三相三线电压型PWM整流器非线性控制策略_王久和

三相电压型PWM整流器的双闭环控制系统仿真武晓春;田玖婷;王贞【摘要】根据三相电压型PWM整流器的拓扑结构,在三相静止坐标系以及同步旋转dq坐标系下建立三相电压型PWM整流器的数学模型,并进行耦合分析,通过电压前馈解耦控制解决控制器的耦合问题.PWM整流器控制系统采用电压外环电流内环的双闭环控制进行分析和设计,调节器采用PI调节,开关的调制方式选用空间电压矢量脉宽调制(SVPWM).在Matlab下搭建了该控制系统的仿真模型,仿真实验证明了所设计的控制系统可以保持恒定的电压输出,具有很好的抗扰性能.%According to the topology of three-phase voltage source PWM rectifier,the mathematical model of three phase voltage source PWM rectifier has been established in synchronous dq coordinates,and coupling of three-phase voltage source PWM rectifier is analyzed.The coupled problem of rectifier is solved by the voltage feed-forward decoupling control.The voltage outer loop and current inner loop of double closed-loop are introduced to analyze and design the PWM rectifier control system,and PI regulator is adopted.The voltage space vector PWM is introduced in modulation of the switch.Simulation results show that the designed control system can keep a constant voltage output and have good anti-interference performance.【期刊名称】《兰州交通大学学报》【年(卷),期】2017(036)003【总页数】6页(P70-75)【关键词】三相电压型PWM整流器;空间矢量脉宽调制;双闭环控制;PI调节器【作者】武晓春;田玖婷;王贞【作者单位】兰州交通大学自动化与电气工程学院,甘肃兰州 730070;兰州交通大学自动化与电气工程学院,甘肃兰州 730070;通号(北京)轨道工业集团有限公司,北京 102600【正文语种】中文【中图分类】TM46随着电力电子技术的发展，各种结构形式的电力电子变压器相继出现.在众多变压器中，三相电压型PWM整流器(VSR)因其功率因数可控且能达到1，能量可实现双向流动，输出侧可获得较为稳定的直流电压等优点[1]，在工程实际中得到越来越广泛的应用.文献[2]将电压、电流双环控制应用到PWM整流器控制中，对PI调节器参数设计进行了相关推导.文献[3]应用了反馈线性化理论对整流器进行设计，虽然能实现瞬时功率解耦控制，但控制器对参数变化敏感，控制效果仍不理想.文献[4]提出一种直接功率控制的新调制方法，计算速度得到改善，但存在无功失调控制区，控制仍存在不足.文献[5]论述了静止坐标系下的一种准直接功率控制方法，电流能迅速跟踪给定值.文献[6]采用的是功率解耦控制方法，采用功率内环电压平方外环的控制策略.文献[7]采用了一种基于Lyapunov稳定性理论的控制方法，使系统能大范围保持稳定，但系统比较复杂.本文在参考各种控制策略的基础上，在推导出三相电压型VSR的状态方程的同时，应用电压前馈解耦控制解决控制器耦合问题，开关调制方式采用电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)，对PWM整流器的双闭环控制系统进行了仿真验证，选取合理的仿真参数，验证了控制策略的可行性. 本文在考虑三相电压型整流器(VSR)较电流型整流器优势的基础上，选择三相电压型PWM整流器进行控制，其拓扑结构如图1所示.ea、eb、ec为A、B、C三相对称电源相电压值，ua、ub、uc为整流器三个桥臂的输入端相对于电网中性点电压，ia、ib、ic为三相输入相电流.L为滤波电感，RL 为滤波电感的等效电阻.T1～T6为具有自关断能力的开关管，可以为IGBT，GTO 等，C为整流器输出侧电容值，所加负载用R′代表.根据基尔霍夫电压定律，由图1可得整流器在abc静止坐标系下的微分方程式[8]: 对于整流桥部分，上下桥臂不能同时导通，上桥臂开关导通时，下桥臂关断.开关等效电阻为Rs，令R=Rs+RL为线路总电阻，引入开关变量d，ukN=dkudc，uk=ukN+vNO，k=a,b,c，微分方程(1)可写为式(2).其中:d=1，开关导通；d=0，开关断开；udc为直流侧输出电压；vNO为下桥臂点N与电源中性点O之间的电压.若系统无中性线，则可得式(3).联立式(2)、(3)得将式(4)代入式(2)可得根据基尔霍夫电压定律，直流侧表达式如式(6).结合式(5)、式(6)得到三相电压型整流器在三相abc静止坐标系下以直流电压和交流电压为变量的数学模型如式(7).1.1 耦合分析利用abc/dq同步旋转坐标变换可得式(1)在dq坐标系下整流器电流环频域的表达式如式(8).其中：ω为电网电压的同步角速度；ed、eq为两相旋转坐标系下的电源电压d、q轴分量；ud、uq为整流桥交流侧电压d、q轴分量；id、iq为交流侧电流d、q轴分量.由式(8)可知：影响整流器的因素有输入电压ud、uq；交叉耦合电压ωLid、ωLiq；电源电压波动.1.2 解耦控制将d轴定向于电压空间矢量上，则q轴分量为零.设E为电源相电压的峰值，则令ed=E，eq=0，代入式(8)得对整流器进行电压前馈解耦控制[9]，忽略开关的高频特性，控制器采用PI调节，调节器的设计如式(10).双闭环控制解耦控制框图如图2所示，为电压外环整流器输出电压给定值；udc为整流器直流侧实际电压值.1.3 PI调节器参数整定1.3.1 电流内环控制系统设计电流内环按照典型I型系统整定[10-11]，忽略电源扰动的电流内环的结构框图如图3.经过化简，电流内环按照典型I型系统设计的开环传递函数如式(11).根据，得到PI参数的计算公式如式(12).1.3.2 电压外环控制系统设计电源基波频率为50 Hz，当开关频率远高于50 Hz时，忽略开关函数的高频谐波分量，只考虑开关函数的低频分量.由于电压外环整定主要目标是直流侧电压恒定，故在进行控制系统设计时系统要有很好的抗扰性能，应该按照典型Ⅱ型系统对电压环进行PI参数整定.三相VSR的电压环简化结构如图4所示，由此可得电压外环的开环传递函数如式(13)..hV为中频宽，hv=Tv/Tev，则，这里选取中频宽hv=5，电压环的参数计算式如式(14).PWM整流器采用SVPWM进行调制，SVPWM较SPWM具有更高的电压利用率.6个基本矢量以及矢量合成如图5所示.6个有效基本电压矢量互差60°，将平面平均分成6个扇区，矢量作用顺序按逆时针进行.通过控制网侧电压ud、uq达到网侧电流跟随电网电压的目的，从而实现单位功率因数控制.2.1 空间矢量合成以扇区1为例，矢量合成时，选择按V0均匀分布在矢量的起点和终点上，依次由V1、V2、V1合成[12]，扇区开关函数波形如图6所示.开关周期Ts、相邻矢量V2、V1及零矢量V0、V7作用时间关系为Ts=T1+T2+T0.则合成电压矢量可表示为式(15).矢量作用时间表达式如式(16)，其他时间分布在零矢量上.2.2 占空比计算设D1、D2为相邻两个基本空间电压矢量V1,V2在一个开关周期的占空比，设相电压峰值的最大值为，以该值作为电压基准值，则基本空间电压矢量的标幺值为式(17).为标幺值在Re、Im轴的两个指令电压，则求解D1、D2，可得式(19).分别计算6个扇区的占空比，可以得到矩阵D=A·U关系，其中：.2.3 扇区判断在计算合成矢量所在扇区时，将进行2s/3r坐标变换如式(20).扇区判断模块如图7所示.图7中N代表扇区；switch代表逻辑判断模块的输出值，如果变换量满足下列条件：if uref1>0,switch=1,else switch=0,if uref2>0,switch1=1,else switch1=0,if uref3>0,switch2=1,else switch2=0,所在扇区N=4×switch2+2×switch1+switch.综合以上分析，在进行仿真验证时，设置仿真参数：三相电源相电压峰值为311 V，额定电网频率50 Hz，直流侧参考电压为uref=600 V，交流侧电感为L=2 mH，电阻值RL=0.5 Ω，直流侧电容为C=4 700 μF，负载阻值R′=10 Ω，开关频率为5 000 Hz，并入负载值R=10 Ω.根据前文的PI参数计算公式，电流内环PI参数整定为：KiP=9.6，KiI=28.8；电压外环PI参数整定为：KvP=1，KvI=26.直流侧参考电压uref=600 V，图8是整流器负载阻值R′=10 Ω直流侧输出电压、电流波形.实线代表电压变化，虚线代表电流.图9是A相电压和电流波形.从图8可以看出，经过PI调节，0.02 s以后，电压输出值稳定在600 V，电流值为60 A.从图9可以看出，系统稳定后A相电压和电流同相位，可以实现单位功率因数整流.d轴电流跟随给定电流的变化如图10所示，0.02 s后，d轴输出电流60 A，由于所加负载为阻性负载R′=10 Ω，电流输出与期望值相同.图11为d轴经PI调节器调节电流波形，0.02 s调节器达到稳定，输出在0附近小范围波动.图12为q轴实际电流与给定电流的输出波形，由于q轴给定值为0，0.02 s后系统达到平衡，q轴输出平均电流值为零.图13为0.2 s时并上R=10 Ω电阻时A相电压和电流波形，直流侧电压和电流波形如图14所示.由图13可知，0.2 s加入负载扰动，扰动发生0.1 s后，系统重新达到稳定值，A相电压和电流重新达到同相位.由图14可知则0.3 s系统达到新的稳定状态，稳定时系统直流侧输出电压值仍可达到600 V，电流输出120 A，可见该控制系统就有很好的抗扰性能.本文对三相电压型整流器工作原理进行分析，建立了三相VSR的数学模型，并进行了耦合分析.整流器采用PI调节，对PI调节器参数进行整定，开关调制采用SVPWM调制方式.基于Matlab软件搭建了系统仿真模型，仿真结果表明，所设计的双闭环控制系统能输出恒定的直流电压，对负载扰动有很好的抑制作用，同时对PWM整流器在其他控制方法的研究上有一定的参考作用.【相关文献】[1] 刘凤君.现代整流技术及应用实[M].北京:电子工业出版社,2013:193-212.[2] 张晓东,王兵树,张军伟.PWM整流器的双闭环控制系统设计与仿真研究[J].电测与仪表,2009,46(517):73-76.[3] 于佳丽,梁燕,万健如.三相电压型PWM整流器解耦控制研究[J].电源学报,2015,13(4):15-23.[4] 接峰,黄进.三相PWM整流器直接功率控制的新调制方法[J].电力电子技术,2006,40(4):9-11.[5] 李子欣,李耀华.PWM整流器在静止坐标系下的准直接功率控制[J].中国电机工程学报,2010,3(9):47-54.[6] 王久和,尹虹仁.采用功率内环和电压平方外环的电压型PWM整流器[J].北京科技大学学报,2008,30 (1):90-95.[7] KOMURCUGIL H,KUKRER O.Lyapunov-based control for three-phase PWM AC/DC voltage-source converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1998,5(13):801-813.[8] LARRINAGA S A,VIDAL M A R,OYARBIDE E,et al.Predictive control strategy for DC/AC converters based on direct power control[J].IEEE Transaction on Industrial Electronics,2007,54(11):78-84.[9] 郑忠久,李国峰.基于dq变换的三相VSR的研究[J].电源学报,2011(2):39-44.[10] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2003:101-103.[11] 赵峰,刘鹏飞.双馈风力发电机网侧整流器研究[J].兰州交通大学学报,2009,28(3):74-78.[12] 张兴,张崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2012:186-189.。

三相PWM整流器控制策略的探究与实现专业品质权威编制人：______________审核人：______________审批人：______________编制单位：____________编制时间：____________序言下载提示：该文档是本团队精心编制而成，期望大家下载或复制使用后，能够解决实际问题。

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专利名称：基于无源性的三相电压型PWM整流器解耦控制策略
专利类型：发明专利
发明人：王久和,杨威
申请号：CN200710090157.8
申请日：20070417
公开号：CN101291119A
公开日：
20081022
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明根据电压型PWM整流器主电路结构，建立了整流器Euler－lagrange模型，基于此模型和系统的无源性，在滤波电感器时间常数和直流侧电容时间常数相等的条件下，提出了将系统解耦且变为线性系统的控制策略。

按该策略构成的基于无源性的三相电压型PWM整流器解耦控制系统如附图所示。

根据该控制策略构成新的整流器控制系统，具有结构简单、交流电流谐波小，单位功率因数，对负载鲁棒性强，直流电容量大大减少的优点；真正意义上实现电能“绿色变换”。

通过正常负载、过载及轻载情况下的计算机仿真，证明了基于无源性的三相电压型PWM整流器解耦控制的可行性。

申请人：北京信息工程学院
地址：100101 北京市北四环中路35号
国籍：CN
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学士论文_三相电压型PWM 整流器原理及控制方法摘要随着电网谐波污染问题日益严重和人们对高性能电力传动技术的需要以及绿色能源的发展，PWM整流器技术已成为电力电子技术研究的热点和亮点。

三相电压型PWM 整流器可以做到高功率因数,直流电压输出稳定,具有良好的动态性能,还可实现能量的双向流动。

因此,成为当前电力电子领域研究的热点课题之一。

论文首先以三相电压型PWM整流器的主电路拓扑结构,阐述三相电压型PWM整流器的基本工作原理并建立了三相电压型PWM整流器的数学模型；其次,介绍三相电压型PWM整流器的控制方法,深入研究三相电压型PWM整流器的空间电压矢量脉宽调制控制方法, 以TI公司的TMS320LF2407A芯片作为控制器，选用三菱公司的IPM模块进行三相电压型PWM整流器系统的硬件设计，包括主电路、检测控制电路,保护电路等；结合硬件设计的基础之上，完成相应的软件设计。

关键词PWM整流器电压空间矢量PWM（SVPWM）控制DSP Title Design of three-phase PWM Rectifier powerAbstractWith the serious problem of harmonics pollution to the power system and the need of high performance of AC drive application and the development of the green power technology，PWM rectifier has become a highlight in the field of power electronics. Three-phase PWM rectifiers have recently been an active research topic in power electronics due to more virtues, such as sinusoidal input currents, unity power factor , steady output voltage, good dynamics and bin-directional energy flow.Firstly, the thesis elaborated the basic principle of work for the PWM rectifier according to main circuit topology of three-phase voltage-type PWM rectifier, and the establishment of a three-phase voltage-type PWM rectifier model; Secondly, the thesis proposed the three-phase voltage-type PW M rectifier’s control strategy. Based on the control strategy it has studied the space voltage vector pulse width modulation control method. With TI company's TMS320LF2407A chip as controllers, choose Mitsubishi company IPM module for three-phase voltage source PWM rectifier system hardware design, including the main circuit, detection control circuit, protect circuit, etc.; Combined with the basis of hardware design, software design of complete corresponding.Keywords PWM rectifier Voltage space vector PWM (SVPWM) control DSP目录第一章绪论 (1)1.1 课题研究背景及意义 (1)1.2 国内外PWM 整流器研究发展现状 (2)1.3 本课题研究的内容 (6)1.4 本章小结 (6)第二章三相电压型PWM 整流器原理及控制方法 (7)2.1 方案论证 (7)2.1.1 微处理器的选择 (7)2.1.2 功率器件的选用 (8)2.2 三相电压型PWM整流器主电路拓扑结构 (9)2.3 PWM整流器运行的基本原理 (10)2.4 三相电压型PWM整流器的数学模型 (13)2.4.1 三相VSR一般数学模型 (13)2.4.2 dq坐标系下三相VSR数学模型 (15)2.5 三相电压型PWM整流器控制方法 (15)2.6 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制 (17)2.6.1 SVPWM基本原理 (18)2.6.2 SVPWM的合成 (19)2.6.3 SVPWM与SPWM控制的比较 (21)2.7 本章小结 (22)第三章三相电压型PWM整流器系统硬件设计 (22)3.1 硬件系统设计 (22)3.2 主电路设计 (23)3.2.1 进线熔断器 (23)3.2.2 功率器件选型 (24)3.2.3 交流侧电感设计 (24)3.2.4 直流侧电容选取 (28)3.2.5 IPM保护及其接口电路 (29)3.3 检测控制电路设计 (31)3.3.1 过零检测电路设计 (31)3.3.2 采样调理电路设计 (32)3.3.3 温度检测电路设计 (33)3.3.4 DSP控制电路设计 (34)3.4 本章小结 (36)第四章三相电压型PWM整流器软件设计 (36)4.1 系统资源分配 (37)4.2 控制软件的构成 (38)4.2.1 主程序设计 (38)4.2.2 中断服务程序设计 (39)4.2.3 子程序设计 (41)4.3 本章小结 (43)结论 (43)致谢 (44)参考文献 (45)附录电气原理图............................................................................ 错误!未定义书签。

三相电压型PWM整流器两种控制策略的⽐较摘要：先容了基于SVPWM三相电压型PWM整流器⽮量控制的数学模型及⼯作原理。

在此基础上，从功率因数，谐波含量及直流电压稳定性等⼏⽅⾯对不带有前馈解耦和带有前馈解耦的两种控制策略进⾏了⽐较。

结果表明，不带前馈解耦控制策略的模型固然简单，但其存在功率因数低，谐波含量⾼等缺点。

在同等条件下，仿真结果表明带有前馈解耦控制的策略具有更加优越的控制效果。

关键词：整流器;前馈解耦;⽮量控制引⾔ 早在20世纪70年代，国外就开始了PWM整流技术的研究。

从20世纪80年代后期随着全控器件的问世，采⽤全控器件实现PWM⾼频整流的研究进进⾼潮，PWM整流技术在抑制谐波及⽆功补偿⽅⾯有很强的上风，具有⽹侧电流输进接近正弦，⽹侧功率因数可控，能量双向传输，动态响应速度快等优点。

⽬前⼴泛应⽤的是基于电压定向的PWM整流器，主要采⽤电压定向⽮量控制⽅法，电压型PWM整流器要控制的变量有两个，⼀是整流器的输出电压，⼆是整流器的输进电流。

基于d，q坐标变换的⽮量控制通过对PWM整流器有功和⽆功电流的控制，达到控制输进电流的结果。

这种控制策略不仅具有直接电流控制的动态响应快，稳态性能好，⾃⾝有限流保护能⼒等优点，并且还可以消除电流稳态误差，使系统得到较好的消息态性能。

关于这⽅⾯的⼤部分⽂章只是对前馈解耦控制策略进⾏了仿真分析，但未能给出不带前馈解耦和带有前馈解耦控制的仿真⽐较。

本⽂在给出前馈解耦控制策略的基础上，分别建⽴了电压型不带前馈解耦控制和带有前馈解耦控制的PWM整流系统，通过仿真结果对两种控制策略进⾏⽐较，得出带有前馈解耦控制策略的优越性。

1 PWM整流器数学模型及⼯作原理 1.1 ⼯作原理 三相PWM整流器的电路结构如图1所⽰。

整流器交流侧输⼈电感L为滤波作⽤，且起到升⾼直流电压的作⽤，可以以为整流器交流侧电流是三相正弦电流。

输出直流侧电容C起稳压，并作为直流侧储能元件，输出呈电压源特性，稳态时直流电压保持不变。

三相混合整流器直流电压控制与能效优化策略李萍;王久和【摘要】三相混合整流器电压控制方法通常采用传统PI控制,其控制参数依赖精确的数学模型,自适应能力差,鲁棒性低,影响整流器稳态与动态性能,对此,提出一种改进的基于二次型性能指标单神经元自适应PID算法,并结合负载电流前馈控制的混合整流器电压控制策略.该电压控制策略在带载启动、突加或突减阻感性负载,系统稳态精度和抗干扰能力优于传统PI控制策略.为提高混合整流器电能变换效率,提出了调控整流器输入电流波形,改变功率配比,达到系统损耗最小的方法实现整流器运行能效最佳.计算机仿真结果表明,所提出的电压控制策略有效,能效优化方法可行.%The traditional PI control method is generally applied in the three-phase hybrid rectifier of DC bus voltage control.The PI control parameter tuning depends on the accurate mathematical model,and the poor adaptive ability and robustness when the system is disturbed affect the steady and dynamic performance of the control system.An improved single neuron adaptive PID controller based on the quadratic performance index(QPI)learning algorithm combined with the load current feedforward control strategy is put forward to satisfy the hybrid rectifier requirements.The voltage control strategy can effectively improve the system stability and anti-interference ability better than PI control under the condition of system starting with resistance-inductance load or the load sudden change at run time.A method of adjusting input current waveforms of the two parallel rectifiers to select input power ratio for minimizing the loss of the hybrid rectifier is proposed to optimize theinput power for improving the energy efficiency of the system. The computer simulation results show that voltage control strategy is effective,and optimizing the energy efficiency method is feasible.【期刊名称】《燕山大学学报》【年(卷),期】2018(042)002【总页数】10页(P159-167,176)【关键词】三相混合整流器;电压控制策略;自适应PID;功率配比;能效【作者】李萍;王久和【作者单位】北京信息科技大学自动化学院,北京100192;北京信息科技大学自动化学院,北京100192【正文语种】中文【中图分类】TM4610 引言整流器广泛应用于分布式新能源、电能质量补偿、高压直流输电、电气传动等领域，逐步向功率因数可调整、大容量、高功率密度方向发展。

三相电压型PWM整流器控制策略研究摘要：PWM整流器能够对能量双向流动实现，对交流侧输入电流谐波降低，并对直流侧输出电压有效控制。

三相电压型PWM优势如较快的控制策略动态相应、主电路拓扑结构、整流器网侧功率因数高，相关领域的研究也相对广泛。

本文就此对三相电压型PWM整流器控制策略相关内容进行论述分析。

关键词：三相电压型PWM；控制策略；冲击电流引言三相电压型PWM因其较快的控制策略动态相应、主电路拓扑结构、整流器网侧功率因数高等特征得到普遍的运用，能够对“绿色能源变换”有效实现。

经过多年研究完善，PWM整流器已经成为一种相对成熟的技术，特别是在四象限PWM整流器性能，并将其应用到具体的生活生产之中有重要的意义，其有着十分广阔的发展前景。

一、问题的提出工业生产活动对国家国民经济发展有着重要的作用，也与大众的生活有着密切的关系。

随着国家工业化进一步发展，不同能量转换装置在生产中应用越来越广泛，如不同类型的开关与电源、整流器、直流输电装置等。

不同设备的应用能够减轻企业生产的负担，同时也能够提升社会生活的便利程度。

但另一方面，部分变流装置经过整流环节转变交流电压为直流电压，在此基础上将直流电压转变为其他形式的交流，以此对不同场合的应用有效满足。

整流装置一般可以分为两种形式，一种为相控整流电路，主要构成为晶闸管；一种为不控整流电路，主要构成为二极管。

整流装置的构成特征会使得三乡电网发生无功功率以及谐波干扰的情况，还可能影响周围的用电设备，对电能的利用效率、传输以及生产造成折损，甚至会导致电子器件、设备烧毁，增加自动装置误动作的风险。

上述问题得到国内外学者广泛关注，并针对整流器三相电网干扰相关问题进行了相应的研究。

三相电压型PWM整流器应用脉宽调制技术，开关为IGBT，借助PWM信号对IGBT通断进行有效的控制。

PWM整流器能够获得的优良性能包括灵敏的动态控制响应、网侧及直流侧能量实现流动互通、较少直流侧输出电压纹波等。