PWM整流器的仿真研究

1、中 國 礦 業(yè) 大 學本科生畢業(yè)設計姓 名： 學 號 學 院： 應用技術學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 設計題目： PWM整流器的仿真研究 專 題： 指導教師： 李國欣 職 稱： 講師 2010 年 6 月 徐州中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計任務書學院 應用技術學院專業(yè)年級 電氣06-1班學生姓名 任務下達日期： 2010年 3 月 8日畢業(yè)設計日期： 2010年 3 月 10 日至 2010 年 6月 10 日畢業(yè)設計題目: PWM整流器的仿真研究畢業(yè)設計專題題目：畢業(yè)設計主要內容和要求：1.學習PWM整流技術方面的基礎知識；2.對PWM整流器的主電路設計進行初步研究；3.對目前應用比較廣泛的PW

2、M整流電路控制策略進行總結分析 和比較，并進行仿真分析。院長簽字： 指導教師簽字：中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計指導教師評閱書指導教師評語（基礎理論及基本技能的掌握；獨立解決實際問題的能力；研究內容的理論依據(jù)和技術方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點；工作態(tài)度及工作量；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 指導教師簽字： 年 月 日中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計評閱教師評閱書評閱教師評語（選題的意義；基礎理論及基本技能的掌握；綜合運用所學知識解決實際問題的能力；工作量的大?。蝗〉玫闹饕晒皠?chuàng)新點；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 評閱教師簽字：年 月 日中國礦

3、業(yè)大學畢業(yè)設計評閱教師評閱書評閱教師評語（選題的意義；基礎理論及基本技能的掌握；綜合運用所學知識解決實際問題的能力；工作量的大小；取得的主要成果及創(chuàng)新點；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 評閱教師簽字：年 月 日中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計答辯及綜合成績答 辯 情 況提 出 問 題回 答 問 題正 確基本正確有一般性錯誤有原則性錯誤沒有回答答辯委員會評語及建議成績：答辯委員會主任簽字： 年 月 日學院領導小組綜合評定成績：學院領導小組負責人： 年 月 日摘 要隨著電力電子技術的廣泛應用與發(fā)展，供電系統(tǒng)中添加了大量的非線性負載，引起電網電壓、電流的畸變，導致電力污

4、染，實現(xiàn)“綠色”電能變換成為目前電力電子技術研究的重點之一。在眾多諧波治理措施中，使用PWM整流器來調節(jié)網側功率因數(shù)，實現(xiàn)能量雙向流動這一主動改善電能質量的技術得到了深入的研究和發(fā)展。本文基于三相兩電平PWM整流器結構，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)學模型是實現(xiàn)整流器控制的基礎。本文分析了PWM整流器各種工作狀態(tài)的工作原理，基于開關函數(shù)和占空比兩種描述方法建立了PWM整流器的數(shù)學模型。對PWM整流器的有效控制是實現(xiàn)其改善電網質量的關鍵技術。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)和電流控制內環(huán)組成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，而且對控制器

5、的參數(shù)進行了設計，為PWM整流器的控制奠定了理論基礎。最后運用MATLAB/Simulink構建了三相VSR仿真平臺，對實驗結果進行分析，證明了控制策略的正確性。關鍵詞：PWM整流器； 數(shù)學模型； 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 th

6、yristors, which bring severe harmonics pollution to the power grid. The "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, emple

7、ment the bidirectional transmission of power and improve the power quality actively 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 P

8、WM rectifier is the base of rectifier's control. This paper analyzed the working principle 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 impr

9、oving grid quality. This paper analyzed the two control strategy of hysteresis current control and feed-forward decoupled current control, and designed the parameter of the controller, and settled the theory base of the PWM rectifier's control.A three-phase VSR simulation platform is built with

10、Simulink software, and the simulation results prove the correctness of the control strategy.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本課題研究內容32 PWM整流器的工作原理、拓撲結構以及數(shù)學模型42.1PWM整流器的工作原理42.2PWM整流器拓撲結構52.3三相VSR一般數(shù)學模型9采用開關函數(shù)描述

11、的VSR一般數(shù)學模型10采用占空比描述的VSR一般數(shù)學模型112.4基于兩相（靜止）坐標系的數(shù)學模型132.5基于兩相d q（同步）旋轉坐標系的數(shù)學模型143 PWM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基于同步旋轉坐標下的PWM整流器的雙閉環(huán)控制194 三相VSR的系統(tǒng)設計214.1電流內環(huán)控制器的設計214.2電壓外環(huán)控制器的設計234.3主電路參數(shù)設計24交流側電感設計24直流側電容的設計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42參考文獻43翻譯部分43英文原文44中文譯文55致

12、 謝651 緒論1.1PWM整流器概述 非線性負載被引入電網，導致了日趨嚴重的諧波污染。電網諧波污染的原因有好多種，但是根本原因在于電力電子裝置的開關工作方式，從而引起網側電流、電壓波形的嚴重畸變。在我國，當前主要的諧波源主要是一些整流設備，如化工和冶金行業(yè)的整流設備以及各種調速、調壓設備和電力機車等。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吸取畸變電流的同時又對電網注入了大量諧波及無功，造成了嚴重的電網諧波污染，而且直流側能量無法回饋電網。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功率因數(shù)很低，因換流引起電網電壓波形畸變等缺點。這

13、些整流器從電網汲取電流的非線性特征，給周圍用電設備和公用電網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)的二極管及相控整流器進行了全面的改進。PWM整流器關鍵性的改進在于用全控型功率開關管取代了半控型功率開關管或二極管，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)網側功率因數(shù)的控制(比如單位功率因數(shù))，網側電流更接近正弦波，電能實現(xiàn)雙向流動，具有較快的動態(tài)響應。為了抑制電力電子裝置產生的諧波，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

14、功率因數(shù)變流器主要采用PWM整流技術，大多數(shù)都需要使用自關斷器件。對電流型整流器，可直接對各個電力半導體器件的通斷進行 PWM調制，使輸入電流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器件施以相應的PWM控制，就可以對整流器網側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，由于非線性負載等因素的影響，電網電壓和電

15、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備帶來許多相關問題，所以就應該采取必要的措施限制其對電網和其它設備的影響。隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通、家庭等眾多領域中廣泛應用，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，使得用電設備處于理想工作狀態(tài)，或者滿足用電負載某些特殊要求，從而獲得最大的技術經濟效益1。目前，隨著功率半導體器件的研制與生產水平都在不斷提高，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速傳動的變頻器性能的逐步完善，為工業(yè)領域節(jié)能和改善生產工藝提供了

16、十分廣闊的應用前景。相關資料表明，電力電子裝置的生產量在未來十年中將以每年大于10%的速度飛速增長，同時，由這類裝置所產生的高次諧波約占總諧波源的70%以上。根據(jù)網側功率因數(shù)定義可以知道，相控整流裝置的網側功率因數(shù)總是小于1，即使基波電流與網側電壓是同相的。隨著相控角的增大，網側功率因數(shù)也減小，這些都將給電網帶來不好的影響，主要有三點： （1）增加了電網的無功損耗與線路壓降，更嚴重是，還將造成局部網絡電壓的波動； （2）引起了電網的諧波損耗； （3）這些諧波電流在傳輸線上流動將會引起傳導和射頻干擾，造成對它敏感的電子儀器和設備、繼電器以及通信線路等的諧波干擾，特別對當今計算機的普及應用是一種實

17、在的威脅。因此，采取相應的措施來抑制、以至消除這些電力危害是電力電子技術領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整流器的研究現(xiàn)狀對PWM整流器的研究開始于20世紀70年代末，而進入80年代后，PWM整流技術的應用與研究在電力電子技術的發(fā)展下得到了推動。1982年，Busse Alfred提出了三相全橋PWM整流器及其網側電流幅相控制策略，實現(xiàn)了PWM整流器網側單位功率因數(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整流器的早期設計思想6。 20世紀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

18、模型和控制策略，使PWM整流器的研究達到了一個新的高度7。在20世紀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、主電路拓撲結構、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，隨著PWM整流器的廣泛應用，各國學者對PWM整流器控制策略的研究也越來越深入。最主要的研究領域幾種在以下幾個方面:1. 無電網電動勢傳感器和無網側電壓傳感器控制；2. 電網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，如神經網絡控制、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整流器原有的拓撲結構基礎上加入了

19、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制算法，有效地減小了開關頻率和開關損耗；C.Attaianese和A.Barbaro等人對整流器各變量進行逐步預測，提出了一種新型的整流器預測控制方法；Monglol Konghirun則詳細分析了PWM整流器各工作狀態(tài)的電壓、電流及開關情況，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矩控制中的轉矩和磁鏈，提出了無電壓傳感器的直接功率控制策略；Liviu Mihalach

20、e等人對于PWM整流器網側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則基于空間矢量調制策略，在固定的開關頻率下對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整流對電網不產生諧波污染，因而是一種真正意義上的綠色環(huán)保電力電子裝置。經過幾十年的研究和發(fā)展，PWM整流器技術已日趨成熟。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；其拓撲結構已從單相、三相電路發(fā)展到多相組合及多電平拓撲電路；PWM開關控制由單純的硬開關調制發(fā)展到軟開關調制；功率等級從千瓦級發(fā)展到兆瓦級。在中大功率場合特別

21、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用前景。IGBT等新型電力半導體開關器件的出現(xiàn)和PWM控制技術的發(fā)展，極大地促進了PWM整流電路的發(fā)展，并使之進入了實用化階段，已經應用于有源濾波器、超導儲能、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本課題研究內容1. PWM整流器的工作原理和拓撲結構 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撲結構。2. 數(shù)學模型的建立 對PWM整流器電路進行分析，采用開關函數(shù)描述和

22、占空比描述的方法建立三相PWM整流器在靜止坐標系的數(shù)學模型和同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型。3. PWM整流器的控制策略 本設計采用電流內環(huán)控制和電壓外環(huán)控制的雙閉環(huán)控制結構。其中，電流內環(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)設計 本文對三相VSR的系統(tǒng)設計包括電流內環(huán)和電壓外環(huán)控制器的設計，并對主電路的參數(shù)進行了設定。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)

23、參數(shù)，分析仿真結果，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、拓撲結構以及數(shù)學模型2.1PWM整流器的工作原理 PWM整流器實際上是一個交、直流側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和網側電感L等；直流回路包括負載電阻R和負載電動勢等；功率開關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 當不計功率開關管橋路損耗時，由交、直流側功率平衡關系得：式中v和i是模型電路交流

24、側電壓和電流；和是模型電路直流側電壓和電流。由上不難理解：通過對模型電路交流側的控制，就可以控制其直流側，反之對直流側的控制也可以控制交流側。 以下主要從模型電路的交流側入手，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整流器交流側矢量關系如圖2.2所示。 圖2.2 PWM整流器交流側穩(wěn)態(tài)矢量關系 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，并且不計交流側電阻。由圖2.2分析可以知道：以電網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成了

25、一個以為半徑的圓。當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整流器的網側呈現(xiàn)純電感特性，如圖2.2（a）所示；當電壓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整流器網側呈現(xiàn)正電阻特性，如圖2.2（b）所示；當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整流器的網側呈現(xiàn)純電容特性，如圖2.2（c）所示；當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整流器的網側呈現(xiàn)負阻特性，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

26、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整流器需要從電網中吸收有功和感性無功功率，電能將通過PWM整流器從電網傳輸至直流負載。應該注意的是，當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整流器則不從電網吸收有功功率，而只是從電網吸收感性無功功率。 （2）當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整流器需從電網吸收有功及容性無功功率，電能將通過PWM整流器從電網傳輸至直流負載。當PWM整流器運行至C點時，PWM整流器將不從電網吸收有功功率，而只是從電網吸收容性

27、無功功率。 （3）當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整流器向電網傳輸有功及容性無功功率，電能將從PWM整流器直流側傳輸至電網。當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整流器向電網傳輸有功及感性無功功率，電能將從PWM整流器直流側傳輸至電網。顯然，要實現(xiàn)四象限運行，關鍵在于網側電流的控制。一方面，可以通過控制PWM整流器交流側電壓，間接控制網側電流；另一方面，可以通過網側電流的閉環(huán)控制來直接控制PWM整流器的網側電流。 根據(jù)上述工作狀態(tài)的分析

28、，可以得出，想要使PWM整流器實現(xiàn)四象限運行，必須對網側電流進行有效的控制。主要方法有兩種： 一是控制PWM整流器的網側電壓，從而間接控制其網側電流； 二是通過網側電流的閉環(huán)控制，直接控制PWM整流器的網側電流。2.2PWM整流器拓撲結構隨著PWM整流技術的發(fā)展，已經設計出多種PWM整流器，它們在主電路結構、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。按電網相數(shù)可以分為單相電路、兩相電路和多相電路。按開關調制可以分為硬開關調制和軟開關調制。按橋路結構可以分為半橋電路和全橋電路。按調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

29、流器的諸多拓撲結構中，直流側均采用電容進行儲能，使直流側呈電壓源特性，這是其最顯著的特征。 圖2.3單相半橋VSR拓撲結構 圖2.4單相全橋VSR拓撲結構圖2.3和圖2.4為單相半橋和全橋VSR拓撲結構?？梢钥闯?，單相半橋和單相全橋VSR的交流側的電路結構是相同的，其中交流側電感主要用于濾除網側電流諧波。單相半橋VSR只有一個橋臂采用功率開關器件，另一橋臂由兩個串聯(lián)的電容組成，可以作為直流側儲能電容；單相全橋VSR采用四個功率開關器件構成H橋結構，每個功率開關器件與一個續(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，前者的主電路結構簡單，造價低，常用于低成本、小功率的應用場合。但

30、是半橋電路直流電壓是全橋電路的兩倍，對其功率開關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雜。 圖2.5三相半橋VSR拓撲結構 圖2.6三相全橋VSR拓撲結構圖2.5和圖2.6為三相半橋、全橋VSR拓撲結構，三相半橋VSR交流側采用三相對稱的無中線連接方式，用六個功率開關器件構成，適用于三相電網平衡的系統(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，但是其功率開關器件數(shù)量是前者的兩倍，所以應用較少。以上所介紹的是兩

31、電平拓撲結構應用于高壓場合時，需要將多個開關器件串聯(lián)在一起使用，或使用耐壓等級較高的開關器件，以提高電壓等級。使用時，當開關頻率不高時，諧波含量會相對增大。而具有中點嵌位的三電平VSR拓撲結構采用二極管嵌位，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，改善了網側波形品質。只是這種方法所需的功率開關器件數(shù)量過于多，控制相對復雜和繁瑣，所以很難被廣泛應用。以上所述的VSR拓撲結構屬常規(guī)的二電平拓撲結構。這種拓撲結構的不足之處在于，當其應用于高壓場合時，需使用耐高壓的功率開關或將多個功率開關串聯(lián)使用。此外，由于VSR交流側輸出電壓總在二電平上切換，當開關頻率不高時，將導致

32、諧波含量相對較大。為解決這些問題，設計了具有中點嵌位的三電平VSR拓撲結構，這種拓撲結構中以多個功率開關串聯(lián)使用，并采用二極管嵌位以獲得交流輸出電壓的三電平調制。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，從而改善了其網側波形品質。圖2-7為三相三電平VSR電路拓撲結構，可見，三電平電路所需功率開關與二電平電路相比成倍增加，并且控制也相對復雜，這是這種電路的不足之處。另外，為了更好地適應高壓大功率應用，并降低交流輸出電壓諧波，近年來還設計出采用多個二極管嵌位的多電平VSR拓撲結構。圖2.7三相三電平VSR拓撲結構 圖2.8三相軟開關VSR拓撲結構圖2.8為三相軟開關V

33、SR拓撲結構。圖中，橋式并聯(lián)諧振網絡由諧振電感、諧振電容、功率開關V7、V8以及續(xù)流二極管VD7、VD8組成；V9和VD9為直流側開關，其主要作用是將直流側與諧振網絡和交流側隔離。在一定條件下，、產生諧振，并使兩端產生零電壓，此時，對三相橋功率開關進行切換，便可實現(xiàn)軟開關PWM控制。電流源型PWM整流器直流側采用電感進行直流儲能，使CSR直流側呈現(xiàn)高阻抗的電流源特性，這是其拓撲結構的最顯著特征。CSR通常有單相和三相兩種。CSR在交流側均增加了濾波電容，與網側電感組成LC濾波器，以濾除CSR網側諧波電流，并抑制CSR交流側諧波電壓。在CSR功率開關器件之路上需順向串聯(lián)二極管，以阻斷反向電流，提

34、高功率開關器件的耐反壓能力。2.3三相VSR一般數(shù)學模型 所謂三相VSR一般數(shù)學模型就是根據(jù)三相VSR拓撲結構，在三相靜止坐標系（a，b，c）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)學描述。三相VSR拓撲結構如圖2.9所示。針對三相VSR一般數(shù)學模型的建立，通常作以下假設:（1）電網電動勢為三相平穩(wěn)的純正弦波電動勢（,）；（2）網側濾波電感L是線性的，且不考慮飽和； （3）功率開關損耗以電阻表示，即實際的功率開關可由理想開關與損耗電阻串聯(lián)等效表示；（4）為描述VSR能量的雙向傳輸，三相VSR其直流側負載由電阻和直流電動勢串聯(lián)表示。圖2.9 三相VSR拓撲結構圖根據(jù)三相

35、VSR特性分析需要，三相VSR一般數(shù)學模型的建立可采用以下兩種形式:（1）采用開關函數(shù)描述的一般數(shù)學模型；（2）采用占空比描述的一般數(shù)學模型。采用開關函數(shù)描述的一般數(shù)學模型是對VSR開關過程的精確描述，較適合于VSR的波形仿真。然而，采用開關函數(shù)描述的VSR一般數(shù)學模型由于包括了其開關過程的高頻分量，因而很難用于指導控制器設計。當VSR開關頻率遠高于電網基波頻率時，為簡化VSR的一般數(shù)學描述，可忽略VSR開關函數(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)學模型。這種采用占空比描述的VSR低頻數(shù)學模型非常適合于控制系統(tǒng)分析，并可直接用于控制器設計4。但是，由于這

36、類模型略去了開關過程的高頻分量，因而不能進行精確的動態(tài)波形仿真?？傊?，采用開關函數(shù)描述的以及采用占空比描述的VSR一般數(shù)學模型在VSR控制系統(tǒng)設計和系統(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)設計的性能指標。2.3.1采用開關函數(shù)描述的VSR一般數(shù)學模型 以三相VSR拓撲結構為例，如圖2.9所示，建立采用開關函數(shù)描述的VSR一般數(shù)學模型。當直流電動勢時，直流側為純電阻負載，此時三相VSR只能運行于整流模式，當時，三相VSR既可運行于整流模式，又可運行于有源逆變模式，當運行于有源逆變模式時，三相VSR將所發(fā)電能向電網側輸送，

37、有時也稱這種模式為再生發(fā)電模式；當時，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函數(shù)為 將三相VSR功率管損耗等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）當導通而關斷時，且；當關斷而導通時，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導通，其開關模式共有8種，因此，直流側電流可以描述為： （2.8）另外，對直流側電容正極節(jié)點處應用基爾霍夫電流

38、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函數(shù)描述的三項VSR一般數(shù)學模型的狀態(tài)變量表達式為： 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)學模型為消除開關函數(shù)描述的VSR一般數(shù)學模型中的高頻分量，在開關函數(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開關函數(shù)波形如圖2.10a所示，可見在一個開關周期內，PWM波形不對稱。但當開關頻率遠高于電網

39、頻率時，可用規(guī)則采樣法代替自然采樣法。此時，在一個開關周期內，PWM開關函數(shù)波形如圖2.10b所示，顯然波形是對稱的。 圖2.10 PWM及開關函數(shù)波形a自然采樣法b規(guī)則采樣法 圖2.10中，其中為PWM開關頻率；為對應相的PWM占空比，且。如圖2.10b所示，開關函數(shù)及占空比間的關系為 （2.17） （2.18） 由圖2.10及以上關系式表明：PWM占空比實際上是一個開關周期上開關函數(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.

40、26） （2.27）與相對應，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VSR一般數(shù)學模型為 （2.29）其中低頻數(shù)學模型為 （2.30）高頻數(shù)學模型為 （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)的分析及設計。2.4基于兩相（靜止）坐標系的數(shù)學模型三相系統(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。而坐標變換又是通用矢量分解等效的結果。三相物理量可以用一個空間旋轉矢量在三個靜止對稱軸（

41、，）上的投影來表示，這個旋轉矢量也就是通用矢量。而“等量”坐標變換，是指某一坐標系中的通用矢量與變換后的另一坐標系中的通用矢量相等的坐標變換?！暗裙β省弊儞Q是指坐標變換前后功率相等的坐標變換。在實際應用中，可根據(jù)具體要求任意選用以上兩種坐標變換，一般情況下，常選用“等量”坐標變換，而在需要矩陣逆變換時，選用“等功率”坐標變換。本文選用“等量”的坐標變換。那么從三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系的變換為： （2.32） 從兩相靜止坐標到三相靜止坐標的變換陣為： （2.33）使用變換矩陣，把式（2.33）變到坐標系下的數(shù)學模型如下： （2.34）式中為坐標系下單極性二值邏輯開關函數(shù)。2.5基于兩相d

42、q（同步）旋轉坐標系的數(shù)學模型圖2.11 電壓定向的穩(wěn)態(tài)矢量圖解假設坐標的軸在初始時刻和電網電壓矢量重合，則靜止坐標系與旋轉坐標系之間的變換如圖2.11，具體轉換的表達式如下： （2.35） （2.36）其中。使用變換矩陣，把式（2.36）變到坐標系下的數(shù)學模型如下： （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

43、。 在PWM整流器控制系統(tǒng)設計中，一般采用電流內環(huán)控制和電壓外環(huán)控制的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中，電流內環(huán)的動態(tài)性能直接影響電壓外環(huán)的控制性能。對于電流內環(huán)來說，其控制技術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)響應不夠快，對系統(tǒng)參數(shù)變化較為敏感，適合于動態(tài)響應要求不高且控制結構要求簡單的應用場合。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的電流響應，具有網側電流閉環(huán)控制，使網側電流動、靜態(tài)性能得到了提高，同時也使網側電流控制對系統(tǒng)

44、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，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)響應不夠快、對系統(tǒng)參數(shù)波動較為敏感、交流側電流中含有直流分量等。因此，間接電流控制適用于控制結構要求簡單且動態(tài)響應要求不高的場合。PWM整流器間接電流控制技術的實質是通過脈沖寬度調制方法，在PWM整流器的交流側生成幅值和相位均受控的正弦脈寬調制電壓。電網電動勢與該電壓共同作用于PWM整流器交流側電感上，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

45、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)三相交流側基波電流電壓矢量的靜態(tài)關系，求解相應的控制算法。具體方法是從交流側靜態(tài)矢量關系中求出各相PWM信號時域表達式，并進行PWM控制，實現(xiàn)靜態(tài)間接電流控制。理論上，當三相平衡時，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，網側高頻電流分量諧波幅值與直流電壓成正比，與開關角頻率、網側電感和諧波次數(shù)二次方

46、成反比，因此，適當增大網側電感及提高開關頻率，均有利于抑制網側電流諧波。由于控制算法實現(xiàn)簡單，并且可以采用基于固定開關頻率的PWM控制，所以有利于降低功率開關器件損耗和應力。而且，基于固定開關頻率的PWM控制可以方便交流電感的設計。但是其控制參數(shù)均與電路參數(shù)有關，當電路參數(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)模型的基礎上，無法取得快速的動態(tài)電流響應。為克服這種方法的不足，在設計時，可以依據(jù)電壓、電流間的動態(tài)關系，用矢量表達式進行描述，從而使PWM整流器獲得盡可能快的動態(tài)電流響應。3.2PWM整流器的直接電流控制PWM整流器在兩相（d、q）同步旋轉坐標系下的數(shù)學模

47、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)的設計造成一定困難。為此，需要采用前饋解耦控制.首先將上式中前兩行進行調整,得到: （3.2）由于穩(wěn)態(tài)時,和應該是一個恒定的控制量,可以通過調節(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,和分別為電流內環(huán)比例調劑增益和積分調節(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）