基于Matlab的PWM整流器的仿真研究論文(內(nèi)附中英文翻譯)

1、本科生畢業(yè)設(shè)計專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 設(shè)計題目： PWM整流器的仿真研究 畢業(yè)設(shè)計題目: PWM整流器的仿真研究畢業(yè)設(shè)計專題題目：畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求：1.學(xué)習(xí)PWM整流技術(shù)方面的基礎(chǔ)知識；2.對PWM整流器的主電路設(shè)計進行初步研究；3.對目前應(yīng)用比較廣泛的PWM整流電路控制策略進行總結(jié)分析 和比較，并進行仿真分析。院長簽字： 指導(dǎo)教師簽字：摘 要隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，供電系統(tǒng)中添加了大量的非線性負(fù)載，引起電網(wǎng)電壓、電流的畸變，導(dǎo)致電力污染，實現(xiàn)“綠色”電能變換成為目前電力電子技術(shù)研究的重點之一。在眾多諧波治理措施中，使用PWM整流器來調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，實現(xiàn)能量雙向流動這一

2、主動改善電能質(zhì)量的技術(shù)得到了深入的研究和發(fā)展。本文基于三相兩電平PWM整流器結(jié)構(gòu)，對PWM整流器的控制策略進行了研究。PWM整流器的工作原理及數(shù)學(xué)模型是實現(xiàn)整流器控制的基礎(chǔ)。本文分析了PWM整流器各種工作狀態(tài)的工作原理，基于開關(guān)函數(shù)和占空比兩種描述方法建立了PWM整流器的數(shù)學(xué)模型。對PWM整流器的有效控制是實現(xiàn)其改善電網(wǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。本文重點分析了滯環(huán)電流控制和電流前饋解耦控制兩種控制策略，并采用電壓控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)組成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，而且對控制器的參數(shù)進行了設(shè)計，為PWM整流器的控制奠定了理論基礎(chǔ)。最后運用MATLAB/Simulink構(gòu)建了三相VSR仿真平臺，對實驗結(jié)果進行分析，

3、證明了控制策略的正確性。關(guān)鍵詞：PWM整流器； 數(shù)學(xué)模型； 控制策略； 仿真Abstract Recent years, power electronic devices have been used wildly used in various industrial applications as essential modules. A large part of these facilities are composed of diodes or thyristors, which bring severe harmonics pollution to the power grid. T

4、he green converter of power has become the study key point of power electronic technology. Among the methods of harmonic restraining, the technoogy of using PWM rectifier, which can modulate the grid power factor, emplement the bidirectional transmission of power and improve the power quality active

5、ly has gotten in-depth study and development. This paper studied on the control strategy of rectifier based on the structure of the structure of three phase PWM rectifier. The working principle and mathematic model of PWM rectifier is the base of rectifiers control. This paper analyzed the working p

6、rinciple of PWM rectifier at every work state, and built the AC mathematic model of PWM rectifier based on the switching function and duty ratio. The efficient control of PWM rectifier is the key technology of improving grid quality. This paper analyzed the two control strategy of hysteresis current

7、 control and feed-forward decoupled current control, and designed the parameter of the controller, and settled the theory base of the PWM rectifiers control.A three-phase VSR simulation platform is built with Simulink software, and the simulation results prove the correctness of the control strategy

8、.Keywords：PWM rectifier; mathematic model; control strategy; simulation目 錄1 緒論11.1PWM整流器概述11.2研究PWM整流器的意義11.3PWM整流器的研究現(xiàn)狀21.4本課題研究內(nèi)容32 PWM整流器的工作原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及數(shù)學(xué)模型42.1PWM整流器的工作原理42.2PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)52.3三相VSR一般數(shù)學(xué)模型92.3.1采用開關(guān)函數(shù)描述的VSR一般數(shù)學(xué)模型102.3.2采用占空比描述的VSR一般數(shù)學(xué)模型112.4基于兩相（靜止）坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型132.5基于兩相d q（同步）旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型143 P

9、WM整流器的控制策略163.1PWM整流器的間接電流控制163.2PWM整流器的直接電流控制173.3基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的PWM整流器的雙閉環(huán)控制194 三相VSR的系統(tǒng)設(shè)計214.1電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計214.2電壓外環(huán)控制器的設(shè)計234.3主電路參數(shù)設(shè)計244.3.1交流側(cè)電感設(shè)計244.3.2直流側(cè)電容的設(shè)計285 三相VSR的仿真研究305.1仿真軟件介紹305.2三相VSR的仿真研究30總結(jié)42參考文獻(xiàn)43翻譯部分43英文原文44中文譯文55致 謝651 緒論1.1PWM整流器概述 非線性負(fù)載被引入電網(wǎng)，導(dǎo)致了日趨嚴(yán)重的諧波污染。電網(wǎng)諧波污染的原因有好多種，但是根本原因在于電力電子裝

10、置的開關(guān)工作方式，從而引起網(wǎng)側(cè)電流、電壓波形的嚴(yán)重畸變。在我國，當(dāng)前主要的諧波源主要是一些整流設(shè)備，如化工和冶金行業(yè)的整流設(shè)備以及各種調(diào)速、調(diào)壓設(shè)備和電力機車等。最常見的整流方式是采用二極管不控整流電路或晶閘管相控整流電路，運用二極管不控整流電路從電網(wǎng)吸取畸變電流的同時又對電網(wǎng)注入了大量諧波及無功，造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)諧波污染，而且直流側(cè)能量無法回饋電網(wǎng)。采用相控方式的整流器也存在很多問題，在深度相控下交流側(cè)功率因數(shù)很低，因換流引起電網(wǎng)電壓波形畸變等缺點。這些整流器從電網(wǎng)汲取電流的非線性特征，給周圍用電設(shè)備和公用電網(wǎng)都會帶來不良的影響。針對上述兩種整流電路的不足，PWM整流器對傳統(tǒng)的二極管及相控整

11、流器進行了全面的改進。PWM整流器關(guān)鍵性的改進在于用全控型功率開關(guān)管取代了半控型功率開關(guān)管或二極管，以PWM整控整流取代了相控整流或不可控整流。PWM整流器具有很多優(yōu)良的性能，例如：實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的控制(比如單位功率因數(shù))，網(wǎng)側(cè)電流更接近正弦波，電能實現(xiàn)雙向流動，具有較快的動態(tài)響應(yīng)。為了抑制電力電子裝置產(chǎn)生的諧波，其中最直接的一種方法就是對整流器本身進行改進，使其盡量不產(chǎn)生諧波，且電流和電壓同相位。這種整流器被稱為高功率因數(shù)變流器或高功率因數(shù)整流器。高功率因數(shù)變流器主要采用PWM整流技術(shù)，大多數(shù)都需要使用自關(guān)斷器件。對電流型整流器，可直接對各個電力半導(dǎo)體器件的通斷進行 PWM調(diào)制，使輸入電流

12、變成接近正弦且與電源電壓同相的PWM波形，從而得到接近1的功率因數(shù)。對電壓型整流器，需要將整流器通過電抗器與電源相連。只要對整流器各開關(guān)器件施以相應(yīng)的PWM控制，就可以對整流器網(wǎng)側(cè)交流電流的大小和相位進行控制，不僅可以實現(xiàn)交流電流接近正弦波，而且可以使交流電流的相位與電源電壓同相，就是系統(tǒng)的功率因數(shù)總是接近于1。1.2研究PWM整流器的意義在電力系統(tǒng)中，電流和電壓應(yīng)是完整的正弦波。但是在我們實際生活中的電力系統(tǒng)中，由于非線性負(fù)載等因素的影響，電網(wǎng)電壓和電流波形總會存在不同程度的畸變，給電力輸配電系統(tǒng)和附近的其它電氣設(shè)備帶來許多相關(guān)問題，所以就應(yīng)該采取必要的措施限制其對電網(wǎng)和其它設(shè)備的影響。隨著

13、電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通、家庭等眾多領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，很多場合需要大量各種類型的變流裝置將一種頻率、幅值、相位的電能變換為另一種頻率、幅值、相位的電能，使得用電設(shè)備處于理想工作狀態(tài)，或者滿足用電負(fù)載某些特殊要求，從而獲得最大的技術(shù)經(jīng)濟效益1。目前，隨著功率半導(dǎo)體器件的研制與生產(chǎn)水平都在不斷提高，各種新型電力電子變流裝置不斷出現(xiàn)在市場上，特別是用于交流電機調(diào)速傳動的變頻器性能的逐步完善，為工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能和改善生產(chǎn)工藝提供了十分廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)資料表明，電力電子裝置的生產(chǎn)量在未來十年中將以每年大于10%的速度飛速增長，同時，由這類裝置所產(chǎn)生的高次諧波約占總諧波

14、源的70%以上。根據(jù)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)定義可以知道，相控整流裝置的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)總是小于1，即使基波電流與網(wǎng)側(cè)電壓是同相的。隨著相控角的增大，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)也減小，這些都將給電網(wǎng)帶來不好的影響，主要有三點： （1）增加了電網(wǎng)的無功損耗與線路壓降，更嚴(yán)重是，還將造成局部網(wǎng)絡(luò)電壓的波動； （2）引起了電網(wǎng)的諧波損耗； （3）這些諧波電流在傳輸線上流動將會引起傳導(dǎo)和射頻干擾，造成對它敏感的電子儀器和設(shè)備、繼電器以及通信線路等的諧波干擾，特別對當(dāng)今計算機的普及應(yīng)用是一種實在的威脅。因此，采取相應(yīng)的措施來抑制、以至消除這些電力危害是電力電子技術(shù)領(lǐng)域中一項重要的研究課題，具有重要的理論和實際意義2。1.3PWM整流

15、器的研究現(xiàn)狀對PWM整流器的研究開始于20世紀(jì)70年代末，而進入80年代后，PWM整流技術(shù)的應(yīng)用與研究在電力電子技術(shù)的發(fā)展下得到了推動。1982年，Busse Alfred提出了三相全橋PWM整流器及其網(wǎng)側(cè)電流幅相控制策略，實現(xiàn)了PWM整流器網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)控制5。1984年，Akagi Hirofumi等人提出了無功補償器控制策略，成為電壓型PWM整流器的早期設(shè)計思想6。 20世紀(jì)80年代末，A.W.Green等人提出了PWM整流器連續(xù)以及離散動態(tài)數(shù)學(xué)模型和控制策略，使PWM整流器的研究達(dá)到了一個新的高度7。在20世紀(jì)90年代，PWM整流器的研究主要集中在其建模與分析、電流控制方法、主電路拓

16、撲結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)控制策略以及電流型PWM整流器的研究等方面。進入21世紀(jì)，隨著PWM整流器的廣泛應(yīng)用，各國學(xué)者對PWM整流器控制策略的研究也越來越深入。最主要的研究領(lǐng)域幾種在以下幾個方面:1. 無電網(wǎng)電動勢傳感器和無網(wǎng)側(cè)電壓傳感器控制；2. 電網(wǎng)電壓不平衡條件下的PWM整流器控制；3. PWM整流器非線性控制策略的研究，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、二次型最優(yōu)控制、模糊控制和反饋線性化控制等。 此外，Carls Henrique等人在PWM整流器原有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加入了二極管整流器，二者混合使用以實現(xiàn)高功率因數(shù)整流；L.Belhadji和K.aliouane等人提出了新型的空間矢量調(diào)制算法，有效地減小了開關(guān)頻

17、率和開關(guān)損耗；C.Attaianese和A.Barbaro等人對整流器各變量進行逐步預(yù)測，提出了一種新型的整流器預(yù)測控制方法；Monglol Konghirun則詳細(xì)分析了PWM整流器各工作狀態(tài)的電壓、電流及開關(guān)情況，得出了PWM整流器的通用等效Boost電路；Abdelouahab Bouafia和Jean-Paul Gaubert等人用有功功率和無功功率代替直接轉(zhuǎn)矩控制中的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，提出了無電壓傳感器的直接功率控制策略；Liviu Mihalache等人對于PWM整流器網(wǎng)側(cè)LCL濾波器進行研究，提出了在電壓畸變情況下減小電流總諧波含量的控制方法；R.Skandari和A.Rahamati

18、則基于空間矢量調(diào)制策略，在固定的開關(guān)頻率下對PWM整流器進行了基于模糊邏輯算法的直接功率控制的研究8。PWM整流對電網(wǎng)不產(chǎn)生諧波污染，因而是一種真正意義上的綠色環(huán)保電力電子裝置。經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，PWM整流器技術(shù)已日趨成熟。PWM整流器主電路已從早期的半控型器件橋路發(fā)展到如今的全控型器件橋路；其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已從單相、三相電路發(fā)展到多相組合及多電平拓?fù)潆娐罚籔WM開關(guān)控制由單純的硬開關(guān)調(diào)制發(fā)展到軟開關(guān)調(diào)制；功率等級從千瓦級發(fā)展到兆瓦級。在中大功率場合特別是需要能量雙向傳遞的場合中，PWM整流電路具有非常廣泛的應(yīng)用前景。IGBT等新型電力半導(dǎo)體開關(guān)器件的出現(xiàn)和PWM控制技術(shù)的發(fā)展，極大地促進了P

19、WM整流電路的發(fā)展，并使之進入了實用化階段，已經(jīng)應(yīng)用于有源濾波器、超導(dǎo)儲能、交流傳動、高壓直流輸電以及統(tǒng)一潮流控制等方面2。在我國，PWM整流電路地研究仍處于起步階段，有關(guān)PWM整流電路的研究主要以理論和實驗研究為主，雖然取得了一定進展，但是還不夠完善。1.4本課題研究內(nèi)容1. PWM整流器的工作原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 本文分析了PWM整流器在不同工作狀態(tài)下的工作原理，以及不同分類下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2. 數(shù)學(xué)模型的建立 對PWM整流器電路進行分析，采用開關(guān)函數(shù)描述和占空比描述的方法建立三相PWM整流器在靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。3. PWM整流器的控制策略 本設(shè)計采用電流內(nèi)環(huán)控制和

20、電壓外環(huán)控制的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。其中，電流內(nèi)環(huán)的動態(tài)性能直接影響電壓外環(huán)的控制性能。PWM整流器的電流內(nèi)環(huán)控制分為直接電流控制和間接電流控制，直接電流控制采用前饋解耦控制，間接電流控制采用幅相控制。4. 三相VSR的系統(tǒng)設(shè)計 本文對三相VSR的系統(tǒng)設(shè)計包括電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)控制器的設(shè)計，并對主電路的參數(shù)進行了設(shè)定。5. 三相VSR的仿真研究采用Matlab/Simulink仿真軟件對PWM整流器的數(shù)學(xué)模型和電路模型分別進行仿真實驗，尋找合適的控制方法和系統(tǒng)參數(shù)，分析仿真結(jié)果，驗證模型的正確性和控制方法的可行性。2 PWM整流器的工作原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及數(shù)學(xué)模型2.1PWM整流器的工作原理 PWM整

21、流器實際上是一個交、直流側(cè)可控的四象限運行的變流裝置，為了便于理解，以下首先從模型電路來闡述PWM整流器的原理3。圖2.1為PWM整流器模型電路，可以看出：PWM整流器模型電路是由交流回路、功率開關(guān)管橋路以及直流回路組成。其中交流回路包括交流電動勢e和網(wǎng)側(cè)電感L等；直流回路包括負(fù)載電阻R和負(fù)載電動勢等；功率開關(guān)管橋路可由電壓型或電流型橋路組成。圖2.1 PWM整流器模型電路 當(dāng)不計功率開關(guān)管橋路損耗時，由交、直流側(cè)功率平衡關(guān)系得：式中v和i是模型電路交流側(cè)電壓和電流；和是模型電路直流側(cè)電壓和電流。由上不難理解：通過對模型電路交流側(cè)的控制，就可以控制其直流側(cè)，反之對直流側(cè)的控制也可以控制交流側(cè)。

22、 以下主要從模型電路的交流側(cè)入手，分析PWM整流器的運行狀態(tài)和控制原理。穩(wěn)態(tài)條件下，PWM整流器交流側(cè)矢量關(guān)系如圖2.2所示。 圖2.2 PWM整流器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系 為簡化分析，對于整流器模型電路，只考慮基波分量而忽略PWM諧波分量，并且不計交流側(cè)電阻。由圖2.2分析可以知道：以電網(wǎng)電動勢矢量為參考時，通過控制交流電壓矢量就可以實現(xiàn)PWM整流器的四象限運行。若假設(shè)不變，因此 =也是固定不變的，在這種情況下，PWM整流器交流電壓矢量端點運動軌跡就構(gòu)成了一個以為半徑的圓。當(dāng)電壓矢量端點位于圓軌跡A點時，電流矢量比電動勢矢量滯后，此時PWM整流器的網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)純電感特性，如圖2.2（a）所示；當(dāng)電壓

23、矢量端點運動至圓軌跡B點時，電流矢量與電動勢矢量平行而且同向，此時PWM整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)正電阻特性，如圖2.2（b）所示；當(dāng)電壓矢量端點運動至圓軌跡C點時，電流矢量比電動勢矢量超前，此時PWM整流器的網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)純電容特性，如圖2.2（c）所示；當(dāng)電壓矢量端點運動至圓軌跡D點時，電流矢量與電動勢矢量平行且反向，此時PWM整流器的網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)負(fù)阻特性，如圖2.2（d）所示。以上，A、 B、C、D四點是PWM整流器四象限運行的四個特殊工作狀態(tài)點，進一步分析，可得PWM整流器四象限運行的規(guī)律如下： （1）電壓矢量端點在圓軌跡AB上運動時，PWM整流器運行于整流狀態(tài)。此時，PWM整流器需要從電網(wǎng)中吸收有功和感性

24、無功功率，電能將通過PWM整流器從電網(wǎng)傳輸至直流負(fù)載。應(yīng)該注意的是，當(dāng)PWM整流器運行在B點時，實現(xiàn)的是單位功率因數(shù)整流控制；而在A點運行時，PWM整流器則不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只是從電網(wǎng)吸收感性無功功率。 （2）當(dāng)電壓矢量端點在圓軌跡BC上運動時，PWM整流器運行于整流狀態(tài)。此時，PWM整流器需從電網(wǎng)吸收有功及容性無功功率，電能將通過PWM整流器從電網(wǎng)傳輸至直流負(fù)載。當(dāng)PWM整流器運行至C點時，PWM整流器將不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只是從電網(wǎng)吸收容性無功功率。 （3）當(dāng)電壓矢量端點在圓軌跡CD上運動時，PWM整流器運行于有源逆變狀態(tài)。此時PWM整流器向電網(wǎng)傳輸有功及容性無功功率，電能將從P

25、WM整流器直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。當(dāng)PWM整流器運行至D點時，就可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)有源逆變控制。 （4）當(dāng)電壓矢量端點在圓軌跡DA上運動時，PWM整流器運行于有源逆變狀態(tài)。此時，PWM整流器向電網(wǎng)傳輸有功及感性無功功率，電能將從PWM整流器直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。顯然，要實現(xiàn)四象限運行，關(guān)鍵在于網(wǎng)側(cè)電流的控制。一方面，可以通過控制PWM整流器交流側(cè)電壓，間接控制網(wǎng)側(cè)電流；另一方面，可以通過網(wǎng)側(cè)電流的閉環(huán)控制來直接控制PWM整流器的網(wǎng)側(cè)電流。 根據(jù)上述工作狀態(tài)的分析，可以得出，想要使PWM整流器實現(xiàn)四象限運行，必須對網(wǎng)側(cè)電流進行有效的控制。主要方法有兩種： 一是控制PWM整流器的網(wǎng)側(cè)電壓，從而間接控制其網(wǎng)

26、側(cè)電流； 二是通過網(wǎng)側(cè)電流的閉環(huán)控制，直接控制PWM整流器的網(wǎng)側(cè)電流。2.2PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨著PWM整流技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)設(shè)計出多種PWM整流器，它們在主電路結(jié)構(gòu)、PWM信號發(fā)生以及控制策略等方面均有各自的特點。按直流儲能形式可以分為電壓源型和電流源型。按電網(wǎng)相數(shù)可以分為單相電路、兩相電路和多相電路。按開關(guān)調(diào)制可以分為硬開關(guān)調(diào)制和軟開關(guān)調(diào)制。按橋路結(jié)構(gòu)可以分為半橋電路和全橋電路。按調(diào)制電平可以分為兩電平電路、三電平電路和多電平電路。在電壓源型PWM整流器的諸多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，直流側(cè)均采用電容進行儲能，使直流側(cè)呈電壓源特性，這是其最顯著的特征。 圖2.3單相半橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖2.4單相全橋V

27、SR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2.3和圖2.4為單相半橋和全橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？梢钥闯觯瑔蜗喟霕蚝蛦蜗嗳珮騐SR的交流側(cè)的電路結(jié)構(gòu)是相同的，其中交流側(cè)電感主要用于濾除網(wǎng)側(cè)電流諧波。單相半橋VSR只有一個橋臂采用功率開關(guān)器件，另一橋臂由兩個串聯(lián)的電容組成，可以作為直流側(cè)儲能電容；單相全橋VSR采用四個功率開關(guān)器件構(gòu)成H橋結(jié)構(gòu)，每個功率開關(guān)器件與一個續(xù)流二極管反并聯(lián)，以用來緩沖PWM過程中的無功電能。兩者比較，前者的主電路結(jié)構(gòu)簡單，造價低，常用于低成本、小功率的應(yīng)用場合。但是半橋電路直流電壓是全橋電路的兩倍，對其功率開關(guān)器件的耐壓要求較高，而且需要引入電容均壓控制來保持電路中點電位基本不變，因此控制起來相對復(fù)雜。

28、 圖2.5三相半橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖2.6三相全橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2.5和圖2.6為三相半橋、全橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三相半橋VSR交流側(cè)采用三相對稱的無中線連接方式，用六個功率開關(guān)器件構(gòu)成，適用于三相電網(wǎng)平衡的系統(tǒng)，是一種普遍使用的PWM整流器。三相全橋VSR克服了前者在電網(wǎng)不平衡的時候容易發(fā)生故障的缺點，在公共直流母線上連接了三個獨立控制的單相全橋VSR，而且通過變壓器連接三相四線制電網(wǎng)，但是其功率開關(guān)器件數(shù)量是前者的兩倍，所以應(yīng)用較少。以上所介紹的是兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用于高壓場合時，需要將多個開關(guān)器件串聯(lián)在一起使用，或使用耐壓等級較高的開關(guān)器件，以提高電壓等級。使用時，當(dāng)開關(guān)頻率不高時，諧波含

29、量會相對增大。而具有中點嵌位的三電平VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用二極管嵌位，獲得交流輸出電壓為三電平，因此提高了耐壓等級，降低了交流諧波電壓、電流，改善了網(wǎng)側(cè)波形品質(zhì)。只是這種方法所需的功率開關(guān)器件數(shù)量過于多，控制相對復(fù)雜和繁瑣，所以很難被廣泛應(yīng)用。以上所述的VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬常規(guī)的二電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不足之處在于，當(dāng)其應(yīng)用于高壓場合時，需使用耐高壓的功率開關(guān)或?qū)⒍鄠€功率開關(guān)串聯(lián)使用。此外，由于VSR交流側(cè)輸出電壓總在二電平上切換，當(dāng)開關(guān)頻率不高時，將導(dǎo)致諧波含量相對較大。為解決這些問題，設(shè)計了具有中點嵌位的三電平VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中以多個功率開關(guān)串聯(lián)使用，并采用二極管嵌位以獲得交流輸

30、出電壓的三電平調(diào)制。顯然，三電平VSR在提高耐壓等級的同時有效地降低了交流諧波電壓、電流，從而改善了其網(wǎng)側(cè)波形品質(zhì)。圖2-7為三相三電平VSR電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可見，三電平電路所需功率開關(guān)與二電平電路相比成倍增加，并且控制也相對復(fù)雜，這是這種電路的不足之處。另外，為了更好地適應(yīng)高壓大功率應(yīng)用，并降低交流輸出電壓諧波，近年來還設(shè)計出采用多個二極管嵌位的多電平VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2.7三相三電平VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖2.8三相軟開關(guān)VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2.8為三相軟開關(guān)VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中，橋式并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)由諧振電感、諧振電容、功率開關(guān)V7、V8以及續(xù)流二極管VD7、VD8組成；V9和VD9為直流側(cè)開關(guān)，其主要

31、作用是將直流側(cè)與諧振網(wǎng)絡(luò)和交流側(cè)隔離。在一定條件下，、產(chǎn)生諧振，并使兩端產(chǎn)生零電壓，此時，對三相橋功率開關(guān)進行切換，便可實現(xiàn)軟開關(guān)PWM控制。電流源型PWM整流器直流側(cè)采用電感進行直流儲能，使CSR直流側(cè)呈現(xiàn)高阻抗的電流源特性，這是其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最顯著特征。CSR通常有單相和三相兩種。CSR在交流側(cè)均增加了濾波電容，與網(wǎng)側(cè)電感組成LC濾波器，以濾除CSR網(wǎng)側(cè)諧波電流，并抑制CSR交流側(cè)諧波電壓。在CSR功率開關(guān)器件之路上需順向串聯(lián)二極管，以阻斷反向電流，提高功率開關(guān)器件的耐反壓能力。2.3三相VSR一般數(shù)學(xué)模型 所謂三相VSR一般數(shù)學(xué)模型就是根據(jù)三相VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在三相靜止坐標(biāo)系（a，b，c）

32、中利用電路基本定律(基爾霍夫電壓、電流定律)對VSR所建立的一般數(shù)學(xué)描述。三相VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.9所示。針對三相VSR一般數(shù)學(xué)模型的建立，通常作以下假設(shè):（1）電網(wǎng)電動勢為三相平穩(wěn)的純正弦波電動勢（,）；（2）網(wǎng)側(cè)濾波電感L是線性的，且不考慮飽和； （3）功率開關(guān)損耗以電阻表示，即實際的功率開關(guān)可由理想開關(guān)與損耗電阻串聯(lián)等效表示；（4）為描述VSR能量的雙向傳輸，三相VSR其直流側(cè)負(fù)載由電阻和直流電動勢串聯(lián)表示。圖2.9 三相VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖根據(jù)三相VSR特性分析需要，三相VSR一般數(shù)學(xué)模型的建立可采用以下兩種形式:（1）采用開關(guān)函數(shù)描述的一般數(shù)學(xué)模型；（2）采用占空比描述的一般數(shù)學(xué)模型。

33、采用開關(guān)函數(shù)描述的一般數(shù)學(xué)模型是對VSR開關(guān)過程的精確描述，較適合于VSR的波形仿真。然而，采用開關(guān)函數(shù)描述的VSR一般數(shù)學(xué)模型由于包括了其開關(guān)過程的高頻分量，因而很難用于指導(dǎo)控制器設(shè)計。當(dāng)VSR開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)基波頻率時，為簡化VSR的一般數(shù)學(xué)描述，可忽略VSR開關(guān)函數(shù)描述模型中的高頻分量，即只考慮其中的低頻分量，從而獲得采用占空比描述的低頻數(shù)學(xué)模型。這種采用占空比描述的VSR低頻數(shù)學(xué)模型非常適合于控制系統(tǒng)分析，并可直接用于控制器設(shè)計4。但是，由于這類模型略去了開關(guān)過程的高頻分量，因而不能進行精確的動態(tài)波形仿真?？傊?，采用開關(guān)函數(shù)描述的以及采用占空比描述的VSR一般數(shù)學(xué)模型在VSR控制系統(tǒng)

34、設(shè)計和系統(tǒng)仿真中各自起著重要作用。常用后者對VSR控制系統(tǒng)進行設(shè)計，然后再用前者對VSR控制系統(tǒng)進行仿真，從而校驗控制系統(tǒng)設(shè)計的性能指標(biāo)。2.3.1采用開關(guān)函數(shù)描述的VSR一般數(shù)學(xué)模型 以三相VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，如圖2.9所示，建立采用開關(guān)函數(shù)描述的VSR一般數(shù)學(xué)模型。當(dāng)直流電動勢時，直流側(cè)為純電阻負(fù)載，此時三相VSR只能運行于整流模式，當(dāng)時，三相VSR既可運行于整流模式，又可運行于有源逆變模式，當(dāng)運行于有源逆變模式時，三相VSR將所發(fā)電能向電網(wǎng)側(cè)輸送，有時也稱這種模式為再生發(fā)電模式；當(dāng)時，三相VSR也只能運行于整流模式。 為分析方便，首先定義單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)為 將三相VSR功率管損耗等

35、值電阻同交流濾波電感等值電阻合并，且令采用基爾霍夫電壓定建立三相VSR a相回路方程 （2.1）當(dāng)導(dǎo)通而關(guān)斷時，且；當(dāng)關(guān)斷而導(dǎo)通時，且，則式（2.1）可改寫為： （2.2） 同理： （2.3） （2.4）由于主電路為三相三線平衡系統(tǒng)，故 （2.5） （2.6） 聯(lián)立式（2.3）到式（2.6），可得： （2.7） 在圖2.9中，任何瞬間總有三個開關(guān)導(dǎo)通，其開關(guān)模式共有8種，因此，直流側(cè)電流可以描述為： （2.8）另外，對直流側(cè)電容正極節(jié)點處應(yīng)用基爾霍夫電流定律，可得： （2.9）即： （2.10）聯(lián)立式（2.2）到（2.9），而且考慮引入狀態(tài)變量X，且X=，則采用單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)描述的三項

36、VSR一般數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)變量表達(dá)式為： ZX=AX+BE （2.11）其中 （2.12） （2.13） （2.14） （2.15）2.3.2采用占空比描述的VSR一般數(shù)學(xué)模型為消除開關(guān)函數(shù)描述的VSR一般數(shù)學(xué)模型中的高頻分量，在開關(guān)函數(shù)模型中引入傅里葉周期函數(shù)的傅里葉展開如下: （2.16）若三相VSR采用三角載波PWM控制，以自然采樣法生成PWM信號時，PWM開關(guān)函數(shù)波形如圖2.10a所示，可見在一個開關(guān)周期內(nèi)，PWM波形不對稱。但當(dāng)開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率時，可用規(guī)則采樣法代替自然采樣法。此時，在一個開關(guān)周期內(nèi)，PWM開關(guān)函數(shù)波形如圖2.10b所示，顯然波形是對稱的。 圖2.10 PWM及開

37、關(guān)函數(shù)波形a自然采樣法b規(guī)則采樣法 圖2.10中，其中為PWM開關(guān)頻率；為對應(yīng)相的PWM占空比，且。如圖2.10b所示，開關(guān)函數(shù)及占空比間的關(guān)系為 （2.17） （2.18） 由圖2.10及以上關(guān)系式表明：PWM占空比實際上是一個開關(guān)周期上開關(guān)函數(shù)的平均值，故 （2.19） （2.20） （2.21）顯然 （2.22）將式（2.21）、（2.22）代入（2.12）得 （2.23）式中 陣中的低頻分量 陣中的高頻分量并且 （2.24） （2.25） （2.26） （2.27）與相對應(yīng)，狀態(tài)變量X可以分解為高頻分和低頻分量，即 （2.28）把式（2.28）代入式(2.11)得到基于占空比描述的三項

38、VSR一般數(shù)學(xué)模型為 （2.29）其中低頻數(shù)學(xué)模型為 （2.30）高頻數(shù)學(xué)模型為 （2.31）顯然，若忽略式(2.29)模型中的高頻分量，就可獲得采用占空比描述的三相VSR低頻數(shù)學(xué)模型。顯然，這一低頻模型將有助于簡化三相VSR控制系統(tǒng)的分析及設(shè)計。2.4基于兩相（靜止）坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型三相系統(tǒng)向兩相系統(tǒng)變換時，存在，兩種變換方式，即分別為“等量”變換和“等功率”變換。而坐標(biāo)變換又是通用矢量分解等效的結(jié)果。三相物理量可以用一個空間旋轉(zhuǎn)矢量在三個靜止對稱軸（，）上的投影來表示，這個旋轉(zhuǎn)矢量也就是通用矢量。而“等量”坐標(biāo)變換，是指某一坐標(biāo)系中的通用矢量與變換后的另一坐標(biāo)系中的通用矢量相等的坐標(biāo)變換。

39、“等功率”變換是指坐標(biāo)變換前后功率相等的坐標(biāo)變換。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體要求任意選用以上兩種坐標(biāo)變換，一般情況下，常選用“等量”坐標(biāo)變換，而在需要矩陣逆變換時，選用“等功率”坐標(biāo)變換。本文選用“等量”的坐標(biāo)變換。那么從三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的變換為： （2.32） 從兩相靜止坐標(biāo)到三相靜止坐標(biāo)的變換陣為： （2.33）使用變換矩陣，把式（2.33）變到坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下： （2.34）式中為坐標(biāo)系下單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)。2.5基于兩相d q（同步）旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型圖2.11 電壓定向的穩(wěn)態(tài)矢量圖解假設(shè)坐標(biāo)的軸在初始時刻和電網(wǎng)電壓矢量重合，則靜止坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換如

40、圖2.11，具體轉(zhuǎn)換的表達(dá)式如下： （2.35） （2.36）其中。使用變換矩陣，把式（2.36）變到坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下： （2.37）其中，。3 PWM整流器的控制策略 整流器的控制目標(biāo)有兩個，一是對輸入電流的控制，這也是整流系統(tǒng)控制的關(guān)鍵所在，采用PWM整流器的使輸入電流波形正弦化；二是對輸出電壓的控制，對輸入電流的有效控制的實質(zhì)是對變換器能量流動的有效控制，也就控制了輸出電壓?；谶@個觀點，可以將整流器的控制分成間接電流控制和直接電流控制兩大類。 在PWM整流器控制系統(tǒng)設(shè)計中，一般采用電流內(nèi)環(huán)控制和電壓外環(huán)控制的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中，電流內(nèi)環(huán)的動態(tài)性能直接影響電壓外環(huán)的控制性能。對于

41、電流內(nèi)環(huán)來說，其控制技術(shù)主要分為間接電流控制和直接電流控制兩大類。間接電流控制優(yōu)點在于控制簡單，一般無需電流反饋控制，其主要問題在于PWM整流器電流動態(tài)響應(yīng)不夠快，對系統(tǒng)參數(shù)變化較為敏感，適合于動態(tài)響應(yīng)要求不高且控制結(jié)構(gòu)要求簡單的應(yīng)用場合。直接電流控制以快速電流反饋控制為特征，如滯環(huán)電流控制、固定開關(guān)頻率電流控制、空間矢量電流控制等。直接電流控制可以獲得較高品質(zhì)的電流響應(yīng)，具有網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制，使網(wǎng)側(cè)電流動、靜態(tài)性能得到了提高，同時也使網(wǎng)側(cè)電流控制對系統(tǒng)參數(shù)不再敏感10。3.1PWM整流器的間接電流控制 在PWM整流器間接電流控制的諸多的方法中，幅相控制是其中的代表，幅相控制的特點是控制簡單，

42、無需電流反饋。但是，間接電流控制存在一些問題，諸如電流動態(tài)響應(yīng)不夠快、對系統(tǒng)參數(shù)波動較為敏感、交流側(cè)電流中含有直流分量等。因此，間接電流控制適用于控制結(jié)構(gòu)要求簡單且動態(tài)響應(yīng)要求不高的場合。PWM整流器間接電流控制技術(shù)的實質(zhì)是通過脈沖寬度調(diào)制方法，在PWM整流器的交流側(cè)生成幅值和相位均受控的正弦脈寬調(diào)制電壓。電網(wǎng)電動勢與該電壓共同作用于PWM整流器交流側(cè)電感上，即可形成正弦基波電流，而電感將對諧波電流進行濾除。這種電流控制方案之所以稱作間接電流控制，是因為其原理是通過對電壓的控制來對電流進行控制的。由于這種控制方式不需要交流電流傳感器，無需構(gòu)成電流閉環(huán)控制，所以是一種簡單控制方案。間接電流控制框

43、圖如圖3.1所示。圖3.1間接電流控制框圖PWM整流器的間接電流控制分為靜態(tài)和動態(tài)兩種控制方式。靜態(tài)間接電流控制主要依據(jù)三相交流側(cè)基波電流電壓矢量的靜態(tài)關(guān)系，求解相應(yīng)的控制算法。具體方法是從交流側(cè)靜態(tài)矢量關(guān)系中求出各相PWM信號時域表達(dá)式，并進行PWM控制，實現(xiàn)靜態(tài)間接電流控制。理論上，當(dāng)三相平衡時，靜態(tài)間接電流控制能實現(xiàn)直流測電壓的無紋波控制。研究表明，采用這種控制算法時，網(wǎng)側(cè)高頻電流分量諧波幅值與直流電壓成正比，與開關(guān)角頻率、網(wǎng)側(cè)電感和諧波次數(shù)二次方成反比，因此，適當(dāng)增大網(wǎng)側(cè)電感及提高開關(guān)頻率，均有利于抑制網(wǎng)側(cè)電流諧波。由于控制算法實現(xiàn)簡單，并且可以采用基于固定開關(guān)頻率的PWM控制，所以有

44、利于降低功率開關(guān)器件損耗和應(yīng)力。而且，基于固定開關(guān)頻率的PWM控制可以方便交流電感的設(shè)計。但是其控制參數(shù)均與電路參數(shù)有關(guān)，當(dāng)電路參數(shù)變動時，將引起控制偏差。同時，由于這些控制參數(shù)及控制算法均建立在靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上，無法取得快速的動態(tài)電流響應(yīng)。為克服這種方法的不足，在設(shè)計時，可以依據(jù)電壓、電流間的動態(tài)關(guān)系，用矢量表達(dá)式進行描述，從而使PWM整流器獲得盡可能快的動態(tài)電流響應(yīng)。3.2PWM整流器的直接電流控制PWM整流器在兩相（d、q）同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為： （3.1）可以看出,PWM整流器的（d、q）兩相之間存在強耦合作用發(fā)，給控制系統(tǒng)的設(shè)計造成一定困難。為此，需要采用前饋解耦控制.首先將

45、上式中前兩行進行調(diào)整,得到: （3.2）由于穩(wěn)態(tài)時,和應(yīng)該是一個恒定的控制量,可以通過調(diào)節(jié)電流和得到,為了使其便于控制,將穩(wěn)態(tài)時的給定值和做如下定義: （3.3）將式（3.3）進行拉式變換,得到: （3.4）所以,上式為一階慣性環(huán)節(jié),于是在PI調(diào)節(jié)器作用下,和可表示為: （3.5）將式（3.3）代入（3.2）,可以得到: （3.6）其中,和分別為電流內(nèi)環(huán)比例調(diào)劑增益和積分調(diào)節(jié)增益,和分別為電流指令值。將式(3.5)代入(3.6)可以得到: （3.7）將此式以框圖形式表示,可以得到電流前饋解耦算法框圖,如圖3.2所示。 圖3.2電流前饋解耦算法框圖將式（3.7）代入（3.2）,并進行化解,可以得

46、到電壓源型PWM整流器在兩相（d、q）同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上實現(xiàn)電流前饋解耦后的數(shù)學(xué)模型: （3.8）通過式（3.8）可以看出,基于電流前饋的控制算法可以使電流和的控制互不影響,式中的電流指令值和分別為系統(tǒng)輸入的有功電流和無功電流給定值。這樣就可以實現(xiàn)PWM整流器網(wǎng)側(cè)有功和無功分量無耦合且獨立的控制，即實現(xiàn)了PWM整流器的電流內(nèi)環(huán)解耦控制，從而降低了控制系統(tǒng)設(shè)計的難度，便于電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計。基于以上的公式推導(dǎo)，可以得到三相PWM整流器電流內(nèi)環(huán)的控制模型如圖3.3所示。 圖3.3三相PWM整流器電流內(nèi)環(huán)的控制模型框圖3.3基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的PWM整流器的雙閉環(huán)控制由于靜止坐標(biāo)系中的三相電源是互相耦合

47、的，控制起來比較復(fù)雜，所以一般采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型的控制方法。如果電網(wǎng)輸入電壓平衡，此時d、q分量均為直流，且坐標(biāo)系中的d軸電流為系統(tǒng)輸入有功電流，q軸電流為系統(tǒng)無功電流。這樣就可以實現(xiàn)三相VSR網(wǎng)側(cè)有功和無功分量無耦合、獨立控制。所以調(diào)節(jié)器的設(shè)計方便，運算簡單，而且很容易實現(xiàn)輸入功率因素為1。具體分析如下： 假設(shè)三相電壓源輸入電壓： （3.9）式中，、是網(wǎng)側(cè)三相輸入電源電壓幅值與角速度。將三相電壓變換到坐標(biāo)系，可以得到： （3.10）通過給定系統(tǒng)有功功率和無功功率可以得到其所對應(yīng)的電流給定： （3.11）為了實現(xiàn)PWM整流器的單位功率因素，給定無功功率等于0。同時，將式（3.10）代入上式可以

48、得到: （3.12）由已知的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系系統(tǒng)模型,可以得到兩相電流微分方程為: （3.13）由此,可以將電流內(nèi)環(huán)設(shè)計為: （3.14）根據(jù)上述分析,構(gòu)造如下圖所示的變流系統(tǒng)雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。外環(huán)為電壓環(huán)，控制直流母線電壓的輸出，通過直流母線電壓給定和反饋得到系統(tǒng)輸出電壓誤差，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器計算有功電流給定。其值決定有功功率的大小，符號決定功率的流向。系統(tǒng)內(nèi)環(huán)為點六環(huán)，其作用是控制電流響應(yīng)。控制框圖如下所示： 圖3.4三相VSR基于同步旋轉(zhuǎn)變換方案控制框圖4 三相VSR的系統(tǒng)設(shè)計 三相VSR多采用電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制組成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。電壓外環(huán)的作用是根據(jù)直流電壓的大小決定三相VSR變換器輸出功率的大小和方向以及三相電流給定信號。電流內(nèi)環(huán)的作用是使整流器的實際輸入電流能夠跟蹤電流給定，實現(xiàn)單位功率因數(shù)或功率因數(shù)可變。為了使系統(tǒng)有