基于DQ变换的三相PWM整流器控制方案研究及仿真

1、基于DQ变换的三相PWM整流器控制方案研究及仿真 摘要：本文采用DQ坐标变换对三相电压型PWM整流器进行建模，在此基础上分析了相应的控制策略，并对其进行了仿真，给出了仿真结果。关键词：DQ变换，控制策略，仿真 1 前言传统的晶闸管或二极管整流器存在如下的缺点：输入电流谐波含量高；输入功率因数低；整流器效率低；交流侧电网电压畸变严重。而具有功率因数矫正的PWM整流器具有输入电流正弦化，谐波含量低，功率因数高等优点，已成为电力电子学研究的热点之一。一般的三相PWM整流器通常采用直接的电压和电流双闭环控制方式，这样的控制用模拟电路实现简单，但难以建立起精确的模型，对控制环的参数设计也比较复杂。本文采

2、用DQ坐标变换对三相电压型PWM整流器进行建模，将三相的平衡电量变为直流量，在此基础上给出了相应的控制策略，并对其进行了仿真，给出了仿真结果。2 DQ坐标系下三相PWM整流器模型【1】 三相电压型PWM整流器的拓扑如图1所示： 图1 三相电压型PWM整流器由图1已知，、为三相输入电压源，为三相输入电流，为输出直流电流，为输出直流电压，L为三相的输入电感，为三相开关函数，C为输出电容，R为负载。 对于三相电压型PWM整流器，有下列关系成立： （1） （2）其中，且。 （3） （4）对照整流器拓扑，可写出交流侧的状态方程： （5）另外，直流侧的方程如下： （6）最后可以得到： （7）其中，由式（1

3、）和（2）可得： （8）其中，。上式代入式（7）得到三相坐标系下的PWM整流器的模型： （9）由模型可知，其中包含三相电量的交流分量，这对控制策略的精确设计增加了困难。下面将用DQ坐标变换对此模型进行简化。应用DQ坐标变换关系及关系式，由上式（9）得到经DQ坐标变换后的三相PWM整流器模型： （10）由上式即可得到DQ坐标系三相电压型PWM整流器模型的等效电路，如图2所示。 图 2 DQ坐标系三相电压型PWM整流器模型等效电路在此模型下，所有的变量都已变为直流量，这样便于我们对控制环进行精确设计。3 基于DQ变换的控制方案 上面我们得出了在DQ坐标系下的三相PWM整流器的等效模型，由此得出基于

4、DQ变换的控制方案的流程框图，如图3所示。 图3 基于DQ变换的控制方案框图 此控制方案是将三相输入电流进行DQ坐标变换，得到直流电流反馈信号。为了实现调压目的，让去跟踪电压外环输出来的直流信号；为了实现高功率因数的目的，让尽量趋近于0，消除电流中的无功分量。下面分别对电压外环和电流内环进行分析。31 电流内环分析由上面可以看到，电流内环实际上是对直流量进行调解。为了更好的实现调压目的和高功率因数目的，让跟踪电压外环输出来的直流信号和趋近于0，电流环的调节器可采用PI调节器，由文献【2】得电流内环的PI控制原理框图，如下图3所示。 图3 电流内环控制原理框图由此可得电流内环的传递函数： （11

5、）可见，这是个二阶系统，在实际的设计中，可借助仿真的工具来进行设计、调节。在设计中，的电流调节器应取的参数一样。32 电压外环的分析电压调节器做为外环调节，可以稳定输出的直流电压。根据文献【3】获得整流器系统输入电流和输出直流电压之间的传递函数： （12）其中，为整流器的输入电阻，为输入电压的有效值。采用此模型分析，考虑系统处于稳态运行，无功电流分量近似为0，因而在电流闭环作用下，动态过程中变化很小。在直流电压发生较大变化前，已完成了其暂态过程到达到0。因此设计时不考虑的影响。将电压外环加上电流内环合并，得到下图4所示的电压控制框图。 图4 电压控制框图：由图4可以得到电压外环的传递函数： （

6、13）这样就便于我们在仿真中对控制环的PI参数进行设计、调节。33 PWM产生方案采用的还是SPWM的调制方式。将D轴和Q轴两电流环调节得到的信号再经过DQ的反坐标变换，产生相应的正弦波，使其与一固定频率的三角波相比较来得到SPWM波。这种SPWM方案具有开关频率固定的优点。此外，由于上下桥臂的开关函数互补，符合前面的系统的建模，使得系统的性能分析包括输入电流谐波分析，输出电压谐波分析，输入误差电流分析等很方便。而且这于逆变器的SPWM控制相似，可参考逆变器中的理论对系统进行一些分析。其实现框图如下图5所示。 图5 PWM产成方案4 仿真试验 采用SABER软件对上面所制定的三相电压型PWM整

7、流器进行了仿真。仿真参数为：输入电压：三相400HZ115V(相电压)正弦输入输入电感：0.7mH输出电容：2200uF额定的直流电压为：400V输出功率：4KVA开关频率：20KHZ仿真选取的控制参数：电压环P=4,I=2000；电流环P2，I100。SABER仿真框图如下图6所示： 图6 SABER仿真框图仿真结果波形如下图710所示： 图7 输出电压 图8 A相输入电压/10与A相输入电流 图9 三相的输入电流 图10 电流中的无功分量由仿真结果波形图可知，输出直流电压稳定的很快，大概在10个ms的时间，且超调量小，只有31V，电压纹波很小。输入电流很好的实现了正弦化，而且与输入电压同步的很好。将调整后的三相电流再经过DQ变换，发现其无功分量几乎是0，很好的抑制了无功，做到了很高的功率因数。5 结论本文用DQ变换对三相PWM整流器进行建模，并在此基础上提出了基于DQ变换的控制方案，最后用SABER软件对方案进行了仿真，给出了仿真结果波形，验证了方案的正确性，为后续的硬件试验研究提供了可靠的依据。参考文献【1】 徐德鸿 电力电子系统建模及控制 机械工业出版社【2】 朱永亮、马惠、张宗濂 三相高功率因数PWM整流器双闭环控制系统设计 电力自动化设备 第26卷11