PWM整流系统的研究.doc

目录摘要2ABCTRCT3第一章 绪论41.1研究背景意义、及其现状41.1.1 研究背景及现状41.1.2 研究意义及发展趋势41.2 主要研究内容5第2章 PWM 整流器拓扑结构及其原理62.1 PWM 整流器的拓扑结构与基本原理62.1.1 PWM 整流器的拓扑结构62.2三相整流器基本原理8第三章 三相PWM整流器的数学模型113.1三相abc静止坐标系数学模型123.2 两相静止坐标系数学模型123.3两相dq旋转坐标系数学模型13第四章 三相PWM 整流器控制系统设计154.1基于电流内环的控制器设计154.2基于电压外环的控制器设计17第五章PWM整流系统的仿真研究195.1Matlab简介195.2三相 VSR 系统仿真19第六章 总结与展望23参考文献23PWM整流系统的研究摘要：由于传统的整流器是由不可控以及半控型器件组成的，所以整流器不能实现完全控制。这种控制上的不足，造成了网测的低功率因数，电流谐波较大，不可双向流动等弱点。PWM整流器采用了全控器件的PWM之后，能够实现网测的功率因数接近为1，电流谐波含量少，接近正选波，节约能源的优势，并且动态响应较快，输出直流测电压可控等优点。本文主要研究了三相PWM整流系统，分析了其拓扑结构、数学模型、电流电压双闭环调制策略，以及PI控制器设计。然后在理论分析的基础上，做出了基于matlab的仿真系统，仿真结果表明，理论的可行性以及正确性。关键字：PWM整流器；双闭环调制；仿真系统Study on the PWM Rectifier and Its Control StrategiesABCTRCT:Since conventional rectifier is not controlled and semi-controlled device consisting of a rectifier is not so complete control. This lack of control, resulting in a net measure of low power factor, harmonic current is large, not two-way flow of weaknesses. After the PWM rectifier uses PWM full-controlled devices, enabling network measured power factor close to 1, the current harmonic content of less positive election approaching wave, the advantages of energy saving, and fast dynamic response, measure the output DC voltage controllable and so on. This paper studies the three-phase PWM rectifier system, analyzes its topology, the mathematical model, the current-voltage double closed loop modulation strategy, as well as PI controller design. Then, based on the theoretical analysis, we made a matlab-based simulation systems, simulation results show the feasibility and correctness of the theory.Keywords： PWM rectifier, double closed loop modulation；simulation systems窗体顶端第1章 绪论1.1研究背景意义、及其现状1.1.1 研究背景及现状 在现代电气技术领域中电力电子技术必不可少，并且在现代电气行业中应用非常广泛。在电力电子装置和电网当中，整流器是充当接口的成分。PWM整流器数学模型的研究是PWM控制技术及变流技术的基础。从PWM整流器拓扑结构上讲，可以将PWM整流器分为电流型整流器和电压型整流器两大类。近年来可逆PWM整流器因在能量双向传输以及控制技术的发展迅速所以整流器在电气相关领域得到了充分的应用。 凡是能直接将交流电能转换为直流电能的电路广泛称之为整流电路，在应用中构成直流电源装置，由于交流电能大多数来自公共电网，因而是公共电网与电力电子装置的接口，其性能将影响电网的运行和电能质量。在二十世纪七十年代末PWM 控制技术应用于整流器上，当时因可关断器件的相关研究及生产工艺上的进步，加快了PWM技术的研究与应用。自二十世纪九十年代以来，高功率因数整流器一直是研究的热点，其应用的领域研究也越来越多。随着研究的深入，高功率因数整流器及其控制技术慢慢变的完善。迄今为止PWM整流器已经发展到了全控型器件，拓扑结构也发展为多相组合拓扑。1.1.2 研究意义及发展趋势在电力变换中，基本变换形式有四种分别是：交流-直流（AC/DC）、交流-交流（AC/AC)、直流-交流（DC/AC)、直流-直流（DC/DC)。直流电能是由整流和大电容或电感滤波后能够得到的相对平滑的波形。在社会各行各业变流装置的使用都非常的广泛，但是在广泛运用的同时在谐波污染问题上却越来越严重。传统的相控整流器在较早的时候就应用就相对普遍了再技术方面的相对比较成熟，但是也会对电网产生的谐波进行污染并且在闭环控制时会影响相控整流的响应速度，使其响应速度变慢。变流装置是引起谐波污染与无功功率的主要来源，为了减小谐波与无功功率带来的污染，因此有必要研究设计高功率因数整流器，满足控制系统的高效率、高性能、高稳定性等要求。传统方式是采用并联电容器来补偿无功功率，但是仅仅只能补偿固定的无功功率所以还是会产生并联谐振，使得滤波放大。随着不断的实验与研究发现多重化整流器倒是可以避免产生并联谐波，能够减少整流装置所产生的谐波和无功功率对电网的干扰。但是同样也存在较多的缺陷：使用系统元器件增多，电路结构过于复杂造成系统成本增加并且系统损耗增大。脉冲宽度调制（PWM）技术进入变流领域后，成功取代传统整流器并且取得良好的效果。PWM整流器可以实现功率因数为1或者可调，并且使电网的一侧输入电压和电流趋于正弦化，降低了电容、电感滤波器件和储能元件的要求，并且提高了系统响应时间。这种解决方式满足了高功率因数整流器的工业需求以及未来对PWM整流器的研究提供了良好的动力。1.2 主要研究内容这篇文章的主要研究对象为三相电压型PWM整流器，利用PWM整流器为主电路拓扑结构进行控制，以及对PWM整流器数学模型的分析和建立。通过Matlab软件中Sumlink建立仿真模型，并且得到网测输入电压与输入电流的仿真波形。根据SimPowerSystem仿真模型，设计电压型PWM整流器控制系统。主要进行以下几个方面的工作：1. 详细阐述了PWM 整流器的工作原理和数学模型的建立，电压型PWM整流器的拓扑结构和各个坐标系下的数学模型，以及 PWM 整流器的瞬态换相过程。2. 针对 PWM 整流器两种控制策略在Sumlink下的仿真研究，介绍PWM信号生成的空间矢量脉宽调制（SVPWM）。3. 对双闭环控制系统进行了分析，分析其电压外环、电流内环，最后进行了Sumlink仿真验证。第2章 PWM 整流器拓扑结构及其原理2.1 PWM 整流器的拓扑结构与基本原理 2.1.1 PWM 整流器的拓扑结构 随着电力电子技术发展的研究与应用，PWM 整流技术得到广泛的发展和推广，至今已设计出多种PWM整流器。PWM整流器的分类可以按照如下图2-1-1所示： 图2-1-1整流器分类图由上图可知PWM整流器分类具有多种多样的性质，实际通过主电路结构和控制技术把PWM整流器基本分为电压型PWM整流器与电流型PWM整流器两种类型。不管是电压型整流器还是电流型整流器，其两种整流器的主电路结构都具有对偶性，主要区别在于电压型PWM整流器的结构简单、损耗较低、控制方便，所以一直是人们重点研究的对象，并且电压型的开关管是用场效应管(电压控制)。而电流型PWM整流器由于需要较大的直流储能电感，以及存在交流侧滤波问题，并且电流型的开关管是用双极型大功率三极(电流控制)，所以它的发展受到了制约。随着技术的革新超导技术慢慢浮出水面，超导技术使得电流型PWM整流器有更大的优势，因为超导线圈可以直接作为直流储能电感，克服了电流型PWM整流器原有的不足。电压型PWM整流器的主要特征是直流侧采用电容进行直流储能，使电压型PWM整流器直流侧呈低阻抗的电压源特征；电流型PWM整流器的主要特征是直流侧采用电感进行直流储能，从而使电流型PWM整流器直流侧呈现高阻抗的电流源特征。下面介绍几种常见的VSR电路拓扑结构。 1单相电压型PWM整流器（ VSR） 拓扑结构。图2-1-2a 为电压型 PWM 整流器单相半桥主电路，图2-1-2b为全桥主电路。由下图可知，两种VSR交流侧具有相同的电路结构。 在图2-1-2a中，单相半桥型VSR电路只有其中一个桥臂有功率开关管，而另一桥臂则是由两个电容相互串联而成的；在图 2-1-2b 中，单相全桥型VSR电路中含有四个功率开关管的H桥结构。由图2-1-2 可知，相对单相半桥型VSR而言，单相全桥型 VSR 的主电路拓扑结构较为复杂，且功率开关管数是单相半桥的两倍，故其造价成本相对高。通过不断深入探索可以得出，如若两种单相电压型PWM整流器在网侧电路参数具有一样的网侧电流控制特性，单相半桥电压型PWM整流器电路直流电压是单相全桥电压型PWM整流器电路直流电压的两倍，此时需提高单相全桥电压型PWM整流器电路的耐压值。如果对电容进行均压控制可以使单相半桥电压型PWM整流器电路中的电容中点电位不发生变化。 图 2-1-2 单相VSR 电路结构 2三相 VSR 拓扑结构。下图分别给出了电压型PWM整流器三相半桥和三相全桥主电路拓扑结构。其中图 2-1-3 为三相半桥电路拓扑结构；图 2-1-4 为三相全桥电路拓扑结构。三相半桥 VSR网侧采用的是三相对称无中线连接方式，并且通过6只功率开关管连接而成的桥臂，其结构上与三项逆变器的结构有些相似。三相半桥电路是三相电压型PWM整流器相关研究设计中的代表作品，所以其应用相对较多。三相半桥电压型PWM整流器适用于三相电网平衡系统，当三相电网不平衡的时候其控制性能将恶化，严重甚至可能发生故障。为了弥补三相半桥VSR的缺点我们可以采用三相全桥设计方法，下图中图 2-1-4 为三相全桥电路拓扑结构。所以当电网不平衡时，三相全桥并不会严重影响其控制性能，但因为三相全桥所需功率开管是三相半桥的一倍，所以三相全桥电路的应用较少采用。图 2-1-3 三相电压型 PWM 整流器半桥电路结构图 2-1-4 三相电压型 PWM 整流器全桥电路结构2.2三相整流器基本原理 在整个三相平衡对称系统当中，三相半桥VSR电路结构是最常运用到的，如图2-1-3所示。本小节采用开关函数对三相半桥VSR的一般数学模型进行较为详细的描述，对开关模式利用单极性二值逻辑开关函数Sk 可定义为： （2-1） k= a，b，c 将三相电压型PWM整流器功率开关管的损耗等效电阻RS与电感内阻R1进行合并，合并为R=R1+RS，然后采用基尔霍夫定律来建立三相电压型PWM整流器a相的回路电压方程。如下式： （2-2）当Va导通而Va关断时，Sa=1，且Van=Vdc；当Va关断时Va导通时，Sa=0。由于VaN=VdcSa，式（2-2）可以改写为： （2-3）同理，可以得到b，c相得电压方程式： （2-4） （2-5）考虑到三相平衡，可以得到： （2-6）由（2-3）、（2-4）、（2-5）、（2-6）可得： （2-7）在图2-1-3中，任何时候控制器运行中总会有三个功率管是导通的，其开关模式共有8（2x2x2=8）种，因此直流侧电流idc可描述为： （2-8）此外，对直流侧电容正极点处应用基尔霍夫电流定律可得： (2-9)通过式子（2-3）至（2-9），并且对其中引入状态变量X，且X=ia，ib，ic，vdc，采用已定义的单极性二值逻辑开关函数sk描述的三相电压型PWM整流器一般数学模型的状态变量表达式为： (2-10)式中: (2-11) (2-12) (2-13) (2-14)通过式子（2-3）至（2-9）可以得出三相静止堆成坐标系（a，b，c）中，三相开关函数的模型结构如下图2-2-1所示：图 2-2-1 三相静止坐标系（a，b，c）中三相VSR开关函数模型结构第三章 三相PWM整流器的数学模型迄今为止，PWM 整流器的研究设计已经有很多种的电路拓扑。其中三相半桥电压型PWM整流器相比其他PWM整流器的运用最为广泛。所以在本章的下文当中主要是对三相半桥性PWM整流器进行研究，其中论述的PWM整流器均是三相半桥电压型 PWM整流器。为了分析并设计出三相电压型PWM整流器系统，我们必须先设计出三相电压型PWM整流器的数学模型。首先，我们根据三相电压型PWM整流器的拓扑结构，利用所学过的电路基本定律在三相静止坐标系中来建立三相电压型PWM整流器的一般数学模型。我们可以假设：（1）假设电网电动势为三相平衡的，纯正弦波电动势；（2）假设网侧滤波电感L是线性的，其内阻为R1且不考虑饱和；（3）假设三相VSR功率开关管导通电阻为RS，实际的开关等效为理想开关并且与RS串联。假设三相电网电动势为ea eb ec，三相网侧电流分别为ia ib ic，直流侧负载为电RL，直流电动势为eL。根据以上假设，我们便可以得到三相电压型PWM整流器拓扑结构图。3.1三相abc静止坐标系数学模型由图2-1-3可知，利用基尔霍夫电压定律是可以建立VSR的，其中A相回路方程为：（3-1）同理就可以得到另外两相电压的回路方程。对三相 VSR 运用基尔霍夫电流定律KCL，可以得到三相 VSR 在三相 abc 静止坐标系中的数学模型，如3-2 式： （3-2）3.2 两相静止坐标系数学模型为了对三相VSR在三相 abc 静止坐标系下的数学模型进行简化，减少上一小节得到的式子(3-2)中的变量。可以将三相 VSR 在三相 abc 静止坐标系下的数学模型转化为两相 静止坐标系下数学模型。以电网电压矢量E为例，令轴与a轴重合，轴超前轴90o，变换关系如图 3-2-1 所示，便可以知道其变换关系： （3-3）式中E，E为三相电压矢量在和轴上的投影。 图 3-2-1 坐标系与abc坐标系的变换 令 同理可得： （3-4） （3-5）将式(3-3)、(3-4)、(3-5)代入式(3-2)中，即可得到三相VSR在两相 静止坐标系下的数学模型： （3-6）3.3两相dq旋转坐标系数学模型在上一节中对三相对称静止坐标系（a，b，c）中的三相VSR数学模型进行了分析。上式(3-6)中的三相电压型PWM整流器的网侧变量均为时变量，为此可以通过坐标变化将两相静止坐标系下的三相电压型PWM整流器模型转化为与三相交流电网同步旋转的两相dq旋转坐标系下的数学模型，从而简化了三相电压型PWM整流器数学模型。令q轴的初始相位与 轴轴线重合，q 轴超前d轴90o，并且dq 坐标系是以电网基波角速度为逆时针同步旋转，根据两者之间的关系如图 3-3-1，可以得到变换矩阵： （3-7）式中为q轴与轴夹角。变换方程为： （3-8）将式(3-8)代入式(3-6)中，可以得到三相VSR在同步旋转dq坐标下的数学模型：图 3-3-1 坐标系与 dq 坐标系的变换 （3-9）由上式可得VSR在dq坐标系下系统模型如图3-3-2所示。图3-3-2 两相旋转坐标系中VSR模型结构第四章 三相PWM 整流器控制系统设计在上一章节中本文讨论了三相 VSR 在三相平衡对称系统中对总 dq 模型的建立。若是在只考虑交流基波分量的条件下，则在dq坐标系下的电网矢量d、q分量均为直流量。为了有利于三相 VSR的有功分量与无功分量的单独控制，可以将电压矢量Edq与q 轴相互重合，那此时的q轴表示的是三相 VSR 有功分量参考轴，d轴分别表示的是三相 VSR 无功分量参考轴。在三相VSR整流系统当中，其控制方式一般都是采用电压外环与电流内环的双环控制结构。其中三相VSR整流侧母线电压是有电压外环控制，电流内环则是按照电压外环输出的电流指令进行控制的。4.1基于电流内环的控制器设计三相VSR整流器如上图2-1-3所示，在dq坐标系中三相VSR 模型可以表示为： (4-1)令dq坐标系中的q轴与电网电动势edq矢量进行重合，则其d轴分量 Ed=0 。从三相VSR在两相同步旋转dq旋转坐标系下的数学模型式(4-1)可知，三相VSR控制器设计变得困难，因为两轴分量相互耦合。如若电流调节器采用PI调节时，可以采用前馈解耦的控制策略，就可以实现耦合变量分离至此实现解耦。此时Vd 、Vq的控制方程如下： （4-2）上式中Kip与 Kil为电流内环PI调节器的比例与积分系数；id* 、iq*为id 、iq电流指令值。典型电流内环简化结构如图 4-1所示。图4-1电流内环控制结构在忽略电流环扰动Eq情况，由图4-1可得电流内环系统的开环传递函数为: （4-3）当PI控制器零点与电流控制对象传递函数的极点抵消，即 ，电流内环的闭环传递函数变成典型二阶系统：、 （4-10）式子中，。根据二阶最佳整定法【13】，取，可以计算出电流内环PI调节器中的参数、。为了电流环获得较快的电流跟随性，按典I型控制系统设计PI参数。用PI调节器的零点抵消传递函数中的极点，即： （4-4）将式(4-4)代入式(4-3)中即可得到开环传递函数为： （4-5）取系统阻尼比即可得出电流内环 PI 调节器设计参数为： （4-6）由此可以得到电流环简化闭环的传递函数： （4-7）从上式(4-7)可以看出，电流内环按照典型I型系统设计。若是将电流内环近似的看做一个惯性环节，如果开关频率足够高那么电流内环就会有较快的动态响应。在实际设计当中，要实现高功率因数运行可以设定无功电流指令iq* =0，这样就可以让无功电流控制环和有功电流控制环选择相同的PI调节器参数。4.2基于电压外环的控制器设计电压外环的设计主要是对直流输出电压进行稳定控制，控制有功功率的输出。首先我们需要分析出电压外环的控制结构，假设三相电网电动势三相平衡对称，开关频率远高于电动势基波频率。在忽略PWM谐波分量的情况下可以得出开关函数的低频分量： （4-8）三相VSR电压外环控制框图如图4-2所示，设设电压外环采样时间常数为，图中，和分别为电压外环PI控制器的比例与积分系数，。 图4-2电压外环控制结构图图4-1中G ( s )为电流内环传递函数，K为时变环节，为了方便系统的设计，在该环节去最大比例增益最大值为 0.75，由于最大增益对整个电压环稳定性影响较大，所以去最大值是一种极限的处理方法。考虑到电压环的抗扰性能，因此选择典型型系统设计电压调节器。系统的开环传递函数为： （4-9）式中，则电压外环中频宽为。由典型二阶系统参数整定关系10得： （4-10）由此，得电压环中频带宽hv为： （4-10）按典型型系统整定关系得： （4-11）一般工程上综合考虑系统的动态跟随性，抗干扰性，取代入得： （4-12） （4-13）在综合考虑系统跟随性和抗扰性的同时，按照典型系统来设计电压环时，若选择频宽=5，代入式(4-11)中，则可以得到电压外环 PI 控制器参数。 （4-14）由上面各式，已经实现解耦，由此可得到出三相VSR的控制系统框图，如图4-3。图4-3三相PWM 整流器控制框图通过4-3所示：我们知道由于给定参考电压Udc*与整流侧检测输出电压相互比较后，它们之间的差经过电压外环PI控制器，得到的输出信号作为网测电流的dq轴上的电流iq*。为了达到整流器的单位功率因数的运行，我们首先设定id*为0，然后dq轴的电流相互比较后，得到的输出信号进入电流内环控制器，最后生成的指令生成PWM整流模块上IGBT的门级驱动信号，共分为六路，如此一来实现了三相PWM整流器的单位功率运行。第五章PWM整流系统的仿真研究5.1Matlab简介MATLAB是由两个词组合而成的，分别是matrix和laboratory，意为矩阵工厂或者矩阵实验室。MATLAB是一个可以多维数值计算的第四代编程语言，可用于基数计算的高级语言。MATLAB可以进行矩阵操作计算、数值分析、绘图功能和数据处理等集成在一个易于使用的视窗环境当中，并且新版本中加入了对C、C+、Java、Fortran和Python等其他语言编写的程序接口，可以将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言（如C、C+、Fortran、Java、COM以及Microsoft Excel）集成的各种函数。2004年，MATLAB在工业和学术界拥有大约一百万用户，MATLAB用户来自于各种背景的工程学家、科学家、经济学学家等。MATLAB是一种广泛应用于学术方面、研究机构以及工业企业的全能软件。5.2三相 VSR 系统仿真仿真是在以数学模型已建立为基础的条件下，通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统。本节应用Matlab2012b软件中的Simulink工具箱进行三相VSR的建模与仿真。仿真的主要参数设置为：三相对称电压源E为660V，负载电阻40，仿真算法为Ode23tb。网侧滤波电感L为2mH，整流侧电容C为200F。设定仿真中，1s之后负载突然增大一倍。仿真主电路如图5-1为主电路模型：图5-1PWM整流器模型图5-2为双闭环控制电路模型，主要是由直流测电压外环与前馈电流内环组成：图5-2PWM整流器控制电路 从仿真我们可以得知：直流母线电压经过与给定直流电压相比较，经过电压外环PI调节器的作用之后生成d轴分量上的电流。同样地，PWM网侧三相输入电流经过三相静止到两相静止的变换器之后，与锁相环检测得到的信号偏转角经过dq变换，得到dq两轴上的电流分量。令q轴参考电流为0，电压外环PI调节之后的d轴生成d轴给定电流，然后dq轴检测电流分别与参考电流相比较，分别经过dq两轴上的电流PI调节器，得到了dq轴上的参考电压。dq参考电压与前面锁相环检测的偏转角经过dq逆变换、三相两相逆变换，与空间矢量生成六路PWM波形控制整流电路。下图为输出直流测电压，给定直流测电压为1100V，可以看出电压波形稳定，1s之后负载突变，很明显电压波形经过扰动之后，马上回复稳定了，达到前面的给定电压值1100V。图5-4为直流测电流，可以看出，电流值经过负载突变之后，也能迅速回复之前的稳定状态。图5-5为锁相环跟标幺值，作为dq变换的参考正弦与余弦角度的偏转角。图5-6为网测输入电流与输入电压，很显然网测三相电压与相电压能够达到功率因数为1的运行状态。以看出整流器功率因数保证为1，网侧相电压与相电流同相位，实现了单位功率因数控制。整流电压、电流由于PI 控制器的调节，一直保持稳定。图5-3直流测电压 图5-4直流测电流图5-5锁相环与标么值 图5-6网测输入电压与输入电流第6章 总结与展望为了进一步改善整流器的性能，本文针对三相电压PWM整流器进行了分析与研究，并基于同步旋转坐标系建立了三相控制系统dq模型。主要做了如下工作： 1 分析并建立了三相电压型 PWM 整流器的电路拓扑结构及双闭环控制系统。2 详细介绍了电压外环和电流内环的双闭环控制方法，对PI参数调节进行了推导与研究。3 利用matlab仿真平台中的simulink模块搭建了三相双闭环整流系统，并且能够实现整流，整流时能实现电网电流与电网相电压同相位相、同频率，同时网测输入电压与输入电流波形畸变较小。虽然这篇论文中做了以上的工作，但是由于学识有限，未能够利用更加先进、优化的调制策略来研究PWM整流器，所以接下来的工作就是继续深入研究PWM整流器控制策略，达到更为优质的输出量。对三相电压型PWM整流器的功率因数进行更进一步的提高。PWM整流器具有比较好的发展前景，但在本文中只是在Matlab/Simulink软件中进行了仿真，在实际中任然还存在许多没有解决的问题，这些都是以后研究中需要解决的问题。参考文献1 李永东，高跃，候轩大容量多电平变换器 PWM 控制技术现状及发展J电力电子技术，2005，39(5)：2-6 2 陈国呈PWM 逆变技术及应用M北京：中国电力出版社,2007：222-248 3 刘凤君现代逆变技术及应用M北京：电子工业出版社，2006：132-142 4 林渭勋等编著.现代电力电子技术.北京:机械