結(jié)構(gòu)的組成以及實現(xiàn)直接功率控制的開關(guān)表。研究了DPC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。第四章主要就matlab中simulink仿真進(jìn)行了研究，通過參數(shù)的計算確定仿真電路里各個模塊和器件的數(shù)值大小，然后就其功能進(jìn)行了對照比較。首先將三相整流器在二極管不控情形下進(jìn)行了仿真，其主要目的是為了和在DPC系統(tǒng)下的仿真電路進(jìn)行比較。然后就負(fù)載變化的情況下，觀察直接功率控制情況和負(fù)載端直流輸出電壓波動的大小進(jìn)行觀察。2 PWM整流器的分析設(shè)計2.1 三相PWM整流器的工作原理 2.1.1 整流器主電路拓?fù)溥x擇 整流器是一種電能變換裝置，它可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。實現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵在

20、于晶體管的自關(guān)斷特性和整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本次仿真試驗使用的整流器具有三相電源和六個功率開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖2.1 三相PWM整流器主電路圖圖中：Ua、Ub、Uc是三相交流電壓，T1-T6是IGBT，L是濾波電感，C是濾波電容，RL是直流側(cè)負(fù)載，電感L使整流器具有升壓功能，電感電流i受電感電壓UL的影響，如果忽略線路阻抗電壓UR的影響，則電感電壓UL只受整流器的直流側(cè)電壓US和交流側(cè)電壓源電壓U的影響，即UL=U-US。當(dāng)我們控制了輸出電壓US時，我們就可以控制電感電壓UL，通過對其相位和幅值的控制間接地實現(xiàn)了對交流側(cè)電流i的幅值和相位的控制7。因此，通過控制整流器的功率開關(guān)

21、的導(dǎo)通和關(guān)斷就可以影響整流器的輸入電壓uS，從而實現(xiàn)對交流側(cè)電流i的大小和相位進(jìn)行控制，使其成為正弦波，并使整流器工作在功率因數(shù)為1的狀態(tài)下。2.1.2 整流器的開關(guān)工作狀態(tài)根據(jù)整流器的三相整流器橋，共計有6個開關(guān)，由Sa、Sb、Sc來表示6個開關(guān)的狀態(tài)。與a相電壓源連接的橋臂上的兩個功率開關(guān)用開關(guān)變量Sa表示，當(dāng)Sa=1時，表示整流橋上橋臂的開關(guān)導(dǎo)通，下橋臂的開關(guān)關(guān)斷。Sa=0則表示整流橋上橋臂的開關(guān)關(guān)斷，下橋臂的開關(guān)導(dǎo)通。當(dāng)SaSbSc=001時，則表示a、b兩相橋的下橋臂導(dǎo)通，c相橋的上橋臂導(dǎo)通。三個橋臂共有6個開關(guān)組成8種開關(guān)狀態(tài)，（Sa、Sb、Sc從000到111），當(dāng)SaSbSc=

22、000或者111時，直流側(cè)無電壓輸出，稱這兩種狀態(tài)為零狀態(tài)（即000、111為零狀態(tài)），其余的開關(guān)狀態(tài)為非零狀態(tài)8（001-110稱為非零狀態(tài)）。八種非零狀態(tài)分別對應(yīng)八種不同的電壓空間矢量uS，正如U0（000），U1（001），U2（010），U3（011），U4（100），U5（101），U6（110），U7（111）。根據(jù)公率不變原則可以知道uS的幅值為Us=23Udc (s=1-6)0(s=0或s=7)整流器的輸入是以23Udc為半徑的矢量圓，當(dāng)SaSbSc=000-111時，uS就對應(yīng)如下圖的各電壓矢量。圖2.2 電壓矢量圖2.2 PWM整流器的數(shù)學(xué)模型在本次課程設(shè)計中三相整流器的數(shù)

23、學(xué)模型采用瞬時動態(tài)控制模型。雖然三相電壓整流器的數(shù)學(xué)模型有不少，但因為此次設(shè)計中我們需要采集線路的瞬時功率來產(chǎn)生PWM控制信號，所以不得不采用瞬時動態(tài)控制模型。因為只有采用瞬時動態(tài)控制模型才能夠?qū)φ麄€整流線路進(jìn)行實時控制9?？紤]的實際線路中可能存在的問題，以圖2.1中的三相電壓整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作參考，假設(shè)三相電壓和三相電流全為正弦量，并且所有開關(guān)都是無功率損耗的理想開關(guān)，不考慮飽和情況，得到三相電壓和電流的方程：ua=Umcostub=Umcost+120。uc=Umcost-120。 (2.1)ia=Imcost+ib=Imcost+120。ic=Imcost+-120。 (2.2)其中Um和

24、Im是三相交流電壓和電流的峰值，是角速度，是電壓電流的相位差主要由負(fù)載性質(zhì)決定。根據(jù)杰爾霍夫的電流定律不難計算，在圖2.1的PWM整流電路中的微分方程為：Lddtiaibic=uaubuc-Riaibic-uraurburc (2.3)上式中ura=saudc+uoN，urb=sbudc+uoN，urc=scudc+uoN。uoN表示的是電源中性點和橋路中點之間的電壓。因為主電路三相平衡，即ua+ub+uc=0ia+ib+ic=0 (2.4)由于uON= ura-SaUdc= urb-SbUdc= urc-ScUdc所以3uON= ura+ urb+ urc- Udcj=a,b,cSj又因為u

25、ra+urb+urc=0 (2.5)可知：uON= - Udc3j=a,b,cSj綜合上述公式得：ura=UdcSa-13j=a,b,cSjurb=UdcSb-13j=a,b,cSjurc=UdcSc-13j=a,b,cSj (2.6)將ura、urb、urc的計算式帶入微分方程可得整流器在三相abc坐標(biāo)數(shù)學(xué)系中的數(shù)學(xué)模型10（微分方程）Lddtiaibic=uaubuc-Riaibic-UdcSa-13j=a,b,cSjUdcSb-13j=a,b,cSjUdcSc-13j=a,b,cSj (2.7)應(yīng)用KCL計算直流側(cè)，可知：Cdudcdt=idc-udcRL (2.8)式中，idc=Sai

26、a+Sbib+Scic,對于電阻負(fù)載來說，電感電流iL=udcRL。綜合式子（2.5）和（2.8）可得，整流器在abc三相坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型為（狀態(tài)方程）：LdiadtLdibdtLdicdtCdudcdt=uaubuc0-R 0 000 R000 0R0-sa-sb-sc0iaibicudc-000iL-usausbusc0 (2.9)2.2.1 三相電壓在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型三相到兩相變換這里介紹兩種方法，一種是等量變換，此法是將一種坐標(biāo)系下的矢量變化后與另一種坐標(biāo)下的矢量相等的變換11。另一種是等功率變換。這種方法指的是變換之后與變換之前的功率數(shù)值相等，但坐標(biāo)從三相變?yōu)閮上?。一般我?/p>

27、通常采用等量變換。等量變換時，通常采用等量變換逆矩陣，矩陣為：Mabc/=231-12-12032-32121212,Mabc/-1=101-12321-12-321 (2.10)經(jīng)過等量變換后，三相坐標(biāo)在兩相靜止下的狀態(tài)方程：LdidtLdidtLdudt=uu0-R000R0SS0iiudc-00iL-usaus0 (2.11)公式里，u=32UMcost；在此處鍵入公式。u=32umsint;Sa=-162sa-sb-sc;S=12sb-sc;在三相對稱的系統(tǒng)里，我們假設(shè)uON=0，usa=saudc，us=sudc。經(jīng)過三相到兩相的變換后，三相PWM整流器在坐標(biāo)系中的模型：Lddtii

28、=uu-Rii-ururCdUdcdt=idc-iL=iS+iS-iL上式里u=23ua-0.5ub-0.5ucu=(12ub-12uc)S=23(Sa-0.5Sb-0.5Sc)S=(12Sb-12Sc)由于uON=0,ura=SUdc，ur=SUdc因此將上式化簡，并進(jìn)行變換得：LsIs=Us-RIs-Udc(s)SLsIs=Us-RIs-Udc(s)SCsUdcs=Idcs-IL(s)Idcs=IsS+I(s)S (2.12)在公式(2.12)中整理可得Is=Us-Udc(s)SLs+RIs=Us-Udc(s)SLs+RIdcs=IsS+IsSUdcs=Idcs-IL(s)CsILs=Ud

29、c(s)RL由上述公式可得在坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型如下圖圖2.3 數(shù)學(xué)模型圖2.3 本章小結(jié)本章主要介紹了基于電壓工作的三相PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理。以六開關(guān)的整流器為例，介紹了它的工作狀態(tài)，為下文中直接功率控制的研究提供了方便。分析了開關(guān)狀態(tài)對電路交流側(cè)電流的影響，詳細(xì)寫出了輸出電壓和輸入電流直接的關(guān)系算法。分析并建立了三相電壓電流在兩相坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換形式，并建立了兩相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。3 三相電壓型PWM整流器直接功率控制策略3.1 三相PWM整流器直接功率控制理論以前的直接功率控制理論采用了平均值的計算方法，這種方法的采用是因為定義了電壓和電流為周期變化，但實際情況中電壓和電流很難實

30、現(xiàn)周期性變化，因為網(wǎng)絡(luò)中存在不隨時間呈現(xiàn)周期變化的諧波電壓電流分量12。并且，當(dāng)電壓電流無法計算平均值時，功率計算也會出現(xiàn)問題，此時的電路中S2P2+Q2，如果此時依然采取傳統(tǒng)平均電壓電流時的計算公式必然會出現(xiàn)錯誤，因此我們采用的是瞬時控制策略13。外國學(xué)者提出三相整流電路的瞬時無功理論，近些年，國內(nèi)外學(xué)者對于瞬時功率理論進(jìn)行了深入的探索，并取得一些突破14。我們對瞬時有功功率的定義如下：瞬時相電流矢量和瞬時相電壓矢量的標(biāo)量積。而對瞬時無功功率定義則是：瞬時相電流矢量與瞬時相電壓矢量的矢量積。對于我們一般的三相整流電路，u瞬時相電壓矢量和i（瞬時相電流矢量），經(jīng)過TABC/變換后，可以得到u和

31、i在坐標(biāo)系下的形式：u=uuu0,i=iii0 (3.1)在三相三線制的整流電路中，u0=i0=0，所以瞬時有功功率p和瞬時無功功率Q在坐標(biāo)中的計算式子：p=ui=ui+ui (3.2)q=u×i=(ui-ui)k (3.3)在式子（3.3）中，k為單位長度向量，方向與坐標(biāo)平面垂直。3.2 直接功率控制系統(tǒng)的基本組成直接功率控制技術(shù)的最終目的是實現(xiàn)單位功率的控制，也就是電壓電流同相位調(diào)節(jié)，它是說在交流側(cè)電壓確定不變的條件下來調(diào)節(jié)PWM整流器的瞬時有功功率和瞬時無功功率，使得無功功率在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)為零，也就間接控制了交流側(cè)電流的變化15，如果控制瞬時電流為類似正弦波，并且使瞬時電流

32、與瞬時電壓同相位，即相差盡量的小。直接功率控制策略是根據(jù)整流電路的瞬時功率的變化來進(jìn)行控制的，整流器直接功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)16。整個PWM整流器直接功率控制系統(tǒng)由兩部分組成如圖3.1，包括：主電路部分和控制電路部分。主電路：三相交流電源、交流側(cè)的濾波電感、三相整流裝置、直流側(cè)濾波電容、直流側(cè)負(fù)載?？刂齐娐罚弘妷弘娏鞑杉K、PI模塊、電壓相位計算模塊、功率滯環(huán)比較模塊、三相到兩相計算模塊。圖3.1 直接功率控制系統(tǒng)圖3.3 直接功率控制系統(tǒng)的工作原理PWM整流器的直接功率控制的原理簡述為：當(dāng)測量三相交流電壓ua,ub,uc和電流ia,ib,ic后,通過公式計算，完成三相到兩相的變換

33、，將三相abc坐標(biāo)下的變量變換為兩相坐標(biāo)系下的矢量u、u、i、i。根據(jù)公式（3.2）和公式（3.3）計算瞬時有功功率p和無功功率q，并根據(jù)u、u來計算出電壓矢量的相角度。給出瞬時有功功率p和無功功率q的基準(zhǔn)值p*,q*，有功功率的基準(zhǔn)值由直流側(cè)反饋電壓計算決定（下文中會有詳細(xì)介紹），無功功率的基準(zhǔn)值一般設(shè)為0。將實際有功功率和無功功率的值與用功功率和無功功率的基準(zhǔn)值做差得到差值p和q，送入滯環(huán)比較器進(jìn)行比較得到開關(guān)表的控制變量Sp和Sq18。開關(guān)表需要預(yù)先設(shè)定，它輸出的變量有SaSbSc，用來控制整流器的功率開關(guān)的通斷?？刂崎_關(guān)表輸出的變量也是三個，它們是Sp和Sq以及。3.3.1 電壓、電流

34、和功率的測量 通過線路的測量裝置可以直接測量出三相電壓ua,ub,uc和電流ia,ib,ic，或者只需要測量兩相電壓和電流，根據(jù)公式ua+ub+uc=0ia+ib+ic=0 （3.4）計算出三相電壓電流。然后通過轉(zhuǎn)換坐標(biāo)的方法將三相坐標(biāo)abc變?yōu)閮上嘧鴺?biāo)下的u、u和i、i。再通過公式（3.2）和公式（3.3）可以計算出電路的有功功率p和無功功率q。3.3.2 輸入空間扇形區(qū)劃分輸入電壓的相位由u、u共同決定，在表達(dá)上為=tan-1uu的表示形式，在空間上被劃分為12個扇形區(qū)表示輸入電壓的12種不同的相位情況，n的具體取值可以通過公式（3.5）得出，在相位空間上的表示如圖3.2所示，為12塊扇形

35、區(qū)的組合。（n-2）6n（n-1）6 （3.5）圖3.2 整流器輸入電壓相位劃分3.3.3 功率滯環(huán)比較器本系統(tǒng)中用到兩個滯環(huán)比較器，分別是有功功率滯環(huán)比較器和無功功率滯環(huán)比較器，滯環(huán)比較器的輸入是給定功率與實際測得功率的差值，分別是p和q，其中p=p-p*，q=q-q*。輸出為實際功率偏離給定功率的狀態(tài)Sp、Sq，有0和1兩種狀況，滯環(huán)比較器的寬度為2Hp、2Hq。Hp、Hq的大小決定了開關(guān)器件的通斷頻率。它們的量影響著整流器的平均開關(guān)頻率、諧波大小、和功率開關(guān)能力，環(huán)寬越小，對功率的控制越精確且響應(yīng)快，但是環(huán)寬太小的話會使得開關(guān)頻率高，通斷時電能浪費較大，所以功率差Hp、q的選取應(yīng)根據(jù)功率

36、換運算速度及所采用的功率器件的性能折中選擇。圖3.3 功率的滯環(huán)特性圖如圖3.3所示，當(dāng)p<-Hp時，Sp=1；當(dāng)p>Hp時，Sp=0；當(dāng)-Hp<p<Hp，并且dpdt>0時，Sp=1；當(dāng)-Hp<p<Hp，并且dpdt<0時，Sp=0。當(dāng)q<-Hq時，Sq=1；當(dāng)q>Hq時，Sq=0；當(dāng)-Hq<q<Hq，并且dqdt>0時，Sq=1；當(dāng)-Hq<q<Hq，并且dqdt<0時，Sq=0。綜上所述，我們需要在功率滯環(huán)對照器中設(shè)置Sp和Sq的值為：Sp=0 p<p*-Hp 表明p需要減小不變 p*-H

37、p<p<p*+Hp 1 p>p*+Hp 表明p需要增加 （3.6）Sq=0 q<q*-Hq 表明q需要減小不變 q*-Hq<q<q*+Hq 1 q>q*+Hq 表明q需要增加 （3.7）3.3.4 開關(guān)狀態(tài)表開關(guān)表是整個控制核心，在前面我們已經(jīng)介紹了：開關(guān)的不同狀態(tài)會有不同的電壓輸出，而不同的輸入電壓會影響電感兩端的端電壓，這是因為總的三相電壓是確定的正弦交流電勢，通過控制不同的PWM信號輸出，選擇不同的開關(guān)工作狀態(tài)，使得電感電流獲得相應(yīng)變化，從而實現(xiàn)電壓和電流的同相位控制，即直接功率控制。開關(guān)表的輸入變量有有功和無功的增減信號Sp、Sq，以及輸入電壓

38、所在的扇形區(qū)信號n，通過這些輸入變量我們可以得到所需的開關(guān)PWM控制信號SaSbSc，從而發(fā)出相應(yīng)的脈沖驅(qū)動信號。我們一般定義S=2Sp+Sq, Sp與Sq的取值有（0,1）、（0,0）、（1,0）、（1,1）四種情況，對應(yīng)的S的值就有0，1，2，3這四種可能。設(shè)所需的電壓空間矢量為Us，根據(jù)Sp與Sq和。確定Us，整流器所需的開關(guān)狀態(tài)，Us的離散值有U0U7，SaSbSc=（000111）對應(yīng)U0U7八個等扇形區(qū)，U0000，U1001，U2010，U3011，U4100，U5101，U6110，U7(111)如圖3.4所示，每個區(qū)域都有對應(yīng)的向量。圖3.4 電壓矢量圖整流器的電壓方程為：L

39、ddtiai=uu-Rii-usus (3.8)忽略交流側(cè)的線路壓降，可得：i=i0+1L0tu-usdt (3.9)由瞬時功率的定義可知，i增加時，有功功率P也會增加，i增加時，無功功率Q會減小。用改變有功功率P的方法可以影響交流側(cè)電流的大小，用調(diào)節(jié)無功功率Q可以影響交流側(cè)電流的相位，達(dá)到交流側(cè)電壓電流同相位的目的。在同一扇形區(qū)，可以選擇相鄰的V1和V2控制功率的調(diào)節(jié)19。假設(shè)電源電壓矢量為us，當(dāng)Sp=Sq=0，電源電壓矢量us在第一扇形區(qū)，則第一扇形區(qū)兩個相鄰的矢量是U1和U6，分別分析他們對瞬時功率的作用效果，可以得出我們仿真所需的開關(guān)表：表3.1 狀態(tài)開關(guān)表3.4 本章小結(jié)本章介紹了

40、瞬時控制理論，分析并使用了直接功率控制的方法，完成了直接功率控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計。以開關(guān)表為核心的控制系統(tǒng)提供開關(guān)的通斷，影響著電壓矢量的輸出，從而完成直接功率的控制。通過瞬時功率控制理論完成電路瞬時有功功率和無功功率的計算。通過算法得出電壓相位，通過功率滯環(huán)比較器得出開關(guān)表關(guān)于有功無功的控制變量。將這三個數(shù)據(jù)作為開關(guān)表的輸入變量，完成開關(guān)狀態(tài)的選擇。最終實現(xiàn)檢測系統(tǒng)中的功率變化，調(diào)節(jié)電壓電流相位，實現(xiàn)直接功率控制的目標(biāo)。4 系統(tǒng)仿真及實驗結(jié)果 由于功率不小的變流裝置都是非線性的，單一的理論分析不容易實現(xiàn)工程上的要求，需要實驗來達(dá)成，但如果對其特性不解的情況下進(jìn)行實驗的話不僅較難達(dá)到理想效果，此外還

41、容易破壞試驗裝置。因此，我們可以有借助計算機(jī)仿真模擬實驗來測試效果。Simulink是matlab一個重要的實驗平臺，常常用于動態(tài)的分析以及嵌入式系統(tǒng)的多維仿真和基于模型的設(shè)計工具。對各種我們所需的變化系統(tǒng)，這個軟件都能提供為我們處理的方法和途徑。通過使用該軟件，我們能夠完成對動態(tài)變量的及時檢測和各種計算結(jié)果的跟蹤觀察和仿真20。Simulink中含有大量的可應(yīng)用模型可以為我們仿真提供有力地支持，其中就包含simpowersystem模塊很是適用于數(shù)學(xué)分析、電路分析以及電力系統(tǒng)分析21，且能夠?qū)崟r觀測各個電力電子器件的電壓和電流波形，更接近事實情況，可以幫助分析電路的工作過程。本次設(shè)計利用ma

42、tlab 2014a的simulink對三相電壓型PWM整流電路進(jìn)行了仿真。4.1 整流電路參數(shù)的設(shè)計4.1.1 直流側(cè)電壓選取負(fù)載側(cè)的電壓的選擇需要參考以下要求：（1） 滿足負(fù)載要求；（2） 交流側(cè)電流可以控制并且不發(fā)生畸變。（3） 輸入側(cè)電壓的基波最大值必須不小于電源電壓幅值。由此，我們忽略線路阻抗的影響，可以得出：ua=Ldiadt+faUdcub=Ldibdt+fbUdcuc=Ldicdt+fcUdc （4.1）整理可得：ucb=Ldicdt-Ldibdt+fcUdc-fbUdcuac=Ldiadt-Ldicdt+faUdc-fcUdcuba=Ldibdt-Ldiadt+fbUdc-f

43、aUdc (4.2)由公式（4.1）和（4.2）可知：Ldidt=u-fUdc f=±13，±23 (4.3)由公式（4.3）得Ur=fUdc=±13Udc，±23Udc Urm=23Udc (4.4)于是得：Udc32Um (4.5)另外，為了降低成本和系統(tǒng)的體積，在滿足上述要求的同時，也要求直流電壓盡量的小。4.1.2 交流側(cè)電感選取L的取值不僅影響著整流系統(tǒng)的動態(tài)性能和靜態(tài)性能，也對整個整流系統(tǒng)的直流輸出電壓值和功率因數(shù)，因此L的取值對整個系統(tǒng)十分關(guān)鍵。電壓型的PWM整流器的電感L具有如下作用：（1）將基于電壓的PWM整流器系統(tǒng)的輸入電壓與交流側(cè)電

44、壓隔離開。電壓型PWM整流器DPC系統(tǒng)通過影響各個功率開過的通斷來影響輸出的直流電壓，從而影響L兩端電壓，進(jìn)而控制交流側(cè)電流。（2）降低基于電壓工作的PWM整流器系統(tǒng)的交流側(cè)電流中諧波的含量，從而使得交流側(cè)電流更接近正弦波。（3）使得負(fù)載側(cè)輸出的電壓高于交流側(cè)電源電壓。（4）由于有L的存在，整流器系統(tǒng)能夠向交流側(cè)補(bǔ)償感性無功，從而使得系統(tǒng)可以運行在不同的特性狀態(tài)下22。（5）有利于系統(tǒng)運行在平穩(wěn)狀態(tài)，L會使得系統(tǒng)的阻尼系數(shù)變大，出現(xiàn)震蕩的可能性變小。但是，L的取值也是有要求的，它要滿足以下條件：（1） uL越小越好，一般情況下要小于輸入電壓的30%；（2） 單位時間內(nèi)，波動的幅值要在滯環(huán)寬度里

45、面，不能太大。否則會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性23。（3） 電源側(cè)電流的諧波含量越少越好。根據(jù)以上的要求，我們基本可以鎖定L的值。由于功率恒定原理，我們可以得出系統(tǒng)的正交變換矩陣：TABC/dq=23costcost-120°cost+120°sintsint-120°sint+120° (4.6)經(jīng)過TABC/dq變換后，基于電壓工作的PWM整流器在在dq坐標(biāo)里的數(shù)學(xué)模型變?yōu)槿缦滦问剑篖diddt=ud-Rid+Lid-urdLdiqdt=uq-Riq+Liq-urq (4.7)其中,urd=SdUdc，urq=SqUdc根據(jù)瞬時功率理論可知pq=uaubucu

46、a*ub*uc*iaibic (4.8)根據(jù)上述的整流系統(tǒng)在dq坐標(biāo)下數(shù)學(xué)模型（4.7）和計算公式（4.8），我們可以得出Ldpdt=1.5Um2-Rp-wLq-1.5UmurdLdqdt=-Rq+wLp+1.5Umurd (4.9)由于電阻值比較小，如果略去與其相關(guān)的損耗對系統(tǒng)的影響也不會太大，故可以將上式化簡為：Ldpdt1.5Um2-wLq-1.5UmurdLdqdt +wLp+1.5Umurd （4.10）根據(jù)Sd=1.5Sacoswt+Sbcoswt-120°+Sccoswt+120°Sq=1.5Sacoswt+Sbcoswt-120°+Sccoswt+

47、120° (4.11)可得Sdmax=0.816Sdmin=-0.816，Sqmax=0.816Sqmin=-0.816由上式可得：Ldpdtmax1.5Um2+UmUdcLdpdtmin1.5Um2-UmUdc (4.12)LdqdtmaxwLpmax+UmUdcLdqdtminwLpmin-UmUdc (4.13)根據(jù)式子（4.12）可知Ldpdtmax+Ldpdtmin3Um2 (4.14)令dpdt=2HpT（T為開關(guān)周期），則有2LHp(fmaxp+fminp)3Um2 (4.15)favp=fmaxp+fminp23Um24LHp (4.16) 式中：fmaxp為三相基于

48、電壓工作的PWM整流器DPC系統(tǒng)在2Hp滯環(huán)寬度內(nèi)的最高開關(guān)頻率，fminp為三相基于電壓工作的PWM整流器DPC系統(tǒng)在2Hp滯環(huán)寬度內(nèi)的最低開關(guān)頻率，favp是三相基于電壓工作的PWM整流器DPC系統(tǒng)在2Hp滯環(huán)寬度內(nèi)的平均開關(guān)頻率。根據(jù)公式（4.13）不難得出：Ldqdtmax+LdqdtminwLpmax+wLpmin=2wLPref (4.17)令dqdt=2HpT（T為開關(guān)周期），則有Hq(fmaxq+fminq)wpref (4.18)favq=fmaxq+fminq2=wpref2Hq (4.19)式中：fmaxq為三相基于電壓工作的PWM整流器DPC系統(tǒng)在2Hq滯環(huán)寬度內(nèi)的最高

49、開關(guān)頻率，fminq為三相基于電壓工作的PWM整流器DPC系統(tǒng)在2Hq滯環(huán)寬度內(nèi)的最低開關(guān)頻率，favq是三相基于電壓工作的PWM整流器DPC系統(tǒng)在2Hq滯環(huán)寬度內(nèi)的平均開關(guān)頻率。 ur同時調(diào)節(jié)有功功率p和無功功率q，那么fav=favpfavq=3wprefUm28LHpHq (4.20)由公式（4.20）可得：L=3wprefUm28HpHqfav2 (4.21)由公式（4.20）和（4.21）可以看出。當(dāng)Um、pref一定時，L的大小與HpHq成反比的關(guān)系，所以HpHq得大小要合適，不能太小，否則頻率會變得很高；當(dāng)Um、L一定時，pref升高，平均頻率會變大；當(dāng)Um、pref和L一定時，

50、頻率變小，HpHq就會變大，頻率很大時， HpHq趨近于0。根據(jù)要求，uL30%額定電壓，所以LI0.3U (4.22)其中U是交流側(cè)相電壓的有效值；I表示電源側(cè)相電流的有效值。由于I=PL3Ucos，其中PL是整流器的額定輸出功率；cos是基于電壓工作的三相PWM整流系統(tǒng)的輸入功率。由式子（4.22）得L0.9U2cosPL （4.23） 根據(jù)式（4.21），選取合適的開關(guān)頻率，推導(dǎo)出電感值，將其帶入（4.23）中檢驗，若不合適，再重復(fù)推導(dǎo)，直至合適為止。4.1.3 直流側(cè)電容選取電容C起到濾波和穩(wěn)壓的作用，它可以使得直流側(cè)輸出的電壓趨于平緩，近似為一條直線，但工程中不可能百分百化簡為直線形

51、式，只能盡量的減小諧波分量，使得輸出約近于某一穩(wěn)定值24。這就對電容C的選取提出了很多要求。針對基于電壓工作的三相整流器直接功率控制系統(tǒng)中的功率內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)這一控制特點，即電壓要跟隨給定值的特點，電容C越小，輸出電壓追蹤給定值的機(jī)能就越好；但是從系統(tǒng)的抗干擾性出發(fā)，電容C的值如果越小，抗諧波和干擾的能力就越差，相反，電容C的值如果越大，DPC系統(tǒng)抗干擾的能力就會越好。因此，我們必須綜合考慮以上兩個要求找出合適的電容器25。電容的取值要滿足以下要求：（1） 滿足系統(tǒng)的抗干擾要求，電容應(yīng)有最小值。CUdn2UmaxRL (4.24)式中Umax是直流側(cè)輸出電壓的最大值與最小值的差。（2）考慮到系統(tǒng)

52、負(fù)載側(cè)輸出電壓要求要跟上給定的跟隨電壓這一要求，電容C的選取必須有個上限26。如果直流輸出電壓為0，當(dāng)它上升到Udn（負(fù)載側(cè)輸出電壓的額定值）的時間為tr1，則：Ctr1RLInIdmRLIdmRL-Udn (4.25)一般在實踐中Idm=1.2UdnRL。當(dāng)負(fù)載側(cè)電壓初始值穩(wěn)定下來，為最低值Ud0時，上升到Udn的時間記為tr2，則Ctr2RLInIdmRL-Ud0IdmRL-Udn (4.26)其中，Ud0=1.35UL，Idm=1.2UdnRL。4.2 仿真模型基于電壓工作的三相PWM整流器直接功率控制的仿真采用MATLAB2014a軟件來實現(xiàn)，根據(jù)基于電壓工作的三相PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)

53、構(gòu)和仿真參數(shù)建立基于電壓工作的三相PWM整流器直接功率控制的仿真構(gòu)圖，如圖4.1。圖4.1 整流器直接功率控制仿真圖其中主電路圖4.2如下：由三相交流電壓源輸出100V的交流電壓經(jīng)過濾波電感和線路阻抗進(jìn)入整流模塊，整流后輸出190V的直流電壓對負(fù)載供電，負(fù)載端并聯(lián)一個電容起穩(wěn)壓和濾波作用27。圖4.2 主電路控制模塊又兩部分組成，一部分是電壓控制外環(huán)反饋模塊，另一部分是功率控制內(nèi)環(huán)反饋模塊。完成三相電壓和三相電流的測量，將數(shù)值反饋給m1和m2模塊，實現(xiàn)電壓電流三相變兩相的處理，將得到的數(shù)值提供給power模塊完成有功功率P和無功功率Q的運算。圖4.3 功率控制模塊m1，m2為三相變兩相模塊，模塊封裝圖及其內(nèi)部電路如圖4.4和圖4.5所示。圖4.4中輸入為Ia、Ib、Ic三相交流電，輸出Ialf和Ibet。圖4.5中輸入為三相交流電壓輸出位兩相電壓圖4.4 三相到兩相電流變換模塊圖4.5 三相到兩相電壓變換模塊T/ABC=231012-123212-12-3212 (4.27)uaubuc=T/ABCuu=23u23-12u+32u23-12u-32u (4.28)上式子為三相到兩相轉(zhuǎn)換模塊的算法公式，此外除了需要將三相轉(zhuǎn)化為兩相外還需要將Ualf和Ubet做比