1、基于DQ變換的三相PWM整流器控制方案研究及仿真 摘要：本文采用DQ坐標變換對三相電壓型PWM整流器進行建模，在此基礎上分析了相應的控制策略，并對其進行了仿真，給出了仿真結果。關鍵詞：DQ變換，控制策略，仿真 1 前言傳統的晶閘管或二極管整流器存在如下的缺點：輸入電流諧波含量高；輸入功率因數低；整流器效率低；交流側電網電壓畸變嚴重。而具有功率因數矯正的PWM整流器具有輸入電流正弦化，諧波含量低，功率因數高等優點，已成為電力電子學研究的熱點之一。一般的三相PWM整流器通常采用直接的電壓和電流雙閉環控制方式，這樣的控制用模擬電路實現簡單，但難以建立起精確的模型，對控制環的參數設計也比較復雜。本文采

2、用DQ坐標變換對三相電壓型PWM整流器進行建模，將三相的平衡電量變為直流量，在此基礎上給出了相應的控制策略，并對其進行了仿真，給出了仿真結果。2 DQ坐標系下三相PWM整流器模型【1】 三相電壓型PWM整流器的拓撲如圖1所示： 圖1 三相電壓型PWM整流器由圖1已知，、為三相輸入電壓源，為三相輸入電流，為輸出直流電流，為輸出直流電壓，L為三相的輸入電感，為三相開關函數，C為輸出電容，R為負載。 對于三相電壓型PWM整流器，有下列關系成立： （1） （2）其中，且。 （3） （4）對照整流器拓撲，可寫出交流側的狀態方程： （5）另外，直流側的方程如下： （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）得到三相坐標系下的PWM整流器的模型： （9）由模型可知，其中包含三相電量的交流分量，這對控制策略的精確設計增加了困難。下面將用DQ坐標變換對此模型進行簡化。應用DQ坐標變換關系及關系式，由上式（9）得到經DQ坐標變換后的三相PWM整流器模型： （10）由上式即可得到DQ坐標系三相電壓型PWM整流器模型的等效電路，如圖2所示。 圖 2 DQ坐標系三相電壓型PWM整流器模型等效電路在此模型下，所有的變量都已變為直流量，這樣便于我們對控制環進行精確設計。3 基于DQ變換的控制方案 上面我們得出了在DQ坐標系下的三相PWM整流器的等效模型，由此得出基于

4、DQ變換的控制方案的流程框圖，如圖3所示。 圖3 基于DQ變換的控制方案框圖 此控制方案是將三相輸入電流進行DQ坐標變換，得到直流電流反饋信號。為了實現調壓目的，讓去跟蹤電壓外環輸出來的直流信號；為了實現高功率因數的目的，讓盡量趨近于0，消除電流中的無功分量。下面分別對電壓外環和電流內環進行分析。31 電流內環分析由上面可以看到，電流內環實際上是對直流量進行調解。為了更好的實現調壓目的和高功率因數目的，讓跟蹤電壓外環輸出來的直流信號和趨近于0，電流環的調節器可采用PI調節器，由文獻【2】得電流內環的PI控制原理框圖，如下圖3所示。 圖3 電流內環控制原理框圖由此可得電流內環的傳遞函數： （11

5、）可見，這是個二階系統，在實際的設計中，可借助仿真的工具來進行設計、調節。在設計中，的電流調節器應取的參數一樣。32 電壓外環的分析電壓調節器做為外環調節，可以穩定輸出的直流電壓。根據文獻【3】獲得整流器系統輸入電流和輸出直流電壓之間的傳遞函數： （12）其中，為整流器的輸入電阻，為輸入電壓的有效值。采用此模型分析，考慮系統處于穩態運行，無功電流分量近似為0，因而在電流閉環作用下，動態過程中變化很小。在直流電壓發生較大變化前，已完成了其暫態過程到達到0。因此設計時不考慮的影響。將電壓外環加上電流內環合并，得到下圖4所示的電壓控制框圖。 圖4 電壓控制框圖：由圖4可以得到電壓外環的傳遞函數： （

6、13）這樣就便于我們在仿真中對控制環的PI參數進行設計、調節。33 PWM產生方案采用的還是SPWM的調制方式。將D軸和Q軸兩電流環調節得到的信號再經過DQ的反坐標變換，產生相應的正弦波，使其與一固定頻率的三角波相比較來得到SPWM波。這種SPWM方案具有開關頻率固定的優點。此外，由于上下橋臂的開關函數互補，符合前面的系統的建模，使得系統的性能分析包括輸入電流諧波分析，輸出電壓諧波分析，輸入誤差電流分析等很方便。而且這于逆變器的SPWM控制相似，可參考逆變器中的理論對系統進行一些分析。其實現框圖如下圖5所示。 圖5 PWM產成方案4 仿真試驗 采用SABER軟件對上面所制定的三相電壓型PWM整

7、流器進行了仿真。仿真參數為：輸入電壓：三相400HZ115V(相電壓)正弦輸入輸入電感：0.7mH輸出電容：2200uF額定的直流電壓為：400V輸出功率：4KVA開關頻率：20KHZ仿真選取的控制參數：電壓環P=4,I=2000；電流環P2，I100。SABER仿真框圖如下圖6所示： 圖6 SABER仿真框圖仿真結果波形如下圖710所示： 圖7 輸出電壓 圖8 A相輸入電壓/10與A相輸入電流 圖9 三相的輸入電流 圖10 電流中的無功分量由仿真結果波形圖可知，輸出直流電壓穩定的很快，大概在10個ms的時間，且超調量小，只有31V，電壓紋波很小。輸入電流很好的實現了正弦化，而且與輸入電壓同步的很好。將調整后的三相電流再經過DQ變換，發現其無功分量幾乎是0，很好的抑制了無功，做到了很高的功率因數。5 結論本文用DQ變換對三相PWM整流器進行建模，并在此基礎上提出了基于DQ變換的控制方案，最后用SABER軟件對方案進行了仿真，給出了仿真結果波形，驗證了方案的正確性，為后續的硬件試驗研究提供了可靠的依據。參考文獻【1】 徐德鴻 電力電子系統建模及控制 機械工業出版社【2】 朱永亮、馬惠、張宗濂 三相高功率因數PWM整流器雙閉環控制系統設計 電力自動化設備 第26卷11