三相电压型SVPWM整流器控制策略研究

1、三相电压型SVPWM整流器控制策略研究贾佳（巢湖学院电子工程与电气自动化学院，安徽 巢湖 238000）摘要：选择了三相电压型PWM整流器作为本文主要研究对象，提出了电压空间矢量调制控制方法。本文基于三相电压空间矢量的思想，选择矢量排序策略。运用直接电流控制策略进行跟踪电流控制，提高了系统的性能。并进行了仿真。关键词：PWM整流器；电压空间矢量调制；直接电流控制1 引言常规整流环节广泛采用的二极管整流电路和晶闸管相控整流电路对电网注入了大量谐波，给电网造成污染。三相电压型PWM整流器具有输出电压恒定、高功率因数、低谐波污染、能量双向流动等优点，在电力系统有源滤波、无功补偿以及交直流传动系统等领

2、域，具有越来越广阔的应用前景。其研究主要集中在整流器的电流控制和系统控制策略方面。 本文通过三相PWM整流器的工作原理和数学模型分析，研究了dq坐标系下的固定开关频率的直接电流控制策略，研究了电压空间矢量调制控制方法，最后进行了仿真测试。2 三相PWM整流器的工作原理PWM整流器是一个交、直流侧均可控的、可四象限运行的变流装置，其模型电路如图1所示。PWM整流器模型电路由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组成。交流回路包括交流电动势Us、网侧电感Ls电感和线路总电阻Rs及功率开关管桥路交流侧电动势Ur组成；直流回路包括负载电阻RL、负载电动势eL和功率开关管桥路直流侧电压Udc组成；功率开关

3、管桥路可由电压型或电流型桥路组成。图1 PWM整流器模型电路当不计功率开关管桥路损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得： Ur*is=Udc*idc (1)式中 Ur、is PWM整流器模型电路交流侧电压、电流；Udc、idc PWM整流器模型电路直流侧电压、电流。从式(1)可知，只要通过控制PWM整流器交流侧电压Ur，就可以控制其直流侧电压Udc，反之亦然。3 三相电压型SVPWM整流器的数学模型图2 三相PWM整流器开关模型简图图2为三相PWM整流器的开关模型简图，假设O为电网中点，G为电容中点，C1=C2，ucl=uC2=0.5udc成立。开关Sa、Sb、Sc函数的定义如下：Sa= Sb=

4、Sc=考虑电网对称，则PWM整流器的高频数学模型为=+ (2)从三相PWM整流器的高频数学模型可以看出，整流器交流侧每相输入电流都是由三个开关函数共同作用的，整流器是一个互相耦合的多阶非线性时变系统。为了简化系统的分析和控制器的设计，利用ABC坐标系与坐标系的变换关系，式(2)表示的PWM整流器高频数学模型可以转化为以下的两相静止坐标系的高频数学模型。 =+ (3)利用/dq坐标变换，可得PWM整流器两相旋转坐标系下的高频数学模型，如式(4)所示： =+ (4)4 三相电压型PWM整流器的SVPWM调制方法三相电压型PWM整流器电压空间矢量描述了三相PWM整流器交流侧相电压(Vao、Vbo、V

5、co)在复平面上的空间分布，有： Vao=Sa-(Sa+Sb+Sc)udc (5) Vbo=Sb-(Sa+Sb+Sc)udc (6) Vco=Sc-(Sa+Sb+Sc)udc (7)式中Sa、Sb、Sc三相单极性二值逻辑开关函数。将2=8种开关函数组合代入式(5)(7)，即得到相应的三相电压型PWM整流器交流侧电压值，显然，一种开关组合对应一个电压空间矢量，且开关组合时的Vao、Vbo、Vco即为该电压空间矢量在三相坐标轴(a，b，c)上的投影。因此，复平面上的三相PWM整流器电压空间矢量可定义为： =(Vao+Vboe+Vcoe) (8)4.1 电压空间矢量的合成和作用时间的分配三相电压型P

6、WM整流器的基本电压空间矢量共有8个，其中6个为非零矢量，且对称分布在复平面上，剩下2个为零矢量。对于任一给定的电压空间矢量V*，均可由这8个基本电压空间矢量合成，如图3所示。图3 电压空间矢量的合成在图3中，以第一扇区为例，任意给定一个电压空间矢量V*，设它与V1的夹角为，根据平行四边形法则有： V *= (9)式中T1、T2矢量V4、V6在一个开关周期中的持续作用时间；TsPWM开关周期。设在整个开关周期Ts中，零矢量的作用时间为T0，则有： Ts= T1+T2+ T0 (10)换向周期Ts应由旋转磁场所需的频率决定，Ts与T1、T2未必相等，其间隙时间可用零矢量V0、V7来填补。为了减少

7、功率器件的开关次数，一般使V0、V7各占一半时间，因此 T0=T7=(Ts-T1- T2) (11)每一个给定的V*相当于电压波形中的一个脉冲波，在图3所示第一扇区内的一个周期Ts包括了T1、T2、T0、T7共四段，对应的电压空间矢量分别V4、V6、V0、V7。开关状态序列为000、100、110、111、110、100、000表1 各扇区号对应的开关状态序列扇区开关状态序列I000100110111110100000II000110010111010110000III000010011111011010000IV000011001111001011000V000001101111101001

8、000VI0001011001111001010004.2 扇区的判定和作用时间的计算由坐标系到ABC坐标系的变换关系得到ABC坐标系中的相电压分量： (12)根据三相对称正弦波的相位关系，规定如果Ua>0，那么A=l，否则A=0；如果Ub>0，那么B=1，否则B=0；如果Uc>0，那么C=1，否则C=0。按照(k-1)t<k(k=1,6)分为六个区，按ABC的顺序排列，并利用二进制编码方法得到所在的扇区号N满足如下关系式： N=4A+2B+C (13)扇区号与实际扇区的对应关系如图4所示：图4 扇区号N实际对应的各扇区情况图5 区间I电压空间矢量的合成假设三相ABC静

9、止坐标系的A轴与坐标系的轴重合，且V4位于轴上。以扇区I为例，由图5可得： (14)联立式(11)和(14)可得： (15)其他扇区电压空间矢量的合成方法与此类似，为此引入通用变量X、Y、Z，如式(16)所示： (16)那么在各个扇区合成任意一个空间电压矢量的各个对应电压矢量的作用时间T1、T2如表2所示：表2 各扇区号对应的电压空间矢量的作用时间N时间123456T1-XZXY-Y-ZT2ZY-Y-X-ZX5 仿真与实验如图6所示，是在Matlab7.0中三相整流器在dq坐标系下的Simulink整流仿真模型。仿真参数：交流侧电感为40mH，电阻为0.02，直流侧电容为3000uF，负载电阻

10、为100，电网相电压有效值为220V，频率为50Hz，直流侧电压参考值为650V，开关频率为10kHz图6 三相VSR的直接电流整流仿真模型根据主电路中交流侧电感L和直流电容C的设计理论，在满足系统跟随性和稳定性的条件下进行设计计算。研究了dq坐标系下的直接电流控制原理，建立给出了一种电流解藕方程。为了验证方程的正确性，利用Matlab/Simulink建立三相VSR的仿真模型。仿真结果验证了在直接电流控制策略下的三相VSR不仅能够实现单位功率因数的整流，而且可以实现负单位功率能量的反向流动，电压和电流都具有良好的响应性能，电流畸变小，电压稳定性好。各个仿真波形图如下：图7 A相电网电压和电流

11、波形输出相位波形图8 常规PI控制时的输出直流电压波形6 结束语本研究对三相电压型PWM 整流器从控制策略方面进行了进一步研究。仿真模型验证了本控制算法的有效性。参考文献： 1 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制M.机械工业出版社，2006.2 王忠礼，段慧达，高玉峰.MATLAB应用技术M.清华大学出版社，2007.3 王兆安，刘进军.电力电子技术M.机械工业出版社，2009.4 张春，韩瑞华，江明等.三相电压型SVPWM控制简化算法研究J.机电工程，2006.2006(10)：39-41.Research on Control Strategy of the Three-phase Vol

12、tage SVPWMJIA jia（The Department of Electronic engineering and electrical automation，Chaohu College Anhui 238000）Abstract：Select a three-phase PWM rectifier as the main subjects of this article, the voltage space vector modulation control method. Based on the idea of three-phase voltage space vector, the vector sorting strategy. Use