三相电压型PWM整流器控制

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、MATLABABSTRACTHarmonicpollutionisbecomingseriousinthepowersystemnowadays,becauseoftheincreasingapplicationsofpowerelectronicequipmentsandtheconventionalrectifierhasalreadybecomeoneofthemainharmonicsources.Thethree-phasePWMvoltagesourcerectifier*(VSR)canprovideconstantvoltage,unitypowerfactorandlowhaemonicdistortion.Itisgettingamuchbetterapplicationasthenewgenerationofrectifier.Therefore,PWMconvertertechnologyhasbecomethehotspotofpowerelectronictechnology.ThisarticlefirsttototheworkingprincipleofPWMrectifier,aswellasthecontrolmodeareanalyzedindetail.Putforwardthespacevoltagevectormethodanalysisofthree-phasevoltagesourcePWMrectifier.Thispaperstudiesthethree-phasevoltagesourcePWMrectifiermaincircuittopologystructure,andestablishedtherectifierinabccoordinatesystemandmathenaticalmodelofalphabetacoordinatesystemanddqcoordinatesystem.Inthispapaer,onthebasisoftheoreticalanalysisusingMATLABtoprocidepowerelectronictoolbox,buildsimulationmodelinSimulinkenvironment,respectivelydifferentconditionsofconstantloadandmutationsimulationresultsandconclusions.Keywords：PWMRectifier；SpaceVectorControl；VSR；Matlab目录1前言.11.1PWM整流器的产生.11.2PWM整流器的发展及现状.21.2.1PWM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.52PWM可控整流器基本原理及数学模型.62.1PWM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.92.3.1abc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.143.1PWM整流器空间矢量控制.143.1.1SVPWM控制的基本原理.143.1.2SVPWM调制算法.143.1.3SVPWM调制算法及实现方法.163.2SVPWM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1.1PWM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AkagiHirofumi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。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。1.2PWM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。1.2.1PWM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）控制以及开关逻辑表控制。下面介绍几种常用的控制策略，当中SVPWM控制将在第三章中做详细阐述说明。（1）间接电流控制顾名思义，控制电流的方式是间接的，网侧电流是通过控制整流器输入侧电压的基波大小和相位来间接控制，这就是间接电流控制也是所谓的幅相控制。最主要的优点是不需要电流互感器，并且电路简单，静特性很好。目前，主要的缺点是网侧电流动态响应慢，对系统的参数过于灵敏，本身又无限流功能，且需要过流保护。（2）直接电流控制直接电流控制中最常用的是矢量控制算法，这路算法中主要有四种变换：三相静止ABC坐标系至两相静止坐标系的变换，称为Clark变换;两相静止坐标系至两相旋转坐标系的变换，称为Park变换；以及这两种变换的反变换Clark逆，Park逆。通过坐标变换，三相静止坐标、两相静止坐标和两相旋转坐标系之间可以互换，就可以把对交流量的控制化为对直流量的控制，简化了控制系统，使系统有较好的动静态性能。以矢量控制为基础的控制算法主要有：电压定向控制和虚拟磁链定向控制4。（3）SPWM控制将正弦波当作逆变器理想输出波形，用比理想波形频率高的很多的等腰三角波作为理想波的载波（Carrier），并且应用频率和期望波形相等的正弦波来作为调制波，用载波和调制波相产生交时的交点来确定逆变设备开关的通断时间，因此可以获得需要的矩形波，此矩形波是在正弦调制波里半个周期里得到的，所以是中间宽两头窄的等幅而不等宽的矩形波。因为波形的最终面积可以等效，所以每个矩形波的面积等于与之相应的正弦波的面积，所以这个系列的矩形波和期望波形是等效的12这种调制方法就被称作SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）。把SPWM调制方法应用到PWM整流器当中，对直流电压利用率低这一问题，也有一定相应的方法，例如三次谐波注入法，这一方法可以有效的改善直流电压利用率的问题。还有，只在模拟电路中可以实现调制波和传统高频三角波相比较生成PWM波，数字化电路难以实现。（5）空间电压矢量（SVPWM）控制三相电压型PWM整流器具有输入电流正弦性好、可获得单位功率因数、能量可实现双向流动等特性,消除了传统意义上的整流电路中存在谐波含量大、功率因数低和能量不能回馈等问题。随着电力系统理论的发展和对电力系统中所存在问题的深入研究,如无功功率补偿、谐波抑制、对负载对电网冲击的抑制等,目前其己被广泛用于改造电网污染和提高电能利用率。另外,三相电压型PWM整流器也广泛用于新能源的利用,如用作并网装置时可把本地装置消耗不了的电能回馈到电网,可以以单位功率因数运行,消除谐波,最终可以提高对风能、太阳能的利用率。总之,这种整流器性能优越,可以替代传统的整流电路实现装置的“绿色”运行,有着更为广泛的应用前景和重要的研究价值4。（6）电流滞环跟踪PWM（CHBPWM）控制技术应用于PWM控制技术里的变压变频器一般都是电压源型的，它可以按需要方便的控制它的输出电压。但是对于交流电动机，实际需要保证的应该是正弦波形的电流，因为只有在交流电动机绕组中通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制获得更好的性能5。（7）开关逻辑表控制这种控制方式主要是通过优化开关逻辑表达到控制目的，是基于直接功率控制和电流控制提出的。其过程主要依赖于瞬时有功、无功功率控制环，不需要电流内环和PWM调制模块，通过预估有功功率和无功功率值与给定值之间的瞬时误差来选择开关逻辑，与电流滞环控制有点相似，不同之处在于电流滞环输出直接与误差有关，而开关逻辑输出不仅与功率滞环带和误差有关，而且与电压矢量所处扇区有关。相对于基于电压定向的控制而言，其不需要坐标变换，不需要计算开关作用时间，实时性要求不高，缺点是开关频率不固定，需要高速微处理器和大容量存储器。1.2.2三相电压型PWM整流器控制技术展望PWM整流器的核心是控制技术，现如今来有关PWM整流器控制的一些研究也紧紧围绕以下几点：（1）尽量减小交流侧输入的电流畸变，从而减小谐波对电网带来的负面影响。（2）尽量增大功率因数，减小整流器的非线性，可使整流器对电网来说相当于纯阻性负载。（3）提升系统动态响应的能力，减少系统动态响应的时间。（4）减小开关来回通断带来的损耗，并提高设备的利用效率。（5）减小直流输出侧谐波震荡的系数，降低设备的总重量。（6）提高电流和电压的利用效率。随着控制理论的不断发展，出现了一些有价值的控制策略：（1）因为电压型PWM整流器模型的变量多且非线性，常规控制策略和其控制器设计的不足的地方在于没办法保证控制在系统大范围波动的稳定性。对此，专家们提出了以LyPaunov稳定性理论控制的相关方法。（2）对于在电网不稳定时PWM整流器发生的情况：随着直流电压和交流电流中的低次谐波振幅变大，产生大量不规律的谐波；而网侧电流不平衡，在严重的时候会烧坏整流器件。专家们继而提出在电网不平衡环境下的PWM整流器的相关控制方案。（3）常规基于dq轴模型的电压型PWM整流器控制存在有功与无功分量的动态耦合和PWM电压利用率低，影响了有功分量的动态响应。针对这一问题，提出了PWM整流器的时间最优控制来优化系统的动态性能。（4）由于PWM整流器控制系统都是在电网平衡、功率开关器件为理想模型基础上给定的，所以系统鲁棒抗变换性性较差，对于输入侧谐波抑制能力有所欠缺,针对这些问题，使用智能控制，如神经网络控制器、模糊逻辑控制器等来处理。随着PWM整流器的拓扑结构、PWM控制技术和控制理论的日益完善和日渐广泛的应用研究，PWM整流器的控制技术也会不断地发展和完善4。1.3本章小结本章首先介绍了PWM的产生，发展的过程。并阐述了整流器在现代生产生活中的作用及传统整流器的缺点，及造成电网污染的原因，对PWM整流器的控制策略进行了简略的概述，针对现在整流器的不足之处提出了新的控制策略。2PWM可控整流器基本原理及数学模型2.1PWM整流器原理概述全控型电力电子开关器件被发明以后，科研人员在20世纪80年代研发了应用PWM技术的逆变器，这大大改进了交流电机变压变频调速系统的性能，也因为它的较好的性能，目前国际上生产的变压变频器基本上都应用了这种技术，尚且只有在全控器件不能应用的超大容量时才属例外6。AC/DC变换装置中整流器是投入使用比较早的装置，它最早由不可控制换相及关断的二极管整流发展而来，逐渐演变成晶闸管半控型整流器。不可控整流器功率因数低，且在换相的时候会引起网侧电压波形产生谐波，这会对电网产生污染；不过，PWM整流器用的是全控型整流器件，电流在电路中可以实现双向流动，所以PWM整流器可以用作整流器也可用作逆变器。在PWM整流器向网侧吸收能量时，为整流，反之是逆变。由此可见，PWM整流器是可以四象限运行的可控变流设备。eRRLv0+-i0iveLL图2.1PWM整流器等效模型随着PWM整流技术的逐渐成熟，如今出现各式各样的PWM整流器。可以依据储能的形式的不同来分类，分为电流型整流器和电压型整流器；根据PWM整流器的工作的电路的相数，又可以分为单相整流器或者多相整流器；按照PWM开关调制分类可又分为硬开关调制与软开关调制；按照桥路的结构形式分，可以分为半桥电路与全桥电路；按照调制电平分类还可分为双电平电路和多电平电路。事实上，尽管依据不同的分类方式将PWM整流器分成各种各样的形式。但在实际的主电路结构控制技术里，电压型整流器和电流型整流器各有不同的特点；因此，实际中常常将PWM整流器分为两大类：电压型PWM整流器和电流型PWM整流器。2.1.1电压型PWM整流器拓扑结构PWM整流器具有网侧功率因数高，网侧电流接近纯正弦波，能量可以实现双向流动等优点。PWM整流器按照电网的相数可分为单相PWM整流器和三相PWM整流器；按其直流侧储能环节不同分为电压型PWM整流器与电流型PWM整流器。因三相电压型PWM整流器具有结构简单、易于实现、控制原理直观等一系列优点，近年来已经在电力驱动和新能源发电等领域得到很广泛的应用。本文所研究的PWM整流器就是采用如图2.2所示三相VSR三线六开关主电路拓扑结构。为论述方便，以下把这种整流器简称三相VSR(VoltageSourceRectifier)。三相电压型PWM整流器最显著的拓扑结构特征是直流侧用电容进行直流储能，使其直流侧呈低阻抗的电压源特性，同时在交流侧有一个电感，使其具有BoostAC/DC变换性能，及交流侧受控电流源特性。OeaebecLsLsLs123456VVVVVVIIdLCRVDVDVDVDVDVD123456图2.2三相VSR的拓扑图2.2三相电压型PWM整流器工作原理2.2.1三相电压型PWM整流器的换流分析对于三相电压型PWM整流器，如图2.2。可以任意控制其输入电流的变化。以a相为例，三相电压源型PWM整流器在整流运行时，如果要控制a相电流向正方向流动并使其幅值增大时，必须使V4导通；若要使a相电流向正方向流动并使幅值减小时，则必须关断V4，从而使电流通过续流二极管VD1，若要控制a相电流向反方向流动并使幅值增大时，必须使V1导通，而要使a相电流向反方向流动且使幅值减小时，必须要关断V1，使电流流过过续流二极管VD4。总而言之，对于三相电压源型PWM整流器上、下两桥臂的通断，由ik和ik(k=a,b,c)来共同决定。以a相为例，表2-1给出了上、下桥臂的通断情况。表2-1三相电压源型PWM整流器a相器件的通断情况aiiia0V4导通，V1；VD1；VD4；关断(下桥臂导通，上桥臂关断)VD1导通，V1；V4；VD4；关断(上桥臂导通，下桥臂关断)ia0且*V*Vvv。同理得在其它扇区的等价条件。定义如下式子：3*A=，B-，C-（3-v3v3v6）令：（3-7）signsiAsignX42式中：。)0(1xi根据上述分析可得扇区n与X的一一对应关系，见表3-1。表3-1扇区表315462n（2）开关管通断时间的计算作用时间的计算。由图3-1可知，(3-8)02*0216sincosTvuUsrS(3-9)i*srsr式中，是与轴的夹角，。ut当电压矢量相对应的开关管开通时，由图3-1有：(3-10)62,132iUdci由式（3-8）式（3-10）可得在扇区I内U1作用的时间T1和T2作用的时间T2为：(3-11)*2131rdcsrrcsuT0空间矢量和作用时间T0为：Vo7（3-12）21s同理,电压矢量在其它区间内，各扇区空间矢量作用的时间见下表。iViT表3-2扇区空间矢量作用时间扇区作用时间i扇区作用时间i若某扇区的、之和大于，即出现过于饱和现象。因此，需对和1T2sTiT进行归化处理：1iT，（3-13）21s21s（3）空间矢量对比切换点的时间计算210*2*13TuTsrdcsrdcs320*3*2TuTsrdcsrdcs430*432Tusrdcsrdcs650*6*532uTsrdcsrdcs160*1632TuTsrdcsrdcs340*5*42uTsrdcsrdcs由第扇区为例，围成第扇区两个相邻的向量分别为，10V2这个地方采用0矢量的对称插入法，那么桥臂导通的这一情况即可用图3.2表示。开其它扇区的开关状态顺序见表3-3。其余扇区的切换时刻列表见表3-4。而在实现时可以根据基本电压矢量之间的切换时间确定不同的基本电压矢量作用时间，从而得所需要电压矢量的调制。asbcsTT0V127V210V000100110111110100000sT404T图3.2在扇区内双边SVPWM开关信号从图3.2中还可以看出由到的切换时间为，到的切换时间为0V10a1V2，到的切换时间为。2410Tb741Tc表3-3在六个扇区内开关状态序列扇区开关管的开关状态序列000100110111110100000000110010111010110000000010011111011010000000011001111001011000000001101111101001000000101100111100101000从上表可以清晰的看到开关在I时间开通的时间状态，开关的开通顺序为000100110111110100000表3-4在六个扇区内电压矢量之间的切换时间扇区aTbTcT04110242104102T0T210T1040411042104T1024T041T02101023.2SVPWM整流器的控制上一节具体分析了SVPWM的原理、调制算法和具体的实现方法，这一节阐述一下SVPWM控制原理。若在交流侧通入相位互差为的交流电压a，b，c。和相位相互差120的交流电后，合成的空间磁场便和两个相位互差的固定矢量通入12090,两相交流电后产生的磁场等效，同时和两个旋转绕组d，q通入直流电流在空间上形成的磁场等效。将这个原理应用于SVPWM整流，将三相旋转坐标系的电压和电流解耦至两相旋转坐标系下。A，b，c/d，q变换矩阵为:(3-14)2/31/032整流变换器为典型的线性系统，被控对象的功率因数、输出电压要求为额定值，但其输出直流电压和功率因数并不稳定，所以需要对目标系统三相电压型整流器进行实时调整。根据对象设计控制系统，需要进行大量的分析和计算，且考虑的问题也是多方面的。在上述的系统中，可采用PI调节器，其原理如图3.3所示。积分T对象比例K+UE(t)U(t)-K为比例系数；T为积分系数；e(t)为PI调节器的输入值；U（t）为PI调节器的输入和被控对象的输入图3.3PI调节原理框图PI调节器的主要功能是快速调整瞬态误差，偏差一产生，调节器立即响应，被控量随即减小。PI控制的控制规律经过离散化处理后为：（3-15）00UeTMKkjkk式中，k为采样序号，为第k次的采样输出值；为第k次采样时的输Uke入偏差；为开始PI调节时的初始值。用式(3-15）计算很繁杂，需要更进0Uu一步简化：（3-16）kkkeTKMe11式中:为第k-1次采样的输出值;为第k-1次采样的输入偏差值。1根据上一过程，可以采用有限次的乘法和加法进行快速计算。调节器的ku输出量必须接受物理量极限的限制，所以还要检验它是否已经超出了范围。这一原理的实用性体现在控制量能够跟踪额定量。比例系数用来决定控制作用的强或弱。比例系数越小，控制越弱；比例系数越大，控制越强。可是当比例系数超过限定值时，系统也会产生振荡，从而破坏它的整体稳定性。积分调节的作用是消除静态误差。但是随积分系数的不断增大，也会降低系统的反应速度，徒然增加超调。为了剔除这一缺点，经常在调试时，首先要设定默认的所需K,T值，而后在调试中限定临界值大小并且不断修正K,T值，观察实验过程，从而使目标系统达到我们要求的特性，获得所需K,T值。经上述分析，联系已经建立的数学模型，则可引入的额定参考值分别是：直流母线的电压额定值、交流输入侧电流dq轴分量值，其中为有效电*dcU*di*di流分量的参考值，无功电流分量，一般为0。与的差值用来调节diqicUPI。由PI调节器的原理可知，直流母线的电压是完全由所产生的，而经过离i散的有限次数乘法加法运算之后，便可获得。所以引入补偿与PI调节之后，*di电压矢量可以完全被解耦控制。若要获得单位功率因数，那么要求输入的电流必须和输入电压具有相同的相位。在d，q坐标系里，将输入的电压矢量定于d轴，那么电流矢量也有且只有d轴的分量，q轴的无功分量为0才能够满足单位功率因数要求。因而设为电压控制器的输出和有功电流成正比，从而得到*i三相旋转同步坐标系下被三相电流所控制的电压指令：（3-qdsqsdLiiSTKu)(*17）因为整流器的三相电压是定向的，若用正弦函数表示。则需要检测电压是否过0点。假定为理想三相对称电压就是输入电压：（3-)32sin(sitUutmscsbma18）输入的交流电压矢量是一个在复平面里以同步速旋转的电压矢量，所以三相电压定向。d，q旋转坐标系与静止坐标系的关系为：,，（3-tUtucossintUtuqsinco19）经过变换，将两相旋转坐标系下的电压值换算到两相静止坐标系,/qd下的坐标值。如三相整流桥的原理图所示，三相整流桥拥有3个桥臂，一*u个时刻，一个桥臂有且只有一个开关打开，即开关状态函数要么为0要么为1。那么3个桥臂在空间里便可以合成如图3.1所示的8个向量。如果将三相电压等效为空间上的旋转磁场，则会有6个分别由两个矢量所合成的扇区，而每个扇区中的不同矢量则可由两个基本的相邻有效非零矢量与零矢量来合成。每次开关状态的转换，都有且只有一相的开关状态发生变化，从而可以判断合成的矢量所在扇区，即判断有效矢量三桥臂开通关断状态。*,u两个相邻有效矢量的作用时间为：，（3-)3sin(21TUdcsin2TUdc20）式中：U为矢量幅值：为直流电压。dc由式(3-20)计算得到，并控制开关管通断，获得需要的矢量。21,根据上一过程，可获得如图3.4所示的双闭环控制系统。SVPWM模块的主要功能是判断矢量落在哪个扇区，计算空间电压矢量，计算扇区有效矢量和其作用的时间、最终生成所需的PWM信号。Udc*UdcLLIq*=0iqid+-Id*+-+-Uq+-+urdurqU1*U1*，d，qa,b,c,PWM直流母线Udc整流器电压角度计算,d,qa,b,c,a,b,c,d,q,UdusduuusausbiaibiiLe图3.4系统控制框图3.3本章小结本章重点阐述SVPWM的控制，在前两节分别介绍了SVPWM控制原理及其算法，接着介绍了空间电压矢量控制方法的基本思路和基本方法，随后介绍了PI控制原理，为后续仿真章节的展开提供理论基础。4主电路参数设计主电路参数设计主任务是：计算选取交流输入侧电感，输出侧直流电压，输出侧直流电容参数。4.1交流侧电感设计在PWM整流器中，交流侧电感的取值第一会影响交流环动态和静态的响应，第二会制约PWM整流器的输出功率和功率因数及直流电压9。交流侧电感作用归纳如下：（1）将电网的电动势和PWM整流器交流侧输入的电压隔离；（2）滤除因功率器件开关产生的整流器交流侧谐波电流；（3）使整流器能回馈能量给电网，和获取良好的波形；（4）缓冲电源谐波带来的无功功率；（5）抑制输入侧电流的高次谐波，使整流电流可以连续；综合考虑以上几点，可以确定交流侧电感的选择原则，应该满足如下要求：（一）尽可能小的电感压降，通常规定小于电源的额定电压的30；（二）在0开关导通至关断的一个周期时间内，尽量保证减小交流输入侧电流的最大超调量，一般规定要小于交流输入侧额定电流的10；（三）交流侧电流谐波失真0也要尽可能小，一般规定一个上限。因为三相PWM整流器在交流侧的等效电阻很小，可以忽略掉，因此根sR据基尔霍夫电压定理可得三相PWM整流器方程：（4-1）)(dcmsmvkeLIdti试中baskcbam,3/)(进一步写成增量式：（4-2）)(dcmsmvkeLTi电流在跟踪参考值的过程中，每一个控制周期电流振动的幅度应该满足电流振动的最高峰值的要求，而后考虑在电网电压附近这一种最坏的情况，axi推导出电感的下限权值，以a相为例，（4-3)max)3/2(iLvETisdcSs（4-4）max)/(idcssS其中整流器交流侧电流的基波峰值为mI02当电流流过零时，电流变化达到最大。为了满足系统电流能够快速跟踪的要求，那么电流跟踪速度应该大于电流变化率的最大值。推出电感的上限取值（4-sdcSsSLvTi3/2)n(max5）（4-)sin(/mdcIL6）经过计算，并综合考虑实际工程中的情况，本文电感值取2mH。4.2直流侧电容的选择对于PWM整流器整个系统的稳定工作来说，直流侧电容的选取有着重要意义，选取合适的直流侧电容，可使直流侧得到稳定的直流电压。对于PWM整流器来说，直流侧输出电容主要有以下作用10：（1）对直流侧和交流侧的能量交换进行缓冲，使直流输出侧的电压恒定。（2）用来滤除器件高频开关所带来的直流电压谐波。（3）在负载变化时，在整流器的惯性延时期间内将直流电压的波动维持在限定范围内。在选取电容的时候必须兼顾二原则：（1）电容应该尽量的取小，用以保证直流侧输出电压能够快速的响应跟踪给定控制，从而满足电压环调制的跟随性能指标。（2）电容应该尽量的取大，用以限定负载突变时的直流输出电压的陡然降落，从而满足电压环控制的抗扰性能指标。所以在选择电容时要综合考虑两项相悖的指标来综合衡量电容大小。获取稳定的直流输出电压是三相VSR的控制方式的最终目的，因而我们必须从三相VSR输出直流电压自身跟随性指标来设计主电路中的电容的具体参数。顾及到三相VSR从直流稳态时的最低值直接跳到直流电压的额定值这一跳跃过程。三相VSR交流侧电网且功率管不进行调制的时候，因为功率开关里的续流二极管的原因，这个时候三相VSR就等价于一个二极管，这就是指是三相VSR直流电压最低值。其整流电压平均值为：0dV=1.35(4-7)0d1式中为三相VSR网侧线电压有效值1V整流器在额定的直流负载情况下，输出在额定功率时所输出的直流能，即，三相电压型PWM整流器的额定输出电压（4-8）LedeRPV式中直流侧额定输出功率；额定直流负载电阻Le三相VSR额定直流电压d三相VSR的直流输出电压的指令跳跃为额定的直流输出电压量时，电压调节器的输出一直饱和，这要使用PI来调节电压。因为用电压调节器的输出来表示整流器交流输入侧的电流波形幅值指令，如果忽略不计内环的惯性，那么整流器的直流输出侧将会用最大的电流在这一时刻对输出侧电容和负载充电，dmI而从使得整流器输出的电压攀升速度达到最高。这一动态过程等效电路如图所示：IdmCVdcRleVdcIdmRleIdma)恒流源b)恒压源图4.1VSR直流电压跃变时动态等效电路若考虑直流电压初始值为，则易得0dV（4-9）)1(0tLedmdcRIVvCRLe1令并将其代入式，化简得e（4-10）deLdmInt01Le1跟随性能的指标反映系统的动态响应的好坏，如果要求整流器的输出电压以初值跃变至额定电压的攀升时间小于，则0dVdcVrt（4-11）rdeLdmLetRICn0由于，显然0e（4-12）deLdmLerVRInt0一般情况下，工程上常取（4-13）132.VRIxdeLedm式中三相VSR网侧相电压有效值X将（4-7）、（4-13）式代入（4-12）化简得（4-14）LerRtC74.0本文电容值取0.002F4.3本章小结本章讨论了主电路参数的设计选择原则，并对交流侧电感和直流侧电容的参数进行分析计算。为下章仿真分析作好铺垫工作。5.三相电压型PWM整流器仿真5.1仿真软件介绍MATLAB是由美国mathworks公司发布的，由matrix&laboratory两个词组合而成，中文意思为矩阵实验室。同时也是国内外高校和科研部门进行诸多科研的重要工具。MATLAB强大的功能体现在一下几个方面11（1）强大的运算功能。程序设计语言在MATLAB中是用的基本的复数矩阵，之所以被称为世界一流的软件之一是因为其各种运算功能足够强大。在MATLAB环境里，函数调用简单快捷，并且有近500多种数学、科学及工程方面的函数可供使用。（2）功能丰富的工具箱。因为MATLAB的功能开放，所以很多不同研究方向的专家为MATLAB别写了各种程序工具箱。我们可以方便的调用这些现成的函数而不必自己再耗时间去编写，因为这些工具箱提供了用我们在特别应用方向所需用到的函数。（3）强大的处理文字功能。在进行视觉数据分析和处理时我们可以应用MATLAB的图形功能，用MATLAB制作出高质量图形，从而让写出的文章既有文字介绍又有配图分析。MATLAB的Simulink主要作用是实现模拟系统的动态仿真，用户可以调用模块或自建模块来搭建自己的仿真模型并分析。并能动态的控制该系统。目前的SIMULINK不仅可以进行线性系统的动态仿真，也可以进行非线性系统的动态仿真，既可以实现连续时间系统仿真，也可实现离散时间系统甚至混合连续-离散时间系统的模拟仿真，它还支持多样采集率的系统模拟仿真；此外，SIMULINK能够用MATLAB本身的语言、C语言或其他语言，根据S函数的标准格式写成用户自定义的功能模块。5.2系统的仿真参数三相输入为相位上互差120度的三相对称正弦电压,其相电压幅值为Va=Vb=Vc=156V,输入侧等效电阻为R=0.1，交流侧电感L=2mH直流侧电容C=0.002F负载：恒载时R=20，负载突增时为并联40，负载突减时为先分别并联20、40电阻各一个，突减时甩开40电阻电压调节器参数：Ki=0.4；Kp=20电流调节器参数：Ki=8；;Kp=205.3系统的仿真5.3.1仿真图的分析根据以上各章通过理论分析，分别阐述了三相VSR的控制策略和控制器设计，为了验证理论分析的可行性，通过系统仿真和系统试验的方法进行了验证。根据第三章对双闭环空间矢量控制策略的分析，利用MATLAB/simulink搭建系统的仿真模型。1.主电路模型i+-i+-R_load2R_load1eAeBeCABCPower_SourcegABC+-PWM_rectifierLoadCnt3g12DC2DC1C1Addea图5.1主电路模型图2.控制电路i_d_PIi_d*2Uqs*1Uds*wL*i_qwL*i_dPIu_PI(2*pi*50)*0.002q_WLPIi_q_PI0i_q*0e_q(2*pi*50)*0.002d_WL540Udc*Scope1ScopePI4Udc3e_d2i_q1i_d图5.2PI调节控制电路3.电压变换模块3ed2cos(wt)1sin(wt)u(2)/(sqrt(u(1)*u(1)+u(2)*u(2)sin-u(3)*u(1)+u(2)*u(4)q(2/3)*(0.866*u(2)-0.866*u(3)ebeta(2/3)*(u(1)-0.5*u(2)-0.5*u(3)ealfau(1)*u(4)+u(2)*u(3)du(1)/(sqrt(u(1)*u(1)+u(2)*u(2)cosTerminator13eC2eB1eA图5.3电压变换电路图4.电流变换模块2i_q1i_di_alphai_betasin(wt)cos(wt)i_di_qSubsystem1iAiBiCi_alphai_betaSubsystemScope1Scope5cos(wt)4sin(wt)3iC2iB1iA图5.4电流变换原理图5.SVPWM1pulsesualfaubetaNsectorNABCT1T2Subsystem2NT1T2TsTaTbTcSubsystem1tatbtcpulsesSubsystemualfaubetaudcTsABCA_B_C4Ts3udc2ubeta1ualfa图5.5SV结构图根据以上各图就可以组成我们所三相VSR的整个仿真系统图，基于SVPWM控制的三相VSR仿真模型如下所示：iCudcualfaubetapulsespulsesgeneratorDiscrete,Ts=5e-005s.powerguii+-i+-Uds*Uqs*sin(wt)cos(wt)Us_alfaUs_betaUs_alfa_beta540Udc*v+-UdcR_load3R_load1eAeBeCABCPower_SourcegABC+-PWM_rectifieri_di_qe_dUdcUds*Uqs*PI_regula