22KW高性能三相電壓型PWM整流器的研究

第22KW高性能三相電壓型PWM整流器的研究

摘要

隨著社會(huì)的高速發(fā)展,電能在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民日常生活中發(fā)揮著起來(lái)越重要的作用,然而與之同時(shí)與國(guó)民生產(chǎn)生活密切相關(guān)的電力電子換流裝置,如變頻器、高頻開(kāi)關(guān)電源、逆變電源等各種換流裝置在廣泛的運(yùn)用中給電網(wǎng)帶來(lái)了大量的無(wú)功功率與嚴(yán)重的諧波污染.隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,具有網(wǎng)側(cè)電流接近正弦波、功率因數(shù)近似為1、直流側(cè)輸出電壓穩(wěn)定、抗負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)并且能夠在四象限運(yùn)行的PWM整流器應(yīng)運(yùn)而生,成功地取代了不可控二極管整流器和相控的晶閘管整流器,并成為電力電子技術(shù)研究的熱點(diǎn).本言研究的主要對(duì)象就是應(yīng)用最為廣泛的三相電壓型PWM整流器.

首先,本文介紹了PWM整流器研究的背景與意義,綜述了PWM技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀,引出了三相電壓型PWM整流器,并分析了三相電壓型PWM整流器的工作原理,并在此基礎(chǔ)上建立了其在ABC三相靜止坐標(biāo)系、d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和?-?兩相靜止坐標(biāo)系三個(gè)不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型.

其次,本文對(duì)PWM整流器的電流控制策略進(jìn)行了深入的研究,分析了間接電流控制和直接電流控制的優(yōu)缺點(diǎn),確定了采用直接電流控制,并對(duì)雙閉環(huán)控制器及PWM整流器主回路參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；引入了電壓空間矢量,闡述了空間電壓矢量控制的控制算法.

最后,本文在理論分析的基礎(chǔ)上,利用MTALAB提供的電力電子工具箱,在Simuink仿真環(huán)境下建立了三相VSR型PWM整流器主回路及控制器的模型并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析,表明了該方案能夠滿足網(wǎng)側(cè)電流近似正弦和高功率因數(shù)的要求,驗(yàn)證了方案的正確性和可行性.

關(guān)鍵詞：三相電壓型PWM整流器；直接電流控制；雙閉環(huán)控制；電壓空間矢量PWM

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofmodernsociety,thepowerinmodernindustryplaysanincreasinglyimportantrole,butinthenationalproductionandlifearecloselyrelatedwiththepowerelectronicconverterdevices,suchasthefrequencyconverters,high-frequencyswitchingpowersupplies,powerinvertersandothervariousconverterstheuseofthedevicewillgiveourpowergridtobringalotofunfavorablefactors,suchasalargeamountofreactivepowerandharmonic,lowpowerfactor,orevencausesevereelectromagneticpollution,resultingintheuseofotherequipmentsarenotnormalinsamenetwork.WiththedevelopmentofpowerelectronicandPWMtechnology,therectifierhasthecharacteristicsofhighpowerfactor,harmonicminor,DCoutputvoltagestabilityandhasoperateinthefour-quadrant,etc.Itbecomesagreenpowerconversiondevice.Therefore,themainresearchsubjectofthispaperisthethree-phasevoltagesourcePWMrectifier.

Firstly,thearticleintroducesthebackgroundandsignificanceofthePWMrectifier#39;sresearch,overviewsPWMtechnology#39;sdevelopmenthistoryandstatus,raisesthethree-phasevoltagesourcePWMrectifier,andanalysedtheworkingprincipleofthree-phasevoltagesourcePWMrectifier,onthisbasisestablisheditsmathematicalmodelonABCstaticcoordinatesystem,d-qsynchronousrotatingreferenceframeand?-?two-phasestaticcoordinatesystemthreedifferentcoordinatesystem,inaddition.

Secondly,thisarticleresearchescurrentcontrolstrategyofPWMrectifierindepth,analysestheshortcomingandadvantagebetweenindirect-currentcontrolanddirectcurrentcontrol,makeadecisionofemploymentofdirectcurrentcontrolbasedonfixedswitchingfrequency,andsystematicdesignsparameterofdoubleclosedloopcontrollerandPWMconvertermaincircuitparameters.BringinVoltageSpaceVector,andoverviewthearithmeticofit

Finally,Inthefoundationoftheoryanalysis,usingPowerElectrictoolboxofferedbyMATLABtofinishthesimulationexperimentunderSimulinkenvironmentandtoverifysystematicexactnessandfeasibilitybyanalysingthesimulationresults.

Keywords：Three-phaseVoltageSourcePWMRectifiers;Directcurrentcontrol;Doubleloopcontrol;SpaceVectorPWM;dual-loopcontrolsystem

目錄

1三相VSR原理分析與建模..................................................1

1.1三相VSR的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)................................................11.2PWM基本原理分析...................................................11.3三相VSR的數(shù)學(xué)模型................................................3

1.3.1三相VSR在三相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型...........................31.3.2三相VSRd-q模型的建立.......................................6

2三相VSR控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)...................................................11

2.1VSR的電流控制....................................................11

2.1.1間接電流控制................................................xv2.1.2直接電流控制...............................................xvi2.2三相VSR雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)....................................xvii

2.2.1電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)........................................142.2.2電壓外環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)........................................172.2三相PWM整流器參數(shù)的設(shè)計(jì)..........................................17

2.2.1交流側(cè)電感的設(shè)計(jì)............................................172.2.2直流側(cè)電容的設(shè)計(jì)............................................22

3三相VSR的空間矢量控制.................................................24

3.1三相VSR空間矢量PWM控制的基本原理...............................243.2三相VSR空間電壓矢量分布..........................................243.3SVPWM整流器的控制算法............................................26

3.3.1扇區(qū)的確定..................................................263.3.2矢量作用時(shí)間的確定..........................................263.3.3開(kāi)關(guān)矢量的確定..............................................30

4Matlab仿真............................................................33

4.1基于空間電壓矢量的直接電流控制的三相VSRPWM整流器的仿真.........33

4.1.1基于空間電壓矢量PWM波生成模塊simulink模型建立.............334.1.222KWPWM整流器的主回路及控制系統(tǒng)simulink模型的建立........354.222KWPWM整流器仿真波形...........................................385總結(jié)...................................................................41

1三相VSR原理分析與建模

1.1三相VSR的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電壓型PWM整流器(VoltageSourceRectifier.VSR)最顯著拓?fù)涮卣骶褪侵绷鱾?cè)采用電容進(jìn)行直流儲(chǔ)能,從而使VSR直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性.

圖1-2給出了三相半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).通常所謂的三相橋式電路即指三相半橋電路.三相電壓型PWM整流器也是本文進(jìn)行電路建模、參數(shù)計(jì)算和控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ).三相電壓型PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-1,圖中ea、eb、ec為三相對(duì)稱(chēng)電源相電壓；ia、ib、ic為三相線電流；V1~V6、VD1~VD6分別是絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管；Vdc為直流電壓；R、L為濾波電抗器的電阻和電感；C為直流側(cè)電容；RL為負(fù)載；

iL為負(fù)載電流.

圖2-1三相半橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2PWM基本原理分析

從電力電子技術(shù)發(fā)展來(lái)看,整流器是較早應(yīng)用的一種AC/DC變換裝置.整流器的發(fā)展經(jīng)歷了由不控整流器(二極管整流)、相控整流器(晶閘管整流)到PWM整流器(可關(guān)斷功率開(kāi)關(guān))的發(fā)展歷程.傳統(tǒng)的相控整流器,雖應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng),技術(shù)也較成熟,且被廣泛使用,但仍然存在以下問(wèn)題:

（1）晶閘管換流引起網(wǎng)側(cè)電壓波形畸變;

（2）網(wǎng)側(cè)諧波電流對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染;（3）深控時(shí)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低;（4）閉環(huán)控制時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)相對(duì)較慢.

雖然二極管整流器,改善了整流器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù),但仍會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)諧波電流以污染電網(wǎng);另外二極管整流器的不足還在于其直流電壓的不可控性.針對(duì)上述不足,PWM整流器已對(duì)傳統(tǒng)的相控及二極管整流器進(jìn)行了全面改進(jìn).其關(guān)鍵性的改進(jìn)在于用全控型功率開(kāi)關(guān)取代了半控型功率開(kāi)關(guān)或二極管,以PWM斬控整流取代了相控整流或不控整流.因此,PWM整流器可以取得以下優(yōu)良性能:（1）網(wǎng)側(cè)電流為正弦波;

（2）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制(如單位功率因數(shù)控制);（3）電能雙向傳輸;（4）較快的動(dòng)態(tài)控制響應(yīng).

顯然,PWM整流器已不是一般傳統(tǒng)意義上的AC/DC變換器.由于電能的雙向傳送,當(dāng)PWM整流器從電網(wǎng)吸取電能時(shí),其運(yùn)行于整流工作狀態(tài);而當(dāng)PWM整流器向電網(wǎng)傳輸電能時(shí),其運(yùn)行于有源逆變工作狀態(tài).所謂單位功率因數(shù)是指：當(dāng)PWM整流器運(yùn)行于整流狀態(tài)時(shí),網(wǎng)側(cè)電壓、電流同相(正阻特性);當(dāng)PWM整流器運(yùn)行于有源逆變狀態(tài)時(shí),其網(wǎng)側(cè)電壓、電流反相(負(fù)勝特性).進(jìn)一步研究表明,由于PWM整流器其網(wǎng)側(cè)電流及功