1、1华东交通大学理工学院Institute of Technology. East China Jiaotong University毕 业 论 文Graduation Thesis（2009 2013 年）题 目： 三相电压型 PWM 整流器及其控制的设计 分 院： 电气与信息工程分院 专 业： 电气工程及其自动化 摘 要传统的二极管不可控整流器和晶闸管半控整流器输出的直流电压存在不同程度的波动，需要体积庞大的滤波装置、电网电流畸变率大、谐波含量大等缺点。直流电压波动太大给负载带来了不良影响、滤波装置体积庞大会导致整流器笨重并且设备占地面积增大、电网电力畸变率大谐波含量高从而需要无功补偿装置，
2、这些都增大了传统整流器的设计与运行成本。本文从实际出发，首先介绍了三相电压型 PWM 整流器的发展史，电路的拓扑结构，以及电路的控制策略。深入的研究了 PWM 整流器的数学模型，得到了一些有用的结论，重点研究了 PWM 整流器的控制策略，即 SVPWM 调制策略，设计了相应的控制器。在 MATLAB 中搭建了仿真模型，仿真结果表明了所建立的控制系统是有效的，能够稳定三相电压型 PWM 整流器直流侧的直流电压，在负载突变后，也能很好的调节的直流电压保持不变，并且电网电流与电压同相，实现了单位功率因数运行。关键字：PWM 整流；SVPWM 调制；仿真；单位功率因数3AbstractTraditio
3、nal controlled rectifier diode and thyristor half controlled rectifier output of the DC voltage varying degrees of volatility, the need for bulky filtering device, grid current distortion, harmonic content and other shortcomings. DC voltage is too volatile to the load brought adverse effects the fil
4、tering device bulky lead to rectifier bulky and equipment covers an area of increased, Power Grid distortion rate of high harmonic content and reactive power compensation device, which are increased conventional rectifier design and operating costs.From reality, this paper first introduces the histo
5、ry of the development of the three-phase voltage-type PWM rectifier circuit topology, and circuit control strategy. In-depth study of the mathematical model of PWM rectifier, got some useful conclusions, focus on the PWM rectifier control strategy, SVPWM modulation strategy, design the controller. I
6、n MATLAB to build a simulation model, the simulation results show that the established control systems are effective, stable three-phase voltage-type PWM rectifier DC side DC voltage, load mutation, can be well regulated DC voltage remains unchanged and the same phase of the grid current and voltage
7、, to achieve unity power factor operation.Key words: PWM rectifier; SVPWM modulation; simulation; unity power factor目 录中文 摘要 .1英文摘要 .2目录 .3第 1 章 绪论 .11.1 课题的研究背景与意义 .11.1.1 谐波的危害和抑制 .11.1.2 功率因数校正技术 .21.2 PWM 整流器国内外研究现状 .21.2.1 PWM 整流器的分析与建模 .31.2.2 三相 PWM 整流器控制技术的研究 .31.2.3 PWM 整流器拓扑结构的研究 .31.2.4 P
8、WM 整流器系统控制策略的研究 .31.3 电压型 PWM 整流器的控制技术 .41.4 本文的主要研究内容和重点 .4第 2 章 三相 PWM 整流器的原理及其数学模型 .52.1 PWM 整流器的基本原理 .52.1.1 三相 PWM 整流器拓扑结构 .52.2.1 ABC 静止坐标系下的低频数学模型 .72.2.2 两相坐标系下的低频数学模型 .92.2.3 PWM 整流器高频通用数学模型 .112.2.4 两相 dq 坐标系的 PWM 整流器高频数学模型 .14第 3 章 三相电压型 PWM 整流器的控制 .173.1 电压型 PWM 整理器的电压空间矢量控制技术 .173.2 SVP
9、WM 算法在 MATLAB 中的实现 .173.2.1 参考电压矢量所在扇区 N 的判断 .183.2.2 不同扇区两相邻电压空间矢量的作用时间 .22第 4 章三相电压型 PWM 整流器的建模和仿真 .254.1 三相 VSR 直流电压控制 .254.2PWM 整流器整体仿真 .27第五章 结论与展望 .29参考文献.301第 1章 绪论1.1 课题的研究背景与意义近十几年来，随着电力电子装置的谐波污染受到愈来愈广泛的重视，随着用电设备谐波标准和电机系统节能工程的推广实施，必将会很大程度上促进对 PWM 整流器的发展。大多数的电力电子装置都是通过整流器与其他系统进行接口，功率因数提高意义重大
10、，人们开始研究通过 PWM 调制技术来改善网侧电流的波形，并使电流相位与电压相位同相，以此来达到单位功率因数的目的。整流器的发展经历了不可控整流、半控整流和全控整流三个阶段。传统的整流器相对 PWM 整流器存在的缺陷如下：(1)大量的谐波得不到良好的治理，对电网产生很大的不良影响。(2) 传统整流器功率因数低，需要补偿无功功率。(3) 交流电流畸变严重从而导致电网电压波形畸变严重。(4) 直流侧平波电抗器的电抗值很大，体积庞大笨重，成本提升。(5) 动态反应慢，控制不够灵敏。1.1.1 谐波的危害和抑制电网中的谐波对电力系统中的电网和其它系统的不良影响主要有以下几方面：(1) 降低了发电系统、
11、输电系统设备的利用效率，增加了公共大电网的附加输电损耗。(2) 引起设备发热严重，使绝缘部分老化，降低用电设备的使用寿命，增加维修成本。(3) 造成公共大电网与补偿无功的电容器之间发生谐振谐振。谐振电流大，容易造成电容损坏。(4) 谐波电压和电流变化过快可能导致继电保护装置误动作和电气测量仪表计量不准确 。(5) 干扰沿线的通信系统，产生噪声并且降低通信质量；严重者还会导致系统传输的信息丢失，使电力的通信系统无法正常工作。解决公共大电网谐波电流和电压污染的途径主要有两种方法：一是在电力系统中加入补偿器来补偿电网中的谐波电压和谐波电流，如有源电力滤波器和无源 LC 滤波器。二是改造电力电子装置本
12、身的结构，使其不产生谐波电压和电流，且功率因数可控。前者是对谐波进行补偿，而后者是消除了谐波源。后者是解决谐波电压电流问题的根本措施，其中整流器中的 PWM 控制技术是一个很好的解决方案 5。把 PWM 控制技术应用于全控器件组成的整流电路中，不仅可运行于高功率因数，甚至还能实现能量双向流动，是真正实现绿色电能转换的措施，因而备受众多学者关注。1.1.2 功率因数校正技术随着科学技术的发展，对电源的要求越来越高：其发展趋势为，电源体积小、重量更轻、容量更高、品质更好、可靠性更高、效率更高、还能实现不间断供电等等。提高整流器的功率因数是实现这些要求的最关键的技术所在。传统的控制方法是采用多重化技
13、术，这会一定程度上增加变流器的相数或脉动数，电路结构也复杂。从 KW 到 MW 的高压大功率高因数整流器一般都是采用 PWM 控制技术。PWM整流电路就是将逆变电路中的 PWM 技术应用在由全控型器件组成的整流器中。采用 PWM 整流控制技术可获得单位功率因数和正弦波形的输入电流，能够实现交流侧电流的正弦波形，且运行在单位功率因数，同时谐波电流含量很小。PWM整流器可以有效的实现能量的双向流动，有效地节约和利用了电力和可再生能源，是一种真正意义上的“绿色+环保”电力电子控制装置 7,8。由此可见，PWM 整流控制技术代表着当今解决谐波污染问题、实现高压大功率因数以及新能源利用的发展方向，同时也
14、是当今电力电子技术中，最具有基础和前景的控制技术之一。1.2 PWM 整流器国内外研究现状在 20 世纪八十年代开始，得力于可控自关断电力电子器件的日趋制造技术的成熟以及电力电子器件的应用，有效的推动了整个三相电压型 PWM 整流控制技术的实际应用与理论研究。在 1982 年，BusseAlfred 等人第一次在学术中提出了基于可控自关断和开通的电力电子器件的三相全桥电压型的 PWM 整流器3拓扑结构，并且有效的实现了电压型 PWM 控制的整流器网侧单位功率因数运行与控制。1984 年。Akagi Hirofulni 等人第一次提出了基于三相全桥电压源型PWM 整流器拓扑结构的无功补偿器控制策
15、略。随着全控电力电子器件的问世，采用全控型电力电子器件实现 PWM 高频整流的研究进入高潮。1.2.1 PWM 整流器的分析与建模研究 PWM 整流器的数学模型就是研究其控制策略技术的基础。坐标变换是将复杂的模型变为简单模型的重要方法，在此之后，各国学者开始逐步对三相电压型 PWM 整流器的数学模型和控制技术以及策略进行了详细深入的研究，其中具代表性的就有： PWM 整流器的时域模型，并将时域模型分解成低频、高频模型；变压器的低频等效模型电路。1.2.2 三相 PWM 整流器控制技术的研究在 PWM 整流器技术发展的过程中，三相电压型 PWM 整流器，其输入整流器的网侧电流控制策略可以大体的分
16、成两类：另一类是直接电流控制策略；一类是间接电流控制策略。直接电流控制策略是通过直接控制输入整流器的电流进而有效的控制输入整流器的有功功率和无功功率，它是通过快速地计算出交流侧输入三相交流电流的指令值，再引入三相交流电流反馈值，通过对交流电流的直接控制而使其有效稳定无误差的跟踪指令电流的值，这种控制技术具有快速的电流响应能力和良好的鲁棒性。间接电流控制是通过控制电压基波的相位控制和电压基波的幅值来控制输入整流器的有功功率和无功功率，是间接的控制电流，所以叫间接电流控制，但是这种控制策略对系统电阻，电感等参数变化灵敏，正在逐步的被直接电流控制策略所取代。1.2.3 PWM 整流器拓扑结构的研究三
17、相 PWM 整流器的拓扑结构可分为电压型和电流型两大类。在小功率和低电压的场合，三相 PWM 整流器拓扑结构的科学研究与实际应用，主要是集中在减少电力电子功率器件的开关频率，以及改进直流电压的输出性能上面。对于大功率和高电压的三相 PWM 整流器来说，其拓扑结构的研究主要集中在怎样实现多电平的拓扑、变流器组合的控制技术以及软开关技术上。实现多电平拓扑结构的三相 PWM 整流器，主要应用于高压且容量较大的场合，像高压直流输电场合，而在大电流应用场合，通常采用的是错位交替的组合拓扑结构。1.2.4 PWM 整流器系统控制策略的研究随着人们对 PWM 整流器的拓扑结构及其控制策略的深入研究，学者们针
18、对PWM 整流器系统的控制策略的问题提出了一些新颖的系统控制策略，研究主要包括以下四个方面：(1) 基于 LYAPUNOV 稳定性理论的无源 PWM 整流器控制，即无源性 EL 模型的 PWM 整理器。(2) 无网侧电流传感器的控制与无电网电动势传感器，这种控制策略有利于减小传感器的使用，又有利于提高系统稳定性，但是对于数学模型要求比较高。(3) PWM 整流器的时间最优控制，这是基于现代控制理论发展起来的控制策略，在一定程度上增加了系统的复杂性。(4) 电网不平衡条件下的 PWM 整流器控制策略，这种控制策略很实用，因为电网不可能一直保持对称运行，当电网故障时可以采用此策略，保护整流器不被烧
19、坏。1.3 电压型 PWM 整流器的控制技术整流器的控制技术是决定 PWM 整流器发展的关键因素，在大多数应用场合，PWM 整流器的应用有着两大控制目标：一是保持整流器直流侧输出电压能够稳定在给定的电压值，且尽量不受电网电压及负载突变的影响。二是使 PWM 整流器的交流侧电流，即电网电流，也根据不同的应用场合，实现相应的功率因数要求以及更加快速精确的电流波形控制中 5,9。其中，对电网侧输入电流的有效控制是实现 PWM 整流器控制的关键所在，这是由于应用PWM 整流器的目的是使电网输出，整流器输入电流正弦化。1.4 本文的主要研究内容和重点第一章：通过查文献和材料，阐述了课题研究的背景、PWM
20、 整流器的发展现状等等。第二章：对三相电压型 PWM 整流器的运行原理进行了分析，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。第三章：深入研究三相电压型 PWM 整流器的 SVPWM 不同的调制策略，得到了有用的结论。第四章：在 MATLAB 中建立了三相电压型 PWM 整流器的仿真模型，并深入的分析了三相电压型 PWM 整流器的输出电压和电流的谐波含量，研究负载突变时对输出电压的影响。第五章：结论与展望，总结本文所做的工作以及未来将要做的工作。5第 2 章 三相 PWM 整流器的原理及其数学模型2.1 PWM 整流器的基本原理2.1.1 三相
21、 PWM 整流器拓扑结构在本文中，只研究三相半桥电压型 PWM 整流器。三相半桥电路仅使用一半的开关管，且在交流输入端,无需隔离变压器。三相全桥电路是由三个独立的单相全桥 VSR 组合而成接入电网时，不会因为电网不平衡影响其控制性能，能够适应电网不平衡。本文所研究的整流器是针对三相负载平衡的状况，所以主电路选择三相半桥拓扑结构。三相半桥和三相全桥 PWM 整流器主电路拓扑结构如图 2-1 所示。CdUd cUs cD 1Us bUs aLsLsLsD 3RsRsRsD 5D 2D 6D 4RLI0+-iaibicT1T3T5T4T6T2ABCMNid cO图 2-1 三相半桥 PWM 整流器拓
22、扑结构2.1.2 工作原理图 2-2 为电压型 PWM 整流器电路模型，它由交流回路、功率开关桥路、直流回路组成，功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组成。ReLC图 2-2 PWM整流器等效电路模型主要从等效模型电路的交流侧入手，分析 PWM 整流器的运行状态和控制原理。若忽略 PWM 谐波分量，并且不计交流侧电阻。则矢量方程为（2-1）E V j L RI （2-1）通过交流侧电动势矢量 就可实现PWM 整流器的四象限运行，稳态条件下，PWM整流器交流侧矢量关系如图2.2所示。O VOOEIoIoEOIoVEVIoE图 2-3 PWM整流器四象限运行矢量图在图 2.2（a）中，电流矢量 与电动势矢量 平行而且同向，此时 PWM 整IE流器网侧呈现正电阻特性，图 2.2（b）中， 滞后于 ， 和 相位正好相同，VI为正阻特性运行，图 2.2（c）中；当电压矢量 端点运动至圆轨迹 C 点时，电流矢量 比电动势矢量 超前 ，此时 PWM 整流器成现纯电容特性运行，图IE092.2（d）中， 超前于 ， 和 相位正好相反，电路工作在逆变状态，为负VI阻性运行。2.2 三相电压型 PWM 整流器的数学模型PWM 整流器的数学模型可分为低频数学模型和高频数学模型。其中低频数
