电压型PWM整流器(VSR)及控制系统的matlab仿真

4.坐标变换 B 仿 真 部 分
计算定向角λ
λ是电网电压矢量UN的定向角。
UN U N cos ,sin UN UN
dq-abc变换
Id*:电流矢量IN在d轴的分量，有功分量； Iq*:电流矢量IN在q轴的分量，无功分量。
ia* cos * 2 ib cos( ) 3 i * c 2 cos( ) 3 -sin * 2 id -sin( ) * 3 iq 2 -sin( ) 3
ia uaO i u b bO ic ucO
3.主电路参数选择 B 仿 真 部 分
• 交流侧电感参数 1.电感不能太小
Tc (U Am sin t U aO ) LN S Sb S c T Tc 2 2 U aO ( S a a ) ia max c (U Am U 0 ) LN ( 2U AO U 0 ) 3 LN 3 ia max 3 2 t , U aO U 0 2 3 ia
LN
RN
m
U gm U cm
• Ucm：对称三角波的幅值。
5.整流器开关控制信号的产生 A 理 论 部 分
• 各相开关控制脉冲的宽度由ug和uc的交点决定。
• 各相开关控制脉冲的特点:
1.各相桥上下臂控制信号在相位上互补，以避免上、下桥 臂直通而造成短路； 2.各相开关控制信号的幅值相同，均为Ugm； 3.任何时间，桥中有三个开关控制脉冲处于高电位，与此 对应，此时有三个开关管处于导通状态。 4.各相脉冲占空比由调制比决定。
5.双闭环控制系统的设计 B 仿 真 部 分
• 三相VSR控制电路应具有以下基本功能:
1.实现网侧电流正弦化，保证λ=1(或-1)； 2.调压:直流输出电压随给定值U0*而变； 3.稳压:给定值不变时，UO应在网压波动和负载变化时维持恒 定。 4.电路具有双向传输电能的能力，即可实现电流的双象限运 行。
电压型（VSR） 按直流储能形式分类 PWM整流器 按桥路结构分类 电流型（CSR）
半桥电路
全桥电路
1.PWM整流器原理与分类 A 理 论 部 分
• VSR
• 显著特征：直流侧采用 电容进行直流储能，从 而使VSR直流侧呈低阻 抗的电压源特性。
• CSR
• 显著特征：直流侧采用 电感进行直流储能，从 而使VSR直流侧呈高阻 抗的电流源特性。
以a相为例，Ψ是桥侧 线电压Uba滞后UAO的相 角。考虑电路工作在 整流状态时，Ia和UAO 同相，φ=0。
i0
3 mI m cos( ) 2
5.双闭环控制系统的设计 B 仿 真 部 分
dia 1 u AO RN ia (U 0 Sa U 0 ) U NO dt 2 di 1 LN b uBO RN ib (U 0 Sb U 0 ) U NO dt 2 di 1 LN c uCO RN ib (U 0 Sc U 0 ) U NO dt 2 LN
I d I m cos I q I m sin
4.电压矢量定向控制策略 A 理 论 部 分
• 电压矢量定向控制策略是将两相旋转d-q坐标系的d轴 定向为与电网电压矢量UN同轴，把对网侧相电流的控制 转化为对电流IN在d轴和q轴的直流分量的控制，从而简 化了PWM整流系统控制器的设计。
i0 Saia Sbib Scic
ia I m cos(t ) 2 ) 3 2 ic I m cos(t ) 3 ib I m cos(t
Sa m cos(t ) 2 ) 3 2 Sc m cos(t )) 3 Sb m cos(t
1 1 u NO U 0 ( Sa Sb Sc ) U 0 3 2
uaO
S a Sb S c (Sa )U 0 3
3.三相桥式 VSR的数学模型 A 理 论 部 分
• 三相VSR在三相静止坐标系下(a,b,c)的一般数学 模型：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ia U AO ia uaO d LN ib U BO RN ib ubO dt ic U CO ic ucO
4.电压矢量定向控制策略 A 理 论 部 分
• 电压矢量控制方案即为：为基于d-q轴同步速旋转坐标系的 电压矢量控制方案。其中d-q轴是以指定速度转动的二相旋 转坐标系。λ是d轴的定向角。 • 电网相电压为：
u AO U m cos t u BO U m cos(t uCO U m 2 ) 3 2 cos(t ) 3
6.总结 A 理 论 部 分
• 采用电压矢量定向控制策略的三相桥式VSR双闭环控制系统结 构图
6.总结 A 理 论 部 分
• 电压外环控制直流侧的输出电压，并向电流内环提供指令电 流。直流电压调节器的直流输出量作为电流IN的d轴分量的给 定值，将它与q轴分量给定值一起利用二相旋转d一q坐标系进 行Park变换，将直流电流分量给定转化为三相正弦电流给定， 并把它作为电流调节器指令电流。
• 电流内环能根据指令电流对网侧相电流进行快速跟踪控制。 从电压外环得到的指令电流与网侧相电流比较，差值经电流PI 调节器处理后与一个频率固定的三角波信号相比较得到PWM控 制信号。
6.总结 A 理 论 部 分
• 如果指令电流比网侧相电流大，其差值信号为正，经正弦 波与三角波调制后，可使下桥臂整流器件导通，从而使网 侧相电流增加; • 如果差值信号为负，经正弦波与三角波调制后，可使上桥 臂整流器件导通，网侧相电流将减小。 • 指令电流信号正弦波形越好，三角波的频率越高(载波比 高)，则整流器网侧相电流波形的正弦因数就越高。 • 这种方案，整流系统的开关频率是固定的且与三角波的频 率相同，是一种线性化的PWM方法。
3.三相桥式 VSR的数学模型 A 理 论 部 分
整流电路桥侧线电压分析
• 桥侧线电压表示为uab，ubc，uca。由于各相平衡，以uab为例: uab=uaN-ubN
• uaN是a对直流中点N间的电压;ubN是b对N间的电压.
U0/2 S1导通 S4导通
uaN =
-U0/2
• 桥侧线电压是单极性PWM波，幅值为U0。
• 各相电流基波分量：
ia I m cos(t ) 2 ) 3 2 ic I m cos(t ) 3 ib I m cos(t
φ是相电流基波对相电压 的相位角，PWM整流器可 以在φ为任意值下运行。
4.电压矢量定向控制策略 A 理 论 部 分
• 将两相静止坐标系的Ϊ轴与三 相静止坐标系中的a轴重合。将 a相电压定在两相静止坐标的Ϋ 轴上.定义整流器网侧相电压和 相电流的空间矢量分别为:
• 各相正弦调制信号uga,ugb,ugc，幅值均为Ugm，频率与网压频率 相同; u ga U gm sin(t )
2 ) 3 2 u gc U gm sin(t ) 3 u gb U gm sin(t
• Ψ：各相正弦调制信号滞后网压的角度， arctan • 调制比m：
3.三相桥式 VSR的数学模型 A 理 论 部 分
3.三相桥式 VSR的数学模型 A 理 论 部 分
整流电路桥侧相电压分析
• Sa,Sb,Sc为开关信号，Sp(p=a,b,c)=1(上桥臂导通，上桥臂关 断); Sp(p=a,b,c)=0(下桥臂导通，上桥臂关断); • 对整流器的交流侧应用KVL：
3.三相桥式 VSR的数学模型 A 理 论 部 分 • 分类
静止坐标系(abc)模型
按坐标系
旋转坐标系(dq)模型
占空比描述模型
按描述方式 开关函数描述模型
3.三相桥式 VSR的数学模型 A 理 论 部 分
• 三相电压型PWM整流器主电路
3.三相桥式 VSR的数学模型 A 理 论 部 分
• • • • • • • uAO,uBO,uCO:对称三相交流电源相电压; ia,ib,ic:网侧相电流; U0:直流输出电压; RL:负载; uab,ubc,uca:整流器的输入电压: iL:负载电流; N、O点:别为直流输出中点和电源的中性点。
2.PWM整流器的控制方式 A 理 论 部 分
• 间接电流控制(Indirect Current Control)：又称为幅 相控制,通过对整流器交流侧电压基波分量的幅值和相位 进行控制，间接实现对网侧电流的控制. • 直接电流控制(Direct Current Contorl) ：与间接电流 控制主要区别在于引入了电流环，提高了系统的动态响 应速度。 • 直接电流控制中双闭环控制是目前应用最广泛，最实用 化的控制方式，其中电压外环是控制直流侧电压的，并 给电流内环提供指令电流;电流内环则根据指令电流进行 电流快速跟踪控制.
2 U N (uao a ubo a 2uco ) U me jt 3 . 2 I N (ia aib a 2ic ) I m e j (t ) 3
.
ae
j
2 3
4.电压矢量定向控制策略 A 理 论 部 分
• 电压矢量UN和电流矢量IN在Ϊ-Ϋ坐标系中以角速度ω随时间 按逆时针方向旋转，并保持相位差φ不变。 • 设旋转直角d-q坐标系也以角速度ω在空间按逆时针方向旋 转，则在该坐标中的电压、电流矢量均为静止矢量，它们在 坐标轴上的分量均为直流量。电流IN在d轴和q轴的分量可表 示为:
电压型PWM整流器(VSR)及控制系统的matlab仿真
A.理论部分 B.仿真部分
C.验证部分
理论数学模型的建立
simulink模型的建立
simulink模型的验证
1.PWM整流器原理与分类 A 理 论 部 分
• PWM(Pulse Width Modulation)整流器是采用全控 型器件组成的高频整流电路。
1.三相VSR系统控制结构图 B 仿 真 部 分
2.主电路滤波环节 B 仿 真 部 分
• 直流侧滤波
du0 C i0 iL dt
• i0为直流侧输出电流，iL是负载电流。 • 交流侧滤波
ia U AO d LN ib U BO RN dt ic U CO
5.整流器开关控制信号的产生 A 理 论 部 分
• 关键：确定六个开关管的开通状态和时间。
• 整流电路中GIBT的开关控制信号是采用SPWM方式,将正弦调制 信号ug和对称三角波载波信号uc进行比较产生的。 • IGBT的开关频率固定,等于三角波载波信号的频率fc。
5.整流器开关控制信号的产生 A 理 论 部 分
2.电感不能太大
ia iam sin(Tc ) U 0 U 0Tc LN Tc Tc 3LN 3iam sin(Tc )
3.主电路参数选择 B 仿 真 部 分
• 直流侧电容参数C 直流侧电容起到如下作用:
稳定直流输出电压; 抑制直流环节谐波电压。
设计电容时应兼顾两个方面:
1.满足电压环控制的跟随性指标，直流环节电容应尽量小，以确保 系统直流输出电压的快速跟踪控制； 2.满足电压环控制的抗扰性能指标，直流环节电容应尽量大，以限 制负载扰动时直流电压的降落。
5.双闭环控制系统的设计 B 仿 真 部 分
• 设计双环控制系统的一般原则是:
先设计内环后设计外环。
• 设计步骤： 先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的控 制精度。 再选择调节器的参数，满足动态性能指标。
5.双闭环控制系统的设计 B 仿 真 部 分
• PWM整流系统的传递函数—电流内环