22KW高性能三相电压型PWM整流器的研究

摘 要

随着社会的高速发展，电能在工农业生产和人民日常生活中发挥着起来越重要的作用，然而与之同时与国民生产生活密切相关的电力电子换流装置，如变频器、高频开关电源、逆变电源等各种换流装置在广泛的运用中给电网带来了大量的无功功率与严重的谐波污染。随着电力电子技术的发展，具有网侧电流接近正弦波、功率因数近似为1、直流侧输出电压稳定、抗负载扰动能力强并且能够在四象限运行的PWM整流器应运而生，成功地取代了不可控二极管整流器和相控的晶闸管整流器，并成为电力电子技术研究的热点。本言研究的主要对象就是应用最为广泛的三相电压型PWM整流器。

首先，本文介绍了PWM整流器研究的背景与意义，综述了PWM技术的发展及现状，引出了三相电压型PWM整流器，并分析了三相电压型PWM整流器的工作原理，并在此基础上建立了其在ABC三相静止坐标系、d-q同步旋转坐标系和?-?两相静止坐标系三个不同坐标系下的数学模型。

其次，本文对PWM整流器的电流控制策略进行了深入的研究，分析了间接电流控制和直接电流控制的优缺点，确定了采用直接电流控制，并对双闭环控制器及PWM整流器主回路参数进行了系统的设计；引入了电压空间矢量，阐述了空间电压矢量控制的控制算法。

最后，本文在理论分析的基础上，利用MTALAB提供的电力电子工具箱，在Simuink仿真环境下建立了三相VSR型PWM整流器主回路及控制器的模型并进行了仿真实验，通过对仿真结果的分析，表明了该方案能够满足网侧电流近似正弦和高功率因数的要求，验证了方案的正确性和可行性。

关键词：三相电压型PWM整流器；直接电流控制；双闭环控制；电压空间矢量PWM

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 electronic 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 factor,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 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 development 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 static 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 current 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 offered 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

目录

1 三相VSR原理分析与建模 .................................................. 1

1.1 三相VSR的拓扑结构 ................................................ 1 1.2 PWM基本原理分析 ................................................... 1 1.3 三相VSR的数学模型 ................................................ 3

1.3.1 三相VSR在三相静止坐标系的数学模型 ........................... 3 1.3.2 三相VSR d-q模型的建立 ....................................... 6

2 三相VSR控制系统设计 ................................................... 11

2.1 VSR的电流控制 .................................................... 11

2.1.1 间接电流控制 ................................................ xv 2.1.2直接电流控制 ............................................... xvi 2.2三相VSR双闭环控制系统的设计 .................................... xvii

2.2.1 电流内环控制系统设计 ........................................ 14 2.2.2 电压外环控制系统设计 ........................................ 17 2.2三相PWM整流器参数的设计 .......................................... 17

2.2.1 交流侧电感的设计 ............................................ 17 2.2.2 直流侧电容的设计 ............................................ 22

3 三相VSR的空间矢量控制 ................................................. 24

3.1 三相VSR空间矢量PWM 控制的基本原理 ............................... 24 3.2三相VSR空间电压矢量分布 .......................................... 24 3.3 SVPWM整流器的控制算法 ............................................ 26

3.3.1 扇区的确定 .................................................. 26 3.3.2 矢量作用时间的确定 .......................................... 26 3.3.3开关矢量的确定 .............................................. 30

4 Matlab 仿真 ............................................................ 33

4.1 基于空间电压矢量的直接电流控制的三相VSR PWM整流器的仿真 ......... 33

4.1.1 基于空间电压矢量PWM波生成模块simulink模型建立 ............. 33 4.1.2 22KW PWM整流器的主回路及控制系统simulink模型的建立 ........ 35 4.2 22KW PWM整流器仿真波形 ........................................... 38 5 总结 ................................................................... 41

1 三相VSR原理分析与建模

1.1 三相VSR的拓扑结构

电压型PWM整流器(Voltage Source Rectifier.VSR)最显著拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流储能，从而使VSR直流侧呈低阻抗的电压源特性。

图1-2给出了三相半桥拓扑结构。通常所谓的三相桥式电路即指三相半桥电路。 三相电压型PWM整流器也是本文进行电路建模、参数计算和控制器设计的基础。 三相电压型PWM整流器的拓扑结构如图2-1，图中ea、eb、ec为三相对称电源相电压；ia、ib、ic为三相线电流；V1~V6、VD1~VD6分别是绝缘栅双极型晶体管和续流二极管；Vdc为直流电压；R、L为滤波电抗器的电阻和电感；C为直流侧电容；RL为负载；

iL为负载电流。

图2-1三相半桥VSR拓扑结构

1.2 PWM基本原理分析

从电力电子技术发展来看，整流器是较早应用的一种AC/DC变换装置。整流器的发展经历了由不控整流器(二极管整流)、相控整流器(晶闸管整流)到PWM整流器(可关断功率开关)的发展历程。传统的相控整流器，虽应用时间较长，技术也较成熟，且被广泛使用，但仍然存在以下问题:

（1）晶闸管换流引起网侧电压波形畸变;

（2）网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”; （3）深控时网侧功率因数降低; （4）闭环控制时动态响应相对较慢。

虽然二极管整流器，改善了整流器网侧功率因数，但仍会产生网侧谐波电流以“污染”电网;另外二极管整流器的不足还在于其直流电压的不可控性。针对上述不足，PWM整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面改进。其关键性的改进在于用全控型功率开关取代了半控型功率开关或二极管，以PWM斩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优良性能: （1）网侧电流为正弦波;

（2）网侧功率因数控制(如单位功率因数控制); （3）电能双向传输; （4）较快的动态控制响应。

显然，PWM整流器已不是一般传统意义上的AC/DC变换器。由于电能的双向传送，当PWM整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态;而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工作状态。所谓单位功率因数是指：当PWM整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相(正阻特性);当PWM整流器运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相(负胜特性)。进一步研究表明，由于PWM整流器其网侧电流及功率因数均可控，因而可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合。

eLiidc+vRL vdc- 图2-2 PWM整流器模型电路图+---eLPWM整流器实际上是一个交、直流侧可控的四象限运行的变流装置。为便于理解，以下首先从模型电路阐述PWM整流器的原理。图2-2为PWM整流器模型电路，可以看出: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。其中交流回路包括交流电动势e以及网侧电感L等;直流回路包括负载电阻RL及负载电动势eL等;功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组成。

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

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