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1、毕业设计（论文）三相电压型SVPWM整流器控制策略研究摘要常规整流环节广泛采用的二极管整流电路和晶闸管相控整流电路对电网注入了大量谐波，给电网造成污染。三相电压型PWM整流器具有输出电压恒定、高功率因数、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。本文详细阐述了PWM整流器的工作原理，建立了基于三相静止坐标系以及两相坐标系的低频和高频数学模型，并选择了三相电压型PWM整流器作为本文主要研究对象。电压空间矢量调制(SVPWM)控制方法能够获得更高的电压利用率，同时可使可有效减小电流谐波。文中对三相电压空间矢量的原理和如何实现作了
2、详细的分析，选择了谐波含量相对小的矢量排序策略。在电流控制方案上，提出了dq坐标系下的固定开关频率的直接电流控制策略，同时在控制中实现电流的解耦控制，以及输入电网电压的前馈，使得系统具有更好的动态性能和稳定性，并通过进行闭环系统的仿真验证了方案的可行性。在进行三相电压型PWM整流器系统的仿真研究中，建立主电路、空间电压矢量PWM控制模块及PI控制调节器的仿真模型，并深入对三相电压型PWM整流器的谐波含量进行分析，研究主电路参数对系统跟随性和稳定性的影响。关键字：PWM整流；SVPWM调制；直接电流控制；仿真研究Research on Control Strategy of the Three-
3、phase Voltage SVPWMAbstractThe conventional rectifier section widely consists of diode-rectifier circuit and phase-control thyristor rectifier,which injects large amounts of harmonics into the power networks and produces much contamination.The three-phase voltage-source PWM reetifier(VSR) have the c
4、haracteristics of constant direet voltage,high power factor,small harmonic pollution,bidirectional power flow，so they have more and more application perspective in active filtering,reaetive-load compensation and motor control systems.The principle of single-phase voltage-source PWM rectifier was int
5、roduced in details,constructing the high and low-frequency mathematical model based on the three-phase static coordinate system and the two-phase synchronous rotating coordinate system from the poinit of the topology of the main circuit,and select the three-phase voltage-source PWM rectifier as this
6、 major study.With the voltage space vectors pulsewidth modulation,we can get higher usage of the voltage,at the same time it can effectively reduce the current harmonics.In this paper,the principle of three- phase voltage space vector and the specific implementation were analyzed in details,choosing
7、 the vector sequencing strategy with relatively small harmonic content.As to the current control scheme,this paper propose a directly current control scheme,which with fixed switching frequency in dq rotation reference frame.And also, we introduce current decoupling input voltage feedback,which make
8、s the system more stable and faster response,and through the closed loop system simulation to verify the feasibility of this current control scheme.In the research of the system of the three-phase voltage-source PWM rectifier an, eastblish the main circuit,simulate module of the voltage space vector
9、s pulsewidth modulation and simulate model of PI contorl conditioner,then analyzed deeply in the vector sequencing strategy of three-phase voltage-source PWM reetifier,deliberate the main circuit parameters on dynamic characteristics and static characteristics in the system.Key words:PWM rectifier;S
10、VPWM modulation;direct current control;simulate research目录引言- 1 -第1章 绪论- 2 -1.1 课题的研究背景与意义- 2 -1.1.1 谐波的危害和抑制- 2 -1.1.2 功率因数校正技术- 3 -1.2 PWM整流器国内外研究现状- 3 -1.3 电压型PWM整流器的控制技术- 5 -1.4 本文的主要研究内容和重点- 5 -第2章 PWM整流器的原理、拓扑和数学模型- 7 -2.1 PWM整流器的基本原理- 7 -2.2 PWM整流器的拓扑结构- 9 -2.2.1 单相全桥PWM整流器拓扑结构- 9 -2.2.2 三相半桥
11、PWM整流器拓扑结构- 10 -2.3 三相电压型PWM整流器的数学模型- 11 -2.3.1 ABC静止坐标系下的低频数学模型- 12 -2.3.2 两相坐标系下的低频数学模型- 13 -2.3.3 基于开关函数定义的高频通用数学模型- 15 -2.3.4 两相坐标系的PWM整流器高频数学模型- 18 -2.4 本章小结- 19 -第3章 三相电压型PWM整流器的控制- 20 -3.1 三相电压型PWM整流器的电流控制策略- 20 -3.1.1 间接电流控制- 20 -3.1.2 直接电流控制- 20 -3.2 三相电压型PWM整流器的SVPWM调制方法- 22 -3.2.1 三相VSR的电
12、压空间矢量分布- 22 -3.2.2 电压空间矢量的合成和作用时间的分配- 24 -3.3 SVPWM调制算法的实现和仿真- 25 -3.3.1 扇区的判定和作用时间的计算- 27 -3.3.2 电压空间矢量的排序和三相PWM波的生成- 29 -3.3.3 三相VSR的SVPWM调制算法的模型- 31 -3.4 本章小结- 31 -第4章 三相电压型PWM整流器的建模和仿真- 32 -4.1 主电路参数设计- 32 -4.1.1 交流侧电感的设计- 32 -4.1.2 直流侧电容的设计- 34 -4.2 电压空间矢量控制的三相VSR的仿真研究- 36 -4.2.1 三相VSR在dq坐标系下的电
13、流解耦控制- 36 -4.2.2 三相VSR整流状态下的仿真研究- 37 -4.3 本章小结- 39 -结论与展望- 40 -致谢- 41 -参考文献- 42 -附录- 43 -附录A- 43 -附录B- 44 -附录C- 52 -插图清单图21 PWM整流器模型电路- 7 -图22 PWM整流器交流侧等效电路- 7 -图23 PWM整流器交流侧电压波形- 8 -图24 (a)整流状态矢量图 (b)逆变状态矢量图- 8 -图25 PWM整流器四象限运行原理图- 9 -图26 单相全桥电压型PWM整流器拓扑结构- 9 -图27 三相半桥电压型PWM整流器拓扑结构- 10 -图28 PWM整流器输
14、入侧等效电路和向量图- 10 -图29 PWM整流器交流侧矢量方程的空间矢量图- 13 -图210 dp坐标系的变换关系- 15 -图211 三相PWM整流器开关模型简图- 16 -图212 三相PWM整流器高频等效电路- 17 -图213 三相PWM整流器在dq坐标系下的高频等效电路- 18 -图31 三相VSR电压空间矢量分布图- 23 -图32 电压空间矢量的合成- 24 -图33 传统输入相电压的区间划分- 26 -图34 判断电压矢量所在区间的条件- 26 -图35 改进方案的区间划分- 26 -图36 扇区号N实际对应的各扇区情况- 27 -图37 区间I电压空间矢量的合成- 27
15、 -图38 电压空间矢量的排序策略- 29 -图39 电压空间矢量PWM调制方式- 30 -图310 SVPWM调制仿真模型- 31 -图41 系统设计框图- 32 -图42 直流侧电压阶跃突变时的等效电路图- 35 -图43 三相PWM整流器电流内环解耦控制原理图- 37 -图44 三相VSR的直接电流整流仿真模型- 38 -图45 A相电网电压和电流波形输出相位波形- 39 -图46 常规PI控制时的输出直流电压波形- 39 -插表清单表31 不同开关组合时的电压值- 23 -表32 各扇区号对应的电压空间矢量的作用时间- 28 -表33 各切换点赋值时刻- 31 -引言在20世纪80年代
16、，这一时期由于自关断器件的日趋成熟及应用，推动了PWM整流技术的应用与研究。在1982年，BusseAlfred等人首先提出了基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑结构及其电网侧电流幅相控制策略，并实现了电流型PWM整流器网侧单位功率因数电流控制。1984年。AkagiHirofulni等人提出了基于PWM整流器拓扑结构的无功补偿器控制策略。随着全控器件的问世，采用全控型器件实现PWM高频整流的研究进入高潮。经过几十年的发展，PWM整流器的主电路已从早期的半控型器件发展到今天的全控型器件，而对PWM整流器相关的应用领域的研究也越来越多，例如有源滤波、超导储能、交流传动、高压直流输电以及统一潮
17、流控制等。这些应用领域的研究，又促进了PWM整流器及其控制技术的进步和完善。控制技术是决定PWM整流器发展的关键因素，在大多数应用场合，PWM整流器有两大控制目标：一是保持直流侧输出电压稳定在给定电压值，且尽量不受电网电压及负载变化的影响；二是使PWM整流器的交流侧电流也根据不同的应用场合，实现相应的功率因数要求和快速精确的电流波形控制。其中，对网侧输入电流的控制是PWM整流器控制的关键，这是由于应用PWM整流器的目的是使输入电流正弦化。其实对输入电流的有效控制实质上是对变换器能量流动的有效控制，也就控制了输出电压。基于这个观点，可以将PWM整流器的控制分成间接电流控制和直接电流控制两大类。三
18、相PWM整流器可分为三相电压型PWM整流器和三相电流型PWM整流器两种。本文主要针对当前应用广泛的三相电压型整流器进行研究。目前，PWM控制技术有许多种，应用较为广泛的主要有正弦波PWM(SPWM)控制策略和电压空间矢量PWM(SVPWM)控制策略。SPWM控制策略虽然控制简单，而且电网低次谐波分量较小，但是其直流电压利用率低。SVPWM控制策略是依据变流器电压空间矢量切换来控制变流器的一种控制策略，其主要思路是采用逆变器电压空间矢量的切换以获得准圆形旋转磁场，从而在不高的开关频率(l3kHz)条件下，使交流电动机获得比SPWM控制策略更好的性能。将SVPWM应用于PWM整流器控制之中，主要继
19、承了SVPWM电压利用率高、动态响应快等优点。正是由于SVPWM控制策略的这些优点，使本课题的研究具有现实意义。本课题要求通过三相PWM整流器的工作原理和数学模型分析，对整流器的空间电压矢量控制策略进行简化，实现单位功率因数整流，课题研究对拓宽整流器在解决电网谐波污染，提高电力整流装置的功率因数等方面具有重要作用。研究了三相电压型PWM整流器基于三相静止坐标系以及两相坐标系的低频和高频数学模型，研究了dq坐标系下的固定开关频率的直接电流控制策略，同时在控制中引入输入电网电压的前馈控制，实现了电流的解耦控制。研究了电压空间矢量调制控制方法，对电压空间矢量进行合理的排序。在进行三相电压型PWM整流
20、器系统的仿真研究中，建立主电路、空间电压矢量PWM控制模块及PI控制调节器的仿真模型。第1章 绪论随着功率半导体技术的不断发展，越来越多的电力电子装置得到广泛的运用，引起的谐波及无功污染问题逐渐引起了人们的日益关注。脉冲整流技术(又叫PWM整流技术)取得了飞速的发展，己经成为电力电子领域中不可缺少的一部分，它对提高电力电子装置的性能，治理电网谐波污染以及推动电力电子技术的发展起着十分重要的作用。1.1 课题的研究背景与意义近20年来电力电子技术得到了飞速的发展，已广泛应用于电力、冶金、化工、煤炭、通讯、家电等领域。多数电力电子装置通过整流器与电力网接口，因此三相整流器的研究得到了人们很大的关注
21、。整流器经历了不可控整流、相控整流和PWM整流三个阶段的发展。虽然传统的二极管不控整流和晶闸管相控整流器的电路简单，控制方便，但它们主要存在以下缺陷：(1) 对公用电网产生大量的谐波；(2) 当整流器工作于深度相控状态时，装置的功率因数极低；(3) 交流侧输入有电流畸变，而且整流器换流时容易引起电网电压波形畸变；(4) 侧需要较大的平波电抗器和滤波电容以滤除纹波。这导致装置的体积、重量增大，增加了系统的成本；(5) 相控导致调节周期长，加之输出滤波时间常数又较大，所以系统动态响应慢。无论是二极管不控整流还是晶闸管相控整流，其产生的低功率因数高谐波含量都将导致电网正弦电压畸变，增加配电导线与变压
22、器的损耗，增大中线谐波电流，造成电网上其他用电装置严重的电磁干扰；同时，低功率因数还将降低电源系统的负载能力和可靠性。因此不少国家和国际学术组织制定了限制电力系统和用电设备谐波的标准和规定，有国际电工委员会(IEC)制定的IEC5552标准，它对用电装置的功率因数和波形失真度作了具体的限制，且又于1988年对谐波标准进行了修正，欧洲也制定了相应的 IEC100032标准。我国国家技术监督局在1994年颁布了电能质量公用电网谐波标准(GB/TI454993)，传统整流器已经不符合这些新的规定。目前解决电网污染的方法主要有两种：一是采用补偿装置在电网侧对已经产生的谐波和无功功率进行补偿；二是通过对
23、产生谐波的电力电子装置本身进行改造，使装置的输入正弦电压和电流同相位，不产生谐波也不消耗无功功率。两者相比较，采用改进电力电子装置的方法改善功率因数和实现谐波抑制更为有效，也就是开发输入电流为正弦波，谐波含量低，且功率因数接近为1的新型三相整流器，因此高功率因数三相整流器的研究得到了广泛的关注。1.1.1 谐波的危害和抑制谐波对电网和其它系统的危害主要有以下几方面：(1) 增加了公用电网的附加输电损耗，降低了发电、输电设备的利用率；(2) 引起用电设备发热，使它们的绝缘部分老化，降低用电设备的寿命；(3) 造成电网与补偿电容器之间发生并联谐振或串联谐振。谐振使谐波电流放大数倍甚至数十倍，引起电
24、容器过热而烧毁；(4) 导致继电保护和自动装置误动作，使电气测量仪表计量不准确；(5) 对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；严重者还会导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。解决电网谐波污染的途径主要有两种：一是在电力系统中加入补偿器来补偿电网中的谐波，如无源LC滤波器，有源电力滤波器。二是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1。前者是产生谐波后进行补偿，而后者是消除了谐波源，是解决谐波问题的根本措施。把PWM技术应用于由MOSFET、IGBT等全控器件组成的整流电路，可运行于高功率因数，甚至能量可以双向流动，真正实现绿色电能转换，因而备受关注。这种整
25、流器称为PWM整流器，又称为脉冲整流器，或者称高功率因数变流器。1.1.2 功率因数校正技术不管是民用的还是工业用的产品都对电源的要求越来越高：体积小、重量更轻、供电容量更高、供电品质更好、可靠性更高、效率更高、不间断供电等等，提高功率因数是实现这些要求的关键所在。传统的方法是采用多重化技术增加变流器的相数或脉动数，多重化技术就是将多个方波进行叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波。可以想象，重数越多，阶梯波就越接近正弦波，不过电路结构也越复杂。从几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用PWM整流技术。PWM整流就是将逆变电路PWM技术应用于由MOSFET、IGBT等全控型器
26、件组成的整流电路。而采用PWM整流技术可获得单位功率因数和正弦化输入电流，实现交流侧电流的正弦化，且运行于单位功率因数，同时谐波含量很小。由于PWM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，有效地节约和利用了能源，因而是一种真正意义上的“绿色环保”电力电子装置。由此可见，PWM整流技术代表着当今解决谐波污染问题、实现高功率因数和新能源利用的发展方向，是当今电力电子技术中最具基础和前景的技术之一。1.2 PWM整流器国内外研究现状在20世纪80年代，这一时期由于自关断器件的日趋成熟及应用，推动了PWM整流技术的应用
27、与研究。在1982年，BusseAlfred等人首先提出了基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑结构及其电网侧电流幅相控制策略，并实现了电流型PWM整流器网侧单位功率因数电流控制。1984年。AkagiHirofulni等人提出了基于PWM整流器拓扑结构的无功补偿器控制策略。随着全控器件的问世，采用全控型器件实现PWM高频整流的研究进入高潮。经过几十年的发展，PWM整流器的主电路已从早期的半控型器件发展到今天的全控型器件，而对PWM整流器相关的应用领域的研究也越来越多，例如有源滤波、超导储能、交流传动、高压直流输电以及统一潮流控制等。这些应用领域的研究，又促进了PWM整流器及其控制技术的进步
28、和完善。当前主要的研究领域主要有以下几个方面：1. 整流器的分析与建模PWM整流器数学模型的研究是PWM整流器及其控制技术研究的基础。自从出现基于坐标变换的PWM整流器的数学模型之后，各国学者对PWM整流器的数学模型进行了仔细的研究，其中最具代表性的就有：R.wu.S.Bewan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、低频模型，且给出了相应的时域解；ChunT.Rm和DongYHu等则利用局部电路的dq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。2. 电压型PWM整流器的电流控制策略研究为了使电压型PWM整流器网侧呈现受控电流源
29、特性，其网侧电流控制策略的研究显得十分重要。在PWM整流器技术发展过程中，电压型PWM整流器网侧电流控制策略主要分成两类：一类是由J.wDixon提出的间接电流控制策略；另一类就是目前占主导地位的直接电流控制策略。间接电流控制也称为相位和幅值控制，即通过控制电压型整流器的交流侧电压基波幅值、相位，进而间接控制网侧电流，但它对系统参数变化灵敏，因此这种控制策略己逐步被直接电流控制策略取代。直接电流控制通过快速计算出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值，具有快速的电流响应和良好的鲁棒性。直接电流控制控制方案主要包括以固定开关频率且采用电网电动势前馈的
30、SPWM控制，以及滞环电流控制。为了提高电压利用率并降低损耗，基于空间矢量的PWM控制在电压型PWM整流器中取得了广泛的应用，并提出了多种方案。3. PWM整流器拓扑结构的研究PWM整流器拓扑结构可分为电流型和电压型两大类。在小功率场合，PWM整流器拓扑结构的研究集中在减少功率开关和改进直流输出性能上。对于大功率PWM整流器，其拓扑结构的研究主要集中在多电平、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，而在大电流应用场合，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。4. PWM整流器系统控制策略的研究随着人们对PWM整流器及其控制策
31、略的深入研究，国内学者针对整个PWM整流器系统的控制策略问题也提出了一些比较新颖的系统控制策略，其研究主要可以包括以下几个方面：(1) 基于Lyapunov稳定性理论的PWM整流器控制。针对PWM整流器的非线性多变量强耦合的特点，常规的控制策略和控制器的设计一般采用稳态工作点小信号扰动线性化处理方法，这种方法的不足是无法保证控制系统大范围扰动的稳定性。为此，有学者提出了基于LyaPunov稳定性理论的控制策略。这一新颖的控制方案以电感、电容储能的定量关系建立了Lyapunov函数，并由三相PWM整流器的dq模型以及相应的空间矢量PWM约束条件，推导出相关的控制算法。(2) 无电网电动势传感器和
32、无网侧电流传感器控制。为简化信号的检测，T.Noguchi等学者提出了一种无电网电动势传感器PWM整流器控制策。这一研究主要包括两类电网电动势重构方案：一种是通过功率估计，另一种是通过电流的偏差求导重构电动势。(3) PWM整流器的时间最优控制。有学者提出了直流电压时间最优控制，其基本方法是根据时间最优控制算法求解出跟踪指令电流所需的最优控制电压，并在动态过程中降低无功分量的响应速度，提高有功分量的响应速度，实现了时间最优控制。(4) 电网不平衡条件下的PWM整流器控制。由于实际电网是变化的，为了使整流器在电网不平衡条件下仍能正常运行，有人提出了在不平衡条件下，网侧电流和直流电压的时域表达式。
33、电网负序分量被认为是导致网侧电流畸变的原因。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。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心坐标系下不是直流量，导致调节不能实现无静差控制。1.3 电压型PWM整流器的控制技术控制技术是决定PWM整流器发展的关键因素，在大多数应用场合，PWM整流器有两大控制目标：一是保持直流侧输出电压稳定在给定电压值，且尽量不受电网电压及负载变化的影响；二是使PWM整流器的交流侧电流也根据不同的应用场合，实现相应的功率因数要求
34、和快速精确的电流波形控制。其中，对网侧输入电流的控制是PWM整流器控制的关键，这是由于应用PWM整流器的目的是使输入电流正弦化。其实对输入电流的有效控制实质上是对变换器能量流动的有效控制，也就控制了输出电压。基于这个观点，可以将PWM整流器的控制分成间接电流控制和直接电流控制两大类。间接电流控制也称幅相控制，即通过控制电压型PWM整流器的交流侧电压基波幅值和相位，进而间接控制其网侧电流。间接电流控制的静态特性很好，控制结构简便。由于不需要电流传感器，故成本也比较低。系统过渡过程按其自然特性完成，而整流器的自然特性又很差。所以在间接电流控制的电流暂态过程中，有将近100%的电流超调，电流振荡剧烈
35、，系统的稳定性差，响应慢。所以到目前为止，间接电流控制实际应用的例子很少。直接电流控制通过运算求出交流电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。直接电流控制具有十分优良的动态性能。从系统控制器的结构形式划分，直接电流控制又可以分为三种类型：(1) 电压、电流双闭环控制方式。这也是目前应用最广泛，最为实用化的控制方式。它们的共同特点是:输入电流和输出电压分开控制。电压外环的输出作为电流指令，电流内环则控制输入电流，使之快速地跟踪电流指令。电流内环不仅是控制电流，而且也起到了改善控制对象的作用。由于电流内环的存在，只要使电流指令限幅就自然达到过流保护的目的，这是
36、双闭环控制的优点。(2) 以整流器的小信号线性化状态空间模型为基础，电压、电流不分开控制，对整个系统进行闭环极点配置或设计最优二次型调节器。这种控制方式需要事先离线算出各个静态工作点的状态空间模型和与之对应的反馈矩阵，然后存入存储器。工作时，检测负载电流或等效负载电阻以确定当前的工作点，然后查表读取相应的反馈矩阵。这种方式的控制效果不错，只是要求对静态工作点的划分很细，占用存储空间较大，离线计算量也比较大，实现复杂。(3) 非线性控制方法。由于整流器在本质上是非线性的，所以用非线性控制方法更为适合。基于Lyapunov法的PWM整流器控制具有良好的控制效果，更重要的是它能使整流系统绝对稳定。从
37、PWM整流器的模型看，它属于非线性系统。这类系统可以通过非线性状态反馈在实现系统线性化的同时实现解耦。1.4 本文的主要研究内容和重点三相PWM整流器可分为三相电压型PWM整流器和三相电流型PWM整流器两种。本文主要针对当前应用广泛的三相电压型整流器进行研究。目前，PWM控制技术有许多种，应用较为广泛的主要有正弦波PWM(SPWM)控制策略和电压空间矢量PWM(SVPWM)控制策略。SPWM控制策略虽然控制简单，而且电网低次谐波分量较小，但是其直流电压利用率低。SVPWM控制策略是依据变流器电压空间矢量切换来控制变流器的一种控制策略，其主要思路是采用逆变器电压空间矢量的切换以获得准圆形旋转磁场
38、，从而在不高的开关频率(l3kHz)条件下，使交流电动机获得比SPWM控制策略更好的性能。将SVPWM应用于PWM整流器控制之中，主要继承了SVPWM电压利用率高、动态响应快等优点。正是由于SVPWM控制策略的这些优点，使本课题的研究具有现实意义。本文对三相电压型PWM整流器系统建模、仿真以及优化控制算法做了理论分析和实验工作，主要可以概括如下：1. 查阅了文献和材料的基础上，对课题研究的背景、PWM整流器的发展现状、各种PWM整流器的主电路拓扑及结构、三相电压型PWM电流控制技术及调制方法、电网不平衡情况下三相电压型PWM整流器研究现状进行了详细阐述。2. 对三相电压型PWM整流器的工作原理
39、进行了分析，根据三相电压型PWM整流器主电路结构分别推导了基于三相静止坐标系以及两相同步旋转坐标系下的系统模型，并对其进行动态性能和静态性能分析。3. 介绍三相电压型PWM整流器各种电流控制方法，深入研究三相电压型PWM整流器的直接电流控制方法和电压空间矢量脉宽调制算法，进行三相电压型PWM整流器的主电路电感和电容参数设计。4. 进行三相电压型PWM整流器系统的仿真研究，建立主电路、空间电压矢量PWM控制模块及PI控制调节器的仿真模型，并深入对相电压型PWM整流器的谐波含量进行分析，研究主电路参数对系统跟随性和稳定性的影响。第2章 PWM整流器的原理、拓扑和数学模型2.1 PWM整流器的基本原
40、理PWM整流器是一个交、直流侧均可控的、可四象限运行的变流装置，其模型电路如图21所示。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。交流回路包括交流电动势Us、网侧电感Ls电感和线路总电阻Rs及功率开关管桥路交流侧电动势Ur组成；直流回路包括负载电阻RL、负载电动势eL和功率开关管桥路直流侧电压Udc组成；功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组成。图21 PWM整流器模型电路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： Ur*is=Udc*idc (21)式中 Ur、is PWM整流器模型电路交流侧电压、电流；Udc、idc PWM整流器模型电路直流侧电压、电流
41、。从式(2l)可知，只要通过控制PWM整流器交流侧电压Ur，就可以控制其直流侧电压Udc，反之亦然。以下着重从模型电路交流侧入手，分析PWM整流器的运行状态和控制原理。如图21所示，假设电网电压初始相位为=0，幅值为Um，交流侧电流为is，幅值为im，PWM整流器交流侧电压为Ur，则有以下等式：Us=Umcost LS=Us-Ur-Rsis (22)其等效电路如图22所示：图22 PWM整流器交流侧等效电路当PWM整流器稳定运行时，整流器的交流输入侧电压为一系列等高不等宽的脉冲序列，如图23所示，其中脉冲的高度与直流电压Udc相等。若PWM整流器的调制电压Uc的频率为50Hz的正弦波，则生成的
42、整流器输入电压Ur的基波电压也是频率为50Hz正弦电压，其幅值大小与调制电压Uc的幅值有关。通过控制调制电压Uc的幅值大小和相位，可以控制PWM整流器交流侧电压Ur的幅值大小以及Ur的基波电压和Us的相位角。因此，PWM整流器的交流侧可以看成是一个幅值和相位均可调的交流电源。通过对整流器交流侧输入电压的控制，可以使交流侧输入电流is接近正弦，让is与Us的相位相同，从而实现网侧单位功率因数运行。在图23中，虚线表示的是电网电压Us，实线表示的是整流器交流输入电压Ur的基波电压。图23 PWM整流器交流侧电压波形若以电网电压Us为参考，并假设交流侧电流is滞后于Us的角度为，PWM整流器交流侧电
43、压Ur的基波电压滞后于Us的角度为，则可得到PWM整流器整流和逆变两种工作情况时的矢量图，如图24所示：图24 (a)整流状态矢量图 (b)逆变状态矢量图从图24可以知道，若电网电压一定时，通过控制PWM整流器交流侧电压Ur的幅值大小和其与Us之间的相位角，就能改变交流侧电流is的大小和相位，同时使is接近正弦，从而控制PWM整流器直流侧电压的稳定，而且还能实现单位功率因数控制和电能的双向流动。在图25中比较形象地说明了PWM整流器四象限运行原理，其中有4种特殊的工作状况：1. 当交流侧电压矢量Ur运行于如图25a的位置时，交流侧电流is滞后电网电压Us有90相角，则PWM整流器输入端呈现纯电
44、感特性，只从电网吸收感性无功功率，而不吸收有功功率。2. 当交流侧电压矢量Ur运行于如图25b的位置时，交流侧电流is与电网电压Us同相位，则PWM整流器输入端呈现正电阻特性，工作于单位功率因数整流状态。3. 当交流侧电压矢量Ur运行于如图25c的位置时，交流侧电流is超前电网电压Us有90相角，则PWM整流器输入端呈现纯电容特性，只从电网吸收容性无功功率，而不吸收有功功率。4. 当交流侧电压矢量Ur运行于如图25d的位置时，交流侧电流is与电网电压Us相差180相角，则PWM整流器输入端呈现负电阻特性，工作于单位功率因数逆变状态。图25 PWM整流器四象限运行原理图2.2 PWM整流器的拓扑
45、结构2.2.1 单相全桥PWM整流器拓扑结构图26 单相全桥电压型PWM整流器拓扑结构单相PWM整流器拓扑如图26所示，通过对开关TlT4进行控制，就可在整流器的交流输入端产生正弦调制PWM波电压UAB。UAB中不含低次谐波成分，只含有和被调制正弦信号同频率且幅值成比例的基波分量以及与三角载波有关的高频谐波。由于电感Ls的滤波作用，高次谐波只会使交流侧电流is产生很小的脉动，在理想情况下，当被调制正弦信号的频率和电网电压Us频率相同时，is是与电网电压同频率的正弦波。如果对UAB中基波分量的幅值和相位进行控制，就可以使交流侧电流波形正弦化且网侧功率因数接近1。以单位功率因数整流状态为例，假设
46、(23)在理想情况下，假设整流器为无损网络，根据功率平衡原理，整流器的瞬时输入功率Pin(t)等于瞬时输出功率Pout(t)，即： Pin(t)=us(t)*is(t)=UmIm(1+cos2t) =Pout(t)=udc(t)*idc(t) (24)由此看出，PWM整流器的瞬时输入功率Pin(t)是变化的，且以2倍于电网频率脉动。 idc=(1+cost) (25)可见，PWM整流器的输出电流idc(t)是以2倍于电网频率脉动的。2.2.2 三相半桥PWM整流器拓扑结构图27 三相半桥电压型PWM整流器拓扑结构图28 PWM整流器输入侧等效电路和向量图三相电压型PWM整流器主电路一般采用如图27的三相半桥拓扑，其交流侧等效电路如图28a所示。其中N为电网中点，G为输出滤波电容中点，Us为电网电压，Ur为整流器交流侧电压，i为交流侧电流，Udc为整流器直流侧电压。当
