三相电压型SVPWM整流器的SIMULINK建模与仿真精.docx

1、三相电压型SVPWM整流器的SIMULINK建模与仿真精 23三相电压型SVPWM 整流器的SIMULINK建模与仿真毛文喜 罗隆福（湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082）摘 要：在建立了三相PWM 整流器数学模型的基础上，将双闭环工程设计方法结合矢量控制策略应用于PWM 整流器。通过MATLAB 的SIMULINK 工具箱得到系统仿真结果，验证了该模型和控制方法的可行性。 关键词：PWM 数学模型 空间矢量 SIMULINK中图分类号： TM 461.5 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2007）01-0023-04The Modeling and Simulatio

2、n of Three-phase Voltage SVPWM RectifierMao Wenxi, Luo Longfu(College of Electrical and Information Engineering Hunan University, Changsha 410082, ChinaAbstract: Based on the mathematical model of PWM rectifier，the dual-close-loop engineering design with vector control is applied in the 3-phase PWM

3、rectifier. The validity of the mathematical model and its control method are confirmed by both MATLABSIMULINK simulation and experiment. Key words: PWM ；mathematical model；space vector；SIMULINK1 引言在电能变换中，电压型PWM 整流器(简称“VSR”功率因数可调、输入电流波形为正弦波、可实现能量的双向流动，真正实现了“绿色电能变换”。本文在建立三相VSR 在a 、b 、c 坐标系下数学模型的基础上，通过

4、坐标变换得到了三相VSR 的d 、q 坐标系下的数学模型, 应用空间矢量的控制方法对PWM 整流器进行动态实时仿真, 实验结果验证了该模型的正确性和控制方法的可行性。2 三相VSR 主电路结构及基本原理三相VSR 的主电路结构如图1所示，主要包括交流侧的电感、电阻、直流电容以及由全控开关器件和续流二极管组成的三相整流电路。e a 、e b 、e c 为电源电压，R L 为负载电阻。开关器件按采用的调制方法动作，由于输入电感的滤波作用，整流器交流侧的输入可认为是三相正弦电流，直流侧有大电容稳压，输出呈直流电压源特性，稳态时输出直流电压可保持不变。图2是整流器输入电压U s 、输入电流I s 、交

5、流侧控制电压U r 间的向量图。(a图中，整流器工作在整流状态，电流矢量I s 与电压矢量U s 平行且同向，此时整流器网侧呈现正电阻特性，实现单位功率因数整流控制，负载从电网吸收有功功率。(b图中，整流器工作在逆变状态，电流矢量I s 与电压矢量U s 平行且反向，此时整流器网侧呈现负电阻特性，实现单位功率因数逆变控制，负载向电网释放有功功率。对图2进行分析可看出，要实现整流器的单位功率因数控制，关键在于控制网侧电流I s ，使之与电网电压E 同相或反相。目前，控制方法主要分为间接电流控制和直接电流控制2种。间接电流控制1的优点在于控制简单、无需电流反馈控制，不足之处在于电流响应不够快，甚至

6、交流侧电流收稿日期：2006-10-11作者简介：毛文喜（1975-），男，硕士研究生，研究方向：电力电子与电力传动及电力系统谐波抑制。罗隆福（1962-），男，教授，博士生导师，主要从事电力电子变流技术新研究工作。 24中含有直流分量，且对系统参数波动较敏感2。直接电流控制3以快速电流反馈控制为特性，可获得较高品质的电流响应，但控制结构和算法较复杂，不易于数字实现。另一种是基于同步旋转坐标系的矢量控制方案，它具有动态响应快、稳态性能好、消除电流稳态跟踪误差、可以实现无功功率的解耦控制4等优点，是一种较理想的控制策略。3 三相VSR 动态数学模型及矢量控制策略三相VSR 的拓扑结构如图1所示，

7、假设电路满足以下条件：(1电源是三相平衡的正弦电压源，即： =+=+00i i i e e e cb a c b a (2滤波电感L 是线形的，不考虑饱和现象。 定义三相桥臂的开关函数分别为s a 、s b 、s c ；s=l代表上管通，下管关；s=O代表下管通，上管关。三相VSR 的数学模型为1：+=+=+=+=U s s s U u s u e i u s u e i u s u e i i s i s i s i dc c b a NO No c dc c c c Nob dc d b b No a dc d a aL c c b b a a dcR dt d L R dt dL R d

8、t d L dt d C (31 (1为便于系统分析与综合、获得良好的控制性能，采用PARK 变换4，将整流器模型变换到两相同步旋转的d 、q 坐标系，并使q 轴定向于电网电压矢量。取变换矩阵为：+= 32sin(32sin(sin 32cos(32cos(cos 32t t t t t t T dq abc将以上变换作用于(1式，则得到整流器在两相同步旋转d-q 坐标系下的数学模型为：+=u e e u i i SS i dc sq sd dc q d qd q ddc q d L L L CCLLR L L Rdt ddt d dt d 1000100010223(2VSR d 、q 轴变

9、量相互耦合，给控制器设计造成一定困难。为此，可采用前馈解耦控制策略3，引入i d 、i q 的前馈补偿解耦控制实现对两通道的电压进行单独控制。对电流环采用PI 调节，可得三相同步旋转坐标系下三相电流控制时的电压指令为5：+=+=i i i K e u i i i K e u d q q iI iP q q q d d iI iP d d L S L S ( (*(3式中：K iP 、K iI 是电流内环的比例调节增益和积分调节增益；i q *、i d *为电流i q 、i d 的指令值。引入补偿后，式(3表示的电压指令已完全解耦控制，系统控制框图如图3所示。图中，给定指令电压u *dc 与实际

10、直流侧电压U dc 比较后经PI 调节器得到电流有功分量指令i q *，i d *、i q *与交流侧实际电流比较后经PI 环得到指令电压u *d 、u *q ，经过电网电压、电感电压交叉分量的前馈补偿后，将所得电压指令送入PWM 合成器，作为SVPWM 控制的指令电压。为了实现单位功率因数控 制，控制算法采用电网电压定向，即令以同步速度旋转的三相电网电压E=eq ，若要实现单位功率因数控制，则必须使三相网侧电流I=i q ，即使I d =0。整个控制电路由 25电压外环和电流内环组成，电压外环经PI 调节后的输出作为电流环的给定。 4 空间矢量合成原理三相VSR 不同开关组合时的交流侧电压可

11、以用一个模为2U dc /3的空间电压矢量在复平面上表示出来，由于三相VSR 开关是双电平控制，其空间电压矢量只有23=8种，且U 0(0，0，0 、U 7(1，1，1 为零矢量4。空间矢量PWM 控制是通过分配电压空间矢量(尤其是零矢量 的作用时间，最终形成等幅不等宽的PWM 脉冲波，实现追踪磁通的基准圆形轨迹。 由图3可知，三相VSR 电流环调节运算确定后，三相VSR 电流跟踪控制的指令电压矢量U*也就被确定，可以利用三相VSR 空间电压矢量U k (k=0，7 来合成U*，以实现VSR 电流控制。当矢量U*处于三相VSR 电压矢量空间任一区域时, 设矢量U*与a 轴夹角为(0360,矢量

12、U*与所在三角形区域起始边界矢量Uk (k=1， 6的夹角为，则，k 可以由以下方程求得6：4 (60 1( 160(=+=k INT k 其中，k 取1，6。则对于任意U *，设其位于k 区，则U *可由U k 和U k+1两矢量合成，施加时间分别为T k 和T k+1，矢量作用周期为T s 7。为保证较高的合成精度，如图4所示，采用双三角形合成方案，可以求得=+sin 2160sin 2cos 2160cos 22*11*11T T U T T T T k sk k sk k s k D D进而求得=+T T T T T T T K K S SK Sk COS T 101sin *2sin

13、 *1* 其中，3/2*dcU =将零矢量周期分成三段，其中矢量U *的起、终点上均匀地分布矢量U 0，而在矢量U *中点处分布矢量U 7，且T 7=T0/2。 对应的三相PWM 如图5所示，其中矢量U k 和U k+1放置先后顺序以开关次数最少为准。5 系统仿真及仿真结果应用Matlab 软件SimPowerSystem 工具箱，搭建了整个控制系统的仿真模型，进行仿真。 5.1 系统主回路仿真说明图6为系统主电路仿真图，系统的控制算法由control 模块实现。电压电流分别经检测模块输入到control 模块中，给定电压U dc *和直流侧反馈电压U dc 同时也输入到该模块中来。5.2 控

14、制算法的仿真控制算法由control 模块实现, 如图7所示。给定指令电压u *dc 与实际直流侧电压U dc 比较后经PI 调节器得到电流有功分量指令i q *，i d *、i q *与交流侧实际电流比较后经PI 环得到指令电压 26u *d 、u *q ，经过电网电压、电感电压交叉分量的前馈补偿后，将所得电压u d 、u q 指令输入到PWM_wave模块，PWM_wave模块的输出便作为控制三相电压型SVPWM 整流器的脉冲指令。 5.3 仿真研究结果主电路参数设置如下：三相对称交流电源电压幅值：E max =200V ，频率f=50Hz，交流侧电感L=6mH，交流侧电阻R=0(忽略不计

15、 ，直流侧电容：C=2000F，指令电压U dc *=520V。图8给出了单位功率因数整流、逆变时a 相电压和电流的稳态仿真波形。从仿真结果可以看出，稳态时，网侧电流非常好地与电网电压保持同相，实现了单位功率因数的整流与逆变。6 结论以SIMULINK 为工具进行的三相PWM 整流 器仿真，充分发挥了SIMULINK 功能强大、建模简单、参数易于调整的特点。本文在建立三相VSR d_q数学模型的基础上，结合间接电流控制和直接电流控制方法的矢量控制策略，系统的建立了三相VSR 仿真模型。模型直观、易于使用，仿真验证了数学模型及其控制策略的正确性。参考文献：1. W u R, Dewan S B，

16、Slemon G RAnalysis of an AC todc voltage source converter using PWM with phase and amplitude controlJ. IEEE Trans.Irans Power Eledtron, 1991.27: 355-364.2. J OSE R Espinoza,GEZA Jocs，LUIS Moran.Decoupledcontrol of the active and reactive power in three-phase rectifiers based on non-linear control st

17、rategiesJIEEE Trans on Indus Electronics，1999，1：131136 3. Z ARGARINR ，J006S GPerformance investigation ofa current-controlled voltage-regulated PWM rectifier in rotating and stationary frames ProcJIEEE Annu Conf Industrial Electronics Society Proceedings of the Iedon 93，1993，2：119311984. V .Blask an

18、d V.Kanra, A new mathematical model andcontrol of a three-phase ac-dc voltage source converter, IEEETrans. Power Electron. V o1.12, PP.116-123, Jan. 19975. 张兴，等.PWM 可逆变流器空间电压矢量控制技术的研究J.中国电机工程学报,2002,21(10:101-106. 6. 董小鹏，等. 一种电压型PWM 整流器控制方法的研究J.电工技术学报,1998,13(5:31-38.7. C hern-Lin Chen, He-Ming Lee. Rong-Jie Tu. eta1ANovel Simplified space-Vector- Modulated Control Scheme for Three-Phase Switch-Mode RectifierJ.IEEE Transon Industrial Electronics1999，46(3:51251 5