三相电压型整流器的设计与仿真

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*********

指导教师**

学院信息院

专业*****

完成时间2017.1.2

第一章绪论

随着功率半导体器件技术的进步，电力电子变流装置技术得到了快速发展，出现了以脉宽调制（PWM）控制为基础的各种变流装置，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取得了广泛的应用，但是这些装置的使用会对电网造成严重的谐波污染问题。传统的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，不仅降低能源的利用率还会增加一定的污染，主要缺点是：

1）无功功率的增加造成了装置功率因素降低，会导致损耗增加，降低电力装置的利用率等；

2）谐波会引起系统内部相关器件的误动作，使得电能的计量出现误差，外部对信号产生严重干扰；

3）传统的结构，能量只能单向流动，使得控制系统的能量利用率不高，不能起到节能减排的作用。

电网污染的日益严重引起了各国的高度重视，许多国家都已经制定了限制谐波的国家标准，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)纷纷推出了自己的谐波标准。国际电工学会于1988年对谐波标准IEC555-2进行了修正，欧洲制定IEC1000-3-2标准。我国国家技术监督局也于1994年颁布了《电能质量公用电网谐》标准(GB/T 14549-93)，传统变流装置大多数已不符合这些新的标准，面临前所未有的挑战。

目前，抑制电力电子装置对电网污染的方法有两种：一是设置补偿装置。通过对已知频率谐波进行补偿，这种方式适用于所有谐波源，但其缺点是只能对规定频率的谐波进行补偿，应用范围受限。并且当受到电网阻抗特性或其他外界干扰，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；而是对整流器装置本身性能进行改造，通过优化控制策略和参数设置，使网侧输入的电压和电流呈现接近于同相位的正弦波，实现单位功率因数运行即功率因数为1。

目前治理谐波和无功主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，使得整流器能够获得较好的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的主要技术手段。PFC技术虽然具有控制简单、功率因数高、总谐波失真小和易于电路设计等优点，但是其结构并没有发生根本变化只是在输出侧加了一个开关管，而重要的交流侧还是选取二极管做为开关器件，其整流方式只能是单一方向的不能实现能量的双向流动，它在单相电路中有着广泛的用途，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，与传统PFC相比，PWM整流技术可

以在任意功率因数运行可以实现能量双向流动而且具有较好的电流品质和更快的动态响应速度，因而真正实现了“绿色电能变换”提高了系统电能的利用率减少了资源的浪费。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友好型社会发展的需要，具有重要经济和社会价值。

PWM整流器可实现能量双向流动并具有优良的输出特性，与二极管不控整流和晶闸管相控整流相比，具有以下特点：（1）可以实现能量的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)具有较好的动态性能，适合动态性能要求高且开关频率变化快的场合；（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有其突出的优势，故很早就已经成为电力电子技术研究的最具意义的内容之一。经过各国学者和专家多年的实验和研究，在数学模型、主电路拓扑结构和控制策略等各个方面，PWM整流器均取得了较为成功的研究成果。对于学生来说，设计高性能三相PWM整流器是很具有学习和研究价值的课题。

PWM整流器的分类方法很多，最基本的分类方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，提供一个平稳的电压输出，直流侧等效为一个低阻电压源；后者直流侧采用电感作为储能元件，提供一个平稳的电流输出，直流侧等效为一个高阻电流源。由于VSR的结构简单，储能效率高、损耗较低、动态响应快，控制方便，使得VSR一直是PWM整流器研究和应用的重点，本文主要讨论三相电压型PWM整流器的设计与仿真。

第一章绪论，说明了PWM整流器的研究和学习的价值，以及整个论文的结构；第二章介绍了PWM整流器在国内外的研究现状；第三章建立电压型PWM 整流器的数学模型；第四章介绍了很据PWM整流器的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；第五章对设计的整个PWM整流系统进行仿真，分析设计的控制器对扰动的抑制作用以及输入输出电压的动静态性能。

第二章研究现状

自20 世纪90 年代以来，PWM整流技术一直是学术界关注和研究的热点。随着研究的深入，PWM整流技术的相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、风能等再生能源的并网发电等，并随着现代控制理论、微处理器技术以及现代电子技术的推陈出新，这些应用技术的研究又促使PWM整流技术日趋成熟，其主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型桥路；拓扑结构已成从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；PWM调制方式从由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率等级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，但却多采用模拟芯片PWM波发生器，在闭环和智能调节比如在风力发电的并网等方面均存在较大问题，尤其是在国内，基于数字信号微处理器的PWM整流器的研究还只是处于初步发展阶段。

当前PWM整流器的研究主要体现在如下几个方面：

1. 关于PWM整流器数学模型的研究

PWM整流器数学模型的研究是PWM整流器及其控制技术的基础。A.

W.Green提出了基于坐标变换的PWM整流器连续、离散动态数学模型，R.Wu

和S.B.Dewan等较为系统地建立了PWM整流器的时域模型，并将时域模型分解成高频和低频模型，且给出了相应的时域解。而Chun T.Rim和DongY.Hu等则

利用局部电路的dq坐标变换建立了PWM整流器基于变压器的低频等效模型电路，并给出了稳态、动态特性分析。在此基础上，Hengchun Mao等人建立了一

种新颖的降阶小信号模型，从而简化了PWM整流器的数学模型及特性分析。

2. 关于PWM整流器拓扑结构的研究

PWM整流器的主电路拓扑结构近十几年来没有重大突破，主电路设计的基本原则是在保持系统的基础上，尽量简化电路拓扑结构，减少开关元件数，降低总成本，提高系统的可靠性。PWM整流器拓扑结构可分为电流型和电压型两大类。其中电压型PWM整流器最显著的拓扑特征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的电压源特性。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的电流源。根据装置功率的不同，研究的侧重点不同。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，研究主要集中在多电平拓扑结构、变流器组合以及软开关技术上。多电平拓扑结构的PWM整流器主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结构，即将独立的电流型PWM整