1、 河南理工大學畢業(yè)設計 摘 要隨著社會的高速發(fā)展，電能在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民日常生活中發(fā)揮著起來越重要的作用，然而與之同時與國民生產(chǎn)生活密切相關的電力電子換流裝置，如變頻器、高頻開關電源、逆變電源等各種換流裝置在廣泛的運用中給電網(wǎng)帶來了大量的無功功率與嚴重的諧波污染。隨著電力電子技術的發(fā)展，具有網(wǎng)側電流接近正弦波、功率因數(shù)近似為1、直流側輸出電壓穩(wěn)定、抗負載擾動能力強并且能夠在四象限運行的PWM整流器應運而生，成功地取代了不可控二極管整流器和相控的晶閘管整流器，并成為電力電子技術研究的熱點。本言研究的主要對象就是應用最為廣泛的三相電壓型PWM整流器。首先，本文介紹了PWM整流器研究的背景與意義，綜

2、述了PWM技術的發(fā)展及現(xiàn)狀，引出了三相電壓型PWM整流器，并分析了三相電壓型PWM整流器的工作原理，并在此基礎上建立了其在ABC三相靜止坐標系、d-q同步旋轉坐標系和-兩相靜止坐標系三個不同坐標系下的數(shù)學模型。其次，本文對PWM整流器的電流控制策略進行了深入的研究，分析了間接電流控制和直接電流控制的優(yōu)缺點，確定了采用直接電流控制，并對雙閉環(huán)控制器及PWM整流器主回路參數(shù)進行了系統(tǒng)的設計；引入了電壓空間矢量，闡述了空間電壓矢量控制的控制算法。最后，本文在理論分析的基礎上，利用MTALAB提供的電力電子工具箱，在Simuink仿真環(huán)境下建立了三相VSR型PWM整流器主回路及控制器的模型并進行了仿真

3、實驗，通過對仿真結果的分析，表明了該方案能夠滿足網(wǎng)側電流近似正弦和高功率因數(shù)的要求，驗證了方案的正確性和可行性。關鍵詞：三相電壓型PWM整流器；直接電流控制；雙閉環(huán)控制；電壓空間矢量PWM；Matlab仿真 ABSTRACT With the rapid development of modern society,the power in modern industry plays an increasingly important role,but in the national production and life are closely related with the power e

4、lectronic converter devices,such as the frequency converters,high-frequency switching power supplies,power inverters and other various converters the use of the device will give our power grid to bring a lot of unfavorable factors,such as a large amount of reactive power and harmonic,low power facto

5、r,or even cause severe electromagnetic pollution,resulting in the use of other equipments are not normal in same network.With the development of power electronic and PWM technology, the rectifier has the characteristics of high power factor,harmonic minor,DC output voltage stability and has operate

6、in the four-quadrant,etc.It becomes a green power conversion device.Therefore,the main research subject of this paper is the three-phase voltage source PWM rectifier. Firstly,the article introduces the background and significance of the PWM rectifier's research,overviews PWM technology's dev

7、elopment history and status,raises the three-phase voltage source PWM rectifier,and analysed the working principle of three-phase voltage source PWM rectifier,on this basis established its mathematical model on ABC static coordinate system,d-q synchronous rotating reference frame and - two-phase sta

8、tic coordinate system three different coordinate system ,in addition. Secondly,this article researches current control strategy of PWM rectifier in depth,analyse s the shortcoming and advantage between indirect-current control and direct current control, make a decision of employment of direct curre

9、nt control based on fixed switching frequency,and systematic designs parameter of double closed loop controller and PWM converter main circuit parameters.Bring in Voltage Space Vector ,and overview the arithmetic of it Finally,In the foundation of theory analysis ,using Power Electric toolbox offere

10、d by MATLAB to finish the simulation experiment under Simulink environment and to verify systematic exactness and feasibility by analysing the simulation results.Keywords：Three-phase Voltage Source PWM Rectifiers;Direct current control;Double loop control;Space Vector PWM;dual-loop control system;Ma

11、tlab simulation 目錄1 緒論11.1 PWM整流器研究的背景與意義11.2 PWM整流器的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)狀21.2.1 PWM整流器的產(chǎn)生21.2.1電流型PWM整流器21.2.3電壓型PWM整流器31.2.4 PWM整流器的發(fā)展現(xiàn)狀41.3本課題研究的主要內(nèi)容52 三相VSR原理分析與建模62.1 三相VSR的拓撲結構62.2 PWM基本原理分析62.3 三相VSR的數(shù)學模型92.3.1 三相VSR在三相靜止坐標系的數(shù)學模型92.3.2 三相VSR d-q模型的建立123 三相VSR控制系統(tǒng)設計173.1 VSR的電流控制173.1.1 間接電流控制173.1.2直接電流控制1

12、83.2三相VSR雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計193.2.1 電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)設計203.2.2 電壓外環(huán)控制系統(tǒng)設計233.2三相PWM整流器參數(shù)的設計233.2.1 交流側電感的設計233.2.2 直流側電容的設計284 三相VSR的空間矢量控制304.1 三相VSR空間矢量PWM 控制的基本原理304.2三相VSR空間電壓矢量分布304.3 SVPWM整流器的控制算法324.3.1 扇區(qū)的確定334.3.2 矢量作用時間的確定334.3.3開關矢量的確定375 Matlab 仿真405.1 基于空間電壓矢量的直接電流控制的三相VSR PWM整流器的仿真405.1.1 基于空間電壓矢量PWM波生成

13、模塊simulink模型建立405.1.2 PWM整流器的主回路及控制系統(tǒng)simulink模型的建立425.2 PWM整流器仿真波形456 總結與展望48致謝49參考文獻501 緒論1.1 PWM整流器研究的背景與意義 隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪校芏鄨龊隙茧x不開對電的需求，但是由于近些年來煤炭、石油、天然氣等不可再生能源不斷地被大量過度地開采，有專家預測在未來的80多年以后，人類將再無這些能源可以使用，人類將面臨能源枯竭的尷尬境地，隨之而來將會引起人們對電能的恐慌。 如何更好的節(jié)約能源，開發(fā)環(huán)保和可持續(xù)利用的新能源成了當今世界亟待解決的問題，特別是與國民生產(chǎn)生活密

14、切相關的電力電子變換裝置，如變頻器、高頻開關電源、逆變電源等各種變換裝置的研究備受關注。因為這些變換裝置大量被使用的同時，必定會帶來一些不利因素：在這些大部分變換裝置使用中首先需要整流環(huán)節(jié)將交流電壓轉換成直流電壓，而整流環(huán)節(jié)主要是通過功率二極管或者晶閘管組成的整流電路；這種方式在交流側容易造成電流波形畸變，并向電網(wǎng)注入大量的無功功率和諧波，將會給電網(wǎng)造成嚴重的電磁污染，以致影響同網(wǎng)其他設備的正常使用，同時還存在功率因數(shù)低、直流電壓波動等問題，所以既能有效治理電網(wǎng)污染并提高電能利用率，又能環(huán)保節(jié)能的綠色能源措施越來越受到眾多研究組織的關注和重視。 能夠有效解決變換裝置所帶來的負面效應的根本措施就

15、是需要求變換裝置實現(xiàn)整流環(huán)節(jié)網(wǎng)側電流達到正弦化，工作于單位功率因數(shù)等特性。一般來說，要想能夠消除電網(wǎng)諧波且獲得高功率因數(shù)的途徑，主要有兩種：一種是在系統(tǒng)中加入補償器，如靜止無功補償器(Static Var Compensator)、有源電力濾波器(Active Power Filter)等達到補償無功功率和諧波的目的；一種是改進整流環(huán)節(jié)的裝置，優(yōu)化電路拓撲結構和控制算法，使自身實現(xiàn)抑制諧波并可調(diào)節(jié)功率因素的效能。 隨著現(xiàn)代電力電子技術的進步與飛速發(fā)展，功率半導體器件的性能也在逐步地提高，特別是全控型功率開關器件的不斷出現(xiàn)，以及 PWM控制技術的應用，使PWM 整流器得以誕生。PWM 整流器采用

16、的是全控開關器件，電路結構簡單，工作頻率高且容易實現(xiàn)，通過控制開關器件的通斷就可以控制整流器輸入的電流波形，實現(xiàn)電壓電流同相位或反相位，網(wǎng)側功率因數(shù)近似達到1，諧波含量少，直流側電壓可控，并且這種結構的整流器能在四象限運行，可以工作在整流或逆變狀態(tài)，是真正意義上的綠色裝置，因此對 PWM 整流器的控制研究意義重大。1.2 PWM整流器的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 PWM整流器的產(chǎn)生 1957年，美國通用電氣公司研制出第一個商用晶閘管，標志著電力電子技術的誕生。它由于能夠根據(jù)不同的用電場合，完成交直、交交、直交、直直的電能形式的變換，滿足生產(chǎn)與生活的需求，在此后的幾十年間得到大規(guī)模的應用。 八十年

17、代初，隨著對電力電子裝置產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響的認識不斷加深，一些學者開始研究如何提高功率因數(shù).Bellini和Figalli首先用GTO實現(xiàn)了真正意義上的單相PWM整流器，其功率因數(shù)接近1。到了80年代后期，由于GTR的普遍應用以及IGBT的大量使用促使PWM整流器向高頻化發(fā)展，高頻化可以大大提高了交流輸入電流波形的正弦度，減少了直流輸出電壓紋波，提高了功率因數(shù)，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PWM整流器按直流儲能形式可分為電壓型和電流型；按電網(wǎng)相數(shù)可分類為單相電路、三相電路和多相電路；按PWM開關調(diào)制可分為硬開關調(diào)制和軟開關調(diào)制；按橋路結構可分類為半橋電路和全橋電路；按調(diào)制電平可分為兩電平電路、

18、三電平電路和多電平電路。盡管分類方法多種多樣，但最基本的分類方法就是將PWM整流器分類成電壓型和電流型兩大類，這主要是因為電壓型、電流型PWM整流器，無論是在主電路結構、PWM信號發(fā)生以及控制策略等方面均各有各自的特點，并且兩者間存在電路上的對偶性。其他分類方法就主電路拓撲結構而言，均可歸類于電流型或電壓型PWM整流器之列。1.2.1電流型PWM整流器 CSR(電流型PWM整流器)的顯著特征是直流側采用電感進行直流儲能，從而使CSR直流側呈現(xiàn)高阻抗的電流源特性。常采用的CSR結構有單相和三相。除直流儲能電感外，與VSR相比，其交流側增加了濾波電容，作用是與網(wǎng)側電感一起組成LC三階低通濾波器，以

19、慮除CSR網(wǎng)側諧波電流，并抑制CSR交流側諧波電壓。CSR功率開關管支路上順向串聯(lián)二極管，其主要目的是阻斷反向電流(一般大功率開關管大都集成有反并聯(lián)二極管)，并提高功率開關管的反向耐壓能力。三相電流型PWM整流器的結構圖如下：圖1-1 三相CSR拓撲結構1.2.3電壓型PWM整流器 電壓型PWM整流器(Voltage Source Rectifier.VSR)最顯著拓撲特征就是直流側采用電容進行直流儲能，從而使VSR直流側呈低阻抗的電壓源特性。由于其電路結構簡單，便于控制，響應速度快，成為目前研究及實際應用較多的整流類型。電壓型PWM整流器有以下幾種拓撲結構：單相半橋、全橋VSR拓撲，三相半橋

20、、全橋VSR拓撲結構、三電平VSR拓撲結構和基于軟開關調(diào)制的VSR拓撲結構。其中三相電壓型PWM整流器就是本文研究的對象。圖1-2給出了三相半橋拓撲結構。通常所謂的三相橋式電路即指三相半橋電路。關于三相PWM整流器的工作原理將在下一節(jié)中專門論述。三相電壓型PWM整流器也是本文進行電路建模、參數(shù)計算和控制器設計的基礎。 圖1-2三相半橋VSR拓撲結構1.2.4 PWM整流器的發(fā)展現(xiàn)狀PWM整流器的研究始于20世紀80年代，這一時期由于自關斷器件的日趨成熟及應用，推動了PWM技術的應用與研究。1982年Busse Alfred,Holtz Joachim首先提出了基于可關斷器件的三相全橋PWM整流

21、器拓撲及其網(wǎng)側電流幅相控制策略，并實現(xiàn)了電流型PWM整流器網(wǎng)側單位功率因數(shù)正弦波電流控制。1984年Akagi Hirofumi等提出了基于PWM整流器拓撲的無功補償器控制策略，這實際上就是電壓型PWM整流器早期設計思想。到20世紀80年代末，隨著A. W. Green等人提出了基于坐標變換的PWM整流器連續(xù)離散動態(tài)數(shù)學模型及控制策略，PWM整流器的研究發(fā)展到一個新的高度。自20世紀90年代以來，PWM整流器一直是學術界關注和研究的熱點。隨著研究的深人，基于PWM整流器拓撲結構及控制的拓展，相關的應用研究也發(fā)展起來，如有源濾波器、超導儲能、交流傳動、高壓直流輸電以及統(tǒng)一潮流控制等，這些應用技術

22、的研究，又促進了PWM整流器及其控制技術的進步和完善。這一時期PWM整流器的研究主要集中于以下幾個方面: 1) PWM整流器的建模與分析;2)電壓型PWM整流器的電流控制;3)主電路拓撲結構研究;4)系統(tǒng)控制策略研究;5)電流源型PWM整流器研究; 當前主要的研究領域有如下五個方面:1.關于PWM整流器的建模研究2.關于電壓型PWM整流器的電流控制策略研究3.關于PWM整流器拓撲結構的研究4. PWM整流器系統(tǒng)控制策略的研究 隨著PWM整流器及其控制策略研究的深入，研究人員相繼提出了一些較為新穎的系統(tǒng)控制策略，分述如下: （1）無電網(wǎng)電動勢傳感器及無網(wǎng)側電流傳感器控制 （2）基于Lyapuno

23、v穩(wěn)定性理論的PWM整流器控制 （3）PWM整流器的時間最優(yōu)控制 （4）電網(wǎng)不平衡條件下的PWM整流器控制1.3本課題研究的主要內(nèi)容 由于三相電壓型PWM整流器具有電路結構簡單，控制性能優(yōu)良， 可運行于四象限，工作在單位功率因數(shù)的狀態(tài)下，諧波含量少，符合環(huán)保節(jié)能的要求，所以本文選擇三相電壓型PWM整流器為課題，主要研究以下幾個方面內(nèi)容： (1)對所研究的三相電壓型 PWM 整流器拓撲結構及工作原理進行深入分析，對整流和逆變狀態(tài)下的電流換流過程進行分析，并根據(jù)系統(tǒng)要求對主電路的參數(shù)進行設計選取。 (2)根據(jù)系統(tǒng)的主電路結構，對三相電壓型 PWM 整流器在三相靜止坐標系與d-q同步旋轉坐標系下進行

24、數(shù)學模型推導，并對系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)進行設計，對電壓空間矢量調(diào)制進行了分析。 (3)利用MATLABsimulink設計了電網(wǎng)平衡下 PWM整流器的仿真模型，最后搭建了實驗平臺，對電網(wǎng)平衡狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)整流進行了實驗，對仿真和實驗結果進行分析研究。 (4)最后對本文進行全文總結，對下一步工作研究展望做簡要敘述。 2 三相VSR原理分析與建模2.1 三相VSR的拓撲結構電壓型PWM整流器(Voltage Source Rectifier.VSR)最顯著拓撲特征就是直流側采用電容進行直流儲能，從而使VSR直流側呈低阻抗的電壓源特性。圖1-2給出了三相半橋拓撲結構。通常所謂的三相橋式電路即指三相半橋

25、電路。三相電壓型PWM整流器也是本文進行電路建模、參數(shù)計算和控制器設計的基礎。三相電壓型PWM整流器的拓撲結構如圖2-1，圖中、為三相對稱電源相電壓；、為三相線電流；、分別是絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管；為直流電壓；R、L為濾波電抗器的電阻和電感；C為直流側電容；為負載；為負載電流。 圖2-1三相半橋VSR拓撲結構2.2 PWM基本原理分析從電力電子技術發(fā)展來看，整流器是較早應用的一種AC/DC變換裝置。整流器的發(fā)展經(jīng)歷了由不控整流器(二極管整流)、相控整流器(晶閘管整流)到PWM整流器(可關斷功率開關)的發(fā)展歷程。傳統(tǒng)的相控整流器，雖應用時間較長，技術也較成熟，且被廣泛使用，但仍然存在以下

26、問題: （1）晶閘管換流引起網(wǎng)側電壓波形畸變; （2）網(wǎng)側諧波電流對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波“污染”; （3）深控時網(wǎng)側功率因數(shù)降低; （4）閉環(huán)控制時動態(tài)響應相對較慢。雖然二極管整流器，改善了整流器網(wǎng)側功率因數(shù)，但仍會產(chǎn)生網(wǎng)側諧波電流以“污染”電網(wǎng);另外二極管整流器的不足還在于其直流電壓的不可控性。針對上述不足，PWM整流器已對傳統(tǒng)的相控及二極管整流器進行了全面改進。其關鍵性的改進在于用全控型功率開關取代了半控型功率開關或二極管，以PWM斬控整流取代了相控整流或不控整流。因此，PWM整流器可以取得以下優(yōu)良性能: （1）網(wǎng)側電流為正弦波;（2）網(wǎng)側功率因數(shù)控制(如單位功率因數(shù)控制);（3）電能雙向傳輸;

27、（4）較快的動態(tài)控制響應。顯然，PWM整流器已不是一般傳統(tǒng)意義上的AC/DC變換器。由于電能的雙向傳送，當PWM整流器從電網(wǎng)吸取電能時，其運行于整流工作狀態(tài);而當PWM整流器向電網(wǎng)傳輸電能時，其運行于有源逆變工作狀態(tài)。所謂單位功率因數(shù)是指：當PWM整流器運行于整流狀態(tài)時，網(wǎng)側電壓、電流同相(正阻特性);當PWM整流器運行于有源逆變狀態(tài)時，其網(wǎng)側電壓、電流反相(負勝特性)。進一步研究表明，由于PWM整流器其網(wǎng)側電流及功率因數(shù)均可控，因而可被推廣應用于有源電力濾波及無功補償?shù)确钦髌鲬脠龊稀?圖2-2 PWM整流器模型電路圖PWM整流器實際上是一個交、直流側可控的四象限運行的變流裝置。為便于理解

28、，以下首先從模型電路闡述PWM整流器的原理。圖2-2為PWM整流器模型電路，可以看出:PWM整流器模型電路由交流回路、功率開關管橋路以及直流回路組成。其中交流回路包括交流電動勢e以及網(wǎng)側電感L等;直流回路包括負載電阻及負載電動勢等;功率開關管橋路可由電壓型或電流型橋路組成。當不計功率開關管橋路損耗時，由交、直流側功率平衡關系得 式中 v 、i是模型電路交流側電壓、電流;、是模型電路直流側電壓、電流。由上式不難理解，通過模型電路交流側的控制，就可以控制其直流側，反之也成立。以下著重從模型電路交流側入手，分析PWM整流器的運行狀態(tài)和控制原理。 （a） (b) (c) (d)圖2-3 PWM整流器交

29、流側穩(wěn)態(tài)矢量關系穩(wěn)態(tài)條件下，PWM整流器交流側矢量關系如圖2-3所示。為簡化分析，對于PWM整流器模型電路，只考慮基波分量而忽略PWM諧波分量，并且不計交流側電阻。這樣可從圖2-3分析:當以電網(wǎng)電動勢矢量為參考時，通過控制交流電壓矢量V即可實現(xiàn)PWM整流器的四象限運行。若假設不變，因此也因此不變，在這種情況下，PWM整流器交流電壓矢量端點運動軌跡構成了一個以為半徑的圓。當電壓矢量端點位于圓軌跡A點時，電流矢量比電動勢滯后90度，此時PWM整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)電感特性，如圖2-3a所示;當電壓矢量端點運動至圓軌跡B端點時，電流矢量與電動勢矢量平行且同向，此時PWM整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)正電阻特性，如圖2-3b

30、所示;當電壓矢量端點運動至圓軌跡C點時，電流矢量比電動勢矢量超前90度，此時PWM整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)純電容特性，如圖2-3c所示;當電壓矢量端點運動至圓軌跡D點時，電流矢量與電動勢矢量平行且反向，此時PWM整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)負阻特性，如圖2-3d所示。以上，A, B, C, D四點是PWM整流器四象限運行的四個特殊工作狀態(tài)點，進一步分析，可得PWM整流器四象限運行規(guī)律如下:(1) 電壓矢量端點在圓軌跡AB上運動時，PWM整流器運行于整流狀態(tài)。此時，PWM整流器需從電網(wǎng)吸收有功及感性無功功率，電能將通過PWM整流器由電網(wǎng)傳輸至直流負載。值得注意的是，當PWM整流器運行在B點時，則實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流控制

31、;而在A點運行時，PWM整流器則不從電網(wǎng)吸收感性無功功率，而只從電網(wǎng)吸收有功功率 (2)當電壓矢量端點在圓軌跡BC上運動時，PWM整流器運行于整流狀態(tài)。此時，PWM整流器需從電網(wǎng)吸收有功及容性無功功率，電能將通過PWM整流器由電網(wǎng)傳輸至直流負載。當PWM整流器運行至C點時，PWM整流器將不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只從電網(wǎng)吸收容性無功功率。(3)當電壓矢量端點在圓軌跡CD上運動時，PWM整流器運行于有源逆變狀態(tài)。此時PWM整流器向電網(wǎng)傳輸有功及容性無功功率，電能將從PWM整流器直流側傳輸至電網(wǎng)。當PWM整流器運行至D點時，便可實現(xiàn)單位功率因數(shù)有源逆變控制。(4)當電壓矢量端點在圓軌跡DA上運動時，

32、PWM整流器運行于有源逆變狀態(tài)。此時，PWM整流器向電網(wǎng)傳輸有功及感性無功功率，電能將從PWM整流器直流側傳輸至電網(wǎng)。實現(xiàn)四象限運行的控制方法有:1、 可以通過控制PWM整流器交流側電壓，間接控制網(wǎng)側電流; 二、可以通過網(wǎng)側電流的閉環(huán)控制直接控制PWM整流器的網(wǎng)側電流。2.3 三相VSR的數(shù)學模型2.3.1 三相VSR在三相靜止坐標系的數(shù)學模型 所謂三相VSR一般數(shù)學模型就是根據(jù)三相VSR拓撲結構，在三相靜止坐標系(a,b,c)中利用電路基本定律(基爾霍夫電壓、電流定律)對VSR所建立的一般數(shù)學描述。三相VSR拓撲結構上圖2-1所示。針對三相VSR一般數(shù)學模型的建立，通常作以下假設: （1）電

33、網(wǎng)電動勢為三相平穩(wěn)的純正弦波電動勢(, ,); （2）網(wǎng)側濾波電感是線性的，且不考慮飽和; （3）功率開關損耗以電阻，表示，即實際的功率開關可由理想開關與損耗電阻，串聯(lián)等效表 （4）為描述VSR能量的雙向傳輸，三相VSR其直流側負載由電阻和直流電勢串聯(lián)表示。由上述假設得到三相電壓型PWM整流器的主電路數(shù)學模型如圖2-4所示。圖中、為三相對稱電源相電壓(在圖中用e(t)表示)；、為三相線電流；為直流電壓；、為濾波電抗器的電阻和電感；為直流側電容；為負載；為負載電流。、為整流器的開關函數(shù)。圖2-4 三相整流器的主電路數(shù)學模型 根據(jù)三相VSR特性分析需要，三相VSR一般數(shù)學模型的建立可采用開關函數(shù)描

34、述的一般數(shù)學模型，采用開關函數(shù)描述的一般數(shù)學模型是對VSR開關過程的精確描述，較適合于VSR的波形仿真。 以三相VSR拓撲結構為例，建立采用開關函數(shù)描述的VSR一般數(shù)學模型，如圖2-4所示，當直流電動勢=0時，直流側為純電阻負載，此時三相VSR只能運行于整流模式，當，三相VSR既可運行于整流模式，又可運行于有源逆變模式當運行于有源逆變模式時，三相VSR將:所發(fā)電能向電網(wǎng)側輸送，有時也稱這種模式為再生發(fā)電模式;當。當時，三相VSR也只能運行于整流模式。為分析方便，首先定義單極性二值邏輯開關函數(shù)為 （2-1），表示上橋臂導通，下橋臂關斷；，表示上橋臂關斷，下橋臂導通。 將三相VSR功率管損耗等值電

35、阻R，同交流濾波電感等值電阻合并，且令,采用基爾霍夫電壓定律建立三相VSR a相回路方程 （2-2）當導通而關斷時，Sa=1，且;當關斷而導通時，開關函數(shù)Sa=0，且=0，所以，式(2-2)改寫成 （2-3） 同理，可得b相, c相方程如下： （2-4） （2-5）考慮到三相對稱系統(tǒng)， （2-6） 聯(lián)立式（2-3）式（2-6），則 （2-7） 在圖2-3中，任何瞬間總有三個開關管導通，其開關模式有8種，因此，直流側電流可描述為 （2-8） 另外，對直流側電容正極節(jié)點處應用基爾霍夫電流定律，得 （2-9） 聯(lián)立式（2.3）式（2.9）得三相電壓型PWM整流器在三相靜止坐標系（a,b,c)下的開關

36、函數(shù)數(shù)學模型為： （2-10）引入狀態(tài)變量X后，可寫成狀態(tài)變量的表達形式為： （2-11）其中， （2-12） （2-13） （2-14） （2-15） （2-16） （2-17）2.3.2 三相VSR d-q模型的建立前面對三相靜止坐標系（a,b,c）中的VSR一般數(shù)學模型進行研究分析。雖然VSR在abc坐標系下一般數(shù)學模型具有物理意義清晰、直觀等特點，但是在這種模型中，VSR交流側均為具有一定頻率、幅值和相角的正弦時變交流量，因而不利于控制系統(tǒng)的設計。一般的VSR采用電壓電流雙閉環(huán)控制，當電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器時，三相靜止坐標系中的PI調(diào)節(jié)器無法實現(xiàn)電流無靜差控制。通過坐標變換將三相（a,

37、b,c）靜止坐標系轉換成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉的d-q坐標系。通過這樣的變換，靜止坐標系中的基波正弦量將轉化成同步旋轉坐標系中的直流量，對直流給定PI調(diào)節(jié)器則可以實現(xiàn)無靜差控制，從而提高穩(wěn)態(tài)電流控制精度。而且旋轉坐標系中存在有功電流和無功電流的解耦，有利于實現(xiàn)VSR的控制系統(tǒng)的設計。在三相VSR d-q模型建立過程中，常用到兩類坐標變換，一類是將三相靜止對稱坐標系(a,b,c)變換成兩相垂直靜止坐標系(D，Q)；另一類是將三相靜止對稱坐標系(a,b,c)變換成二相同步旋轉坐標系(d，q)，或是將二相靜止垂直坐標系(D，Q)變換成二相同步旋轉坐標系(d，q)，以電流矢量為例，分別討論兩類坐標變換

38、:1三相靜止坐標系(a,b,c)到二相靜止垂直坐標系(D，Q)的變換圖2-5表示了三相靜止坐標系(a,b,c)與二相靜止垂直坐標系(D,Q)的空間位置關系。其中Q軸與a軸重合，而D軸滯后a軸90度相角。若與Q軸間相角為，則在Q-D軸上投影滿足： （2-18） 圖2-5（D、Q）坐標系與（a、b、c）坐標系另外，在a、b、c三軸上的投影為 （2-19）由三角函數(shù)關系及聯(lián)立上式推得 （2-20） 定義零軸分量 （2-21） 聯(lián)立式（2-20）, （2-21）式，并寫成矩陣形式 （2-22）兩相靜止坐標系(D，Q)到兩相兩步旋轉坐標系（d，q）的變換矩陣為 （2-23）2 三相靜止坐標系(a,b,c

39、)到二相同步旋轉坐標系(d, q)的變換在三相電路中，兩相同步旋轉坐標系（d, q）中的q軸分量常表示有功分量，而d軸分量則常用以表示無功分量，如圖2-5所示。 在三相靜止對稱坐標系（a, b, c）中，、分別表示三相電網(wǎng)電動勢矢量和電流矢量，并且、以電網(wǎng)基波角頻率逆時針旋轉。根據(jù)瞬時無功功率理論，在描述三相電量時，將兩相旋轉坐標系（d, q）中q軸與電網(wǎng)電動勢矢量同軸。矢量（q 軸）方向的電流分量 定義為有功電流，而比矢量E滯后相角的軸（ d 軸）方向電流分量定義為無功電流。另外，初始條件下，令 q軸與 a 軸重合。 如圖2-6所示，若令矢量與 a 軸相角為, q 軸與 a 軸相角為，則 （

40、2-24）矢量在a, b, c 三相靜止坐標軸的投影為 （2-25） 圖-6 坐標系（d,q) 坐標系（a,b,c）及矢量分解定義零軸分量為 （2-26） 聯(lián)立上式可得 （2-27）式中旋轉變量矩陣 （2-28）經(jīng)過數(shù)學分析得三相VSR在兩相dq同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型為： （2-29） 3 三相VSR控制系統(tǒng)設計通過第2章對三相電壓型PWM整流器的工作原理分析，得出了通過控制網(wǎng)側的輸入電流，就可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)和PWM整流器四象限里運行，所以對網(wǎng)側的電流控制也是對整個系統(tǒng)控制的關鍵。此外，在實際應用中，還需要穩(wěn)定直流側的電壓，對這一目標采用電壓外環(huán)的控制加以實現(xiàn)。3.1 VSR的電流控制

41、VSR的建模及工作原理分析表明，當其正常工作時，在能夠穩(wěn)定直流側電壓的同時，實現(xiàn)網(wǎng)側在受控功率因數(shù)條件下的正弦波形電流控制。另一方面，當VSR應用于有源電力濾波器等領域時，對其網(wǎng)測電流的控制決定了系統(tǒng)性能的指標的優(yōu)劣。因此，VSR的電流控制策略是十分重要的。常規(guī)的VSR控制系統(tǒng)一般采用雙閉環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制。目前，VSR電流控制技術根據(jù)是否引入電流閉環(huán)，分為兩大類，即間接電流控制和直接電流控制。3.1.1 間接電流控制 間接電流控制或被稱為相位幅值控制，顧名思義它不是直接對電流控制，其實質(zhì)是通過PWM的控制，在整流器交流器產(chǎn)生幅值和相位都能夠控制的正弦電壓，并使該電壓與電網(wǎng)電壓通

42、過對電感的作用，形成幅值和相位也能夠控制的正弦基波電流，從而達到控制電流的目的。盡管間接電流控制的動態(tài)性能欠佳，但因其控制簡單、成本低廉，在對PWM整流器動態(tài)性能要求不高的場合，間接電流控制仍然有一定的應用前景。應用SPWM技術，通過對調(diào)制電壓的控制就可以實現(xiàn)對整流器輸入電壓相位和幅值的調(diào)節(jié)。為了穩(wěn)定輸出電壓，間接電流控制需要引入電壓閉環(huán)反饋。間接電流控制原理框圖如圖3-1。 圖3-1 間接電流控制原理框圖當整流器負載波動時，通過調(diào)節(jié)輸入電壓的幅值和相位按一定的軌跡移動，可以使整流器重新達到穩(wěn)態(tài)且輸入功率因數(shù)保持不變。實際上，間接控制策略的目標就是根據(jù)檢測到的輸出電壓和電網(wǎng)電壓信號，控制整流器

43、輸入電壓矢量按需要的軌跡移動。間接電流控制雖有一定的應用空間，但其缺點卻是不可忽略的。其缺點如下：（a） 系統(tǒng)動態(tài)性能不佳，整流器的輸入電感具有較大時間常數(shù)，而幅相控制沒有采取任何措施補償電感的時滯作用；（b） 動態(tài)過程中存在直流電流偏移和很大的電流過沖，而控制器本身沒有限流功能，因而需要有過流保護；（c） 控制信號的運算過程中乃至電路的參數(shù)，控制信號對系統(tǒng)參數(shù)的波動較為敏感。 針對上述缺點，有一些改進的辦法，比如引入電流微分或動態(tài)解耦的串聯(lián)補償，利用零極點對消的原理可心改善整流器的電流響應特性，在間接電流控制基礎上增加功率因數(shù)角閉環(huán)，通過模糊控制器對交流側電壓幅值和相位進行前饋補償，可心使P

44、WM整流器在電網(wǎng)電壓波動或電路參數(shù)變化等擾動下保護單位功率因數(shù)和穩(wěn)定的直流輸出電壓。這些改進方案的提出，可以促進間接電流控制實用化。3.1.2直接電流控制VSR直接電流控制是針對VSR間接電流控制的不足(動態(tài)響應慢、對參數(shù)敏感)而提出來的。這種直接電流控制與間接電流控制在結構上的主要差別在于，前者具有網(wǎng)側電流閉環(huán)控制，而后者則無網(wǎng)側電流閉環(huán)控制，同時也使網(wǎng)側電流控制對系統(tǒng)參數(shù)不敏感，從而增強了電流控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對網(wǎng)壓而言，電流內(nèi)環(huán)實質(zhì)起到前饋作用；控制電路具有限流保護能力，由于系統(tǒng)在每一個載波周期都對電流進行比較，因此故障情況下過電流保護迅速，可靠性高。直接電流控制方案物理意義清晰，控制電

45、路簡單，控制效果良好。直接電流控制中雙閉環(huán)控制是目前應用最廣泛，最實用化的控制方式，其中電壓外環(huán)是控制直流側電壓的，并給電流內(nèi)環(huán)提供指令電流；電流內(nèi)環(huán)則根據(jù)指令電流進行電流快速跟蹤控制。由于VSR電流內(nèi)環(huán)性能不僅影響直流側電壓響應，而且當VSR應用于諸如有源電力濾波器(APF)等領域時，其網(wǎng)側電流的控制性能便決定了系統(tǒng)性能指標的優(yōu)劣，因而VSR直接電流控制策略的研究引起了學術界廣泛關注，先后提出了固定開關頻率PWM電流控制、滯環(huán)PWM電流控制等。其中，固定開關頻率PWM電流控制其算法簡便，物理意義清晰，且實現(xiàn)較方便。另外，由于開關頻率固定，因而網(wǎng)側變壓器及濾波電感設計較容易，并且有利于限制功率

46、開關損耗。但該方案的主要缺點是，在開關頻率不高條件下，電流動態(tài)響應相對較慢，且電流動態(tài)偏差隨電流變化率而相應變化。相比之下，滯環(huán)PWM電流控制則具有較快的電流響應，且電流跟蹤動態(tài)偏差由滯環(huán)寬度確定，而不隨電流變化率變化而變動。但該方案主要不足就是，開關頻率隨電流變化率變化而波動，造成網(wǎng)側濾波電感設計困難，功率模塊應力及開關損耗增大，因而在大功率變流領域難以應用，為此提出了基于固定開關頻率的滯環(huán)PWM電流控制策略。1固定開關頻率PWM電流控制基本原理及控制算法 所謂固定開關頻率PWM電流控制，一般是指PWM載波(如三角波)頻率固定不變，而以電流偏差調(diào)節(jié)信號作為調(diào)制波的PWM控制方法，其電流環(huán)控制

47、結構如圖3-2所示。 圖3-2固定開關頻率PWM電流控制閉環(huán)結構2滯環(huán)PWM電流控制 當開關頻率人按一定規(guī)律變化時，電流跟蹤性能將得以改善，電流偏差將在某一限定值內(nèi)基本不變，這對要求電流跟蹤精度較高的控制系統(tǒng)十分重要。而滯環(huán)PWM電流控制則可以實現(xiàn)上述要求。這種電流控制結構中無傳統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器(如P,PI調(diào)節(jié)器等)，取而代之的是一非線性環(huán)節(jié)滯環(huán)。當電流偏差超越滯環(huán)寬度時，主電路開關切換，并迫使電流偏差減小，顯然這是一種典型的非線性控制。研究表明，滯環(huán)PWM電流控制具有較好的穩(wěn)定性和快速性。3.2三相VSR雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計 在三相VSR控制系統(tǒng)設計中，一般采用雙閉環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)

48、。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中的電壓外環(huán)是為了控制穩(wěn)定直流側電壓，根據(jù)電壓的大小調(diào)整整流器工作的狀態(tài)，并給電流內(nèi)環(huán)輸出給定值；電流內(nèi)環(huán)是使檢測的輸入電流能夠跟蹤給定電流，實現(xiàn)單位功率因數(shù)的整流或逆變。在前面分析整流器數(shù)學模型中，在三相靜止 abc坐標系下難以設計控制系統(tǒng)，而且對系統(tǒng)控制做不到無靜差，所以，雙閉環(huán)控制建立在同步旋轉d-q坐標系下數(shù)學模型基礎上的。而在同步旋轉坐標系下，d 軸和q軸變量之間相互耦合，那么，在d-q 坐標系耦合狀態(tài)下進行解耦，希望一個變量僅受另一個變量控制，系統(tǒng)解耦方法一般采用串聯(lián)補償解耦和前饋補償解耦，本文研究的系統(tǒng)主要采用前饋補償解耦控制的方法。 其控制結構圖如下： 圖3-3

49、 整流器控制結構圖3.2.1 電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)設計 由前面敘述可以知道，三相VSR的d-q模型可以描述為 （3-1）式中，、電網(wǎng)電動勢矢量的、分量； 、三相VSR交流側電壓矢量的、分量； 、三相VSR交流側電流矢量的的、分量。 從三相VSR的d-q模型方程式可以看出，由于VSR的d、q軸變量相互耦合，給控制器的設計造成一定困難。為此，可以采用前饋解耦控制策略，當電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器時，則、的控制方程如下： （3-2） 式中，、電流內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)增益和積分調(diào)節(jié)增益； 、和的電流指令值。將式（3-2）帶入式（3-1），并化簡可得 （3-3） 顯然，式（3-3）表明：基于前饋的控制算式（3-2）使VSC電流內(nèi)環(huán)（，）實現(xiàn)了解耦控制。 由此可以畫出電流內(nèi)環(huán)的解耦控制結構，如下圖： 圖3-4 三相VSR電流內(nèi)環(huán)解耦控制結