三相電壓型SVPWM整流器的SIMULINK建模與仿真

1、 23三相電壓型SVPWM 整流器的SIMULINK建模與仿真毛文喜 羅隆福（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082）摘 要：在建立了三相PWM 整流器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，將雙閉環(huán)工程設(shè)計方法結(jié)合矢量控制策略應(yīng)用于PWM 整流器。通過MATLAB 的SIMULINK 工具箱得到系統(tǒng)仿真結(jié)果，驗證了該模型和控制方法的可行性。 關(guān)鍵詞：PWM 數(shù)學(xué)模型 空間矢量 SIMULINK中圖分類號： TM 461.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-4862（2007）01-0023-04The Modeling and Simulation of Three-phase Voltage SVP

2、WM RectifierMao Wenxi, Luo Longfu(College of Electrical and Information Engineering Hunan University, Changsha 410082, ChinaAbstract: Based on the mathematical model of PWM rectifier，the dual-close-loop engineering design with vector control is applied in the 3-phase PWM rectifier. The validity of t

3、he mathematical model and its control method are confirmed by both MATLABSIMULINK simulation and experiment. Key words: PWM ；mathematical model；space vector；SIMULINK1 引言在電能變換中，電壓型PWM 整流器(簡稱“VSR”功率因數(shù)可調(diào)、輸入電流波形為正弦波、可實現(xiàn)能量的雙向流動，真正實現(xiàn)了“綠色電能變換”。本文在建立三相VSR 在a 、b 、c 坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過坐標(biāo)變換得到了三相VSR 的d 、q 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

4、, 應(yīng)用空間矢量的控制方法對PWM 整流器進(jìn)行動態(tài)實時仿真, 實驗結(jié)果驗證了該模型的正確性和控制方法的可行性。2 三相VSR 主電路結(jié)構(gòu)及基本原理三相VSR 的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括交流側(cè)的電感、電阻、直流電容以及由全控開關(guān)器件和續(xù)流二極管組成的三相整流電路。e a 、e b 、e c 為電源電壓，R L 為負(fù)載電阻。開關(guān)器件按采用的調(diào)制方法動作，由于輸入電感的濾波作用，整流器交流側(cè)的輸入可認(rèn)為是三相正弦電流，直流側(cè)有大電容穩(wěn)壓，輸出呈直流電壓源特性，穩(wěn)態(tài)時輸出直流電壓可保持不變。圖2是整流器輸入電壓U s 、輸入電流I s 、交流側(cè)控制電壓U r 間的向量圖。(a圖中，整流器工作在整

5、流狀態(tài)，電流矢量I s 與電壓矢量U s 平行且同向，此時整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)正電阻特性，實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流控制，負(fù)載從電網(wǎng)吸收有功功率。(b圖中，整流器工作在逆變狀態(tài)，電流矢量I s 與電壓矢量U s 平行且反向，此時整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)負(fù)電阻特性，實現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變控制，負(fù)載向電網(wǎng)釋放有功功率。對圖2進(jìn)行分析可看出，要實現(xiàn)整流器的單位功率因數(shù)控制，關(guān)鍵在于控制網(wǎng)側(cè)電流I s ，使之與電網(wǎng)電壓E 同相或反相。目前，控制方法主要分為間接電流控制和直接電流控制2種。間接電流控制1的優(yōu)點在于控制簡單、無需電流反饋控制，不足之處在于電流響應(yīng)不夠快，甚至交流側(cè)電流收稿日期：2006-10-11作者簡介：毛文喜

6、（1975-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動及電力系統(tǒng)諧波抑制。羅隆福（1962-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電力電子變流技術(shù)新研究工作。 24中含有直流分量，且對系統(tǒng)參數(shù)波動較敏感2。直接電流控制3以快速電流反饋控制為特性，可獲得較高品質(zhì)的電流響應(yīng)，但控制結(jié)構(gòu)和算法較復(fù)雜，不易于數(shù)字實現(xiàn)。另一種是基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的矢量控制方案，它具有動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)性能好、消除電流穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差、可以實現(xiàn)無功功率的解耦控制4等優(yōu)點，是一種較理想的控制策略。3 三相VSR 動態(tài)數(shù)學(xué)模型及矢量控制策略三相VSR 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，假設(shè)電路滿足以下條件：(1電源是三相平衡的正弦電壓源，即

7、： =+=+00i i i e e e cb a c b a (2濾波電感L 是線形的，不考慮飽和現(xiàn)象。 定義三相橋臂的開關(guān)函數(shù)分別為s a 、s b 、s c ；s=l代表上管通，下管關(guān)；s=O代表下管通，上管關(guān)。三相VSR 的數(shù)學(xué)模型為1：+=+=+=+=U s s s U u s u e i u s u e i u s u e i i s i s i s i dc c b a NO No c dc c c c Nob dc d b b No a dc d a aL c c b b a a dcR dt d L R dt dL R dt d L dt d C (31 (1為便于系統(tǒng)分析與綜

8、合、獲得良好的控制性能，采用PARK 變換4，將整流器模型變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)的d 、q 坐標(biāo)系，并使q 軸定向于電網(wǎng)電壓矢量。取變換矩陣為：+= 32sin(32sin(sin 32cos(32cos(cos 32t t t t t t T dq abc將以上變換作用于(1式，則得到整流器在兩相同步旋轉(zhuǎn)d-q 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：+=u e e u i i SS i dc sq sd dc q d qd q ddc q d L L L CCLLR L L Rdt ddt d dt d 1000100010223(2VSR d 、q 軸變量相互耦合，給控制器設(shè)計造成一定困難。為此，可采用前饋解

9、耦控制策略3，引入i d 、i q 的前饋補(bǔ)償解耦控制實現(xiàn)對兩通道的電壓進(jìn)行單獨控制。對電流環(huán)采用PI 調(diào)節(jié)，可得三相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下三相電流控制時的電壓指令為5：+=+=i i i K e u i i i K e u d q q iI iP q q q d d iI iP d d L S L S ( (*(3式中：K iP 、K iI 是電流內(nèi)環(huán)的比例調(diào)節(jié)增益和積分調(diào)節(jié)增益；i q *、i d *為電流i q 、i d 的指令值。引入補(bǔ)償后，式(3表示的電壓指令已完全解耦控制，系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。圖中，給定指令電壓u *dc 與實際直流側(cè)電壓U dc 比較后經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器得到電流有功分量

10、指令i q *，i d *、i q *與交流側(cè)實際電流比較后經(jīng)PI 環(huán)得到指令電壓u *d 、u *q ，經(jīng)過電網(wǎng)電壓、電感電壓交叉分量的前饋補(bǔ)償后，將所得電壓指令送入PWM 合成器，作為SVPWM 控制的指令電壓。為了實現(xiàn)單位功率因數(shù)控 制，控制算法采用電網(wǎng)電壓定向，即令以同步速度旋轉(zhuǎn)的三相電網(wǎng)電壓E=eq ，若要實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，則必須使三相網(wǎng)側(cè)電流I=i q ，即使I d =0。整個控制電路由 25電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成，電壓外環(huán)經(jīng)PI 調(diào)節(jié)后的輸出作為電流環(huán)的給定。 4 空間矢量合成原理三相VSR 不同開關(guān)組合時的交流側(cè)電壓可以用一個模為2U dc /3的空間電壓矢量在復(fù)平面上表示

11、出來，由于三相VSR 開關(guān)是雙電平控制，其空間電壓矢量只有23=8種，且U 0(0，0，0 、U 7(1，1，1 為零矢量4?？臻g矢量PWM 控制是通過分配電壓空間矢量(尤其是零矢量 的作用時間，最終形成等幅不等寬的PWM 脈沖波，實現(xiàn)追蹤磁通的基準(zhǔn)圓形軌跡。 由圖3可知，三相VSR 電流環(huán)調(diào)節(jié)運算確定后，三相VSR 電流跟蹤控制的指令電壓矢量U*也就被確定，可以利用三相VSR 空間電壓矢量U k (k=0，7 來合成U*，以實現(xiàn)VSR 電流控制。當(dāng)矢量U*處于三相VSR 電壓矢量空間任一區(qū)域時, 設(shè)矢量U*與a 軸夾角為(0360°,矢量U*與所在三角形區(qū)域起始邊界矢量Uk (k=

12、1， 6的夾角為，則，k 可以由以下方程求得6：4 (60 1( 160(°×=+°=k INT k 其中，k 取1，6。則對于任意U *，設(shè)其位于k 區(qū)，則U *可由U k 和U k+1兩矢量合成，施加時間分別為T k 和T k+1，矢量作用周期為T s 7。為保證較高的合成精度，如圖4所示，采用雙三角形合成方案，可以求得=+sin 2160sin 2cos 2160cos 22*11*11T T U T T T T k sk k sk k s k D D進(jìn)而求得=+T T T T T T T K K S SK Sk COS T 101sin *2sin *1*

13、 其中，3/2*dcU =將零矢量周期分成三段，其中矢量U *的起、終點上均勻地分布矢量U 0，而在矢量U *中點處分布矢量U 7，且T 7=T0/2。 對應(yīng)的三相PWM 如圖5所示，其中矢量U k 和U k+1放置先后順序以開關(guān)次數(shù)最少為準(zhǔn)。5 系統(tǒng)仿真及仿真結(jié)果應(yīng)用Matlab 軟件SimPowerSystem 工具箱，搭建了整個控制系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行仿真。 5.1 系統(tǒng)主回路仿真說明圖6為系統(tǒng)主電路仿真圖，系統(tǒng)的控制算法由control 模塊實現(xiàn)。電壓電流分別經(jīng)檢測模塊輸入到control 模塊中，給定電壓U dc *和直流側(cè)反饋電壓U dc 同時也輸入到該模塊中來。5.2 控制算法的

14、仿真控制算法由control 模塊實現(xiàn), 如圖7所示。給定指令電壓u *dc 與實際直流側(cè)電壓U dc 比較后經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器得到電流有功分量指令i q *，i d *、i q *與交流側(cè)實際電流比較后經(jīng)PI 環(huán)得到指令電壓 26u *d 、u *q ，經(jīng)過電網(wǎng)電壓、電感電壓交叉分量的前饋補(bǔ)償后，將所得電壓u d 、u q 指令輸入到PWM_wave模塊，PWM_wave模塊的輸出便作為控制三相電壓型SVPWM 整流器的脈沖指令。 5.3 仿真研究結(jié)果主電路參數(shù)設(shè)置如下：三相對稱交流電源電壓幅值：E max =200V ，頻率f=50Hz，交流側(cè)電感L=6mH，交流側(cè)電阻R=0(忽略不計 ，直流

15、側(cè)電容：C=2000µF，指令電壓U dc *=520V。圖8給出了單位功率因數(shù)整流、逆變時a 相電壓和電流的穩(wěn)態(tài)仿真波形。從仿真結(jié)果可以看出，穩(wěn)態(tài)時，網(wǎng)側(cè)電流非常好地與電網(wǎng)電壓保持同相，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)的整流與逆變。6 結(jié)論以SIMULINK 為工具進(jìn)行的三相PWM 整流 器仿真，充分發(fā)揮了SIMULINK 功能強(qiáng)大、建模簡單、參數(shù)易于調(diào)整的特點。本文在建立三相VSR d_q數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合間接電流控制和直接電流控制方法的矢量控制策略，系統(tǒng)的建立了三相VSR 仿真模型。模型直觀、易于使用，仿真驗證了數(shù)學(xué)模型及其控制策略的正確性。參考文獻(xiàn)：1. W u R, Dewan S

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