三相PWM整流器的电流闭环控制仿真

三相电压型SVPWM整流器仿真研究一、概述随着电力电子技术的快速发展，三相电压型SVPWM（空间矢量脉宽调制）整流器作为一种高效、可靠的电能转换装置，在新能源发电、电机驱动、电网治理等领域得到了广泛应用。

SVPWM技术以其独特的调制方式，能够实现输出电压波形的高精度控制，提高整流器的电能转换效率，降低谐波污染，成为现代电力电子技术的研究热点。

三相电压型SVPWM整流器的基本工作原理是通过控制整流器的开关管通断，将交流电源转换为直流电源，为负载提供稳定、可靠的直流电能。

在SVPWM调制策略下，整流器能够实现对输入电压、电流的高效控制，使电网侧的功率因数接近1，从而减小对电网的谐波污染，提高电能质量。

为了深入了解三相电压型SVPWM整流器的性能特点，本文将对其仿真研究进行深入探讨。

通过建立整流器的数学模型，利用仿真软件对其进行仿真分析，可以直观地了解整流器在不同工作条件下的运行特性，为实际工程应用提供有力支持。

仿真研究还可以为整流器的优化设计、参数选择等提供理论依据，推动三相电压型SVPWM整流器技术的进一步发展。

三相电压型SVPWM整流器作为一种高效、可靠的电能转换装置，在现代电力电子技术中具有重要的应用价值。

通过仿真研究，可以深入了解其性能特点，为实际应用提供有力支持，推动相关技术的不断发展。

1. 研究背景：介绍三相电压型SVPWM整流器的研究背景及其在电力电子领域的应用价值。

能源转换效率的提升：在当前的能源结构中，电力是最主要的能源形式之一。

电力在传输和分配过程中往往存在损耗和污染。

三相电压型SVPWM整流器作为一种能够实现AC（交流）到DC（直流）高效转换的装置，能够显著提高能源转换效率，降低能源浪费，从而满足日益增长的能源需求。

电网稳定性的改善：随着可再生能源的快速发展，电网的稳定性问题日益突出。

三相电压型SVPWM整流器具有快速响应和精准控制的特点，能够有效地改善电网的电能质量，提高电网的稳定性。

三相电压型PWM整流的新型双闭环控制策略一、本文概述随着电力电子技术的快速发展，三相电压型PWM整流器因其高效率、高功率因数以及优良的电能质量调节能力，在电力系统中得到了广泛应用。

然而，传统的三相电压型PWM整流器控制策略在复杂多变的电网环境下往往难以达到理想的性能。

因此，研究并开发新型的控制策略，以提高整流器的稳定性和动态响应能力，具有重要的理论价值和实际应用意义。

本文提出了一种三相电压型PWM整流的新型双闭环控制策略。

该策略结合了传统的电压外环和电流内环，通过引入一种新型的非线性控制算法，实现了对整流器输出电压和电流的精确控制。

同时，该策略还考虑了电网电压的波动和负载变化的影响，通过动态调整控制参数，保证了整流器在各种工况下的稳定运行。

本文首先介绍了三相电压型PWM整流器的基本原理和传统的控制策略，然后详细阐述了新型双闭环控制策略的设计和实现过程。

接着，通过仿真和实验验证了该控制策略的有效性和优越性。

对本文的研究成果进行了总结，并对未来的研究方向进行了展望。

本文的研究工作为三相电压型PWM整流器的控制策略提供了新的思路和方法，对于提高整流器的性能和稳定性，推动电力电子技术的发展具有积极的意义。

二、三相电压型PWM整流器的基本原理三相电压型PWM整流器是一种能够实现AC到DC转换的电力电子设备，其基本原理基于PWM（脉冲宽度调制）技术和三相电力电子变换技术。

该整流器主要由三相桥式电路、PWM控制器和滤波电路组成。

三相桥式电路由六个开关管（通常是IGBT或MOSFET）组成，分为上桥臂和下桥臂，每相上下各两个开关管。

通过控制这些开关管的通断状态，可以实现AC电源与直流负载之间的能量转换。

当开关管导通时，相应的相线与直流侧正极或负极相连，形成通路；当开关管关断时，相线与直流侧断开。

PWM控制器是整流器的核心部分，负责生成控制开关管通断的信号。

控制器根据输入的电压和电流信号，以及设定的控制策略，计算出每个开关管应该导通的时间，从而生成PWM信号。

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] 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PWM 整流电路的建模与仿真
一、基于 id iq 的控制系统 网侧 PWM 整流器的主要功能是保持直流母线电压的稳定， 输入电流正弦和 控制输入功率因数。 直流母线电压的稳定与否取决于交流侧与直流侧的有功功率 是否平衡。 如能有效地控制交流侧输入有功功率，则能保持直流母线电压的稳定
[1]
。 由于电网电压基本上恒定,所以对交流侧有功功率的控制实际上就是对输入电
流有功分量（ id ）的控制；输入功率因数的控制实际上就是对输入电流无功分量 （ iq ）的控制,而输入电流波形正弦与否主要与电流控制的有效性和调制方式有 关。由此可见,整个网侧 PWM 变换器的控制系统可以分为两个环节,一是电压外 环控制,另一个是电流内环控制。其控制框图如下：
图 控制框图 在现有网侧 PWM 变换器的各种控制方式中,电压外环控制器基本相同，差别主 要在电流内环控制器,电流内环的不同，会产生不同的有功电流指令，所以网侧 PWM 变换器的控制方式主要是按电流内环控制器来分类：电流开环控制和电流 闭环控制[2,3]。分别采用滞环电流和空间矢量技术进行 PWM 调制，如下：
化简为：
did 3 L w · L · i R · i · U q d max V d dt 2 Vdq diq Vq L w·L·id R·iq 0 dt
由上述由图可以看出：直接电流控制是一个双闭环控制系统，即电压外环和电流内 环。电压外环用来保持整流器的直流侧电压恒定；电流内环的作用主要是按电压 外环输出的电流指令进行电流控制，实现对单位功率因数的正弦波电流控制。
2、搭建仿真模型 （1）建立仿真模型
图 滞环电流控制PWM仿真模型 （2）系统主要参数
（2）、直流侧电压电流波形