三相电压型PWM整流器控制.doc

1、摘 要随着各种电力电子装置应用的普及，电网的谐波污染日益严重。其中，传统的整流装置是电网污染的主要来源之一。三相电压型PWM整流器作为新一代整流装置，具有输出电压恒定、能实现单位功率因数运行，低谐波污染的特点，应用越来越广泛。因此PWM整流器技术己成为电力电子技术研究的热点和亮点。本文首先对PWM整流器的工作原理，以及控制方式进行了详细的分析。提出了用空间电压矢量方法（SVPWM）分析三相电压型PWM整流器。着重研究了三相电压型PWM整流器主电路拓扑结构，并建立了整流器在abc坐标系以及坐标系、dq坐标系的数学模型。本文在理论分析的基础上利用MATLAB提供的电力电子工具箱，在Simulink

2、仿真环境下建立仿真模型，分别对负载恒定和负载突变的不同的情况下进行仿真实验并得出结论。关键词：PWM整流器 、 空间矢量控制 、VSR 、 MATLABABSTRACTHarmonic pollution is becoming serious in the power system nowadays,because of the increasing applications of power electronic equipments and the conventional rectifier has already become one of the main harmonic sou

3、rces.The three-phase PWM voltage source rectifier*(VSR)can provide constant voltage,unity power factor and low haemonic distortion.It is getting a much better application as the new generation of rectifier. Therefore, PWM converter technology has become the hotspot of power electronic technology.Thi

4、s article first to to the working principle of PWM rectifier,as well as the control mode are analyzed in detail.Put forward the space voltage vector method analysis of three-phase voltage source PWM rectifier.This paper studies the three-phase voltage source PWM rectifier main circuit topology struc

5、ture,and established the rectifier in abc coordinate system and mathenatical model of alpha beta coordinate system and dq coordinate system.In this papaer,on the basis of theoretical analysis using MATLAB to procide power electronic toolbox,build simulation model in Simulink environment, respectivel

6、y different conditions of constant load and mutation simulation results and conclusions.Keywords：PWM Rectifier ；Space Vector Control ；VSR ；Matlab目 录1前言11.1 PWM整流器的产生11.2 PWM整流器的发展及现状21.2.1 PWM整流器的控制策略概述31.2.2三相电压型PWM整流器控制技术展望41.3本章小结52 PWM可控整流器基本原理及数学模型62.1 PWM整流器原理概述62.1.1 电压型PWM整流器拓扑结构62.2三相电压型PWM

7、整流器工作原理72.2.1 三相电压型PWM整流器的换流分析72.2.2 三相电压型PWM整流器相量分析82.3 三相电压型PWM整流器的数学模型92.3.1 abc静止坐标数学模型102.3.2 在两相静止坐标系的数学模型112.3.3 两相dq同步旋转坐标系的数学模型122.4本章小结133三相VSR空间电压矢量控制143.1 PWM整流器空间矢量控制143.1.1 SVPWM控制的基本原理143.1.2 SVPWM调制算法143.1.3 SVPWM调制算法及实现方法163.2 SVPWM整流器的控制193.3本章小结224 主电路参数设计234.1 交流侧电感设计234.2 直流侧电容的

8、选择244.3 本章小结265.三相电压型PWM整流器仿真275.1仿真软件介绍275.2 系统的仿真参数275.3系统的仿真275.3.1 仿真图的分析285.3.2 仿真波形305.4本章小结336总结34参考文献35翻译部分36英文原文36中文译文48致谢591前言1.1 PWM整流器的产生科研人员对PWM整流器的正式研究开始于20世纪80年代初，而自关断器件的逐渐成熟推动了PWM整流器技术的发展应用及其相关的研究。电流型PWM整流器的网侧单位功率因数正弦波电流的控制由布斯艾菲德，霍尔茨约阿西姆在1982年首次提出并实现。基于PWM整流器拓扑的无功补偿这一概念在1984年由Akagi H

9、irofumi等首次提出，应用PWM整流器拓扑的无功补偿来实现电压型PWM整流这一思想便是早期的控制思想。到了20世纪80年代末，基于坐标变换的PWM整流器连续离散动态数学模型及控制策略被相继提出，也使PWM整流器的研究发展到了一个前所未有的高度1直至今天电力半导体整流装置已经被很广泛的运用，例如：日常生产生活用到的电气里面包含的整流源，或工业中用到的几十万安的大型电解电源设备。不单这样，各种各样的逆变装置前级基本上全部都带有整流的部分。传统的相控电力电子设备在投网运行时会向电网注入谐波电流，且自身功率因数低，这两大问题就是通常所提的电力公害。如今电力污染的问题仍然是国内外专家们的热门研究课题

10、。在相控整流设备里，功率因数低，通常都是小于1的，这样导致网侧电压和基波电流同相位。但是伴随相控角的逐渐增大，网侧的功率因数还要随之增大而减小，这些不利因素都会给电网带来坏影响，主要有以下三点：(1)增大电网的无功功率和线路的压降，情况严重时，还会造成局部的网络电压波动；(2)引起电网的谐波损耗；(3)这些谐波电流，因为在传输线路里流动必然会引发射频干扰与传导，将造成对干扰敏感的一些电子仪器或设备、继电器还有通信缆线等的谐波干扰，特别是对当今计算机的广泛应用是一种威胁。正因如此，采取相关措施，抑制甚至消除这些电力污染是电力领域中重要的研究课题之一，具有非常重要的理论意义。变流装置在整个电力电子

11、领域中应用非常广泛，但是变流设备在获取直流电能的时候势必经过相当一部分整流环节，又因为二极管不可控整流器或者是晶闸管半控型整流器较多的应用到了常规整流设备里，因而对整个电网注入了大量谐波及无功，给电网带来了严重的“污染”。若使变流设备的网侧电流正弦化，且能工作在单位功率因数，那么便可以有效的消除这类电网污染2。正因如此，作为电网主要污染源，首先被学术科研人员所关注，并展开了大量相关的研究工作。所提到的单位功率因数是指：如果PWM整流器处在整流工作状态时，网侧电压、电流是同相的；如果PWM整流器处于逆变工作状态时，它的网侧电压、电流是反相的。在PWM整流电路里如果让它的输入交流电流非常接近于正弦

12、波，并且和输入的电压同是相位的，功率因数近似为1，必须要有合适的控制方法。因此，对这种性能较高的整流器的研究具有重要实践意义。就上述传统整流的不足之处，现在的PWM整流器对传统的二极管整流器，包括相控整流设备进行了全面化的改进。应用全控型功率开关管代替传统的半控型晶闸管或不可控制的二极管的，用PWM可控整流代替半控或不控整流，是关键性的改进。1.2 PWM整流器的发展及现状一、PWM整流器的发展PWM整流器的基本功能有：功率因数校正、谐波抑制并且可使电能双向流动。早在20世纪70年代初期，国外的专家便已经开始了对该项技术的一些基础性研究。自20世纪80年代末开始，伴随着全控器件的诞生和它在工业

13、领域应用，采用全控型整流设备件实现高性能的PWM高频整流和与其相关的科研进入了高峰期。如何使用相关技术来进行控制一直是PWM整流器研究和发展的关键部分。与此同时，三相电压型PWM整流器的控制技术还完美的引入了新式的模糊控制、神经网络控制等等。现今，国内的PWM整流器控制技术研究也取得了一些研究成果。例如，就控制技术应用到三相电压型PWM整流器上，有滞环电流控制、固定开关PWM控制、采用瞬时值比较法电流控制、预测法电流解耦控制、非线性系统反馈法解耦控制、单周期法控制、无电流传感器的三相PWM整流器控制方法均得到研究。伴随研究的不断深入，自20世纪90年代，随着研究的不断深入，基于PWM整流器拓扑

14、结构以及控制技术的拓展，相关的应用研究也逐渐发展起来，如有源滤波器、高压直流输电、超导储能、交流传动及统一潮流控制等。这些应用技术的发展研究，又促进了PWM整流器及其控制技术的更进一步完善3。二、控制技术研究及展望在工业领域里，随着电力电子技术不断的更新发展和PWM整流器在这一领域的广泛应用。PWM整流设备的控制方式的研究也在持续深人。它的控制技术也主要向以下几方面发展7：(1)在电网不稳定的环境下对PWM整流器的控制方法研究：目前关于电网不稳定状态时，PWM整流器的探究也主要在于整流设备交流侧的电感和直流侧电容的设计，亦或是经过控制系统自身去改善甚至抑制整流器输入端的那些导致不平衡的因素。为

15、了让PWM整流器在电网不平衡状态时依然能正常运行，那么它的控制方法控制策略就显得尤为重要。(2)为了提升PWM 整流器的整体性能，在PWM整流器控制方法中引入了非线性的控制理论拓展，国内外专家学者开始将非线性状态的反馈控制、Lyapunov非线性大信号法和无源性控制理论推广应用到PWM整流器的控制方法中。仍需研究的是最优能量的函数和反馈控制规律的最终优化方案。(3)智能化控制技术的研究针对PWM整流器在双闭环控制结构中PI调节器的参数难以确定。及系统参数具有时变性和非线性的问题,为了进一步提高PWM整流器的各种性能，将神经网络控制和模糊控制结合起来。利用神经网络的自学习能力和模糊控制的逻辑推理机制，能组合成更优的控制方案。1.2.1 PWM整流器的控制策略概述随着科研的不断深化，以PWM整流器拓扑结构与其控制技术作为基础的相关的一些应用研究也慢慢发展起来，比如有源滤波、超导储能、超特高压直流电的传输、交流电能与传动等等。这些应用技术的不断发展研究，同时进了PWM整流器的控制方法的更进一步完善。PWM整流器的控制策略，从两个角度进行分析，一方面是根据输入电流是否参与了控制，可以分为间接电流控制与直接电流控制；另外一方面是根据生成开关状态方式，可以分为SPWM控制、电流滞环控制、空间电压矢量（SVPWM）控制以及开