三相电压型SVPWM整流器的SIMULINK建模与仿真精

1、VoL27 Mb.1 2007J/2船电技术ZOO?年集1期23三相电压型SVPWM整流器的SIMULINK建模与仿真毛文喜罗隆福(湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082)摘要：在建立了三相PWM整流器数学模型的基础上，将双闭环工程设计方法结合矢量控制策略应用于 PWM整流器。通过MATLAB的SIMULINK工具箱得到系统仿真结果，验证了该模型和控制方法的可行性。关键词：PWM数学模型 空间矢量SIMULINK中图分类号：TM 461.5文献标识码：A文章编号：1003-4862 (2007) 01- 0023-04The Modeli ng and Simulation of Th

2、ree-phase Voltage SVPWM RectifierMao Wen xi, Luo Longfu(College of Electrical and In formatio n Engin eeri ng Hunan Uni versity, Chan gsha 410082, Chi naAbstract: Based on the mathematical model of PWM rectifie，the dual-close-loop engin eeri ng desig n with vector con trol is app lied in the 3-p has

3、e PWM rectifier. The validity of the mathematical model and its con trol method are con firmed by bothMATLAB / SIMULINK simulatio n and exp erime nt. Key words: PWM ； mathematical model; space vecto; SIMULINK1引言在电能变换中，电压型PWM整流器（简称 形为正弦波、可实现能量的双向流动，真正实现了 相VSR在a、b、c坐标系下数学模型的基础上，“VSR功率因数可调、输入电流波绿色电能变换”

4、。本文在建立三通过坐标变换得到了三相VSR? =+=+00的d、q坐标系下的数学模型，应用空间矢量的控制方法对 PWM整流器进行动态 实时仿真，实验结果验证了该模型的正确性和控制方法的可行性。2三相VSR主电路结构及基本原理三相VSR的主电路结构如图1所示，主要包括交流侧的电感、电阻、直流电 容以及由全控开关器件和续流二极管组成的三相整流电路。e a、e b、e c为电源电压，R L为负载电阻。开关器件按采用的调制方法动作，由于输入电感的滤波作用，整流器交流侧的输入可认为是三相正弦电流，直流侧有大电容稳压，输出呈直流电压源特性，稳态时输出直 流电压可保持不变。图2是整流器输入电压Us、输入电流

5、I s、交流侧控制电压Ur间的向量图。（a图中，整流器工作在整流状态，电流矢量 I s与电压矢量U s平行且同向， 此时整流器网侧呈现正电阻特性，实现单位功率因数整流控制，负载从电网吸收有 功功率。（b图中，整流器工作在逆变状态，电流矢量 I s与电压矢量U s平行且反 向，此时整流器网侧呈现负电阻特性，实现单位功率因数逆变控制，负载向电网释 放有功功率。对图2进行分析可看出，要实现整流器的单位功率因数控制，关键在于控制网 侧电流I s，使之与电网电压E同相或反相。目前，控制方法主要分为间接电流控 制和直接电流控制2种。间接电流控制1的优点在于控制简单、无需电流反馈控制，不足之处在于电流响应不

6、够快，甚至交流侧电流收稿日期：2006-10-11作者简介：毛文喜（1975-）,男，硕士研究生，研究方向：电力电子与电力 传动及电力系统谐波抑制。罗隆福（1962-），男，教授，博士生导师，主要从事电力电子变流技术新研VoL27 No,1 2007J/2究工作。船电技术2007年第1期24中含有直流分量，且对系统参数波动较敏感2。直接电流控制3以快速电流反馈控制为特性，可获得较高品质的电流响应，但控制结构和算法 较复杂，不易于数字实现。另一种是基于同步旋转坐标系的矢量控制方案，它具有 动态响应快、稳态性能好、消除电流稳态跟踪误差、可以实现无功功率的解耦控制4等优点，是一种较理想的控制策略。3

7、三相VSR动态数学模型及矢量控制策略三相VSR的拓扑结构如图1所示，假设电路满足以下条件:（1电源是三相平衡的正弦电压源，即：?b a c b a (2滤波电感L是线形的，不考虑饱和现象。定义三相桥臂的开关函数分别为s a、s b、s c ； s=l代表上管通，下管关；s=O代表下管通，上管关。三相VSR的数学模型为1:? +=-=+-=+-=+-+=u s s s U u s u e i u s u e i u s u e i i s i s i s i dc c b a NO No c de c c c Nob dc d b b No a dc d a aL c c b b a a dcR

8、 dt d L R dt dL R dt d L dt d C (31 (1为便于系统分析与综合、获得良好的控制性能，采用PARK变换4，将整流器模型变换到两相同步旋转的d、q坐标系，并使q轴定向于电网电压矢量。取变换矩阵为:3冗33冗3冗33 t t t t t t T dq abe将以上变换作用于（1式，则得到整流器在两相同步旋转d-q坐标系下的数学模型为:?+?-=?S i de sq sd de q d qde q d L L L Cdt ddt d dt d 10001000102233(2VSR d、q轴变量相互耦合，给控制器设计造成一定困难。为此，可采用前馈 解耦控制策略3，引入

9、i d、i q的前馈补偿解耦控制实现对两通道的电压进行单独控制。对电流环采用 PI调节，可得三相同步旋转坐标系下三相 电流控制时的电压指令为5:? -+-=+-+-=i i i K e u i i i K e u d q q il iP q q q d d il iP d d L S L S(3式中：K iP、Kil是电流内环的比例调节增益和积分调节增益；iq *、i d *为 电流i q、i d的指令值。弓I入补偿后，式（3表示的电压指令已完全解耦控制，系统控制框图如图3所示。图中，给定指令电压u *dc与实际直流侧电压U de比较后经PI调节器得到电 流有功分量指令i q *，i d *、

10、iq *与交流侧实际电流比较后经 PI环得到指令电压u *d、u *q，经过电网电压、电感电压交叉分量的前馈补偿后，将所得电压指令送入PWM合成器，作为SVPWM控制的指令电压。为了实现单位功率因数控ChinaAll n品快制，控制算法采用电网电压定向，即令以同步速度旋转的三相电网电压E=eq，若要实现单位功率因数控制，则必须使三相网侧电流China All rightsr-ireserved.q，即使I d =0。整个控制电路由25Vol. 27 Nod 2007J/2船电S术2007年第1期电压外环和电流内环组成，电压外环经 PI调节后的输出作为电流环的给定。Vol.27 No.1 200

11、"丿227；sin 60' =(7sin aU * sin d血-曲单nr二曲bb.LR"卯J.;軌:.二:g0;恥辛仝U:=H =-尼C C4空间矢量合成原理三相VSR不同开关组合时的交流侧电压可以用一个模为2U de /3的空间电压矢量在复平面上表示出来，由于三相 VSR开关是双电平控制，其空间电压矢量只有23=8种，且U 0(0，0，0、U 7(1，1，1为零矢量4。空间矢量PWM控制是通过分配电压空间矢量(尤其是零矢量的作用时间，最终形成等幅不等宽的 PWM脉冲波，实现追踪磁通的基准圆形轨迹。由图3可知,三相VSR电流环调节运算确定后，三相VSR电流跟踪控制

12、的指令电压矢量 U*也就被确定，可 以利用三相VSRVol27 NoJ 200'IT,'"巧U*COSd-TL*siiidO* = =1(7* si1 .rsit空间电压矢量U k (k=0 ,，7来合成U*，以实现VSR电流控制。当矢量 U*处于三相VSR电压矢量空间任一区域时,设矢量U*与a轴夹角为0 (0 <0< 矢60°, 量U*与所在三角形区域起始边界矢量 Uk (k=1，6的夹角为a则a k可以 由以下方程求得6:Vok27 NoJ 2007.丄矶I亠 27j'27；?T"COSB-cos60"=sin60

13、' = / * sin«(60 1( 160(?X -=?+ ° =k INT k 0 0其中，k取1,6。则对于任意U *，设其位于k区，则U *可由U k和U k+1两矢量合成，施加时间分别为T k和T k+1,矢量作用周期为T s 7。为保证较高的合成精度，如图4所示，采用双三角形合成方案，可以求得? =+ aa sin 2160sin 2cos 2160cos 22*11*11T T U T T T T k s进而求得?-=?=?-?=+ A +AA T T T T T T T K K S Sk COS T 101s in *2sin *1* 其中，3/2*

14、de将零矢量周期分成三段，其中矢量 U*的起、终点上均匀地分布矢量 U0，而在矢量U *中点处分布矢量U 7,且T 7=T0/2。对应的三相PWM如图5所示，其中矢量 U k和U k+1放置先后顺序以开关次数最少为准。5系统仿真及仿真结果应用Matlab软件SimPowerSystem工具箱，搭建了整个控制系统的仿真模型,进行仿真。5.1系统主回路仿真说明图6为系统主电路仿真图，系统的控制算法由eontrol模块实现。电压电流分别经检测模块输入到control模块中，给定电压U de *和直流侧反馈电压U de同时也输入到该模块中来。5.2控制算法的仿真控制算法由control模块实现,如图7

15、所示。给定指令电压u *de与实际直流侧电压U dc比较后经PI调节器得到电流有功分量指令i q *，i d *、i q *与交流侧实 际电流比较后经PI环得到指令电压VoL27 NoJ 2007川2船电技术2007年第1期26u *d、u *q，经过电网电压、电感电压交叉分量的前馈补偿后，将所得电压ud、u q指令输入到PWM_wave模块，PWM_wave模块的输出便作为控制三相电压 型SVPWM整流器的脉冲指令。5.3仿真研究结果主电路参数设置如下：三相对称交流电源电压幅值：E max =200V船电技术2007年第1期，频率f=50Hz，交流侧电感L=6mH，交流侧电阻R=0（忽略不计

16、，直流侧电容：C=2OO0iF,指令电压Ude *=520V。图8给出了单位功率因数整流、逆变时 a相电压和电流的稳态仿真波形。从仿真结果可以看出，稳态时，网侧电流非常好地与电网电压保持同相，实现了单位功率因数的整流与逆变。6结论以SIMULINK为工具进行的三相PWM整流器仿真，充分发挥了 SIMULINK功能强大、建模简单、参数易于调整的特点。本文在建立三相VSR d_q数学模型的基础上，结合间接电流控制和直接电流控制方法的矢量控制策略，系统的建立了 三相VSR仿真模型。模型直观、易于使用，仿真验证了数学模型及其控制策略的 正确性。参考文献:1. W u R, Dewan S B，Siem

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