1、Electric Information三相SVPWM 整流器的仿真研究王 玲 姚 薇（淮安信息職業(yè)技術學院，江蘇 淮安 223200）摘要：三相電壓型SVPWM 整流器的功率因數(shù)高，輸出側電壓利用率高，可以實現(xiàn)能量的雙向流動。文章介紹了三相電壓型整流器主電路的拓撲結構和數(shù)學模型，分析了前饋解耦的控制策略，采用簡化的SVPWM 新算法搭建了三相電壓型SVPWM 整流器的模型，使得計算量明顯減少，并在Simulink 中搭建了仿真模型。通過對三相SVPWM 整流器進行仿真研究，驗證了上述方法的可行性。三相SVPWM 整流器；前饋解耦；SVPWM 控制關鍵詞：TM461 文獻標識碼：A 文章編號：

2、1009-2374（2011）21-0068-03中圖分類號：傳統(tǒng)的二極管整流方法具有不可控性及能量的單向性的缺點，相控的整流方法具有低功率因數(shù)、高諧波含量等缺點，這兩種方法已經(jīng)不符合綠色能源的發(fā)展。三相電壓型SVPWM整流器的功率因數(shù)接近于1，可以實現(xiàn)能量的雙向流動，諧波污染少，是綠色的電力電子裝置。與傳統(tǒng)的PWM和SPWM相比，基于空間電壓矢量脈寬調制（SVPWM）的動態(tài)響應快、直流電壓利用率高，通過采用改進的簡化算法可使其數(shù)字實現(xiàn)更加簡易。因此，基于SVPWM控制技術的三相電壓型整流器是當今電力電子的研究熱點。di aL re dt L di bre dt di L re c dt du

3、 C dc d t 1=u a i a R re (2S a S b S c u dc31=u b i b R re (2S b S a S c u dc31=u c i c R re (2S c S a S b u dc3u=S a i a +S b i b +S c i c dcR 0（2）式（2）中Lre ，Rre 分別為交流側電感值和其等效電阻，ua 、ub 、uc 為三相交流側電源的瞬時值，udc 是直流輸出側電容的直流電壓。在三相靜止坐標系下，由于三相交流側電壓ua 、u b 、uc 之間以及三相電流ia 、ib 、ic 之間存在著耦合，使得系統(tǒng)的控制結果做不到無靜差。因此，通過P

4、ark變換將三相靜止坐標系轉化為兩相同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型：di dL re dt =u d R re i d +L re i q S d u dc di q =u q R re i q L re i d S q u dc L redt （3）U DC 3du dc=+(S d i d +S q i q C dt R 02一、主電路結構和數(shù)學模型T1a 相Lre Lre LreRre Rre RreT3T5i a i bCu ab 相u bc 相i cT4 T6T2R 0u dcu c圖1 主電路結構式（3）中id ，iq 分別兩相同步旋轉坐標系dq坐標系下d軸電流（有功電流）和q軸電流（

5、無功電流）。u d 、uq 分別為dq 坐標系下d軸電壓和q軸電壓。（1）圖1是三相電壓型SVPWM主電路的結構，三相整流橋的開關信號S定義為：二、前饋解耦控制通過三相靜止坐標系到兩相同步旋轉坐標系的坐標變換，引入id ，iq 的前饋補償解耦控制實現(xiàn)對兩相旋轉坐標系下的電壓進行單獨的控制，這樣就可以實現(xiàn)交流側有功和無功分量的無耦合的獨立控制。由公式*（2）可以得到電壓指令u d ，u q ：*k=a，b，c（a，b，c代表三相電路）根據(jù)電路的結構形式，用交流側電感電流和直流側輸出電壓為參考量，可以得到三相整流器在三相靜止坐標系下的系統(tǒng)模型：682011.07K *u d =(K pi +ii

6、(i d i d +u d +L re i q S u *=(K +K ii (i *i +u L i q pi q q q re d S 量Uref：（4）U ref =2(U a +U b +2U c ，其中=e j 33。 （5）2判斷Uref所在的扇區(qū)定義中間變量X，Y，Z，x，設空間電壓矢量Uref在、上的分量為U 、U ：X =U Y =U sin U sin36Z =U sin U sin 36式（4）中Kpi ，Kii 分別為電流內環(huán)的比例系數(shù)和積分系數(shù)，為電源角頻率。綜合以上分析，可得出三相SVPWM整流器的前饋解耦控制為：，si gn (x =1, x 0。0, x <

7、;0圖2 前饋解耦控制N 扇區(qū)N =sign (X +2sign (Y +4sign (Z （6）由公式（4）來判斷空間電壓矢量Uref 在哪個扇區(qū)，經(jīng)計算得到N與矢量所在扇區(qū)的關系表：表1 N與矢量所在扇區(qū)的關系表123456*具體描述為：給定的直流側電壓參考值u dc 和實際輸出電壓進行比較得到偏差信號，將其經(jīng)過電壓環(huán)PI調節(jié)器之后得到有功電流的指令i d *，其值決定了有功功率的大小，符號決定了功率的流向。為了實現(xiàn)單位功率因數(shù)，給定無功電流的指令i =0，然后將i ，i 與主電路的中的實際電流相比較經(jīng)過電流環(huán)PI調節(jié)器得到指*d*q*q3相關矢量作用時間的判斷將Uref 在、的分量轉換到

8、U1、U2所形成的600坐標系上，以第一扇區(qū)為例：設空間電壓矢量Uref 在、上的分量為U 、U ，在600坐標系上的分量為Uref1、U ref2。令電壓，再經(jīng)過電網(wǎng)電壓和電感電壓的交叉分量前饋*補償之后得到電壓指令u d ，u q 。然后經(jīng)過兩相靜止坐標系的轉換得到信號送入到SVPWM，從而進行空間電壓*矢量的控制。三、簡化的SVPWM 控制技術（一）空間電壓矢量的分布根據(jù)功率管開關S的定義，整流器共有八種開關模式，分別為U0（000）、U1（100）、U2（110）、U 3（010）、U4（011）、U5（001）、U6（101）、U7（111）。其中U1（100）U6（101）為六個非

9、零矢量的有效矢量，U0（000）、U7（111）為兩個零矢量，在一個電流周期的采樣時間里，總是以零矢量開始并以零矢量結束，將平面分為六個扇區(qū)。對于任意一個空間電壓矢量可以用兩個相鄰的非零矢量和兩個零矢量來表示，使三相橋的輸入為等效的正弦波。圖3為空間電壓矢量的分解圖：ref1U 1圖4 第一扇區(qū)坐標變換根據(jù)向量關系得到：°U =U ref 1+U ref 2cos 60 （7） U =U ref 2sin 60°設Uref 的作用時間為Ts ，U1、U2的作用時間為T1、U ref 1T s =U 1T 1 （8）T 2，由圖可得到：U ref 2T S =U 2T 2U

10、1、U2是兩個有效矢量，它的幅值等于2/3Udc ，通過計算（5）（6）兩公式可以得到相鄰矢量作用時間，并表示成矩陣的形式：1=0，（N=1）（9）T 1T =M N 2U T S U 2U dc3，M NMN為坐標變換矩陣，N為表1中扇區(qū)對應的編號。同理，按照相鄰矢量的正確作用方向，可以得到在其他扇區(qū)的作用時間。其余扇區(qū)的坐標變換矩陣為：1M 2=1圖3 空間電壓矢量（二）SVPWM 實現(xiàn)的步驟1空間電壓矢量的定義對于任意的三相電壓Ua 、Ub 、Uc ，考慮三相電壓平衡，則U a +U b +U c =0，則可在復平面內定義電壓空間矢0M 3=12011.0769 01M 4=M =511

11、1M 6=0C=1000uF，開關頻率Ts =10kHz。電壓環(huán)參數(shù)：比例系數(shù)K pu =0.15，Kiu =5.7。電流環(huán)參數(shù)：Kpi =1.4，Kii =91。額定負載18，輸出功率約為1kW。仿真結果如圖7、圖8所示。圖7給出了A相在穩(wěn)態(tài)下輸入電壓和輸入電流的波形，從圖中可以看出輸入電流基本接近正弦波，電流波形畸變很小。整流器工作在額定負載下，輸入功率因數(shù)為1。由圖8可看出輸出直流電壓在幾乎沒有超調的情況下實現(xiàn)了較快的動態(tài)響應，紋波小，上下波動小。（10）當T 1+T 2>T S ，則過飽和，要做歸一化處理。T CS T 1=T 1T +T 12T =T T CS22T 1+T 2

12、（11）在Simulink里面具體的實現(xiàn)模型如圖5所示：U /VI /At/s圖7 A相輸入電壓和電流波形（單位V/A）U /V圖5 相鄰空間電壓矢量的時間判斷模型t/s4A、B、C三相對應的開關時刻表。先定義變量Ta、Tb、Tc，根據(jù)空間矢量所在的扇區(qū)不同，功率管的切換時間如表2：T s T 1T 2T a =4T T b =T a +1 2T 2T c =T b +2圖8 輸出直流電壓波形圖（單位V）以上仿真結果說明，交流側電流畸變小，輸出電壓可以很快達到穩(wěn)定，交流側電壓電流可以達到同相位，最終實現(xiàn)高功率因數(shù)運行。（12）五、結論本文建立了三相電壓型SVPWM整流器的仿真模型，采用簡化的S

13、VPWM算法進行調制，通過仿真對整個系統(tǒng)進行了分析，仿真結果表明以上設計方法的正確性。三相電壓型SVPWM整流器實現(xiàn)了交流側電流的正弦化，可以運行于單位功率因數(shù)，實現(xiàn)能量的雙向流動，有著廣泛且重要的應用領域。參考文獻張興PWM整流器及其控制M北京：機械工1 張崇巍，業(yè)出版社，2003.2 方宇高功率因數(shù)可逆PWM 變換器及其數(shù)字控制研究D南京航空航天大學，20083 馬皓，郎蕓萍空間矢量簡化算法在三相PWM 電壓型整流器中的應用J浙江大學學報，2006，40（1）. 4 王儒，方宇，邢巖三相高功率因數(shù)PWM 變換器可逆運行研究J電工技術學報，2007，22（8）.5 徐金榜三相電壓源PWM 整流器控制技術研究D華中科技大學，2004.6 A Fast Algorithm for SVPWM in Three Phase Power FactorCorrection ApplicationDIEEE Power Electronics Spe-cialists Conference，2004，（35）. 王玲（1984-），女，江蘇人，淮安信息職業(yè)技術作者簡介：學院助教，碩士，研究方向：電力電子