三相电压型整流器的设计与仿真样本

CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 电力电子装置课程设计报告题目三相电压型整流器设计学生姓名***学号*********指引教师**学院信息院专业*****完毕时间.1.2第一章绪论随着功率半导体器件技术进步，电力电子变流装置技术得到了迅速发展，浮现了以脉宽调制（PWM）控制为基本各种变流装置，如变频器、逆变电源，高频开关电源以及各类特种变流器等，电力电子装置在国民经济各领域获得了广泛应用，但是这些装置使用会对电网导致严重谐波污染问题。

老式整流方式会无论是二极管不控整流还是晶闸管相控整流电路能量均不能双向传递，不但减少能源运用率还会增长一定污染，重要缺陷是：1）无功功率增长导致了装置功率因素减少，会导致损耗增长，减少电力装置运用率等；2）谐波会引起系统内部有关器件误动作，使得电能计量浮现误差，外部对信号产生严重干扰；3）老式构造，能量只能单向流动，使得控制系统能量运用率不高，不能起到节能减排作用。

电网污染日益严重引起了各国高度注重，许多国家都已经制定了限制谐波国标，国际电气电子工程师协会(IEEE)，国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)纷纷推出了自己谐波原则。

国际电工学会于1988年对谐波原则IEC555-2进行了修正，欧洲制定IEC1000-3-2原则。

国内国家技术监督局也于1994年颁布了《电能质量公用电网谐》原则(GB/T 14549-93)，老式变流装置大多数已不符合这些新原则，面临前所未有挑战。

当前，抑制电力电子装置对电网污染办法有两种：一是设立补偿装置。

通过对已知频率谐波进行补偿，这种方式合用于所有谐波源，但其缺陷是只能对规定频率谐波进行补偿，应用范畴受限。

并且当受到电网阻抗特性或其她外界干扰，容易发生并联谐振，导致某些谐波被放大进而使滤波器过载或烧毁；而是对整流器装置自身性能进行改造，通过优化控制方略和参数设立，使网侧输入电压和电流呈现接近于同相位正弦波，实现单位功率因数运营即功率因数为1。

当前治理谐波和无功重要是采用功率因数校正技术(PFC技术)，由于PWM 调制技术引入整流器中，使得整流器可以获得较好直流电压并且实现网侧电流正弦化，PWM整流技术已经成为治理电网污染重要技术手段。

PFC技术虽然具备控制简朴、功率因数高、总谐波失真小和易于电路设计等长处，但是其构造并没有发生主线变化只是在输出侧加了一种开关管，而重要交流侧还是选用二极管做为开关器件，其整流方式只能是单一方向不能实现能量双向流动，它在单相电路中有着广泛用途，但是由于其自身性质决定其难以用于三相电电路中；PWM整流技术交流侧采用全控器件，与老式PFC相比，PWM整流技术可以在任意功率因数运营可以实现能量双向流动并且具备较好电流品质和更快动态响应速度，因而真正实现了“绿色电能变换”提高了系统电能运用率减少了资源挥霍。

由上述分析可知，对PWM整流器进行控制研究符合建设资源节约型和环境和谐型社会发展需要，具备重要经济和社会价值。

PWM整流器可实现能量双向流动并具备优良输出特性，与二极管不控整流和晶闸管相控整流相比，具备如下特点：（1）可以实现能量双向流动且功率因数任意可调；(2)网侧电流近似正弦化，谐波含量少；(3)具备较好动态性能，适合动态性能规定高且开关频率变化快场合；（4)直流输出电压稳定且电压波形品质高。

PWM整流器在功率因数校正、谐波抑制以及能量回馈等应用方面具备其突出优势，故很早就已经成为电力电子技术研究最具意义内容之一。

通过各国学者和专家近年实验和研究，在数学模型、主电路拓扑构造和控制方略等各个方面，PWM整流器均获得了较为成功研究成果。

对于学生来说，设计高性能三相PWM 整流器是很具备学习和研究价值课题。

PWM整流器分类办法诸多，最基本分类办法是按照直流储能形式可分为电压型整流器（VSR）和电流型整流器(CSR)两种，前者直流侧采用电容为储能元件，提供一种平稳电压输出，直流侧等效为一种低阻电压源；后者直流侧采用电感作为储能元件，提供一种平稳电流输出，直流侧等效为一种高阻电流源。

由于VSR构造简朴，储能效率高、损耗较低、动态响应快，控制以便，使得VSR始终是PWM整流器研究和应用重点，本文重要讨论三相电压型PWM整流器设计与仿真。

第一章绪论，阐明了PWM整流器研究和学习价值，以及整个论文构造；第二章简介了PWM整流器在国内外研究现状；第三章建立电压型PWM整流器数学模型；第四章简介了很据PWM整流器数学模型对有功电流和无功电流进行解耦控制，设计了电压、电流双闭环调节器，对空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation)技术进行详细分析；第五章对设计整个PWM整流系统进行仿真，分析设计控制器对扰动抑制作用以及输入输出电压动静态性能。

第二章研究现状自20 世纪90 年代以来，PWM整流技术始终是学术界关注和研究热点。

随着研究进一步，PWM整流技术有关应用研究也得到发展，如有源电力滤波(APF)、超导储能(SMES)、电气传动(ED)、高压直流输电(HVDC)、统一潮流控制器(UPFC)、新型UPS 以及太阳能、风能等再生能源并网发电等，并随着当代控制理论、微解决器技术以及当代电子技术推陈出新，这些应用技术研究又促使PWM整流技术日趋成熟，其主电路已从初期半控型器件桥路发展到如今全控型桥路；拓扑构造已成从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；PWM 调制方式从由单纯硬开关调制发展到软开关调制；功率级别从千瓦级发展到兆瓦级，而在主电路类型上既有电压源型整流器，又有电流源型整流器，两者在工业上已成功投入使用，但却多采用模仿芯片PWM波发生器，在闭环和智能调节例如在风力发电并网等方面均存在较大问题，特别是在国内，基于数字信号微解决器PWM整流器研究还只是处在初步发展阶段。

当前PWM整流器研究重要体当前如下几种方面：1. 关于PWM整流器数学模型研究PWM整流器数学模型研究是PWM整流器及其控制技术基本。

A. W.Green 提出了基于坐标变换PWM整流器持续、离散动态数学模型，R.Wu和S.B.Dewan 等较为系统地建立了PWM整流器时域模型，并将时域模型分解成高频和低频模型，且给出了相应时域解。

而Chun T.Rim和DongY.Hu等则运用局部电路dq坐标变换建立了PWM整流器基于变压器低频等效模型电路，并给出了稳态、动态特性分析。

在此基本上，Hengchun Mao等人建立了一种新颖降阶小信号模型，从而简化了PWM整流器数学模型及特性分析。

2. 关于PWM整流器拓扑构造研究PWM整流器主电路拓扑构造近十几年来没有重大突破，主电路设计基本原则是在保持系统基本上，尽量简化电路拓扑构造，减少开关元件数，减少总成本，提高系统可靠性。

PWM整流器拓扑构造可分为电流型和电压型两大类。

其中电压型PWM整流器最明显拓扑特性是直流侧采用电容进行电流储能，从而使整流器直流侧呈低阻抗电压源特性。

电流型PWM整流器直流侧则是采用大电感进行电流储能，使得整流器直流侧呈高阻抗电流源。

依照装置功率不同，研究侧重点不同。

在中小功率场合，研究集中在减少功率开关和改进直流输出性能上；对于大功率场合，研究重要集中在多电平拓扑构造、变流器组合以及软开关技术上。

多电平拓扑构造PWM整流器重要应用于高压大容量场合。

而对大电流应用场合，常采用变流器组合拓扑构造，即将独立电流型PWM整流器进行并联组合。

3. 关于电压型PWM整流器电流控制技术研究电压型PWM整流器有两个控制目的，一是得到稳定直流电压，另一种是使网侧电流正弦化并跟踪电网电压变化。

为了使电压型PWM整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制至关重要，决定了PWM整流器动静态性能。

电压型PWM整流器网侧电流控制方略重要提成两类：间接电流控制方略和直接电流控制方略。

间接电流控制其网侧电流动态响应慢，且对系统参数比较敏感，合用性不高，因而逐渐被直接电流控制所取代。

与间接电流控制相比，直接电流控制电流响应速度快，系统鲁棒性强，且容易实现过流保护，是当今PWM整流器电流控制方案主流。

4. PWM整流器系统控制方略研究控制方略是PWM整流器控制系统核心，其优劣决定着PWM整流器动静态性能以及鲁棒性。

PWM整流器惯用控制办法有滞环电流控制、固定开关频率电流控制、预测电流控制、直接功率控制、无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制、电网不平衡条件下PWM整流器控制、滑模变构造控制、反馈精准线性化控制、基于Lyapunov稳定性理论控制、模糊控制等，详细如下：1) 滞环电流控制滞环电流控制是一种瞬时值反馈控制模式，其基本思想是将检测到实际电流信号与电流给定信号值相比较，若实际电流不不大于指令值，则通过变化变流器开关状态使之减小，反之增大，使得实际电流环绕指令电流做锯齿状变化，并将偏差控制一定范畴内，形成滞环。

该控制办法构造简朴，电流响应速度快，易于实现电流限制，且控制与系统参数无关，系统鲁棒性好，但是开关频率在一种工频周期内不固定，谐波电流频谱随机分布，网侧滤波器设计较为困难。

2）固定开关频率PWM电流控制固定开关频率PWM电流控制，普通是指PWM载波(如三角波)频率固定不变，而以电流偏差调节信号为调制波PWM控制办法。

该控制办法克服了滞环电流控制开关频率不固定缺陷，电流响应速度快，系统鲁棒性高，但当电流内环均采用PI调节时，三相静止坐标系中PI电流调节器无法实现电流无静差控制。

3）预测电流控制预测电流控制思想是从开关在线优化出发，依照负载大小及给定电流矢量变化率，推算出使得下一周期电流满足盼望值电压矢量来控制PWM整流器开关。

预测电流控制具备迅速电流响应速度，但其控制效果依赖于系统参数，鲁棒性不高，且受解决器采样和控制延时影响较大。

4）直接功率控制直接功率控制通过对PWM整流器瞬时有功和无功进行直接控制，达到控制瞬时输入电流目。

该办法具备构造、算法简朴，系统动态性能好，鲁棒性强，容易数字化实现，对交流侧电压不平衡和谐波失真也具备一定补偿作用。

5) 无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制是为进一步简化电压型PWM 整流器信号检测而提出控制办法。

无电网电动势传感器控制重要涉及两类电网电动势重构方案：其一是通过复功率预计来重构电网电动势，是一种开环预计算法，因而精度不高，并且在复功率预计算法中由于具有微分项，容易引入干扰；其二是基于网侧电流偏差调节电网电动势重构，是一种闭环预计算法，它采用网侧电流偏差PI调节来控制电网电动势误差，因而精度较高。

无网侧电流传感器控制是通过直流侧电流检测来重构交流侧电流。

6) 电网不平衡条件下PWM整流器控制为了使PWM整流器在电网不平衡条件下仍能正常运营，学术界提出了不平衡条件下，网侧电流和直流电压时域表达式，电网负序分量被以为是导致网侧电流畸变因素，同步指出，在电网不平衡条件下，常规控制办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。