（电路与系统专业论文）三相电压型pwm整流器系统的设计与实现.pdf

”。? 二ii at h e s i si nc i r c u i t sa n d s y s t e m s l i l ll l il ui l li i i l lliil y 1716 6 0 5 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o f t h r e e - p h a s e p w mv o l t a g es our c er e c t i f i e r s y s t e m b yl i uw e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gx u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 乞1 的 的 作 意 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：剖毙 签字日期：加纱佯佣姻 导师签名：1 五坠 签字日期：刎f 飞 东北大学硕士学位论文摘要 三相电压型p w m 整流器系统的设计与实现 摘要 脉冲宽度调隹i i j ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 控制技术在功率变换装置中的应用， 为整流器性能的改进提供了变革性的思路和手段。p w m 整流器具有功率因数可调、网 侧电流正弦化、低谐波污染、能量双向流动等优点，在电力系统有源滤波、无功补偿、 潮流控制、太阳能发电以及交直流传动系统等领域，具有越来越广阔的应用前景。 本论文以国家“8 6 3 ”专项计划“电气传动及控制系统节能技术的研发”( 项目编号： 2 0 0 6 a a 0 4 2 1 8 3 ) 的协作项目：“2 2 k wp w m 整流器”为背景，对项目硬件系统的设计和 d s p 控制软件的设计进行论述。 首先论文对p w m 整流器的原理作了详细介绍，在( d ，g ) 同步旋转坐标系中建立了 p w m 整流器的数学模型，并结合选定的三相p w m 整流器的控制策略，利用 m a t l a b 7 1 s i m u l i n k 搭建模型进行仿真。 课题采用t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为主控芯片，设计了三相p w m 整流器 的控制电路。根据系统性能要求和控制算法要求对主电路i g b t ，电抗器和电容器参数 进行计算。 根据嵌入式芯片的编程的特点，以及p w m 整流器对实时性和稳定性的要求，并考 虑到t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的性能，对主控程序的设计思路和工作流程进行了详细说明。主控 程序采用模块化的设计思想，程序经过调试，达到了预期的控制效果。 最后，对整流器工作时所测得的电压电流波形图进行分析。实验结果表明，三相电 压型p w m 整流器实现了高功率因数运行，解决了传统意义上的整流电路中存在谐波含 量大的问题，实现了能量的双向流动和直流侧母线电压的稳定控制，整流器性能达到项 目要求。 关键词：p w m 整流器；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ；矢量控制；脉宽调制；绝缘栅双极晶体管 i i - - d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no ft h r e e - p h a s ep w m v o l t a g es o u r c er e c t i f i e rs y s t e m a bs t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) c o n t r o l l i n gt e c h n i q u ei nt h ep o w e r c o n v e r s i o na p p l i c a t i o n sp r o v i d e sr e v o l u t i o n a r yi d e aa n dm e t h o df o rt h er e c t i f i e r t h ep w m r e c t i f i e rh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fv a r i a b l ep o w e rf a c t o r , s i n u s o i d a lc u r r e n to fa c - s i d e ，1 0 w h a r m o n i cp o l l u t i o na n db i d i r e c t i o n a le n e r g yf l o w ，s ot h e yh a v em o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n s p e r s p e c t i v ei na c t i v ef i l t e r i n g ，r e a c t i v e l o a dc o m p e n s a t i o n , t i d ec o n t r o l ，s o l a re l e c t r i c a le n e r g y g e n e r a t i o na n dm o t o r c o n t r o ls y s t e m 2 2 k wp w mr e c t i f i e ri st h ec o i l a b o r a t i v es y s t e mo ft h en a t i o n a l8 6 3s p e c i a lp r o j e c t ： “e l e c t r i cd r i v ea n dc o n t r o ls y s t e mo fe n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c h ( s u b j e c tc o d e ： 2 0 0 6 a a 0 4 2 18 3 ) t h et h e s i sa n a l y s e st h es t r u c t u r eo f h a r d w a r ea n dt h ep r o c e s so fs o f t w a r e d e s i g n i n ga c c o r d i n gt os y s t e mr e q u i r e m e n t s t h et h e s i sh a si n t r o d u c e st h et h e o r yo fp w mr e c t i f i e ri nd e t a i l ，t h e nc r e a t e st h em o d e l o ft h ep w mr e c t i f i e rb a s e do nt h et w o p h a s es y n c h r o n o u sr o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e m a c c o r d i n gt om a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dt h es e l e c t e dc o n t r o l l i n gm e t h o r d ，t h et h e s i sb u i l d sa s i m u l a t i o nm o d e lb ym a t l a b 7 1 s i m u l i n k t h et h e s i sd e s i g n st h em a i nc o n t r o lc i r c u i th a r d w a r e o ft h et h r e e - p h a s ep w mr e c t i f i e ro f t h ep r o j e c t sb a s e do nt h ec o n t r o lc h i pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2o ft i a c c o r d i n gt ot h es y s t e m p e r f o r m a n c ea n dc o n t r o la l g o r i t h mr e q u i r e m e n t st h et h e s i sc a l c u l a t e st h ep a r a m e t e ro fi g b t ， c a p a c i t o r sa n dr e a c t o r a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co f p r o g r a m m i n g o ne m b e d d e d c h i p ，r e a l t i m e r e q u i r e m e n t sa n ds t a b i l i t yo ft h er e c t i f i e r , a n da l s ot h et m s 3 2 0 f 2 8 12p e r f o r m a n c e ，t h et h e s i s d e s c r i b e st h ed e s i g n i n gi d e aa n dt h eo p e r a t i n gp r o c e d u r e so ft h em a i nc o n t r o l l i n gp r o g r a m t h et h e s i sd e s i g n st h ep r o g r a mu s i n gm o d u l a rd e s i g n i n gi d e a a f t e rd e b u g g i n gt h ep r o g r a m ， f i n a l l y ，t h i st h e s i sa c h i e v e st h ee x p e c t e dc o n t r o le f f e c t a tl a s t ，t h et h e s i sm e a s u r e st h ew a v e f o r mo ft h er e c t i f i e r t h er e s u l t si n d i c a t e st h a tt h e t h r e e p h a s ev o l t a g e - s o u r c ep w mr e c t i f i e rc a l l r e a l i z eh i l g l lp o w e rf a c t o rm o v e m e n t ，a n d e l i m i n a t eb i g g e rp r o b l e mo ft o om u c hh a r m o n i cc o n t e n t m o r e o v e r , i tc a l le a s i l yr e a l i z e b i d i r e c t i o n a le n e r g yf l o wa n dt h es t a b l e dc o n t r o lo ft h er e c t i f i e rd cv o l t a g e a sar e s u l t ，i t a c h i e v e st h er e q u i r e m e n t so f t h ep r o j e c t i i i a b s t r a c t f 2 812 ；v e c t o rc o n t r o l ；p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ； i v 东北大学硕士学位 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2p w m 整流器的研究概况l 1 2 1p w m 整流器拓扑结构研究2 1 2 2p w m 整流器数学模型简述2 1 2 3 电压型p w m 整流器控制策略3 1 3 研究内容和章节结构4 第2 章三相电压型p w m 整流器原理及建模5 2 1 三相电压型p w m 整流器的工作原理5 2 1 1 原理概述5 2 1 2 三相电压型p w m 整流器主电路分析7 2 2 电压型p w m 整流器数学模型8 2 2 1 两相坐标系下的低频数学模型8 2 2 2 两相坐标系下高频数学模型l o 2 3 本章小结1 2 第3 章控制策略及仿真1 3 3 1 三相电压型p w m 整流器控制系统设计1 3 3 1 1 电压外环控制策略研究1 4 3 1 2 电流内环控制策略研究l5 3 1 3s v p w m 生成策略研究1 7 v 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 三相电压型p w m 整流器仿真1 9 3 2 1 系统仿真模型的建立。2 0 3 2 2 仿真实验2 1 3 3 本章小结2 4 第4 章控制电路及主电路设计2 5 4 1 整流器硬件结构2 5 4 2 控制电路设计2 6 4 2 1d s p2 8 1 2 控制器2 6 4 2 2d s p 最小系统2 7 4 2 3r s 一2 3 2 通讯电路2 8 4 2 4 故障输入隔离电路2 9 4 2 5 检测信号转换电路2 9 4 2 6 电流传感器3 0 4 3 主电路设计31 4 3 1 交流侧电感的选择31 4 3 2 直流侧电容的选择3 3 4 3 3i g b t 的选取3 5 4 4 驱动电路3 7 4 5 保护电路：3 7 4 6 本章小结3 8 第5 章控制软件设计3 9 5 1 控制软件概述3 9 5 2 主程序设计3 9 5 3 中断服务程序设计4 1 5 4 功能模块设计4 3 5 4 1 系统时钟设置4 4 v i 东北大 5 4 4 双闭环p i 调节器5 0 5 4 5s v p w m 波形的产生51 5 5 本章小结5 4 第6 章结论与展望5 5 6 1 结果分析5 5 6 2 项目总结5 8 6 3 工作展望5 9 参考文献6 1 致谢一6 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 功率电子设备的应用越来越广泛，电流变换装置很大一部分都需要整流环节，传统 的整流器广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，其具有控制简单，工 作可靠等特点，然而这类整流器存在着输入电流谐波含量较高、输入功率因数较低和能 量单向传递等不足，对电网注入了大量的谐波和无功，造成了严重的电网污染。 治理“污染”最根本的措施就是要求变流装置实现网侧电流正弦化，且运行于单位 功率因数，主要有两种方法：一是在电网侧对已经产生的谐波和无功功率进行补偿；如 有源滤波( a p f ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ) ，静止无功补偿( s v c ：s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 等； 二是通过对产生谐波的电力电子装置本身进行改造，使装置的输入电流正弦化，且运行 于单位功率因数，不产生谐波也不消耗无功功率。前者是先产生谐波后进行补偿，而后 者是消除了谐波源，是治理电网“污染”的最根本措施，其主要思路是将p w m 技术引 入整流器的控制之中，工作时可以使网侧电流正弦化，运行于单位功率因数，能量可以 双向流动，因而备受关注【1 1 。 p w m 整流器在交流侧呈现出受控电流源特性，使其可以实现交流侧电流正弦化且 运行于单位功率因数或者功率因数可调，谐波含量很小，被称之为“绿色电能变换器”。 由于p w m 整流器可以实现能量的双向流动，不但能实现由交流侧电网向负载传送能量 的整流特性，而且能实现由直流侧向交流侧回馈能量的逆变特性，被称为新型四象限运 行的整流器，有效的节约和利用了能源。 1 2p w m 整流器的研究概况 早在2 0 纪7 0 年代，国外就有人开始将p w m 技术用于整流领域并取得了良好的效果。 但是高频整流器在以后的较长时间却没有得到大力的推广，一个主要原因是受到了功率 器件发展水平的制约。8 0 年代初，全控型电力电子器件的成熟和大功率化为中大功率 p w m 整流器的研制奠定了坚实的物质基础。经过多年的研究和发展技术己曰趋成熟， p w m 整流器主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路，开关控 制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制，功率等级从千瓦级发展到兆瓦级，而在主电 路类型上，既有电压型整流器，也有电流型整流器，并且两者在工业上均成功地投入了 应用。目前p w m 整流器的研究主要集中于以下几个方面：p w m 整流器的建模与分析； 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 电压型p w m 整流器的电流控制；主电路拓扑结构研究；系统控制策略研究【2 1 。 1 2 1 p w m 整流器拓扑结构研究 根据直流储能元件的不同，p w m 整流器分为电压型p w m 整流器和电流型p w m 整流 器。三相电压型p w m 整流器和三相电流型p w m 整流器是互为对偶的二种整流器，各有 自身的优缺点。虽然b u s s ea l f r e d 等率先提出了电流型p w m 整流器网侧电流幅相控制策 略，但长期以来，电压型p w m 整流器以其简单的结构、较低的损耗、方便的控制等一 系列优点，一直成为p w m 整流器研究的重点【3 捌。而电流型p w m 整流器由于需要较大的 直流储能电感，以及交流n l c 滤波环节所导致的电流畸变、振荡等问题，使其结构和控 制相对复杂化，从而制约了电流型p w m 整流器的应用和研究。本论文主要介绍应用广 泛的电压型p w m 整流器。 在小功率应用场合，p w m 整流器拓扑结构的研究主要集中在减少功率开关和改进 直流输出性能上。j j s h i e h 等对四开关三相电压型p w m 整流器进行了建模与分析【1 0 】， 并阐述了这类电路的工作持点。然而，一般的电压型p w m 整流器为b o o s t 型变换器，正 常工作时，其直流侧电压须高于交流侧电压峰值，c h i n g t s a ip a n 等学者对一般的p w m 整流器拓扑结构进行改进，得到了相对较低的直流电压并取得了一定结果【l 。对于大功 率p w m 整流器，其拓扑结构的研究主要集中在多电平拓扑结构 1 2 , 1 3 】、交流器组合1 4 】及 软开关技术【l5 】上。多电平拓扑结构的p w m 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p w m 整流器进行并联 组合。与普通并联不同的是，每个并联的p w m 整流器中的p w m 信号发生采用移相p w m 控制技术，从而以较低的开关频率并获得了等效的高开关频率控制，即在降低功卒损耗 的同时，有效地提高了p w m 整流器的电流、电压波形品质。与此相似，也可将独立的 电压型p w m 整流器进行串联移相组合，以适应高压大容量的应用场合。此外，在大功 率p w m 整流器设计上，还研究了基于软开关( z v s 、z c s ) 的大功率p w m 整流器，这种变 换器有着开关损耗小，电磁干扰小，输出电压稳定等优点，然而这一技术还有待进一步 完善和改进【1 6 1 。 1 2 2p w m 整流器数学模型简述 p w m 整流器数学模型的研究是p w m 整流器及其控制技术研究的基础。在 a w g r e e n 等提出了基于坐标变换的p w m 整流器的连续、离散动态数学模型之后，各国 学者以不同方法从各方面对p w m 整流器的数学模型进行了深人仔细的研究，其中r w u 、 s b d e w a n 等较为系统地建立了p w m 整流器的时域模型 1 7 , 1 8 】，并将时域模型分解成高 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 频、低频模型，并且给出了相应的时城解。而c h u n t r i m 和d o n g y h u 等则利用局部电路 的0 ，g ) 坐标变换建立了p w m 整流器基于旋转坐标系的低频等效模型电路，并给出了稳 态、动态特性分析。在此基础上h e n g o h u nm a o 等人又建立了一种新颖的降阶小信号模型， 从而简化了p w m 整流器的数学模型及特性分析【l 9 1 。 1 2 3 电压型p w m 整流器控制策略 电压型p w m 整流器的控制目标一是网侧输入电流正弦化，二是直流侧输出电压稳 定，其中对输入电流的控制是整流控制系统的关键所在。其次，对输入电流的有效控制 的实质是对变换器能量流动的有效控制。为了使电压型p w m 整流器网侧呈现受控电流 源的特性，其网侧电流控制策略的研究显得十分重要，在p w m 整流器技术发展过程中， 电压型p w m 整流器网侧电流控制策略主要分成三类，一类是首先提出来的“间接电流 控制 ，一类是目前占主导地位的“直接电流控制 【2 0 】，还有一类是“直接功率控制”。 间接电流控制实际上就是所谓的幅相电流控制，其基本思路是通过控制整流器网侧 输入电压基波的幅值和相位间接的控制输入电感电流，使得交流侧输入相电流与交流电 源相电压保持同相位。间接电流控制的依据是系统的低频稳态数学模型。其最显著的优 点是结构简单，静态特性良好，不需检测电网电流，而且可以采取优良的开关方式以减 小电流谐波。但间接电流控制动态响应慢，存在直流电流偏移，而且交流侧电阻越小， 电流偏移越严重，电流偏移又会使瞬态直流输出电流和电压波形发生畸变，尤其是瞬态 直流过冲电流几乎是稳态值的两倍。所以目前实用的整流器均是带有电流内环和状态反 馈的直接电流控制方式【2 1 2 2 1 。 直接电流控制是一种通过对交流电流的直接控制而使其跟踪给定电流信号的控制 方法，具有系统动态响应快、限流容易、电流控制精度高等优点，以其快速的电流响应 和鲁棒性受到了学术界的关注。根据控制算法的不同，这种控制方法又可分为滞环电流 控制、预测电流控制、电流跟踪控制2 3 1 、滑模变结构控制【冽等。近年来又发展了几种新 型的控制策略，有单周期控制【2 5 】、占空比控制f 2 6 】、基于李雅普诺夫非线性大信号控制 2 7 1 ， 输出直流电压的优化前馈补偿控制，神经网络【2 8 】和模糊逻辑控制等。为了提高电压利用 率并降低损耗，基于空间矢量的p w m 控制在电压型p w m 整流器电流控制中取得了广泛 的应用，并提出多种控制方案。目前，电压型p w m 整流器网侧电流将有固定开关频率、 滞环及空间矢量控制相结合的趋势，以使其在大功率有源滤波等需要快速电流响应的场 合获得优越性能。 直接功率控制【2 9 】，引入闭环比较的量值是系统的瞬时有功、无功功率。通过电流检 。3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 测量计算系统的瞬时有功、无功功率，与相应参考值以滞环比较的方式得到误差指令， 结合输入电压空间矢量的位置从开关选择表中获得当前时刻所需的开关矢量。这种控制 方法多采用瞬时功率来估计输入电压，从而免去交流侧电压传感器。 1 3 研究内容和章节结构 本文主要研究了三相平衡输入下的电压型p w m 整流器系统，首先按照项目性能指 标的要求对控制方法进行仿真，以测试主电路参数和直接电流法的控制效果，根据系统 实时性的要求，制作了以d s p2 8 1 2 为核心的控制电路，用c 语言完成控制程序的编写， 最后，将整个系统进行集成，测试系统运行效果，对采集数据进行分析，并作出总结。 第1 章，绪论。本章首先指出了传统二极管不控整流器所存在的谐波含量高和功率 因数低的缺点，对电网质量造成很大影响，将p w m 技术应用到整流器当中，可以有效 的解决这一问题。本章重点介绍了p w m 整流器的研究概况，包括拓扑结构、数学模型 和控制策略。最后，介绍了本文的研究内容。 第2 章，三相电压型p w m 整流器原理及建模。首先介绍p w m 整流器的基本工作原理， 验证了整流器可四象限运行；给出三相电压型p w m 整流器的基本结构；建立了三相电 压型p w m 整流器两相旋转坐标系下的高频及低频数学模型。 第3 章，控制策略及仿真。本章节对三相p w m 整流器的控制策略进行分析，分别论 述了电压外环控制策略、电流内环控制策略和s v p w m 生成策略。在m a t l a b 中的 s i m u l i n k 对控制系统进行建模和仿真，并得到了不同网侧电感值下系统的网侧和直流 侧的电流电压波形，为后续工作的进行提供了现实依据。 第4 章，控制电路及主电路设计。本章对整流器控制电路的电路结构和工作原理进 行详细说明；对主电路器件参数的选择给出了较为详细的计算过程，结合第3 章的仿真 结果，确定了主电路中电容、电感和i g b t 的参数。 第5 章，控制软件设计。本章节对控制软件的各个部分进行详细说明，以模块化的 形式对第2 章和第3 章所讨论的系统控制模型加以实现。结合t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的特性，对数 据采样、坐标变换、p i 双闭环控制、s v p w m 波形生成和中断的实现方式分别说明。 第6 章，结果分析与展望。对整流器在稳态时所测得的交流侧和直流电侧的波形进 行分析，并验证整流器在负载扰动和电源不平衡条件下的控制稳定性，对整流器的运行 效果作出总结，并对未来要完成的工作进行说明。 4 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 、网侧电感l 以及网侧电压v ；功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组成； 直流回路包括负载电阻墨及负载电动势气。 e l v 一好 v d c 气医 l j 交流凹路 嚣i i 直流回路 i ： 交流凹路 ：篙莩i 直流回路 i 图2 1 整流器模型电路 f i g 2 1r e c t i f i e rm o d u l ec i r c u i t 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： 1 v 2o d c ( 2 1 ) 式中：v 、f 为模型电路交流侧电压、电流；v a t 、屯为模型电路直流侧电压、电流。 由式( 2 1 ) 不难理解：通过对模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧，反之也 成立。以下着重从模型电路交流侧入手，分析整流器的运行状态和控制原理。稳态运行 条件下，整流器交流侧矢量关系如图2 2 所示。应为电网电动势，旷为交流侧可控电压， 5 阻特性，如图2 2 ( b ) 所示；当电压矢量矿端点运动至圆轨迹c 点时，电流矢量j 超前电势 矢量e 9 0 0 ，此时p w m 整流器网侧呈现纯电容特性，如图2 2 ( c ) 所示；当电压矢量矿端点 运动至圆轨迹d 点时，电流矢量j 与电动势矢量应平行且反向，此时p w m 整流器网侧呈 现负阻特性，如图2 2 ( d ) 所示。以上a 、b 、c 、d 四点是p w m 整流器四象限运行的四个 特殊工作状态点；进一步分析，可得p w m 整流器四象限运行规律如下： ( 1 ) 电压矢量矿端点在圆轨迹a b 上运动时，p w m 整流器运行于整流状态。此时， p w m 整流器需从电网吸收有功及感性无功功率，电能将通过p w m 整流器由电网传输至 直流负载。值得注意的是，当p w m 整流器运行在b 点时，则实现单位功率因数整流控制； 而在a 点运行时，p w m 整流器则不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收感性无功功率。 ( 2 ) 当电压矢量i j r 端点在圆轨迹b c 上运动时，p w m 整流器运行于整流状态，此时， p w m 整流器需从电网吸收有功及容性无功功率，电能将通过p w m 整流器由电网传输至 直流负载。当p w m 整流器运行至c 点时，此时，p w m 整流器将不从电网吸收有功功率， 而只从电网吸收容性无功功率。 ( 3 ) 当电压矢量矿端点在圆轨迹c d 上运动时，p w m 整流器运行于有源逆变状态。 此时，p w m 整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能将从p w m 整流器直流侧传输 至电网；当p w m 整流器运行至d 点时，便可实现单位功率因数有源逆变控制。 ( 4 ) 当电压矢量矿端点在圆轨迹d a 上运动时，p w m 整流器运行于有源逆变状态。 6 - 东北大学硕士学位论文第2 章三相电压型p w m 整流器原理及建模 此时，p w m 整流器向电网传输有功及感性无功功率，电能将从p w m 整流器直流侧传输 至电网。 显然，要实现p w m 整流器的四象限运行，关键在于网侧电流的控制。一方面，可 以通过控制p w m 整流器交流电压，间接控制其网侧电流；另一方面，也可通过网侧电 流的闭环控制，直接控制p w m 整流器的网侧电流。 2 1 2 三相电压型p w m 整流器主电路分析 本文研究的p w m 整流器采用图2 3 所示的三相半桥拓扑结构。网侧电路采用三相对 称的无中线连接方式，功率开关管桥路属于三相桥式全控整流电路，每个桥臂的功率开 关管并联续流二极管。三相桥的六个开关管全部截止时，六个二极管组成三相整流桥。 “ 图2 3 主电路结构 f i g 2 3m a i nc i r c u i ts t r u c t u r e 图2 3 中，各符号和参数的意义如下： 屹、：三相电源电压瞬时值； ”。、u r c ：整流桥网侧输入电压瞬时值； ：网侧滤波电感； r ：滤波电感寄生电阻； c ；直流侧滤波电容的大小； 乞、：三相输入电流瞬时值； 啊：整流器功率开关管； 喝饿：续流二极管； o 为电网中点，为下桥臂节点，d 输出滤波电容的中点。 从图2 3 可以看出三相整流器主电路由交流侧三相电感、三相整流桥、直流侧滤波电 7 东北大学硕士学位论文第2 章三相电压型p w m 整流器原理及建模 容组成。 ( 1 ) 网侧滤波电感的作用：整流器正常工作时，能量在交流侧和整流桥之间流动， 存储在电感上，然后通过整流桥释放到直流侧，实现p w m 整流。电感是保证三相v s r 正常运行的必要条件。电感值的大小对系统影响很大，增大电感值，可以减小输入电流 谐波，但是如果过大将导致系统的动态响应速度变慢，同时还会影响系统的带载能力。 ( 2 ) 直流滤波电容的作用：电压型p w m 整流器的标志，其作用是滤除直流电压脉动 成分，保证整流器正常工作。p w m 整流器输出直流母线电压中的n 次谐波会经过p w m 调制后在网侧输入电流中产生n + 1 次谐波，所以它也有减小输入电流谐波的作用。电容 c 2 越大，直流电压谐波含量越小，抗负载扰动能力强，但是同时响应速度也越慢。 ( 3 ) 续流二极管的作用：在功率开关管不导通时，电流可以在二极管中续流。 2 2 电压型p w m 整流器数学模型 研究p w m 整流器的数学模型是深入分析p w m 整流器的工作机理及动态和静态性能 的重要手段。三相电压型p w m 整流器的模型有多种形式，本文采用两相同步旋转坐标 系下的数学模型，该模型可以对整流器的有功和无功分量单独进行控制，简化了系统分 析和控制器设计。本节从系统仿真和程序设计的角度，在两相同步旋转坐标系下对采用 开关函数描述的高频数学模型和采用占空比描述的低频数学模型进行论述【3 1 3 2 3 3 1 。 采用占空比描述的低频数学模型和采用开关函数描述的高频数学模型，在p w m 整 流器系统设计和系统仿真中各自发挥着重要的作用，常用前者对p w m 整流器控制系统 进行设计，然后再用后者对系统进行仿真，从而校验控制系统设计的性能指标。 通过整流器的低频数学模型，可以得出稳态时整流器的向量图，通过几何图形可以 很清晰的表示出整流器的工作机理和各物理量之间的关系。低频模型非常适合于控制系 统的设计，并可直接用于控制器的设计。但是，由于这类模型略去了开关过程的高频分 量，因而不能进行精确的动态波形仿真。 p w m 整流器高频数学模型是基于开关函数建立的，很适合整流器的波形仿真研究， 然而，采用开关函数描述的整流器一般数学模型由于包含了其开关过程的高频分量，因 而很难用于指导控制器设计。 2 2 1 两相坐标系下的低频数学模型 在三相p w m 整流器模型建立过程中，需要将三相静止对称坐标系( 彳，b ，c ) 变换成两 相垂直静止坐标系仁，) ；再将两相垂直静止坐标系0 ，) 变换成两相同步旋转坐标系 p ，g ) 。这罩遵循变换前后总功率不变的原则。以电流变换为例，假设变换前后系数为， 8 东北大学硕士学位论文 则前面的( 彳，b ，c ) 坐标系 引入独立变量i d ，定义： k k 由确定电流变换矩阵的原则：c - l - c r ，这样就有，= 刍，冬= 面1 ，从而可求： 将( 2 4 ) 代入( 2 2 ) 得： 同理可得： z = 信，k = 击，c = 信 阡店 r 阱成 l 1一!一三 。巫一鱼 zz 11l 压压压 朝惜 朝2 i l。i 历”i 2j 。“ 1 2 l 2 阡店 l “c j 1 2 1 2 0 式( 2 7 ) 为三相电压型p w m 整流器在( 彳，b ，c ) 坐标系下的低频模型： = 圣 一尺 兰 一等 塞 0 嘲i p ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 利用式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) ，把式( 2 7 ) 中的对应变量进行三相( 么，b ，c ) 静止坐标系到两相 ，) 9 鱼2 2 一2 5一： 1 0 。l 1_1 坳 l 鱼2 笪2 j 出 e 及建模 f i g 2 4t h e r e l a t i o no ft h e 筇c o o r d i n a t ea n d 由c o o r d i n a t e 由于式( 2 9 ) 是时间的函数，对其两边求导可得： ( 2 8 ) 是将静 模型研 示。则 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式( 2 1 1 ) 两边同时乘以三，并将式( 2 2 4 ) 代入可得p w m 整流器在p ，g ) 坐标系下的交流侧状 态方程： 丢 乏 = ：； + 。一- r 国三c o l 一尺 芝 一。u “呵r d c 2 2 ， 2 2 2 两相坐标系下高频数学模型 首先定义单极性二值逻辑开关函数为： - 1 0 胁乞砀缈驴 他_茏卧 s f 彳一缸 嚣矗 喵 旷 伽仃u 呦l ；鼬兰 = 扰 翻l l ，呦 l。0舱咚 纠，1 东北大学硕士学位论丈箜! 主三塑垫堡型! 翌坚兰堕墨堡墨坠壅堡 二二一 &：1糯嚣，徽k=a,b,c0 ) 亿埘 一1下桥臂导通，上桥臂关断 7 、 7 三相电压型p w m 整流器在( 4 b ，c ) 坐标系下的高频模型为： 丢 差 = 茎 一r 兰 一 塞 或者丢= “一尺z 一吩 c 2 j 4 ， 式中：= 疋+ ，= 墨+ ，“。= 疋+ ；u u o 为下桥臂节点n 与电源 中性点o 之间的电压；f ，甜，“，分别为电流，电压及整流器输入电压矢量。 j u a + 栅c _ 0 ( 2 1 5 ) = 一等& ( 2 1 6 ) 对直流侧应用基尔霍夫第一定律( k c l ) ，由图2 3 叫得： c 堕d t = 一豢 ( 2 1 8 ) “ r ， 式中：么= 疋t + s a + f c 7 0 j 厍 2 2 1 节三相静止对称坐标系( 么，b ，c ) 到两相垂直静止坐标系如，) 的变换关 系，式( 2 1 4 ) 和( 2 1 8 ) 所示的三相p w m 整流器高频数学模型可以转换为两相静止缸，卢) 坐 标系的高频模型： 三丢 乏 = 乏 一尺 乏 一 ： 或者瓦d i = “一r z 一“， c 2 9 ， c 孥= 一屯= ( 屯& + 珏) 一屯 ( 2 2 0 ) 力 互 ，l 、，、-，、， 豇 n 兜 郇枷郇 1 3 l 一3 1 3 一 一 一 & 魏 足 | i i | = 啊 而 彤 “ 1 2 东北大学硕士学位论文 第3 章控制策略及仿真 第3 章控制策略及仿真 本章节对三相p w m 整流器的控制策略进行分析，整流器采用“直接电流控制 ， 该策略以其快速的电流响应和鲁棒性受到了学术界的关注，较“间接电流控制具有明 显优势。为了提高直流电压利用率降低谐波并降低开关损耗，整流器采用s v p w m 方式 并以固定开关频率生成网侧电压。在m a t l a b 中的s i m u l i n k 对控制系统进行建模和仿 真，并得到了不同网侧电感值下系统的网侧和直流侧的电流电压波形，为后续工作的进 行提供了现实依据。 3 1 三相电压型p w m 整流器控制系统设计 本系统采用基于( d ，g ) 坐标变换的矢量控制方法，通过对p w m 整流器有功和无功电 流的单独控制，达到控制功率因数的目的。该方法使p w m 整流器网侧电流的动、静态 性能得到了提高，同时降低了系统参数的变化对网侧电流所带来的影响，增强了控制系 统的鲁棒性。与间接电流控制方法相比具有动态响应速度快、电流控制精度高、过流保 护容易等，因而在实际工程中广泛采用。 结合以上分析并按照第二章所描述的系统高频模型，建立了系统的仿真模型。如图 3 1 所示，为控制系统仿真框图，采用电压外环及电流内环的双闭环结构，并采用前馈解 。耦的方式消除( d ，g ) 轴电流耦合关系，可以实现有功、无功电流分量的独立调节。参考 电压u 出与输出电压的差值经p i 调节得到p ，g ) 坐标系下i d 的标准值，d ，网侧三相电 压和电流经坐标变换，转换到p ，g ) 坐标系下，l 表示有功分量，厶表示无功分量，令，。 为0 ，即无功分量为零，( d ，g ) 坐标系下的电流分别经过各自的p i 调节器以及前馈解耦控 制产生整流桥网侧电