基于SVPWM的三相电压型PWM整流器的仿真设

武汉科技大学本科毕业设计本科毕业设计题目：基于SVPWM的三相电压型PWM整器的仿真设计学 院:信息科学与工程学院专 业:自动化学 号:201104134174学生姓名:蔡鹏飞指导教师:王斌日 期:二一五年六月IV摘 要电力电子器件目前已广泛应用于人们日常生活和工业生产中，而常规整流环节通常广泛采用二极管整流电路和晶闸管相控整流电路，这些不可控和相控整流会对电网注入了大量谐波，污染电网，消耗无功功率，降低功率因数。而三相电压型PWM整流器因其在保持输出电压恒定、提高系统功率因数、大幅降低谐波污染、能量绿色利用等方面具有明显优势，在有源滤波、无功功率补偿以及交直流传动系统等领域得到了越来越广阔的应用。本文详细阐述了PWM整流器的工作原理，结合理论分析了主电路功率器件的选取，并建立了基于三相和两相静止坐标系以及两相旋转坐标系的低频数学模型。选定本文主要研究对象为电压型三相桥式PWM整流器(三相VSR)。电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)方式具有电压利用率高，电流谐波少等优点，因此对其基本原理和实现方法进行了详尽的讲解，并选择了其中谐波含量相对小的对称矢量排序策略。为实现对网侧电流的独立控制，需对电流进行解耦控制。通过综合分析与对比，选择dq坐标系下的双环反馈直接电流控制策略，极大的改善了系统的动态性能和稳定性，最后基于Simulink建立了的控制系统的仿真模型，验证了控制方案的可行性。在三相电压型PWM整流器系统的Simulink仿真研究中，整个系统主要包括以下模块：主电路模块、SVPWM控制模块以及PI模块，通过对PI参数的不断调整校正，使整流器实现了较好的整流效果。关键字： PWM整流； SVPWM调制； 双环反馈； 直接电流控制； 仿真研究AbstractPower electronic devices are now widely used in Peoples Daily life and industrial production, while the conventional rectifier section usually widely consists of diode-rectifier circuit and phase-control thyristor rectifier, which injects large amounts of harmonics into the power networks and produces much contamination. It would reactive power consumption and lower power factor. The three-phase voltage-source PWM rectifier(VSR) have the characteristics of constant direct voltage, green power, power flow high power factor, small harmonic pollution, so they have more and more application perspective in active filtering, reactive-load compensation and motor control systems.The principle of PWM rectifier was introduced in details, analyzing the selection of power devices of main circuit combined with theoretical and constructing the low-frequency mathematical model based on the three-phase static coordinate system and the two-phase synchronous rotating coordinate system from the point of the topology of the main circuit. We select the three-phase bridge voltage type PWM rectifier as this major study. With the voltage space vectors pulse width modulation, we can get higher usage of the voltage, at the same time it can effectively reduce the current harmonics. In this paper, the principle of three- phase voltage space vector and the specific implementation were analyzed in details, choosing the symmetric vector sequencing strategy with relatively small harmonic content.In order to realize the independent control of the net side current, We have to get the current decoupled. The bicyclic directly current control scheme in dq rotation is selected, it makes the system more stable and faster response，and through the closed loop system simulation based on simulink to verify the feasibility of this current control scheme.In the research of the system of the three-phase voltage-source PWM rectifier based on simulink, establish the main circuit model, SVPWM simulate module and simulate model of PI control conditioner. The rectifier will achieve good rectifying effect by adjusting PI parameters calibration constantly.Key words： PWM rectifier； SVPWM modulation； Double loop feedback；Direct current control； Simulate research目录1 绪论11.1 课题的研究背景与意义11.1.1 谐波的危害和抑制21.1.2 PWM整流器国内外研究现状21.2 电压型PWM整流器的控制技术31.3 本文的主要研究内容和重点42 三相PWM整流器原理、控制策略与调制技术62.1 PWM整流器的基本原理62.2 PWM整流器的拓扑结构82.2.1 单相全桥PWM整流器拓扑结构82.2.2 三相半桥PWM整流器拓扑结构92.3 三相电压型PWM整流器的低频数学模型112.3.1 ABC静止坐标系下的低频数学模型112.3.2 两相旋转坐标系下的低频数学模型132.4 三相电压型PWM整流器的电流控制策略152.4.1 间接电流控制152.4.2 直接电流控制162.5 SVPWM调制技术基本原理172.6 本章小结193 三相电压型PWM整流器的建模和仿真213.1 SVPWM算法实现213.2 主电路参数设计263.2.1 直流电压的选择263.2.2 网侧电感值的设计273.2.3直流侧电容的设计273.3 电压空间矢量控制的三相VSR的仿真研究273.3.1 三相VSR电流解耦273.3.2三相VSR双环反馈PI参数设定293.3.3三相VSR整流状态下的仿真结果313.3.4 SVPWM与SPWM效果对比323.4 本章小结33参考文献34结论与展望35致谢36武汉科技大学本科毕业设计1 绪论从20实际30年代的水银整流器到1957年的第一支晶闸管再到如今的MCT(MOS控制晶闸管)、SIT(静电感应晶体管)及IGCT(静电感应晶体管)等等。随着功率半导体技术的不断发展,越来越多的电力电子装置广泛运用于电化学工业、铁道电气机车、钢铁公业、电力工业等诸多领域。其引起的无功污染及谐波问题引起了人们的日益关注，逐渐推动了PWM整流技术的应用与研究。在1982年，BusseAlfred等人首先提出了基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑结构及其电网侧电流幅相控制策略，并实现了电流型PWM整流器网侧单位功率因数电流控制，之后AkagiHirofulni等人提出了基于PWM整流器拓扑结构的无功补偿器控制策略。随着全控器件的问世，应用全控型器件实现PWM技术构架下的整流设计的研究进入高潮。各种不同类型和用途的全控器件呈井喷式涌出，它们在有源滤波、超导储能和高压直流输电等领域扮演者愈发重要的作用。并伴随着这些领域的进一步研究发过来促进了PWM整流器及其控制技术的进步和完善。因此PWM技术的产生及应用对提高电力电子装置的性能，治理电网谐波污染以及推动电力电子技术的发展起着十分重要的作用。1.1 课题的研究背景与意义随着电力电子技术近20年来的飞速发展，于电力、化工、冶金、通讯、煤炭、家电等领域都得到了广泛应用。而电力电子器件大多都需与电网接口，因此对三相整流器的研究引起了人们广泛的关注。整流器的发展经历了不可控整流、相控整流和PWM整流三个阶段的过度。传统二极管不可控整流和晶闸管相控整流器虽然具有电路简单，控制方便等优点，但它们不可避免的存在以下主要缺陷：(1) 对公用电网注入大量的谐波；(2) 工作于深度相控状态时，整流装置功率因数极低；(3) 交流输入电流存在畸变，从而容易进一步引起电网电压波形的畸变；(4) 直流侧需要选择较大的平波电抗器和滤波电容以滤除纹波。这将导致装置的体积、重量增大，增加了系统的成本；(5) 相控方式导致调节周期长，加之输出滤波时间常数又较大，所以系统的动态响应较慢。上述两种传统整流装置，都会产生功率因数较低的高次谐波，这些谐波将会引起电网正弦电压的畸变，从而会增加输电线路和各处变压装置损耗，对电网上接入的其他用电设备造成严重的电磁干扰；同时，功率因数过低还会造成电源系统的不稳定。因此现今世界范围内流行的一系列对用电装置的功率因数和波形失真度的限制标准，如：IEC制定的IEC5552标准、欧洲制定的IEC100032标准。我国颁布的GB/TI454993标准，得到了人们的广泛认可。1.1.1 谐波的危害和抑制对非正弦周期波进行傅立叶分解，除了可以得到基波分量外，还得到一系列大于基波频率的谐波分量。谐波会对电网和其他系统产生干扰，造成极大的危害。谐波对电网和其它系统的危害主要有以下几方面2：(1) 增加了公用电网的附加输电损耗，降低了发电、输电设备的利用率；(2) 引起用电设备发热，使它们的绝缘部分老化，降低用电设备的寿命；(3) 造成电网与补偿电容器之间发生并联谐振或串联谐振。谐振使谐波电流放大数倍甚至数十倍，引起电容器过热而烧毁；(4) 导致继电保护和自动装置误动作，使电气测量仪表计量不准确；(5) 对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；严重者还会导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。解决电网谐波污染的途径主要有两种：一种是被动补偿方案，另一种是主动补偿方案。前者是产生谐波后采用补偿和校正装置来补偿位移因数和波形畸变，而后者是通过对电力电子装置本身进行改造从而达到消除谐波源的目的，是解决谐波问题的根本措施。在MOSFET、IGBT等全控器件组成整流电路中应用PWM控制技术，可提高系统功率因数、实现能量的双向流动，进而有效降低了能源损耗，真正实现绿色电能应用。 1.1.2 PWM整流器国内外研究现状PWM整流器作为PWM控制技术与电力电子装置的整合，是电力电子技术和电能变换等领域的研究中最具前景的的方向之一。经过国内外专家学者多年的研究，PWM整流器在电路拓扑结构，数学模型，控制方法等领域取得了丰硕的研究成果，下面分别给予说明3。1.关于PWM整流器的建模研究PWM整流器数学模型的建立是其一切研究的基础。自从基于坐标变换的PWM整流器的数学模型被提出之后，各国学者围绕这一重要研究成果进行了延伸与拓展，其中R.wu.S.Bewan等较为系统地建立了PWM整流器的时域模型4，并给出了高频和低频模型下相应的时域解。而ChunT.Rm和DongYHu等则进一步建立了dq同步旋转坐标下的低频等效模型电路，并给出了稳态、动态特性分析。在此基础上，Hengchun Mao等人又建立了一种新颖的降阶小信号模型，从而简化了PWM整流器的数学模型及特性分析。2.关于电压型PWM整流器的电流控制策略研究为了控制电压型PWM整流器网侧电流特性，需选择一种优秀的电流控制策略。而在PWM整流器技术发展过程中，主要出现了两大类电流控制策略：一类是间接电流控制策略5；另一类就是目前占主导地位的直接电流控制策略6。间接电流控制实质上就是幅值相位电流控制，由于这种控制策略存在一些明显的缺点，已经越来越无法满足人们对控制性能的要求，故其逐步被另一类性能更加优越的直接电流控制策略取代。直接电流控制是一种电流瞬态跟踪控制方法，具有动态性能好，限流容易、电流控制精度高等优点，因此广受学术界的关注，各种不同的控制方案不断涌现，主要包括有PID控制，预测电流控制，滑模变结构控制，Lyapuaov方法，极点配置，二次型最优控制，非线性状态反馈控制，模糊控制等方式。3.关于PWM整流器拓扑结构的研究PWM整流器拓扑结构经过多年的探索和不间断的研究，其结构从简单到复杂，从单相到多相，取得了长足的进展。在小功率场合，减少功率开关和改进直流输出性能成为研究的重中之重。对于中功率场合，三相乃至多相组合拓扑电路应用占据绝大多数时刻。至于大功率PWM整流器，其拓扑结构的研究主要集中在多电平、变流器组合以及软开关技术上。高压大容量场合适于多电平拓扑结构，而单处于大电流应用环境是，变流器组合拓扑结构就成了不二之选。如今电压型PWM整流器已经发展到一定阶段，很难有大的突破。而电流型PWM整流器因发展较少，有待进一步研究。1.2 电压型PWM整流器的控制技术决定PWM整流器发展的关键要素是控制技术。而如何保持直流侧输出电压的稳定，不受扰动的影响；如何使交流侧电流适应不同的应用场合，实现对功率因数和快速性的要求，这就成为PWM控制技术必须要解决的两个难题。而由于以上控制目标，对交流侧输入电流的控制则成为此项技术的关键。其实对输入电流的有效控制实质上是对变换器能量流动的有效控制，也就控制了输出电压。基于这个观点，我们可以把PWM整流器分为直接电流控制和间接电流控制两大类。间接电流控制是一种通过控制整流器的交流侧电压基波相位和幅值，进而间接控制其网侧电流的方法，故其也称幅相控制；直接电流控制通过运算求出交流电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。从系统控制器的结构形式划分，直接电流控制又可以分为三种类型：(1) 电压、电流双闭环控制方式。这也是目前应用最广泛，最为实用化的控制方式。其控制特点是通过dq坐标变换及电流解耦对有功电流和无功电流进行独立控制。电压外环达到稳定直流侧输出电压的目的，其PI环节的输出作为电流有功分量的参考值。而电流内环不仅能控制电流达到期望值，而且只要在其中加限幅就能达到过流保护的目的，其优点突出。(2) 以整流器的小信号线性化状态空间模型作为基础，电压、电流统一进行控制，为整个系统配置闭环极点或设计最优二次型调节器。这种控制方式中各个静态工作点的状态空间模型及与之对应的反馈矩阵需要事先离线算出，然后存入存储器。工作时，检测负载电流或等效负载电阻来确定当前的工作点，然后查表读取相应的反馈矩阵。这种方式的控制效果不错，只是对静态工作点的划分要求很细，占用的存储空间较大，离线计算量也比较大，实现较为复杂。(3) 非线性控制方法。由于整流器在本质上是非线性的，所以用非线性进行控制更为适合。基于Lyapunov法的PWM整流器控制具有良好的控制效果，更重要的是它能使整流系统绝对稳定。从PWM整流器的模型来看，它属于非线性系统。这类系统可以通过非线性状态反馈在实现系统线性化的同时实现解耦。1.3 本文的主要研究内容和重点三相PWM整流器一般可分为三相电压型PWM整流器和三相电流型PWM整流器两种。本文的主要研究对象为三相电压型PWM整流器。目前，PWM控制技术有许多种，其中主流的有两种：一是正弦波PWM(SPWM)控制策略；二是电压空间矢量PWM(SVPWM)控制策略。两者相比各有优劣，视应用情景不同而自行选择。SPWM控制策略虽然控制简单，而且电网低次谐波分量较小，但是其直流侧电压利用率低。SVPWM的主要是通过控制变流器电压空间矢量切换来获得准圆形的旋转矢量场，进而模拟三相电压，从而在较低的开关频率 (l3kHz)下，使交流电动机性能更加优越。利用SVPWM电压利用率高和动态响应快等优点在PWM整流器控制中实现控制算法优化，使得本课题的研究具有了现实意义。本文对所做的工作主要在于系统建模、仿真、调制技术选择，主要可以概括如下：1. 在查阅了大量国内和国外文献和材料的基础上，对PWM整流器研究现状有了较为系统的认知。2. 参考其他文献对PWM整流器的工作原理做了简要分析，并由此推导了系统模型及不同坐标系下的变换公式，并对其进行动态和静态性能分析。3. 介绍三相电压型PWM整流器各种电流控制方法，重点研究三相电压型PWM整流器的直接电流控制方法和SVPWM调制算法，对三相电压型PWM整流器的主电路电容电感参数进行理论设计。4. 进行三相电压型PWM整流器系统的仿真事件，构建主电路、空间电压矢量PWM控制模块及PI控制调节器仿真模块，验证最终的控制效果，并分析得出结论。2 三相PWM整流器原理、控制策略与调制技术2.1 PWM整流器的基本原理PWM整流器是一个交、直流侧均可控的四象限运行的变流装置，其电路模型如图2.1所示，由此可分析其原理7：图2.1 PWM整流器模型电路其中Us为交流电动势，Ls、Rs分别为网侧电感和其等效电阻，Ur为功率开关管桥路交流侧电动势；Udc为直流侧电压，RL、eL分别为负载电阻和负载电动势。功率开关管桥路可分为电压型和电流型两种。当不计功率开关管桥路损耗时，可得交、直流侧功率平衡关系式： Ur*is=Udc*idc (2.1)式中 Ur、is 交流侧电压和电流；Udc、idc 直流侧电压和电流。从上式(2.l)可知，控制了交流侧桥路电压Ur，即可实现对直流侧电压Udc的控制，反之亦成立。接下来我们将重点从交流侧入手，分析PWM整流器的控制原理和各个运行状态。如图2.1所示，假设电网电压为零初始相位，其幅值为Um，交流侧电流为is，幅值为im，交流侧桥路电压为Ur，则有以下等式：Us=UmcostLS=Us-Ur-Rsis (2.2)其等效电路如图2.2所示：图2.2 PWM整流器交流侧等效电路当PWM整流器运行在稳定状态时，其交流输入侧电压由一系列等高不等宽的密集脉冲序列组成，可近似为图2.3的波形，其中脉冲幅值与直流电压Udc相等。若整流器的调制电压Uc为50Hz的正弦波，则桥路电压Ur的基波电压也为50Hz正弦波，其幅值大小由调制电压Uc的幅值决定。改变Uc的幅值和相位，桥路电压Ur的幅值以及Ur的基波电压和Us的相位角也将随之发生变化。因此，PWM整流器的交流侧可以看成是一个幅值和相位均可调的交流电源。通过控制整流器交流侧输入电压，可以使交流侧输入电流is成为与Us相位相同的正弦波，从而实现网侧单位功率因数运行。在图2.3中，实线表示Ur的基波电压，虚线表示电网电压Us。图2.3 PWM整流器交流侧电压波形若假定电网电压Us为参考量，并假设交流侧电流is与Us间的滞后角为，整流器交流侧电压Ur的基波电压与Us的滞后角为，则可得到两种不同工作壮况时的矢量图，如图2.4所示：图2.4 (a)整流状态矢量图 (b)逆变状态矢量图从图2.4可得知，若电网电压保持恒定时，通过改变交流侧桥路电压Ur的幅值大小和其滞后角，就能影响交流侧电流is的大小和相位，同时使is更加接近正弦，实现整流器直流侧电压的稳定，而且还能实现单位功率因数控制和电能的双向流动。在图2.5中形象地表示了PWM整流器四象限运行是的4种特殊的工作状况：1. 当桥路电压矢量Ur处于图2.5a的状态时，电网电压Us超前交流侧电流is有90相角，则PWM整流器输入端呈现纯电感特性，只从电网吸收感性无功功率，而不吸收有功功率。2. 当桥路电压矢量Ur处于如图2.5b的状态时，电网电压Us与交流侧电流is同相位，则PWM整流器输入端呈现正电阻特性，功率因数为1。3. 当桥路电压矢量Ur处于如图2.5c的状态时，电网电压Us滞后交流侧电流is有90相角，则PWM整流器输入端呈现纯电容特性，只从电网吸收容性无功功率，而不吸收有功功率。4. 当桥路电压矢量Ur处于如图2.5d的状态时，电网电压Us与交流侧电流is相差180相角，则PWM整流器输入端呈现负电阻特性，功率因数为-1。图2.5 PWM整流器四象限运行原理图2.2 PWM整流器的拓扑结构2.2.1 单相全桥PWM整流器拓扑结构图2.6 单相全桥电压型PWM整流器拓扑结构单相PWM整流器拓扑结构如图2.6所示，通过对开关TlT4的通断控制，就可在整流器的交流输入端产生正弦调制PWM波电压UAB。UAB中不含有低次谐波成分，只含有与目标信号频率相同且幅值成比例的基波分量以及与三角载波有关的高频谐波。由于交流侧电感具有滤波作用，高次谐波对交流侧电流is不会产生太大的影响，在理想情况下，当被调信号与电网电压Us频率一致时，is是与电网电压同频率的正弦波。如果对UAB中基波分量的幅值和相位进行控制，就可以使交流侧电流波形正弦化且网侧功率因数接近1。以单位功率因数整流状态为例，假设 (2.3)在理想情况下，假设整流器无损耗，根据功率平衡原理，整流器的瞬时输入功率Pin(t)等于瞬时输出功率Pout(t)，即： Pin(t)=us(t)*is(t)=UmIm(1+cos2t) =Pout(t)=udc(t)*idc(t) (2.4)由此看出，PWM整流器的瞬时输入功率Pin(t)是变化的，且以2倍于电网频率脉动。 idc=(1+cost) (2.5)可见，PWM整流器的输出电流idc(t)是以2倍于电网频率脉动的。2.2.2 三相半桥PWM整流器拓扑结构图2.7 三相半桥电压型PWM整流器拓扑结构图2.8 PWM整流器输入侧等效电路和向量图三相电压型PWM整流器主电路拓扑结构一般采用如图2.7的三相半桥电路，其交流侧等效电路可表示为图2.8a。其中Us为电网电压，Ur为整流器交流侧电压，N为电网中点，G为输出滤波电容中点， i为交流侧电流，Udc为整流器直流侧电压。当输入电网电压和整流器三相控制电压对称时，电网中点N和电容中点G具有相等的电位，三相电路互相独立，图2