分类号学号 M201071071 学校代码 10487 密级
硕士学位论文
三相电压型PWM整流器控制
学位申请人：万鹏
学科专业：电力电子与电力传动
指导教师：熊健副教授
答辩日期： 2013年1月6日
A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements
For the Degree of Master of Engineering
Control of Three Phase Voltage Source
PWM Rectifier
Candidate : Wan Peng
Major : Power Electronics and Electric Drive
Supervisor: Prof. Xiong Jian
Huazhong University of Science & Technology
Wuhan 430074, P.R.China
January, 2013
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：
日期：年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、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电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□，在______年解密后适用本授权书。
本论文属于
不保密□。
（请在以上方框内打“√”）
学位论文作者签名：指导教师签名：
日期：年月日日期：年月日
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摘要
PWM整流器具有输入电流正弦、输入电流谐波含量低、功率因数高、输出直流电压纹波小和电能可双向流动等优点，本文研究了三相电压型PWM整流器。
建立数学模型是研究三相PWM整流器的有效手段，在三相电网电压平衡下，分别建立了三相电压型PWM整流器在三相ABC坐标系、dq旋转坐标系下的数学模型。
为保证整流器性能实现需要动态获取电网电压相位信息，在电网平衡条件下，基于DSP软件方式推导了三相数字锁相环的模型及参数设计方法，考虑到三相不平衡条件下电网电压存在负序分量，对电网平衡条件下的三相锁相环实现方式进行了改进。
基于稳态方程关系的整流器传统间接电流控制方式具有良好的静态性能，但电流动态响应较差。从模型原理出发指出了传统间接电流控制动态性能欠佳的本质原因，为改善传统间接电流控制稳定性与动态响应，提出了加入/
LdI dt串联补偿的间接电流控制方案，通过在控制环路的前向通道加入一对零点补偿整流器控制对象中的一对大惯性极点。仿真与实验结果说明加入串联补偿后整流器的稳定性有了很大提高，电流的动态响应加快且振荡减小。
阐述了基于同步旋转dq坐标系下PWM整流器采用双闭环控制的前馈解耦控制策
、轴电流单独控制。略，分析了直接电流控制双闭环控制器参数设计方法，实现d q
三相电压型PWM整流器不平衡控制所实现的控制目标分成两类：一是网侧电流对称控制策略，在dq旋转坐标系下控制整流器网侧电流为对称三相正弦电流。二是消除直流电压脉动的功率平衡控制策略，研究并实现了在dq旋转坐标系下基于网侧功率控制，电网不平衡时三相电感阻抗压降不平衡，虽然网侧功率平衡，但整流桥侧功率仍为不平衡，直流电压纹波仍较大，因此本文还实现了基于整流桥侧功率平衡控制，仿真和实验结果表明基于整流桥侧功率平衡控制可以更好地消除直流电压中的谐波。关键词：电压型PWM整流器间接电流控制串联补偿电网不平衡功率平衡
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Abstract
PWM rectifier has the advantages of sinusoidal input current waveform, high power factor, low harmonics distortion of the input current, little output DC voltage ripple, quick dynamic response and also bi-directional power flow. This paper dwells on the research of the three phase voltage PWM rectifier.
Mathematical modelling is an effective method employed in three phase PWM rectifier research. Under the balanced system of three-phase power grid voltage, this paper constructed the mathematical models of three phase voltage PWM rectifier in static three-phase ABC coordinates and also in rotary two-phase coordinates respectively.
The grid voltage phase should be dynamically acquired to achieve efficient active power control as well as reactive power control of the rectifier grid side. Under the circumstance of a balanced three phase power network, the three-phase digitized phase-locked loop model and its parameter design are deduced with DSP software. Considering the electromotive force of negative sequence currents under the unbalanced three-phase voltage condition, the realization algorithm of three-phase phase-locked loop under the balanced grid system is revamped and improved, with the collected simulation results that have confirmed its feasibility.
Indirect current control of rectifier conducted based on the steady-state equations owns excellent static performance, while its current dynamic response is relatively poorer. From the principle of mathematic model we pointe out the unsatisfactory nature of traditional indirect current control dynamic performance essential reasons .Series Compensation,to improve the the traditional indirectly current control stability and dynamic response,this article proposes a series compensation of indirect current control scheme by adding /
LdI dt which adding one pair of zero to compensate the large inertia poles of rectifier natural characteristics in the front of the control loop.Simulation and experimental results show that adding series compensation has greatly improved the stability of the rectifier and accelerated the dynamic response of the current speed and decreased the oscillation.
This paper elaborates feedforward decoupling double-loop control strategy of PWM
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rectifier control based on Synchronous rotating coordinate, analysis the parameter design method of direct current control dual closed-loop control, and achieves independent control of the d q
、component current.
This paper achieves a variety of unbalanced control strategys based on the mathematical model of the three-phase voltage-type PWM rectifier, with the difference of the control objective,these strategys can be divided into two categories: one is AC current symmetry control strategy , eliminating the negative sequence current to make AC current symmetry, and the other is power balance control strategy,aim for eliminating the harmonic component of the dc output voltage. As the three-phase voltage unbalance leads to three-phase inductor impedance voltage drop unbalanced, although the network side of the power is balanced, the rectifier bridge side power is still unbalanced, and dc side bus voltage ripple is still large.So this paper also achieves power balance control based on the rectifier bridge side. Simulation and experimental results show that the dc voltage pulsation can be eliminated completely by using the power balance control strategy based on the rectifier bridge side.
Keywords：Source voltage PWM rectifier Indirect current control Series compensation Grid unbalance Power balance
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目录
摘要....................................................................................................................I ABSTRACT......................................................................................................II 1绪论
1.1课题的背景及意义 (1)
1.2电网平衡时电压型PWM整流器的控制技术 (1)
1.3电网不平衡时电压型PWM整流器控制研究 (4)
1.4本文主要研究内容 (5)
2电压型PWM整流器的数学模型
2.1电压型PWM整流器在ABC坐标系下数学模型 (6)
2.2电压型PWM整流器在DQ坐标系下数学模型 (8)
2.3本章小结 (10)
3 三相数字锁相环设计
3.1锁相环的工作原理 (11)
3.2三相数字锁相环软件实现 (11)
3.3不平衡电网下锁相技术 (16)
3.4仿真及实验结果 (17)
3.5本章小结 (18)
4 电压型PWM整流器间接电流控制
4.1间接电流控制原理 (20)
4.2基于串联补偿的间接电流控制 (26)
4.3直流电压闭环系统稳定性分析 (29)
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4.4仿真及实验结果 (35)
4.5本章小结 (37)
5 电压型PWM整流器直接电流控制
5.1双闭环控制原理 (38)
5.2双闭环整流系统控制器设计 (39)
5.3实验结果 (42)
5.4本章小结 (44)
6 电网不平衡时电压型PWM整流器控制
6.1电网不平衡时电压型PWM整流器控制基本问题 (45)
6.2网侧电流对称控制策略 (51)
6.3功率平衡控制策略 (54)
6.4实验结果 (63)
6.5本章小结 (64)
7 总结与展望 (65)
致谢 (66)
参考文献 (67)
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1 绪论
1.1 课题的背景及意义
整流器广泛应用于电力电子变流装置中。传统的整流装置有二极管整流器和晶闸管相控整流器，这些整流器存在如下一些缺点[1][2]：
1）网侧电压波形畸变严重。网侧交流电流含有大量谐波电流将在线路阻抗上产生谐波电压，造成电网电压波形畸变。
2）网侧输入功率因数低。网侧电流含有大量的谐波电流，整流器将从电网吸取无功功率，导致输入功率因数低。
3）整流器效率低。谐波电流会增大整流器输入电流的幅值，从而增加了线路损耗，降低整流器效率。
4）整流装置体积大。整流器直流电压脉动大，为了得到平缓稳定的直流电压，一般在直流侧需要较大的滤波电容和平波电抗器来滤除其中的脉动分量，从而增大了整流器的体积，增加了系统成本。
5）能量利用率低。对于不控整流，受器件单向导电限制，能量只能单向流动，直流侧的能量不能回馈电网。
为了解决整流器的上述缺点，高频PWM整流器已对传统的二极管和相控整流器进行了改进，通过把脉宽调制（PWM）技术引入整流器控制当中取代了相控整流或不控整流，使整流器网侧电流正弦、谐波含量低、功率因数可调、输出直流电压脉动小且电流的动态响应速度快[3]。基于此，本文对三相电压型PWM整流器进行研究。
1.2 电网平衡时电压型PWM整流器的控制技术
PWM整流器按有无电流反馈可以分成直接电流控制和间接电流控制两种。
间接电流控制是一种基于稳态方程的控制方法，通过调节整流桥侧输入电压幅值和相位以控制网侧电流[4][5]。间接电流控制对网侧电流开环控制，静态性能好，控制
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方法是两种复杂的非线性建模方法[19][20]，在建模时不需要依据一些假设条件，比如电源电压平衡、滤波电感为线性且不饱和、略去开关损耗等，相比其他线性化和非线性化控制方法的数学建模要更复杂。
1.3 电网不平衡时电压型PWM整流器控制研究
电网不平衡时，电网负序电压分量导致网侧电流含有负序电流谐波，负序电网电动势和网侧负序电流共同作用，使得三相PWM整流器将从电网吸收不平衡的瞬时功率，在这种情况下由于整流器输入的三相功率不平衡，导致PWM整流器直流侧电压不仅含有特征谐波还含有非特征谐波，相关的2、4、次特征谐波电压幅值相对较大，直流电压谐波反过来通过PWM变换器又影响PWM整流器交流侧电流波形，进而加剧了直流侧电压波动，因此有必要研究电网不平衡时三相PWM整流器更一般的控制策略。
1989年Prasad N.Enjeti等对不平衡电网下三相电压型PWM整流器控制进行原理性分析，指出直流电压中的二次谐波电压分量是导致直流电压畸变根本原因，并提出应用特定谐波消除法来抑制二次谐波[21]，对电网不平衡条件下网电流畸变的影响文中并未提及。基于此，Luis Moran等通过对不平衡条件下整流器运行特性分析给出了电感与电容的设计方法[22]，在整流器的控制策略上并没有太多的改进设计。等到了1994年，Vincenti.D.和Jin.H.较为系统地提出了基于电网电动势正序dq坐标系正序电流前馈解耦的控制策略，通过抵制负序电流分量的前馈控制达到交流侧三相电流对称 [23]，而在负序电压的作用下，此时整流器输入功率不平衡从而导致直流电压脉动，谐波含量大。1999年Hong-seok Song和Kwanghee Nam提出了三相不平衡条件下双dq旋转坐标系下对正负序电流独立控制策略[24]，通过PI调节器分别实现正负序电流的无静差控制，相对文献[23]该方案采用网侧输入功率平衡求取正负序电流控制指令，直流母线电压的二次脉动也要小得多，但网侧三相电流不对称，接着Hong-seok Song在文献[24]的基础上，考虑三相不平衡条件下整流器交流侧滤波电感上压降的不对称性，指出虽然网侧输入瞬时功率平衡，但实际输入整流器直流侧的瞬时功率仍为不平衡，这样就不能完全消除直流侧母线电压的二次谐波，因此提出基于整流器桥臂侧功率平
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衡的电流控制策略[25]，电流控制指令通过整流器桥侧的瞬时功率求取，从而完全消除了直流电压的二次谐波，但其获取电流指令算法过于复杂，在线运算工作量巨大。为此，BO Yin等学者在其基础上简化了电流控制指令求取算法，实现直流电压恒定和功率因数可调[26]。
1.4 本文主要研究内容
本文以三相电压型PWM整流器为研究目标，主要包括如下内容：
第一， 在三相电网电压平衡下，分别建立三相电压型PWM整流器在ABC坐
标系，dq旋转坐标系下的数学模型。
第二， 设计三相数字锁相环。为实现整流器网侧有功、无功功率控制，需动态获取电网电压相位信息，在三相电网平衡条件下，基于DSP软件方式推导三相数字锁相环的模型及参数设计方法，考虑到三相不平衡条件下电网电压存在负序电动势，对电网平衡条件下的三相锁相环实现方式进行改进。
第三， 分析了间接电流控制方式。详细介绍了PWM整流器间接电流控制原理，基于模型原理指出了传统间接电流控制动态性能欠佳的本质原因。并采用了串联补偿控制器对常规间接电流控制动态性能差进行改进，仿真和实验结果表明改进后的间接电流控制的响应速度和系统稳定性得到显著提高。
第四， 研究基于两相同步旋转dq坐标系下PWM整流器采用双闭环控制的前馈解耦控制策略，讨论直接电流控制双闭环控制器参数设计方法。
第五， 分析不平衡电网电压条件下三相电压型PWM整流器控制，研究了交流侧电流平衡控制策略和抑制直流侧电压二次脉动的功率平衡控制策略，着重研究了基于功率平衡的控制策略。电网不平衡时，线路阻抗的功率不平衡，当电网不平衡功率完全被线路阻抗吸收时，整流器桥侧的功率则恒定平衡，对消除直流电压的二次谐波电压更加有利，本文深入分析了基于整流器桥臂侧的功率平衡控制策略，基本上能完全消除直流电压二次谐波。
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O O
O
L L R (+)L R (+)
L R (+)
C a
a s a a N
b b s
b b N
c c s c c N dc dc di i e u u dt di i e u u dt di i e u u dt du
i i dt
?+=???
?+=???
?+=????=?? （2-1） 式中：c e e a b e 、、分别表示三相电网电动势。 a b c u u u 、、分别表示各桥臂输入电压。 c a b i i i 、、分别表示交流电流。
dc u 表示直流母线电压。
dc i 表示直流输出电流。 L i 表示直流侧负载电流。
NO u 表示桥臂负母线点相对于电源中点电压。
L 表示每相交流输入电感。 C 表示输出直流滤波电容。
S R 表示包括电感电阻在内的每相线路阻抗。
定义三相整流桥开关函数S S S a b c 、、为
1S 0
k ?=?
?上桥臂导通，下桥臂关断下桥臂导通，上桥臂关断
（2-2）
其中，,,k a b c =，正常工作时，上下桥臂有且只有一个导通。
由以上定义得：
,,a a dc b b dc c c dc u S u u S u u S u === （2-3）
对于无中点的三相平衡系统，三相电流与三相电压之和为零，即：
0a b c a b c
u u u i i i ++=??
++=? （2-4） 将式（2-1）中的三式相加，可得
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3
a b c
NO dc S S S u u ++=?
（2-5） 将式（2-3）、（2-5）代入式（2-1）中，可得电网电压平衡时三相整流器模型：
()1()3()1()3()1()3a s a b c a a
a dc
b s a b
c b b b dc c s a b c c c c dc dc
a a
b b
c c L di R S S S i e S u dt L L di R S S S i e S u dt L L di R S S S i e S u dt L L du C S i S i S i i dt
?++??
=?+????????
?++??
=?+?????????
++??
?=?+???????
?
?=++??? （2-6） 由式（2-6）可知，整流器网侧电流与直流电压状态方程与开关函数(,,)k S k a b c =相关。而且每相网侧电流除了与本相桥臂的开关函数有关，还与其他两相桥臂的开关函数有关，由此可以看出三相电压型PWM 整流器是一个耦合的系统。
2.2 电压型PWM 整流器在dq 坐标系下数学模型
以上对三相PWM 整流器在ABC 坐标系中的一般数学模型进行了研究分析，在这种数学模型中，为了简化控制系统设计，通过同步旋转坐标变换将静止坐标系中的基波正弦量将转换成旋转坐系中的直流量，对直流量PI 闭环调节器则可以实现无静差控制，有利于提高电流稳态控制精度[12]。
为使三相ABC 静止坐标系转换成两相dq 同步旋转坐标系，首先可将三相ABC 静止坐标系转换成两相αβ静止坐标系，然后在此基础上，将两相αβ静止坐标系转换成两相dq 同步旋转坐标系[3][12]。各坐标系之间的关系如图2.2所示。按照Park 变换定义，对于任何三相对称变量a b c x x x 、、其合成通用矢量为：
22332
X ()3
j j a b c x x e x e ππ
?=++ （2-7）
式中a b c x x x 、、可代表任何三相对称变量。
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??
2-9
?
1
L
）可以得到两相同步旋转坐标系（
所示。从中可以看出，在
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3.1 锁相环原理图其工作原理分析：从外部输入的信号 ()in u t 与由压控振荡器送来的输出信号两路频率和相位均不同的控制信号，经过鉴相器鉴相后输出幅值正比于两输入信号相D u 经过环路低通滤波器后馈送出一个相当于，压控振荡器根据u 输出信号与输出信号的频率不相等，则在的作用下，输出信号的频率控制环的调节逐渐向输入信号的频率o f f =
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三相PWM 整流器控制器设计 PWM 整流器能够实现整流器电网侧的电流为正弦，从而大大降低整流器对电网的谐波污染。PWM 整流器同时能够实现电网侧电流相位的控制，常见的有使得电网侧电流与电源电压同相位，从而实现单位功率因数控制，也可以根据需要使得电网侧电流相位超前或滞后对应的电源相电压，从而实现对电网的功率因数补偿。 三相PWM 整流器主电路和控制系统原理图如图1所示，其中A VR 为直流侧电压外环PI 调节器、ACR_d、ACR_q分别为具有解耦和电源电压补偿功能的dq 轴电流内环PI 调节器，PLL 为电源电压锁相环，SVPWM 为电压空间矢量运算器，Iabc to Idiq、Vabc to ValfaVbeta和Vdq to ValfaVbeta分别为三相静止坐标-两相旋转直角坐标变换、三相静止坐标-两相静止直角坐标变换和两相旋转直角坐标-两相静止直角坐标变换。 图1 基于空间矢量的三相PWM 整流器原理图
根据开关周期平均值概念、三相电压型PWM 整流器开关函数表等，可得到三相电压型PWM 整流器在dq 坐标下微分方程形式和等效电路形式的开关周期平均模型。经过dq 轴电流解耦和电源电压补偿的控制系统结构图如图2所示，其中小写的变量表示该变量的开关周期平均值，大写的变量表示该变量在工作点的值。 v dc d dc q 图2 基于dq 轴电流解耦和电源电压补偿的控制系统结构图 对解耦和电源电压补偿之后的dq 轴等效电路进行工作点附近的小信号分析，即可得到小信号下的传递函数如式(1、（2）和（3）所示，其中L 、R 分别为交流侧的滤波电感及其等效电阻，C 为直流侧滤波电容，Dd 为d 轴在工作点的占空比。 ~ i d (s αd (s ~ i q (s αq (s ~ v dc (s i d (s V dc (1
三相电压源型PWM整流器 PI调节器参数整定的原理和方法 1引言 1.1 PID调节器简介 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。目前，在工业过程控制中，95%以上的控制回路具有PID结构。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的，其原理图如图1-1所示。 图1-1 PID控制系统原理图 PID控制器传递函数常见的表达式有以下两种： （1） ()i p d K G s K K s s =++ ，Kp代表比例增益，Ki代表积分增益，Kd代表微 分增益；
（2） 1 () p d i G s K T s T s =++ （也有表示成1 ()(1) p d i G s K T s T s =++），Kp代表比 例增益，Ti代表积分时间常数，Td代表微分时间常数。 这两种表达式并无本质区别，在不同的仿真软件和硬件电路中也都被广泛采用。 ?比例（P，Proportion）控制 比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能及时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产 生，调节器立即产生控制作用，以减少偏差。当仅有比例控制时系统输 出存在稳态误差（Steady-state error）。 ?积分（I，Integral）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制 系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。 为了消除稳态误差，在控制中必须引入“积分项”。积分项对误差取决 于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小， 积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误 差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系 统在进入稳态后无稳态误差。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti， Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。 ?微分（D，Differential）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现 振荡或者失稳。其原因是在于由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞 后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作用“超前”，即在误差接近零时，抑制误 差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是 不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微 分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就
电力电子课程设计课程设计报告 题目：三相电压型PWM整流器与仿真专业、班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 2015年 1 月6 日
摘要：叙述了建立三相电压型PWM整流器的数学模型。在此基础上，使用功能强大的MATLAB软件进行了仿真，仿真结果证明了方法的可行性。 关键词：整流器；PWM；simulink
目录 一任务书 (1) 1.1 题目 (1) 1.2 设计内容及要求 (1) 1.3 报告要求 (1) 二基础资料 (2) 2.1 三相桥式电路的基本原理 (2) 2.2 整流电路基本原理 (4) 2.3 pwm控制的基本原理 (6) 2.4 PWM整流器的发展现状 (6) 三设计内容 (8) 3.1 仿真模型 (8) 3.2 各个元件参数 (11) 3.3 仿真结果 (13) 3.4 结果分析 (15) 四总结 (15) 五参考文献 (15)
一任务书 1.1 题目 三相电压型PWM整流器仿真 1.2 设计内容及要求 设计三相电压型PWM整流器及其控制电路的主要参数，并使用MATLAB 软件搭建其仿真模型并验证。 设计要求(pwm整流器仿真模型参数): (1)交流电源电压600V，60HZ (2)短路电容30MVA (3)外接负载500kVar，1MW (4)变压器变比600/240V (5)0.05s前，直流负载200kw，直流电压500V，0.05s后，通过断路器并联一个相同大小的电阻。 1.3 报告要求 (1)叙述三相桥式电路的基本原理 (2)叙述整流电路基本原理 (3)叙述pwm控制的基本原理 (4)记录参数（截图） (5)记录仿真结果，分析滤波结果 (6)撰写设计报告 (7)提交程序源文件
三相电压型PWM整流器及仿真
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
电力电子课程设计课程设计报告 题目：三相电压型PWM整流器与仿真 专业、班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 2015年 1 月 6 日 内容得分 1、三相桥式电路的基本原理（10分） 2、整流电路基本原理（10分） 3、pwm控制的基本原理（10分 4、三相电压型pwm整流电路仿真模型（30分） 5、结果分析（30分） 6、程序文件（10分） 总分
摘要：叙述了建立三相电压型PWM整流器的数学模型。在此基础上，使用功能强大的MATLAB软件进行了仿真，仿真结果证明了方法的可行性。 关键词：整流器；PWM；simulink
目录 一任务书 (1) 1.1 题目 (1) 1.2 设计内容及要求 (1) 1.3 报告要求 (1) 二基础资料 (2) 2.1 三相桥式电路的基本原理 (2) 2.2 整流电路基本原理 (4) 2.3 pwm控制的基本原理 (6) 2.4 PWM整流器的发展现状 (6) 三设计内容 (8) 3.1 仿真模型 (8) 3.2 各个元件参数 (11) 3.3 仿真结果 (13) 3.4 结果分析 (15) 四总结 (15) 五参考文献 (15)
一任务书 1.1 题目 三相电压型PWM整流器仿真 1.2 设计内容及要求 设计三相电压型PWM整流器及其控制电路的主要参数，并使用MATLAB软件搭建其仿真模型并验证。 设计要求(pwm整流器仿真模型参数): (1)交流电源电压600V，60HZ (2)短路电容30MVA (3)外接负载500kVar，1MW (4)变压器变比 600/240V (5)0.05s前，直流负载200kw，直流电压500V，0.05s后，通过断路器并联一个相同大小的电阻。 1.3 报告要求 (1)叙述三相桥式电路的基本原理 (2)叙述整流电路基本原理 (3)叙述pwm控制的基本原理 (4)记录参数（截图） (5)记录仿真结果，分析滤波结果 (6)撰写设计报告 (7)提交程序源文件
三相电压型PWM 整流器建模及控制 摘要：本文通过基尔霍夫定律完成了对三相电压型PWM 整流器在三相静止对称坐标系下的数学建模。并通过MATLAB/SIMULINK 仿真工具对其数学模型进行了仿真验证，可以看出，仿真验证的结果证明了模型的准确性和可靠性。而后又介绍了一种直接电流控制方法即传统的双闭环PID 控制，并进行了仿真分析。 1 基于基尔霍夫定律对三相VSR 系统建模 三相电压型PWM 整流器的电路拓扑结构如图1-1所示。图中a u 、b u 、c u 为三相交流电源，L 和C 分别为滤波电感和滤波电容，R 是滤波电感的等效电阻， s R 是开关管的等效电阻。 记网侧三相交流电流分别为a i 、b i 、c i ，整流电流为dc i ，流过负载电阻的电流为L i ，负载两端电压为d c v 。 L e i O L 图1-1 三相电压型PWM 整流器电路图 针对三相VSR 一般数学模型的建立，通常作以下假设： (1) 电网电动势为三相平衡的正弦波电动势(a u ，b u ，c u )。 (2) 网侧滤波电感L 是线性的，且不考虑饱和。 (3) 功率开关管损耗以电阻s R 表示，即实际的功率开关管可由理想开关与损耗电阻s R 串联等效表示。 (4) 为描述VSR 能量的双向传输，三相VSR 其直流侧负载由L R 和直流电动势 L e 串联表示。当直流电动势0L e =时，三相 VSR 只能运行于整流模式；当L dc e v >时，三相VSR 既可运行于整流模式，又可运行于有源逆变模式；当L dc e v <时，三相VSR 则运行于整流模式。
为分析方便，定义单极性二值逻辑开关函数k s 为 10 k s ?=? ?上桥臂导通，下桥臂关断上桥臂关断，下桥臂导通 (,,)k a b c = (1-1) 将三相VSR 功率开关管损耗等效电阻s R 和交流滤波电感等效电阻l R 合并，记 s l R R R =+，采用基尔霍夫电压定律建立三相VSR a 相回路方程为 ()a a a aN N O di L R i u v v dt +=-+ (1-2) 当1S 导通而2S 关断时，1a s =，且aN dc v v =；当1S 关断而2S 导通时，开关函数0a s =，且0aN v =。由于aN dc a v v s =，上式可写成 ()a a a dc a N O di L R i u v s v dt +=-+ (1-3) 同理，可得b 相、c 相方程如下： ()b b b dc b N O di L R i u v s v dt +=-+ (1-4) () c c c dc c N O di L R i u v s v dt +=-+ (1-5) 考虑三相对称系统，则 a b c u u u ++= 0a b c i i i ++= (1-6) 故 ..3 dc NO k k a b c v v s ==- ∑ (1-7) 在图1-1中，任何瞬间总有三个开关管导通，其开关模式共有328=种，因此，直流侧电流dc i 可描述为 ()dc a a b c b b c a c c b a a b a b c i i s s s i s s s i s s s i i s s s =+++++ ()()()a c a c b b c b c a a b c a b c i i s s s i i s s s i i i s s s ++++++ a a b b c c i s i s i s =++ (1-8) 另外，对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律，得 dc dc L a a b b c c L dv v e C i s i s i s dt R -=++- (1-9) 则采用单极性二值逻辑开关函数描述的三相VSR 系统的一般数学模型表达式为：
分类号学号 M201071071 学校代码 10487 密级 硕士学位论文 三相电压型PWM整流器控制 学位申请人：万鹏 学科专业：电力电子与电力传动 指导教师：熊健副教授 答辩日期： 2013年1月6日
A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master of Engineering Control of Three Phase Voltage Source PWM Rectifier Candidate : Wan Peng Major : Power Electronics and Electric Drive Supervisor: Prof. Xiong Jian Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P.R.China January, 2013
独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□，在______年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密□。 （请在以上方框内打“√”） 学位论文作者签名：指导教师签名： 日期：年月日日期：年月日
电力电子课程设计课程设计报告 题目三相电压型PWM整流器与仿真专业、班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 2015年 1 月6 日 摘要：叙述了建立三相电压型PWM 整流器的数学模型。在此基础上，使用功能强 -可编辑修改-
大的MATLAB 软件进行了仿真，仿真结果证明了方法的可行性。关键词：整流器；PWM ；simulink
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目录 一任务书 (1) 1.1 题目 (1) 1.2 设计内容及要求 (1) 1.3 报告要求 (1) 二基础资料 (2) 2.1 三相桥式电路的基本原理 (2) 2.2 整流电路基本原理 (6) 2.3 pwm 控制的基本原理 (9) 2.4 PWM 整流器的发展现状........................................ 1..0...三设计内容........................................................... 1..1 3.1 仿真模型...................................................... 1..1 3.2 各个元件参数.................................................. 1..5 3.3 仿真结果...................................................... 1..7 3.4 结果分析...................................................... 1..9 四总结............................................................... 2..0 五参考文献........................................................... 2..0
三相PWM整流器在电动汽车充电机上的应用 1 引言 电动汽车（ev）是由电机驱动前进的［1］，而电机的动力则是来自可循环充电的电池［2］，并且电动汽车对电池的工作特性的要求远超过了传统的电池系统。随着电池技术的提高，因为电动汽车电池系统中的高电压和大电流的以及复杂的充电算法，所以对电池的充电变得越来越复杂［3］，这样会对现有的电网造成很大的干扰。因此，需要高效而且失真度低的充电机［4］。 从传统上来讲，充电器可以被分为两个大类：线性电源和开关电源［5］［6］［7］。线性电源主要有三方面的优势：设计简单，在输出端没有电气噪声而且成本比较低。但是线性电源的充电电路效率低对充电器来说是一个很严重的缺点。使用开关电源可以解决这些问题，开关电源的效率高，体积小而且成本也低。传统的开关电源式充电机采用不可控或者半控器件如晶闸管进行整流，虽然能够得到较为平滑的直流电压，但是同时也给电网注入了大量的无功功率和谐波电流，给电网造成很大的污染［8］。随着电力电子技术的发展，三相电压型pwm整流器（vsr）因其具有功率因数可控、网侧电流趋近于正弦、直流侧电压稳定等优点，应用在汽车充电器中，可以解决功率因数低、谐波电流大等问题［9］。 但是pwm整流器的开关元件在电压和电流全不为零的时候动作会消耗能量［10］，而且随着开关频率增加，在开关器件上的损耗会变得越来越大［11］。使用谐振型零电压软开关可以解决这些问题，而且具有很多的优点：功率开关的软切换，在开关过程中的损耗将会很小，反过来会增加充电的效率而且可以增加运行的频率［12］。这样充电机的体积和重量也会得到减小［13］。另外一个好处是，在使用谐振［型软开关后，整流器中电压电流中的谐波含量会得到降低［14］。因此，当谐振型的整流器和传统整流器工作在相同的功率等级和开关频率时，谐振型的整流器造成的emi问题会小很多［15］。使用谐振型的整流［器去提高充电［16］机的功率等级、充电效率、可靠性和其他的工作特性［17］。 三相谐振型逆变器广泛的应用在电机调速控制等领域［20］，本文以三相逆变器为原型，设计了三相pwm整流器。并且根据谐振型整流器的特点，对控制方法进行了改进，使其能够达到最低的失真度（df）和最小的总谐波失真（thd）。将它运用在电动汽车充电机上，能够减小充电站的功率因数校正环节的压力，而且由于采用了软开关技术，不会由于增加了可控开关管，而导致充电效率降低，为充电机的大规模并入电网提供了必要条件。 2 充电机的总体拓扑结构 图1从原理上描述了充电机的总体拓扑结构图，图中包括几个主要的部分： （1）emi滤波器：抑制交流电网中的高频干扰对设备的影响，同时屏蔽电动汽车充电机对交流电网造成的干扰； （2）三相pwm整流器：三相pwm整流器应用在充电机上能够提高功率因数，而且能够减少对电网的谐波污染；随着功率因数的提高，充电站功率因数校正（pfc）的压力会得到降低。由于其具有功率因数可控的功能，既可以将它应用在充电机上，也可用作整个充电站的功率因数校正（pfc），因此会有广泛的应用前景，本文将主要对他进行设计。 （3）全桥逆变器：将整流得到的直流电压逆变成高频交流方波，用以通过高频变压器，并通过调节占空比改变输出的电压电流的大小； （4）高频变压器：传输高频交流电能，同时能够将负载和前级电路进行隔离； （5）不可控整流桥：对高频变压器传输的交流方波整流，用于对电池进行充电。 在主电路中受控的主要是三相pwm整流桥和全桥逆变器两个主要环节，但是在提高功率因数和充电效率等方面，需要着重的分析三相pwm整流器的运行机理，所以在下文的讨论中
空间矢量的广义仿真与实验研究三相电压源逆变器的脉宽调制技术 文摘 调速驱动系统需要可变电压和频率总是从三相获得供应电压源逆变器(VSI)。一定数量的脉冲宽度调制(PWM)用于获取可变电压和方案从一个逆变器频率供应。最广泛使用的三相逆变器是舰载正弦脉宽调制方案脉宽调制和空间矢量脉宽调制(SVPWM)。有增加趋势,利用空间矢量PWM(SVPWM)因为他们的简单数字的认识和更好的直流总线利用率。然而,一个合适的仿真模型还没有可用的文学。因此,本文在一步一步的发展SVPWM紧随其后的MATLAB / SIMULINK仿真模型实验的实现。首先讨论了三相逆变器的模型基于空间向量表示。下一个简单和灵活的仿真模型的SVPWM的方法,使用MATLAB / SIMULINK开发。发达模型一般自然,因为它可以利用来实现连续和不连续空间矢量。论文的新颖性依赖提议的灵活和通用SVPWM的Matlab / Simulink仿真模型。实验及仿真结果验证该模式 关键词:空间矢量PWM 不连续PWM电压源逆变器 1.介绍 三相电压源逆变器广泛应用于变速交流电动机驱动应用程序因为他们提供变量电压和通过脉冲宽度调制控制变频输出。持续改进和高成本开关频率的功率半导体器件和机器控制算法的发展导致越来越感兴趣更精确的PWM技术。的工作已经在这个方向进行,评估的流行技术提出了由霍尔兹(1992)和霍尔兹(1994)。使用最广泛的是舰载sine-triangle PWM脉宽调制方法由于简单的实现方法在模拟和数字实现。在此方法中,然而,直流总线利用率低,直流5 V,这导致了客观的调查其他技术改善直流总线利用率。它是Houdsworth和格兰特(1984)发现注入零序(第三次谐波)扩展了范围的操作调制器15.5%。与大功率传动的应用程序相关的主要问题是高在逆变器开关的损失。来降低切换损失称为不连续PWM脉宽调制技术(DPWM)是由Depenbrock(1977)和Kolar et al。(1991)。拟议中的不连续PWM技术是基于triangle-intersection-implementation中非正弦调制信号与三角载波比较。一个广义不连续脉宽调制算法提出的有et al。(1998)包括的技术Depenbrock Kolar(1977)和:et al。(1991)。
第1章绪论 1.1PWM整流器概述 随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断提高，已从早期广泛使用的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管(SCR)发展到如今性能各异且类型诸多的全控型功率开关．如双极型晶体管(BJT)、门极关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换向晶闸管(IGcT)、电力场效应晶体管(MOSFET) 以及场控晶闸管(McT)等。而20世纪90年代发展起来的智能型功率模块(IPM)则开创了功率半导体开关器件新的发展方向。功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽调制(PWM)控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛应用。但是，目前这些变流装置很大一部分需要整流环节以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路．因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网“污染”。治理这种电网“污染”最根本措施就是，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。因此，作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到了学术界的关注，并开展了大量研究工作。其主要思路就是将PWM 技术引入整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化且可运行于单位功率因数。 根据能量是否可双向流动，派生出两类不同拓扑结构的PWM整流器，即可逆PWM 整流器和不可逆PWM整流器。本论文只讨论能量可双向流动的可逆PWM整流器及控制策略，以下所称PWM整流器均指可逆PWM整流器。 第2章PWM整流器的拓扑结构及工作原理 2.1PWM整流器原理概述 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。
摘要 随着绿色能源技术的快速发展，PWM整流器技术己成为电力电子技术研究的热点和亮点。PWM整流器可成为用电设备或电网与其它电气设备的理想接口，因为它可以实现网侧电流正弦化和功率因数可调整。 本文首先分析了PWM整流器的基本原理，然后根据三相电压源型PWM整流器各相电压电流之间的关系和桥路的工作状态，给出系统在三相ABC坐标系和两相dq坐标系中的数学模型，利用电流反馈解耦控制，以及系统的基本控制框图。并设计了电压环和电流环数字化PI调节器，结合理论分析和实际对其参数进行了优化整定。 关键词：三相电压型PWM整流器；数学模型；dq变换。
1 三相电压源型PWM 整流器工作原理及数学模型 1.1 PWM 整流器原理 1.1.1 PWM 整流电路工作原理 将普通整流电路中的二极管或晶闸管换成IGBT 或MOSFET 等自关断器件，并将SPWM 技术应用于整流电路，这就形成了PWM 整流电路。通过对PWM 整流电路的适当控制，不仅可以使输入电流非常接近正弦波，而且还可以使输入电流和电压同相位，功率PWM 整流电路由于需要较大的直流储能电感以及交流侧LC 滤波环节所导致的电流畸变、振荡等问题，使其结构和控制复杂化，从而制约了它的应用和研究。相比之下，电压型PWM 整流电路以其结构简单，较低的损耗等优点，电压型PWM 整流电路的成功应用更现实鸭故选择电压型PWM 整流电路进行研究。下面分别介绍单相和三相PWM 整流电路的拓扑结构和工作原理。 图1-2 单相PWM 整流电路 图1-2为单相全桥PWM 整流电路，交流侧电感s L 包含外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必需的。电阻s R 包含外接电抗器的电阻和交流电源内部电阻。同SPWM 逆变电路控制输出电压相类似，可在PWM 整流电路的交流输入端AB 产生一个正弦调制PWM 波AB u ，AB u 中除含有和开关频率有关的高次谐波外，不含低次谐波成分。由于电感s L 的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流