三相电压型PWM整流器设计与仿真.docx

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三相电压型PWM整流器设计与仿真

1绪论

随着功率半导体器件技术的进步，电力电子变流装置技术得到了快速开展，出现了以脉宽调制〔PWM〕控制为根底的各种变流装置，如变频器、逆变电源，高频开关电源以及各类特种变流器等，电力电子装置在国民经济各领域取得了广泛的应用，但是这些装置的使用会对电网造成严重的谐波污染问题。

传统的整流方式会无论是二极管不控整流还是晶闸管相控整流电路能量均不能双向传递，不仅降低能源的利用率还会增加一定的污染，主要缺点是：

1〕无功功率的增加造成了装置功率因素降低，会导致损耗增加，降低电力装置的利用率等；

2〕谐波会引起系统内部相关器件的误动作，使得电能的计量出现误差，外部对信号产生严重干扰；

3〕传统的结构，能量只能单向流动，使得控制系统的能量利用率不高，不能起到节能减排的作用。

电网污染的日益严重引起了各国的高度重视，许多国家都已经制定了限制谐波的国家标准，国际电气电子工程师协会（IEEE），国际电工委员会（IEC）和国际大电网会议（CIGRE）纷纷推出了自己的谐波标准。

国际电工学会于1988年对谐波标准IEC555-2进行了修正，欧洲制定IEC1000-3-2标准。

我国国家技术监督局也于1994年公布了?

电能质量公用电网谐?

标准（GB/T14549-93），传统变流装置大多数已不符合这些新的标准，面临前所未有的挑战。

目前，抑制电力电子装置对电网污染的方法有两种：

一是设置补偿装置。

通过对频率谐波进行补偿，这种方式适用于所有谐波源，但其缺点是只能对规定频率的谐波进行补偿，应用范围受限。

并且当受到电网阻抗特性或其他外界干扰，容易发生并联谐振，导致某些谐波被放大进而使滤波器过载或烧毁；而是对整流器装置本身性能进行改造，通过优化控制策略和参数设置，使网侧输入的电压和电流呈现接近于同相位的正弦波，实现单位功率因数运行即功率因数为1。

目前治理谐波和无功主要是采用功率因数校正技术（PFC技术），由于PWM调制技术引入整流器中，使得整流器能够获得较好的直流电压并且实现网侧电流正弦化，PWM整流技术已经成为治理电网污染的主要技术手段。

PFC技术虽然具有控制简单、功率因数高、总谐波失真小和易于电路设计等优点，但是其结构并没有发生根本变化只是在输出侧加了一个开关管，而重要的交流侧还是选取二极管做为开关器件，其整流方式只能是单一方向的不能实现能量的双向流动，它在单相电路中有着广泛的用途，但是由于其自身性质决定其难以用于三相电电路中；PWM整流技术交流侧采用全控器件，与传统PFC相比，PWM整流技术可以在任意功率因数运行可以实现能量双向流动而且具有较好的电流品质和更快的动态响应速度，因而真正实现了“绿色电能变换〞提高了系统电能的利用率减少了资源的浪费。

由上述分析可知，对PWM整流器进行控制研究符合建设资源节约型和环境友好型社会开展的需要，具有重要经济和社会价值。

PWM整流器可实现能量双向流动并具有优良的输出特性，与二极管不控整流和晶闸管相控整流相比，具有以下特点：

〔1〕可以实现能量的双向流动且功率因数任意可调；

（2）网侧电流近似正弦化，谐波含量少；（3）具有较好的动态性能，适合动态性能要求高且开关频率变化快的场合；〔4）直流输出电压稳定且电压波形品质高。

PWM整流器在功率因数校正、谐波抑制以及能量回馈等应用方面具有其突出的优势，故很早就已经成为电力电子技术研究的最具意义的内容之一。

经过各国学者和专家多年的实验和研究，在数学模型、主电路拓扑结构和控制策略等各个方面，PWM整流器均取得了较为成功的研究成果。

对于学生来说，设计高性能三相PWM整流器是很具有学习和研究价值的课题。

PWM整流器的分类方法很多，最根本的分类方法是按照直流储能形式可分为电压型整流器〔VSR〕和电流型整流器（CSR）两种，前者直流侧采用电容为储能元件，提供一个平稳的电压输出，直流侧等效为一个低阻电压源；后者直流侧采用电感作为储能元件，提供一个平稳的电流输出，直流侧等效为一个高阻电流源。

由于VSR的结构简单，储能效率高、损耗较低、动态响应快，控制方便，使得VSR一直是PWM整流器研究和应用的重点，本文主要讨论三相电压型PWM整流器的设计与仿真。

第一章绪论，说明了PWM整流器的研究和学习的价值，以及整个论文的结构；第二章介绍了PWM整流器在国内外的研究现状；第三章建立电压型PWM整流器的数学模型；第四章介绍了很据PWM整流器的数学模型对有功电流和无功电流进行解耦控制，设计了电压、电流双闭环调节器，对空间矢量脉宽调制（spacevectorpulsewidthmodulation）技术进行详细分析；第五章对设计的整个PWM整流系统进行仿真，分析设计的控制器对扰动的抑制作用以及输入输出电压的动静态性能。

2研究现状

自20世纪90年代以来，PWM整流技术一直是学术界关注和研究的热点。

随着研究的深入，PWM整流技术的相关应用研究也得到开展，如有源电力滤波（APF）、超导储能（SMES）、电气传动（ED）、高压直流输电（HVDC）、统一潮流控制器（UPFC）、新型UPS以及太阳能、风能等再生能源的并网发电等，并随着现代控制理论、微处理器技术以及现代电子技术的推陈出新，这些应用技术的研究又促使PWM整流技术日趋成熟，其主电路已从早期的半控型器件桥路开展到如今的全控型桥路；拓扑结构已成从单相、三相电路开展到多相组合及多电平拓扑电路；PWM调制方式从由单纯的硬开关调制开展到软开关调制；功率等级从千瓦级开展到兆瓦级，而在主电路类型上既有电压源型整流器，又有电流源型整流器，两者在工业上已成功投入使用，但却多采用模拟芯片PWM波发生器，在闭环和智能调节比方在风力发电的并网等方面均存在较大问题，尤其是在国内，基于数字信号微处理器的PWM整流器的研究还只是处于初步开展阶段。

当前PWM整流器的研究主要表达在如下几个方面：

1.关于PWM整流器数学模型的研究

PWM整流器数学模型的研究是PWM整流器及其控制技术的根底。

A.W.Green提出了基于坐标变换的PWM整流器连续、离散动态数学模型，R.Wu和S.B.Dewan等较为系统地建立了PWM整流器的时域模型，并将时域模型分解成高频和低频模型，且给出了相应的时域解。

而ChunT.Rim和DongY.Hu等那么利用局部电路的坐标变换建立了PWM整流器基于变压器的低频等效模型电路，并给出了稳态、动态特性分析。

在此根底上，HengchunMao等人建立了一种新颖的降阶小信号模型，从而简化了PWM整流器的数学模型及特性分析。

2.关于PWM整流器拓扑结构的研究

PWM整流器的主电路拓扑结构近十几年来没有重大突破，主电路设计的根本原那么是在保持系统的根底上，尽量简化电路拓扑结构，减少开关元件数，降低总本钱，提高系统的可靠性。

PWM整流器拓扑结构可分为电流型和电压型两大类。

其中电压型PWM整流器最显著的拓扑特征是直流侧采用电容进行电流储能，从而使整流器直流侧呈低阻抗的电压源特性。

电流型PWM整流器直流侧那么是采用大电感进行电流储能，使得整流器直流侧呈高阻抗的电流源。

根据装置功率的不同，研究的侧重点不同。

在中小功率场合，研究集中在减少功率开关和改良直流输出性能上；对于大功率场合，研究主要集中在多电平拓扑结构、变流器组合以及软开关技术上。

多电平拓扑结构的PWM整流器主要应用于高压大容量场合。

而对大电流应用场合，常采用变流器组合拓扑结构，即将独立的电流型PWM整流器进行并联组合。

3.关于电压型PWM整流器电流控制技术的研究

电压型PWM整流器有两个控制目标，一是得到稳定的直流电压，另一个是使网侧电流正弦化并跟踪电网电压变化。

为了使电压型PWM整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流的控制至关重要，决定了PWM整流器的动静态性能。

电压型PWM整流器网侧电流控制策略主要分成两类：

间接电流控制策略和直接电流控制策略。

间接电流控制其网侧电流的动态响应慢，且对系统的参数比拟敏感，适用性不高，因此逐步被直接电流控制所取代。

与间接电流控制相比，直接电流控制电流响应速度快，系统鲁棒性强，且容易实现过流保护，是当今PWM整流器电流控制方案的主流。

4.PWM整流器系统控制策略的研究

控制策略是PWM整流器控制系统的核心，其优劣决定着PWM整流器的动静态性能以及鲁棒性。

PWM整流器常用的控制方法有滞环电流控制、固定开关频率电流控制、预测电流控制、直接功率控制、无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制、电网不平衡条件下的PWM整流器控制、滑模变结构控制、反应精确线性化控制、基于Lyapunov稳定性理论的控制、模糊控制等，具体如下：

1）滞环电流控制

滞环电流控制是一种瞬时值反应控制模式，其根本思想是将检测到的实际电流信号与电流给定信号值相比拟，假设实际电流大于指令值，那么通过改变变流器的开关状态使之减小，反之增大，使得实际电流围绕指令电流做锯齿状变化，并将偏差控制一定范围内，形成滞环。

该控制方法结构简单，电流响应速度快，易于实现电流限制，且控制与系统参数无关，系统鲁棒性好，但是开关频率在一个工频周期内不固定，谐波电流频谱随机分布，网侧滤波器设计较为困难。

2〕固定开关频率PWM电流控制

固定开关频率PWM电流控制，一般是指PWM载波（如三角波）频率固定不变，而以电流偏差调节信号为调制波的PWM控制方法。

该控制方法克服了滞环电流控制开关频率不固定的缺点，电流响应速度快，系统鲁棒性高，但当电流内环均采用PI调节时，三相静止坐标系中的PI电流调节器无法实现电流的无静差控制。

3〕预测电流控制

预测电流控制的思想是从开关的在线优化出发，根据负载大小及给定电流矢量的变化率，推算出使得下一周期电流满足期望值的电压矢量来控制PWM整流器的开关。

预测电流控制具有快速的电流响应速度，但其控制效果依赖于系统参数，鲁棒性不高，且受处理器采样和控制延时影响较大。

4〕直接功率控制

直接功率控制通过对PWM整流器瞬时有功和无功进行直接控制，到达控制瞬时输入电流的目的。

该方法具有结构、算法简单，系统动态性能好，鲁棒性强，容易数字化实现，对交流侧电压不平衡和谐波失真也具有一定补偿作用。

5）无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制

无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制是为进一步简化电压型PWM整流器的信号检测而提出的控制方法。

无电网电动势传感器控制主要包括两类电网电动势的重构方案：

其一是通过复功率的估计来重构电网电动势，是一种开环估计算法，因而精度不高，并且在复功率估计算法中由于含有微分项，容易引入干扰；其二是基于网侧电流偏差调节的电网电动势重构，是一种闭环估计算法，它采用网侧电流偏差的PI调节来控制电网电动势误差，因而精度较高。

无网侧电流传感器控制是通过直流侧电流的检测来重构交流侧电流。

6）电网不平衡条件下的PWM整流器控制

为了使PWM整流器在电网不平衡条件下仍能正常运行，学术界提出了不平衡条件下，网侧电流和直流电压的时域表达式，电网负序分量被认为是导致网侧电流畸变的原因，同时指出，在电网不平衡条件下，常规的控制方法会使直流电压产生偶次谐波分量，交流侧会有奇次谐波电流。

为此，D.Vincenti等人较为系统地提出了正序坐标系中的前馈控制策略，即通过负序分量的前馈控制来抑制电网负序分量的影响。

但是由于该方法的负序分量在坐标下不是直流量，导致PI调节不能实现无静差控制。

因此，又有人提出了正、负序双旋转坐标系控制，该方法实现了无静差控制，是较完善的理论，但是其控制的结构比拟复杂，运算量大。

7）滑模变结构控制

滑模变结构控制本质上是一种非线性控制，其非线性特性表现为控制的不连续性，特点是系统结构并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态不断变化，迫使系统按照指定的滑动模态运动。

采用滑模变结构控制，可以使PWM整流器不依赖于电网电压、开关器件以及负载参数，对参数变化及干扰具有不变性，即强鲁棒性，但控制器设计中滑模系数的选取比拟困难，选取不当容易