PWM整流器毕业设计.doc

东北石油大学本科生毕业设计（论文）摘 要 目前电力电子应用领域中，绝大多数的变流装置都采用了整流环节，而且这些整流环节大多数采用是电力电子器件所构成可控整流源或者不可控整流源，这不可避免的给电网带来了污染，主要是对电网注入了大量的电流谐波，并降低了电网的功率因数。为了解决这些问题，本文对三相电压型SVPWM整流器进行了研究。 随着电力电子技术以及计算机技术的发展，空间电压矢量脉宽调制（简称SVPWM）整流技术日益引起人们广泛的关注。三相电压型SVPWM整流器具有高功率因数、低谐波污染、恒定直流电压控制、能量的双向流动等优点，具有广泛的应用领域，是当今“绿色”整流器的研究热点。 本文分析了PWM整流器的工作原理、拓扑模型。阐述了三相电压型SVPWM整流器的基本工作原理。介绍了电压外环和电流内环的双闭环控制策略，深入研究了空间电压矢量脉宽调制方法，并采用了仅用一个坐标转换来计算相关矢量作用时间的简化算法。对电感电容进行设计，并设计出了最小电容值。在设计PI调节器时，将系统中整流器延时、反馈通道滤波延时、信号采集延时等小滞后环节考虑进去，提高了PI调节器参数设计的准确性，同时采用三阶最佳设计法设计电压外环PI调节器。最后通过MATLAB软件进行了系统仿真并得到正确结论，验证了SVPWM整流器的优越性。 关键词：整流器；SVPWM；PI调节器；仿真Abstract In the application field of power electronics，rectifiers have been widely used in most covertors，such as power supply and invertersMost of these rectifiers are made up of power electronic devices，which can import in harmonic pollution and low power factor to the electric networkIn order to solve these problems caused by rectifier，this dissertation foucus on the three-phase voltage source SVPWM rectifier With the development of power electronics and computer science, Space Vector Pulse Width Modulation (called SVPWM for short) has caused extensive concern. The three-phase voltage source SVPWM rectifier has widely application fields. It has become a hot topic of Green rectifier because of the characteristics of high power factor, small harmonic pollution, constant direct voltage and bidirectional power flow. The main contents of this paper rushed toward the research general situation for PWM rectifier.The thesis descried the basic principle of the three-phase voltage source SVPWM rectifier.Two closed-loop control schemes combining the internal current loop and the external voltage loop has been introduced, the space voltage vector pulse width modulation has been further studied, as well as a simplified acting time judgment model of correlation vector algorithm by only one coordinate transformation has been proposed. on the premise of further study of inductance and capacitance design. The lag links such as rectifier delay, feedback channel filtering delay, signals acquisition delay were considered as PI regulators were designed, so the accuracy of its parameters was improved. And also, the voltage loop PI regulator design method using of optimum three order design was proposed. Finally it got the correct results based on MATLAB software，which verified the superiority of SVPWM rectifier.Keywords：Rectifier；SVPWM；PI regulators；Hard in Loop Simulation 东北石油大学本科生毕业设计（论文）目 录第1章 概 述11.1 引言11.2 PWM整流器国内外发展现状21.3 课题的研究背景41.4 本文研究的主要内容5第2章 三相电压型SVPWM整流器原理62.1 三相电压型SVPWM整流器主电路结构62.2 三相电压型SVPWM整流器数学模型72.3 三相电压型SVPWM整流器工作原理92.4 本章小结10第3章 三相电压型SVPWM整流器系统设计113.1 主电路参数设计113.2 三相电压型SVPWM整流器双闭环控制153.3 调节器的设计183.4 本章小结22第4章 三相电压型SVPWM整流器的仿真研究244.1 MATLAB仿真软件介绍244.2 系统各部分仿真模块的建立254.3 仿真结果分析334.4 本章小结34结 论35参考文献36致 谢37I 东北石油大学本科生毕业设计（论文）第1章 概 述 1.1 引言随着科学技术的迅猛发展，大量的非线性电力电子变流装置在现代工业、交通、国防、生活等领域得到广泛应用，如交直流换流设备、整流器以及输入端为整流电路的变频器和不间断电源等，它们完成了对电能进行变换处理的任务，使得用电设备处于比较理想的工作状态，或者满足负荷某些特殊的要求，从而获得最大的经济效益。当今，经过变换处理后再供用户使用的电能在全国总发电量中所占的百分比，已经成为衡量一个国家技术进步的主要标准之一1。然而这些非线性负荷设备在传递、变换、吸收过程中把部分基波能量转换成谐波能量,造成交流输入电压、电流发生畸变，向系统中注入高次谐波，使输入功率因数降低，电能质量下降，对电力系统包括用户安全、经济运行产生严重的危害和影响，甚至造成电力设备的损坏，干扰保护产生误动，引发电力系统大面积停电等事故2。随着电力电子的迅猛发展，这些变流装置的应用场合和容量无疑都将会日益增长，其产生的谐波和危害也日益严重，因此，抑制谐波污染引起世界各国的高度重视具有十分重要的研究意义3。 目前，解决电网污染的途径主要有两种：一种是加入补偿器补偿电网中的谐波，如有源电力滤波器（APF：Active Power Filter）、静止无功补偿（SVC：Static Var Compensator）等；另外一种是设计输入电流为正弦、谐波含量低、功率因数高的整流器。应该说，通过无源和有源电力滤波器等谐波抑制或补偿装置能抑制或补偿电网中的谐波和无功功率，但只是一种补救性的、消极的和被动的“治病”措施，同时存在缺点：无源滤波器易和系统发生并联谐振而导致谐波放大；APF或SVC只能在谐波抑制或者无功补偿的某一方面卓有成效，无法将二者很好的结合起来，且成本高、控制复杂4。传统的不可控二极管和晶闸管相控整流是电网中的主要谐波污染源，同时引起系统中大量无功功率流动，严重影响电能质量。因而更有效和积极的途径是在变流装置中采取消除或减少谐波的所谓“防病”措施5。因此，应该开发将PWM控制技术应用到IGBT、MOSFET等全控器件组成的整流电路中，使整流器在工作时对电网或者电源系统既不产生谐波也不消耗无功功率，即输入功率因数为1或者高于0.95，成为无谐波污染的“绿色”电力电子变流装置。这种整流器叫做PWM整流器，又称为单位功率因数变流器6。 1.2 PWM整流器国内外发展现状 二十世纪八十年代，自关断器件的日趋成熟并得到了广泛的推广和应用。国内外学者开始对PWM整流器进行研究，自20世纪90年代以来，整流器一直是学术界关注和研究的热点。作为真正意义上的绿色环保电力电子装置，经过几十年的研究和发展，PWM整流技术的应用和研究有了突破性进展。其电路的拓扑结构和多种控制策略的结合控制是其重要的研究方向。1.2.1 拓扑结构 PWM整流器的主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路。1982年Busse Alfred、Holtz Joachim首先提出了基于可关断器件的三相全桥整流器拓扑，之后又有一些学者根据不同的功率等级和不同的用途发展和改进了新的电路拓扑结构，大致为电压型和电流型两大类。相对于电流型整流器而言，电压型整流器具有更快的响应速度，且容易实现7。目前以电压型为主。拓扑结构有单相全桥、单相倍压、三相四开关、三相六开关、多相组合及多电平拓扑结构等；在小功率场合，研究集中在减少功率开关和改进直流输出性能上；在大功率场合，其拓扑结构研究集中在多电平、整流模块并联扩容以及软开关技术上。随着需求功率增大和容量扩大，PWM整流器的主电路拓扑结构还有待于完善，进而提出更好的控制策略。1.2.2 控制技术 为了使电压型SVPWM整流器网侧能够实现受控电流源特性，网侧电流的控制显得非常重要。1982年Busse Alfred、Holtz Joachim首先提出了网侧电流幅相控制策略，1984年Akagi Hirofumi等提出了基于PWM整流器拓扑的无功补偿器控制策略。到二十世纪八十年代末，A.W.Green等人提出了基于坐标变换的PWM整流器连续离散动态数学模型及控制策略，PWM整流器的研究发展到了一个新的高度8。总体上，三相电压型PWM整流器网侧电流的控制策略根据是否选取电感电流作为状态反馈量，将电流控制技术分为两大类：间接电流控制和目前占主导地位的直接电流控制。间接电流控制技术是通过直接控制交流侧电压进而达到控制交流侧电流的目的。主要以相幅控制为代表，实质上是通过PWM控制，在三相整流器的桥路交流侧生成幅值相位受控的正弦PWM电压。间接电流控制结构简单、无需交流电流传感器，但是它的最大缺点是电流动态相应缓慢，甚至在交流侧电流中含有直流分量且对系统参数波动较敏感，稳定性也不好，因而常适合于对动态响应不高且控制结构要求简单的应用场合。相对于间接电流控制，直接电流控制以整流器的电流输入量作为反馈和被控量，形成电流闭环控制，使电流的动、静态性能得到了提高，同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感，从而增强了电流控制系统的鲁棒性，所以直接电流控制技术有着更广泛的应用前景和使用价值。直接电流控制技术虽然可以获得较高品质的电流响应，但控制结构和算法较间接电流控制复杂，对处理器的要求高9。 目前直接电流控制技术的研究主要集中在电流控制的算法上，经过国内外学者的深入研究，涌现了很多方法和思路，如滞环电流控制、固定开关频率电流控制、空间矢量电流控制、预测电流控制、单周控制、直接功率控制等。另外，状态反馈控制、滑模变结构控制、基于Lyapunov非线性大信号、模糊控制、二次型最优控制、非线性状态反馈、神经网络控制等技术还不够成熟，有待于人们进一步研究。 尽管目前直接电流控制方法多种多样，但总体上来讲，三相电压型SVPWM整流器控制还是主要采用电压控制外环和电流控制内环的双闭环串级控制策略。只不过实现双闭环的方法不一样而已。这是由于整流器是工作在开关模式下，是一个强非线性系统，电流之间、电压之间存在强耦合，给设计控制电路带来不便。电压外环和电流内环双闭环的串级控制是常用的方法。因此PI调节器的参数的设计尤为重要10。从工程应用上讲，目前自适应PID模糊逻辑、神经网络等PI参数整定方法还不成熟并不实用，还是采用古典的线性控制，这需要对由PI调节器构成的双闭环整流器的具体设计进行深入研究。1.2.3 调制方法 三相电压型PWM整流器典型的调制方法有两种：一种是SPWM（Sine Pulse Width Modulation）调制方式。该方法是最基本的调制方式，概念清晰，易于实现。实现方式有模拟方式和数字方式。对于数字实现，可以分为自然采样和规则采样等。当载波频率足够高时，有很好的谐波抑制特性，适合于IGBT、MOSFET等快速开关器件。另一种是空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation，简称SVPWM），谐波抑制最好。20世纪八十年代，一些国外学者提出的基于电压矢量的脉宽调制方法，源于交流电机变频传动控制，近年来被移植于电压型三相整流器的控制。与传统PWM和SPWM相比，空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）动态响应速度快，稳态性能好，电压利用率高，容易微处理器实现，但实现复杂，实时控制要求高，需高速微处理器。近年来SVPWM的简化算法及其在整流器上的应用逐渐成为国内学者的研究热点11。 根据不同的控制策略的需要，还有其他的PWM调制方法，如三次谐波注入方式（Three harmonic injection PWM，简称THIPWM）等。1.2.4 研究方法 目前，对三相电压型SVPWM整流器的研究较多采用以下三种方法：一种方法为MATLAB/Simulink的连续仿真，这种纯数字离线仿真的准确性与实际的差异很大，按这种方法设计得到的控制算法在实际应用中无法取得理想效果。第二种方法是采用dSPACE仿真系统，也是最常用的方法。研究者多采用DSP芯片来构成三相电压型PWM整流器的系统，其主要优势在于DSP芯片具有很好的通用性和灵活性，有适用于各种DSP算法实现的通用硬件结构。该研究方法按照传统DSP系统的典型开发流程进行设计，从而完成DSP在PWM整流器上的应用系统。与FPGA相比，该方法存在很多劣势，譬如处理器速度太慢、采样率不高等。第三种方法为采用单片机实现控制。该方法具有开发环境齐备、开发工具齐全、价格低廉的优势，但是它处理数据速度很低，而且需要手工编写大量的程序，反复的调试，工作量大，开发周期长12。 随着FPGA的迅猛发展，与DSP相比它具有更加突出的优势：系统工作速度更快、采样率更高、自顶向下的开发流程对硬件系统结构具有全程的主动性和能动性等。因此采用FPGA更能够满足三相电压型SVPWM整流器对微处理器的并行运算能力、实时性等要求。然而目前利用FPGA来实现对PWM整流器的研究还很少，文献也只是将FPGA作为其他微处理器的附属器件来完成一些外围的逻辑功能，没有完全发挥FPGA的强大功能。因此对基于FPGA的三相电压型SVPWM整流器的研究将是一种更好的研究方法。1.2.5 应用场合 目前PWM整流器的研究主要集中在小功率上，功率等级在几百瓦到几千瓦，超过10kW的目前还不多。小功率PWM整流器主要应用于通讯电源、家用电器等方面。而在中大功率场合，特别是需要能量双向流动的场合中，如传动领域、灵活交流输变电等，具有更广泛的应用前景。随着算法的不断改进，IGBT等新型开关器件及DSP芯片的出现，极大地促进了PWM整流电路的发展。随着研究的深人，基于PWM整流器拓扑结构及控制的拓展，相关的应用研究也发展起来，并使之进入了实用化阶段。已经应用于有源电力滤波器、超导储能、交流传动、高压直流输电以及统一潮流控制等方面，这些应用技术的研究，又促进了整流器及其控制技术的进步和完善13。基于三相电压型SVPWM整流器的特性，还可以将其应用领域拓展到电磁法探测领域。 PWM整流器将会在无功功率补偿和谐波抑制中发挥越来越大的作用。在我国PWM技术还处于起步阶段，有关PWM整流器技术的研究主要以理论和实验研究为主，虽然有一定的进展，但是还不够完善。 1.3 课题的研究背景 随着社会经济和城市建设的发展，人们对工程与环境地质问题的关注以及对探明资源的迫切需求，需要对地质进行高分辨率探测与评价。目前，在电磁法探测仪器大功率发射机进行野外勘测中，需要将发电机输出整流为直流，常规的全桥整流使得功率因数极低，一般只达到0.5至0.6。为了提高电能的利用率以及整个过程中系统的稳定性，降低发电机容量，必须消除谐波，提高输入侧的功率因数使其接近于1。1.4 本文研究的主要内容三相电压型SVPWM整流器是抑制谐波污染、改善电能质量的有效方法。它具有实现高功率因数、低谐波污染、恒定直流电压控制、能量的双向流动等优点，具有广泛的应用领域，是当今“绿色”整流器的研究热点。本文就以三相电压型SVPWM整流器为研究对象，具体工作步骤如下： （1）分析三相电压型SVPWM整流器的拓扑结构、工作原理，详细推导基于三相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型。 （2）结合原理分析，给出三相电压型SVPWM整流器的主电路设计，并对三相电压型SVPWM整流器的主电路参数（直流输出电压、交流滤波电感、直流侧滤波电容等参数）的选择进讨论。 （3）利用Matlab仿真软件构建系统仿真模型，并对仿真结果予以讨论。第2章 三相电压型SVPWM整流器原理 随着不可控二极管、半控型功率开关及全控性功率开关的相继出现，整流器经历了由不可控整流、相控整流和全控整流的发展历程，各种拓扑结构也应运而生。由于三相电压型PWM整流器利用电容作为直流储能元件，在体积、效率、价格方面优于以电感为储能元件的电流型整流器，且实现相对容易，具有简单的电路拓扑结构和快速控制响应速度等特点14，目前研究的重点集中在电压型PWM整流器。本章重点研究三相电压型SVPWM整流器的数学模型和工作原理。2.1 三相电压型SVPWM整流器主电路结构 三相电压型SVPWM整流器的主电路拓扑结构如图2-1所示。 图2-1 三相电压型SVPWM整流器主电路 从电路形式上看，电压型SVPWM整流器的主电路形式和一般整流器主电路是一样的，由交流侧电压源、三相滤波电感、三相全控桥、直流侧滤波电容和负载组成，不同的仅仅是控制方式。、分别代表交流侧三相电压源电压。是直流侧滤波电容C的输出电压。、分别代表交流侧三相电流的瞬时值。T1T6为整流器功率开关管IGBT。为整流器直流侧的负载。L、分别为交流侧滤波电感值和等效电阻。 各个元器件对系统的作用：交流侧电感L，主要作用是限制开关器件所产生的高次谐波电流，其取值应该恰当，它是保证三相电压型SVPWM整流器正常工作必要条件。太小会使电源电流中的高次谐波含量增加；太大将影响控制时电源电流跟踪指令信号的速度，还会影响系统的带载能力。直流侧滤波电容C是三相电压型SVPWM整流器的标志。其主要功能有两个：一是减少开关器件高频开关动作在输出直流电压中的造成的纹波，二是当负载发生变化时，在整流电路的惯性延时期间将输出直流电压的波动维持在限定的范围内。电容C越大，直流侧电压谐波则越小，抗负载扰动能力就越强，对应的响应速度也会越慢。 针对三相电压型SVPWM整流器一般数学模型的建立，通常做以下假设： 电网三相电压源为平衡且对称的理想电压源，即输入电压幅值相等，相位相差120，波形为理想的正弦波。 网侧滤波电感L是线性的，不考虑饱和。各相电感和等效电阻大小相同。 功率管为理想开关，没有功率损耗和过渡过程，不考虑死区对系统的影响。 开关频率远远大于电网频率（50Hz）。 三相电压型SVPWM整流器的数学模型是采用开关函数描述的数学模型。以下为对数学模型的理论推导。对三相整流桥开关函数定义为 (2-1)式中 k=a，b，c（a，b，c三线相连的功率管）。2.2 三相电压型SVPWM整流器数学模型2.2.1 基于三相静止坐标系数学模型 以A相为例，根据基尔霍夫定律建立三相整流器A相回路方程为： (2-2) 当导通，关断时，即，则 ；当时，则。式(2-2)则可以写成： (2-3) 同理，可以得到B相、C相方程如下： (2-4) (2-5) 考虑三相电压源平衡且对称，则有: (2-6) 联立式(2-3)(2-6)，可得： (2-7)将式(2-7)代入(2-3)、(2-4)、(2-5)中，可得： (2-8) 任何瞬间总有三个开关管导通，对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律，得： (2-9)综合式(2-8)和(2-9)，以交流侧电感电流和直流侧滤波电容输出电压为状态量，可以得到三相静止坐标系下的数学模型为： (2-10)2.2.2 基于两相旋转坐标系下的数学模型图2-2 派克变换坐标系矢量分解图在三相静止坐标系下，由于、之间以及、是时变交流量，且相互之间存在耦合，系统控制做不到无静差，因而不利于控制系统的设计。因此，通过派克变换转变为两相旋转坐标系下的数学模型。经过坐标变换后，三相对称静止坐标系中的基波正弦变量将转化为同步旋转坐标系中的直流变量，从而简化了控制系统的设计。 (2-11)其中，d轴与a轴的夹角0，为时的夹角。则有： (2-12) 、为开关函数在dq坐标系上的有功分量和无功分量。联立(2-10)，(2-12)，可得三相电压型SVPWM整流器在两相同步旋转坐标系下的数学模型： (2-13)2.3 三相电压型SVPWM整流器工作原理 通过对上述主电路结构和数学模型的分析，三相电压型整流电路由交流回路、功率开关桥路和直流回路组成。当不计开关管的损耗时，交流和直流侧功率达到平衡。通过对交流侧的控制可以达到对直流侧电压控制的目的，反之亦然。要实现整流器运行于高功率因数状态，关键是对网侧电流的控制15。通过对网侧电流的直接控制或者通过电压对电流的间接控制，对电路进行空间电压矢量的调制，控制IGBT的开关状态，改变、中基波分量的幅值和相位，就可以使得ia、ib、ic为正弦波且和电压同相位，从而实现整流侧电路的输入功率因数为1或者近似于1。三相电压型SVPWM整流器不同于一般意义上的AC/DC变换器，由于能够实现能量的双向传输，它有两种运行状态。以A相为例，用整流器的矢量图2-3来说明。当整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态，如图2-3（a），电流矢量和电压矢量处于同相位，交流侧功率因数为1，此时整流器网侧呈现正电阻特性，负载从电网吸收有功功率；当整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工作状态。如图2-3（b），电流矢量和电压矢量处于平行但反相位，交流侧功率因数为-1，此时整流器网侧呈现负电阻特性，负载从电网释放有功功率。(a)电流、电压矢量同相位 (b)电流、电压矢量反相位图2-3 整流器矢量图2.4 本章小结本章分析了三相电压型SVPWM整流器的系统模型和工作原理，合理选取主电路拓扑结构及系统模型的构建是研究三相电压型SVPWM整流器的基础。分析了三相桥式的主电路拓扑，并从理论上分析了整个电路结构特点及其各个部分对系统的作用；根据主电路结构推导了在三相静止坐标系下的数学模型，为了方便和简化控制系统的设计，做到系统控制无静差，根据“等量”坐标变换原则，通过派克变换将三相静止坐标系下的数学模型转换为两相同步旋转坐标系下的数学模型。 分析了三相电压型SVPWM整流器的基本工作原理，通过改变IGBT的开关状态，间接或者直接控制电流，使网侧电流和电压同相位。电路不仅工作在整流状态，而且能使三相输入电流成为与电压变化一致的正弦波，从而实现网侧输入功率因数为1，对网侧不产生谐波；分析了整流器的整流和逆变两种工作状态，能够实现能量的双向流动。 本章是研究三相电压型SVPWM整流器的理论基础，具体的控制策略和调制方法将在后几章进行详细的研究。第3章 三相电压型SVPWM整流器系统设计 三相电压型SVPWM整流器的系统设计包括两部分，一是系统主电路参数的设计，从不同出发点出发，综合考虑整个系统的动静态性能，稳定性及安全性，对5kW整流器的参数进行设计。二是控制系统设计，控制技术是三相电压型SVPWM整流器的关键。对整流器的控制，旨在稳定直流侧输出电压的同时实现其交流侧输入电流正弦波与电压同相位的控制，达到输入单位功率因数的目的。3.1 主电路参数设计 三相电压型SVPWM整流器的系统性能取决于系统结构、主电路参数、PI控制器参数，而控制器参数又依赖于主电路参数。所以主电路参数的设计非常重要，是对整个控制系统设计的基础，保证系统正常工作的必要条件。通过对三相电压型SVPWM整流器稳态特性分析及前人所做工作的基础上，提出了一套主电路参数的设计方法。本文设计的三相电压型SVPWM整流器的装置容量为P=5kW,交流侧输入电压为Us=100V。 3.1.1 直流侧电压的设计 在三相电压型SVPWM整流器中，对于直流电压的选择，一方面既要满足负载的要求；另一方面要满足交流侧电流波形的需要。因此要对要有一定的限制，从控制输入电流方面来考虑，过低会使电感中的电流发生畸变且不可控；过高，会增加系统的成本和体积，降低系统的可靠性和安全性。三相SVPWM整流器要正常工作，要求其主电路直流侧电压必须大于交流侧输入电压的峰值。由于整流器交流侧输入端的线电压都是幅值为的PWM波，只要大于交流侧基波峰值电压，那么整流器输入端的线电压就不含与PWM开关频率无关的低次谐波，电感电流就不会发生畸变。由产生的三相桥输入电压的基波峰值为，交流侧三相对称电压合成矢量幅值为，因此有： (3-1) 此方法可以确定直流侧电压的最小值，以确保输入侧的线电压中不含有低次谐波，同时在考虑系统的成本和体积，可以适当的选择直流侧电压。从电压矢量时间占空比进行了详细的分析，但是涉及电感这个重要的未知参量，需要反复对比已确定合适值，但是这样会给系统的设计带来更多的麻烦。综合考虑还是按(3-1)大致确定一个直流侧电压值，再去分析更重要的电感参数比较妥当。因此由(3-1)可得，V，可选择直流侧滤波电容输出电压给定为Udc=300V。3.1.2 交流侧电感的设计 在三相电压型整流器实际系统设计中，交流侧电感的设计至关重要。这是因为网侧电感的大小不仅影响着整个系统的动静态性能，而且还对额定输出功率等其他因素产生影响。电感对整个三相SVPWM整流器系统的影响是综合性的，故应从不同的出发点考虑，一方面从稳态功率满足功率守恒定律；另一方面从滤除谐波电流和实际的电流跟踪速度出发，找出电流最大脉动量与电感的关系。 基于稳态条件下满足功率指标设计电感 假设三相电压型SVPWM整流器的输出功率为P，电压源的有效值为US，电流的有效值为IS，考虑到电感本身和开关功率管的损耗等，那么交流侧输入功率必须大于直流侧的输出功率。可得公式：。流经电感的电压值为：。设计时应使电感上的压降尽可能小，一般不大于电源额定电压的30%，即电感电压。根据上述分析，在不计损耗情况下，输出最大功率可得到电感的一个上限值： (3-2) 基于瞬态电流跟踪指标的电感设计 瞬态电流跟踪指标要从两个方面来考虑。一方面从抑制电流谐波角度来讲，电感不应该太小；另一方面从电流的跟踪速度上讲，电感尽可能的小。根据第2章三相静止坐标系下的数学模型分析，以A相电压方程分析，可得： (3-3) 忽略电感的寄生电阻影响，PWM的开关周期为Ts,可以得到它的增量式： (3-4)设A相电压值表达式为。在一个PWM周期内，忽略零矢量，相邻两个周期内电流变化相等，则。在时间内电流由负峰值上升到正峰值，以电流过零点为分界，此时,，当KHz时，。根据式(3-4)，可得： (3-5) 由式(3-5)可得，电流的总脉动量为： (3-6)在电流跟踪的过程中，为了抑制纹波电流较大的脉动，每个PWM开关周期内电流的幅值应小于电流波动的最大峰值。在一个开关周期内，交流侧电流最大超调量尽可能小，一般不超过交流侧额定电流的10%。所以电流的最大脉动量。结合式(3-6)，可得电感下限值： (3-7) 在电流跟踪过程中，电流的跟踪速度应该满足电流变化率的需要。当电流在过零附近时，电流的变化率最大。 (3-8)另外A相的标准正弦电流，那么。将其带入(3-7)，可得： (3-9)从而可得到： (3-10)由于三相电压型SVPWM整流器要正常工作，要求其主电路直流侧电压必须大于交流侧输入电压的峰值，即：，比较公式(3-2)和(3-10)，可得，那么电感的上限值以(3-2)计算。联立公式(3-2)、(3-7)，系统稳定状态下，可得到交流侧电感的取值范围： (3-11) 当V、V、，开关频率为KHz，那么s，将其代入公式(3-11)，可得电感的取值范围为：1.7mHL6.95mH 本文主要考虑抑制电流谐波指标以及后期大功率整流器的研制，在此选择电感值为L=5mH。3.1.3 直流侧滤波电容的设计 三相电压型SVPWM整流器直流侧电容的设计也是一个重要的环节。选择的是否合适直接影响到系统的特性和安全性。从满足电压外环控制的跟随性看，直流侧电容应尽量小，以确保直流侧电压的快速跟踪控制，而从电压控制的抗干扰性能看，直流侧电容应尽量大，以限制负载扰动时的直流侧电压动态降落。三相电压型SVPWM整流器电压的波动主要原因在于负载变化引起的瞬态过程中输入及输出的功率不平衡。特别当系统工作模式由最大功率整流到最大功率逆变突变时（或反之），输入输出功率偏差最大，并且瞬态过程最长。而瞬态过程中功率偏差引起的能量偏差将全部积累在直流电容上。这将引起电容上较大的电压波动。当然，如果三相电压型SVPWM整流器经常工作在相同的工作模式下，不经常出现瞬态过程，可以根据直流电压上的谐波要求设计电容，这样设计的电容值会很小，主要是因为在稳态下输人电流为直流量。谐波主要是来自于一个开关周期内的开关谐波，其能量很小，能引起的直流电压波动很小。重点研究的是在严重负载变化时直流电压在波动的范围内选择滤波电容器，以提高电压的抗负荷扰动性。当负载由某一负载突变到额定负载，那么交流输入侧电流也由突变到，此情况下，为了满足负载功率的要求，导致有功电流突变，直流电压下降。可以在两相旋转坐标系下分析，当，电压和电流取最大值的时候，以及三相对称系统在d轴上有功功率，根据式(2-13)，可得有功电流最大上升速率和直流电压最大下降速率： (3-12) 有功电流指的是在两相旋转坐标系下的求得的有功电流分量。 设t0为开始突变时刻，则(3-12)的初始条件为： (3-13)根据初始条件(3-13)，当时，取得最小值。联立(3-12)、(3-13)，可得最小直流电压： (3-14)那么可以得到最大直流电压变化量为： (3-15)根据设定的（一般不大于直流侧电压的5%）和额定功率时的电阻值，可以得到电容的变化范围： (3-16)给定最大直流电压变化量=10V，Udc=300V，L=6mH，Um=2Us=155.56V将其代入公式(3-16)可得：C1200uF 本文选择直流侧电容值C=2200uF。在直流侧电容的设计过程中，根据实际需要，综合考虑电压跟随性和抗扰动性的指标要求，还要从电容器的体积、价格方面考虑，在满足允许输出滤波电压波动范围条件下，尽可能选择较小的电容值。3.2 三相电压型SVPWM整流器双闭环控制 在三相电压型SVPWM整流器的控制系统设计中，主要采用电压控制外环和电流控制内环的双闭环控制策略。实现双闭环的方法有多种多样的类型。电压外环的作用是维持直流母线电压的恒定，根据直流电压的Udc的大小决定变换器输出功率的大小和方向，输出为电流的给定信号。电流内环的作用就是使整流器的实际输入电流能够跟踪电压外环输出的电流给定，实现单位功率因数的控制。3.2.1 三相静止坐标系的双闭环控制方法 这是一种早期研究三相电压型PWM整流器的控制方法。该方法不需要将电压电流解耦，其控制是建立在三相静止坐标系数学模型基础上的。其控制原理图如图3-1所示。Udc*早期三相静止坐标系下的控制原理：直流输出电压给定信号和实际的直流电压比较后的误差信号先送入PI调节器，其输出为整流电路交流输入电流的幅值。它分别与同步锁相环产生的三个标准正弦波相乘后，形成整流器交流输入电流的给定信号 。只要控制电流、跟随电流给定信号，那么能量就以单位功率因数进行双向流动。电流给定信号与实际的电流比较后得到的电流误差信号，经PI调节器放大后送入比较器，再与三角波发生器所产生的三角载波信号比较后形成整流电路的PWM控制信号。这些信号经过驱动电路处理后驱动IGBT，从而使实际的交流输入电流跟踪其相应的指令值，达到控制输出电压的目的。由于输入电流指令为相差120的三个标准正弦波，从而使整流装置流入电网的电流最终为三相对称的正弦波。-+IscIsc*-+IsbIsb*-+IsaIsa*Udc*Imsin(t+/3)sin(t-/3)sint-+udcPL-同步锁相环PLPLPL-三角波发生器-1-1-1 驱动电路图3-1 三相静止坐标系下的控制方案 可见，电压外环产生的电流指令、，其幅值表明传输功率的大小，符号决定整流器的功率流向，相位决定着能量传递的功率因数。但是由于基于三相静止坐标系模型的控制方法中电流环的给定信号是正弦波，所以系统控制结果做不到无静差。所以目前三相电压型SVPWM整流器的控制一般选用基于两相同步旋转坐标系模型下的控制方法。3.2.2 基于两相旋转坐标系的前馈解耦控制方法 由于在三相静止坐标系下电压之间和电流之间存在耦合，而通过Park变换后得到的两相旋转d、q坐标下的数学模型将电压和电流分解为两个直流分量。d轴电流为系统输入的有功电流，q轴分量为系统输入的无功电流。通过引入id、iq的前馈补偿解耦控制实现对两通道电压单独控制，实现整流器网侧有功和无功分量的无耦合单独控制。所以调节器设计方便、运算简单而且很容易实现单位功率因数为1。具体分析如下： 假设三相电压源输入电压为： (3-17)式中、为电压源峰值和电网角频率。 根据式(2-12)，当时可得： (3-18) 通过给定系统有功功率和无功功率，可以得到其所对应的电流给定： (3-19) 为了实现整流器的单位功率因数，给定无功功率 Q* 等于0。将式(3-18)代入(3-19)，可得： (3-20)由已知的两相旋转坐标系dq系统模型(2-13)，可以设计dq坐标系下三相电压型SVPWM整流器电流控制时的电压指令 、： (3-21)式中 电流环的比例系数； 电流环的积分系数。根据上述分析，可以构造基于两相同步旋转坐标系下的前馈解耦双闭环控制结构。如图3-2所示。基于两相旋转坐标系的控制思想为：整个控制电路包括电压控制器和电压反馈构成的电压外环和电流控制器和电流反馈构成的电流内环。给定的直流侧电压参考值和实际输出电压进行比较之后，经过电压外环PI调节器得到有功电流指令，其值决定有功功率的大小，符号决定有功功率的流向。为了实现单位功率因数，设定无功功率电流给定值为，将、与主电路实际电流相比较，经过电流环PI调节器得到指令电压，再经过电网电压和电感电压的交叉分量前馈补偿，得到电压指令，最后经过两相静止坐标系的转换，进行空间电压矢量调制（SVPWM），得到控制功率开关管的控制脉冲，从而达到控制电流为正弦波且与电压同相位的目的。-电压PL电流PL两 相静 止坐 标转 换SVPWMPark变换LL电流PL-+-+-+Uq*Ud*uduqiq*iqidid*icibiaUdc*udc K图3-2 基于两相旋转坐标系控制方案3.3 调节器的设计3.3.1 PI电流PI调节器的设计双闭环整流器系统中电流环作为内环，迫使输入电流跟踪输入电压，提高系统的动态性能。假定给定电压在PWM线形调制区内没有饱和，d、q轴电流完全被解耦。根据电流的拉普拉斯变换微分性质： (3-22) 将(3-22)及电压指令代入到(2-13)，可得： (3-23)根据图3-2同步旋转坐标系下的控制方案及(3-21)，可得到d、q电流环的控制模型如图3-3。图中Gid(s)、Giq(s)为电流环PI调节器。在设计电流内环调节器时候，应该考虑反馈电流输入信号滤波，同时考虑整流器本身的时间常数，还要考虑电流内环的采样延时，这样更接近于实际情况。 根据图3-2同步旋转坐标系下的控制方案及(3-21)，可得到d、q电流环的控制模型如图3-3。图中Gid(s)、Giq(s)为电流环PI调节器。在设计电流内环调节器时候，应该考虑反馈电流输入信号滤波，同时考虑整流器本身的时间常数，还要考虑电流内环的采样延时。这样更接近于实际情况。设计电流内环的控制方案图3-4。图3-3 电流环的控制结构图 图3-4中，Tic为电流环采样时间，Tic=0.1Ts，Ts为PWM整流器的开关周期。Tds为