三相pwm整流器的設計_畢業(yè)設計(論文)

1、畢業(yè)設計（論文）題目PWM 整流器的設計學院（系）：學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 年月日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保障、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關學位論文管理部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權省級優(yōu)秀學士論文評選機構將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文

2、。本學位論文屬于1 、保密囗，在10 年解密后適用本授權書2、不保密囗。（請在以上相應方框內(nèi)打“”）作者簽名：年月日導師簽名：月日武漢理工大學本科生畢業(yè)設計（論文 ）任務書學生姓名覃峰專業(yè)班級電氣 0702指導教師袁佑新教授胡紅明講師工作單位自動化學院設計（論文）題目: PWM 整流器的設計設計（論文）主要內(nèi)容：熟悉整流的原理，對整流技術進行綜述、比較，并設計出整流 器硬件電路和軟件程序。要求完成的主要任務1）外文資料翻譯不少于20000 印刷符；2）查閱相關文獻資料（中文15 篇，英文3 篇） ；3）掌握整流的原理；4）撰寫開題報告；5）熟悉整流技術國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、目的意義；6）對整流技術

3、進行綜述、比較；7）計出整流器硬件電路和軟件程序。；8）繪制的電氣圖紙符合國標；9）撰寫的畢業(yè)設計（論文）不少于10000 漢字。必讀參考書：1 王兆安，黃俊. 電力電子技術. 第 4版 . 北京：機械工業(yè)大學出版社，20072 楊蔭福，段善旭，朝澤云. 電力電子裝置及系統(tǒng). 北京：清華大學出版社，20063 張崇巍，張興.PWM整流器及其控制. 北京：機械工業(yè)大學出版社，2003指導教師簽名系主任簽名（章 ）武漢理工大學本科學生畢業(yè)設計（論文）開題報告20 世紀 90 年代發(fā)展起來的智能型功率模塊（IPM） 開創(chuàng)了功率半導體開關器件新的發(fā)展方向。功率半導體開關器件技術的進步，促進了電力電子變

4、流裝置技術的發(fā)展，出現(xiàn)了以脈寬調(diào)制（PWM ）控制為基礎的各類變流裝置，如變頻器、逆變電源、高頻開關電源以及各類特種變流器等，這些變流裝置在國民經(jīng)濟各領域中取得了廣泛的應用。但是，目前這些變流裝置很大一部分需要整流環(huán)節(jié)，以獲得直流電壓，由于常規(guī)整流環(huán)節(jié)廣泛采用了二極管不控整流電路或晶閘管相控整流電路，因而對電網(wǎng)注入了大量諧波及無功，造成了嚴重的電網(wǎng)“污染” 。治理這種電網(wǎng)“污染”最根本措施就是，要不變流裝置實現(xiàn)網(wǎng)側電流正弦化，且運行于單位功率因數(shù)。PWM 控制技術的應用與發(fā)展為整流器性能的改進提供了變革性的思路和手段，結合PWM 控制技術的新型整流器成為PWM 整流器。根據(jù)能量是否可雙向流動，

5、派生出兩類不同拓撲結構的PWM 整流器，即可逆PWM 整流器和不可逆PWM 整流器。能量可雙向流動的PWM 整流器不僅體現(xiàn)出AC/DC 變流特性（整流），而且還可呈現(xiàn)出DC/AC 變流特性（有源逆變），因而確切地說，這類PWM 整流器實際上是一種新型的可逆PWM 整流器。經(jīng)過幾十年的研究與發(fā)展，PWM 整流器技術已日趨成熟。PWM 整流器主電路已從早期的半控型器件橋路發(fā)展到如今的全控型器件橋路；其拓撲結構已從單相、三相電路發(fā)展到多相組合及多電平拓撲電路；PWM 開關控制由單純的硬開關調(diào)制發(fā)展到軟開關調(diào)制； 功率等級從千瓦級發(fā)展到兆瓦級，而在主電路類型上，既有電壓型整流器（Voltage Sou

6、rce Rectifier VSR） ，也有電流型整流器（ Current Source Rectifier CSR） ，并且兩者在工業(yè)上均成功地投入了應用。由于 PWM 整流器實現(xiàn)了網(wǎng)側電流正弦化，且運行于單位功率因數(shù)，甚至能量可雙向傳輸，因而真正實現(xiàn)了“綠色電能變換”。由于 PWM 整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)出受控電源特性，因而這一特性使PWM 整流器及其控制技術獲得進一步的發(fā)展和拓寬，并取得了更為廣泛和更為重要的應用，如靜止無功補償（SVG ） 、有源電力濾波 （ APF） 、 統(tǒng)一潮流控制（ UPFC） 、 超導儲能 （ SMES） 、 高壓直流輸電（ HVDC ） 、電氣傳動（ED ） 、新型U

7、PS、通信電源以及太陽能、風能等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電等。將 PWM 控制技術應用于整流器始于20 世紀 70 年代末， 但由于當時諧波問題不突出，加上受電力電子器件發(fā)展水平的制約，PWM 整流器沒有引起充分的重視。進入80 年代后，由于自關斷器件的日趨成熟及應用，推動了PWM 技術的應用與研究。1982 年 Busse Alerfd 、 Holtz Joaehim 首先提出了基于可關斷器件的三相全橋PWM 整流器拓撲結構及其網(wǎng)側電流幅相控制策略，并實現(xiàn)了電流型PWM 整流器網(wǎng)側單位功率因數(shù)正弦波電流控制。1984 年從 Akgai Hiorufmi 等提出了基于PWM 整流器結構的無功補償器裝

8、置，這實際上就是電壓型PWM 整流器的早期設計思想。到20 世紀 80 年代末，隨A W Green 等人提出了基于坐標變換的PWM 整流器連續(xù)、離散動態(tài)數(shù)學模型及控制策略，PWM 整流器的研究發(fā)展到了一個新的高度。進入90 年代，三相PFC 技術的研究成為電力電子技術和電能變換領域中最具重要意義的研究方向之一，經(jīng)過國內(nèi)外專家學者多年的研究，PWM 整流器在電路拓撲結構，數(shù)學模型，控制方法，電網(wǎng)電壓不平衡等方面取得了豐碩的研究成果。隨著研究的深入，基于PWM 整流器拓撲結構及控制的拓展，相關的應用研究也發(fā)展起來，如有源濾波器、超導儲能、交流傳動、高壓直流輸電以及統(tǒng)一潮流控制等。這些應用技術的研

9、究，促進了PWM 變換器及其控制技術的進步和完善。2、基本內(nèi)容和技術方案2.1 設計任務1 ）外文資料翻譯不少于15000 印刷符；2 ）撰寫開題報告；3 ）查閱相關文獻資料4 ）設計出基于單片機系統(tǒng)結構圖；5 ）完成基于單片機不間斷電源系統(tǒng)設計；6 ）繪制的電氣圖紙符合國標；7 ）撰寫的畢業(yè)設計（論文）不少于10000 漢字；2.2 技術方案本設計為PWM 整流器的設計。最終是要得到小功率等級電壓源型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的PWM 整流器。主電路采用的是三相半橋型VSR 拓撲結構，由于電能的雙向流動，當PWM 整流器從電網(wǎng)吸取電能時，其運行于整流工作狀態(tài)；而當PWM 整流器向電網(wǎng) 傳輸電能時，其運行

10、于有源逆變工作狀態(tài)。為了使電壓型PWM 整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)受控電流源特性，其網(wǎng)側電流控制策略的研究非常重要?！爸苯与娏骺刂?”策略由于引入交流電流反 饋作為內(nèi)環(huán)，直流電壓外環(huán)構成整流器控制系統(tǒng)，既可實現(xiàn)單位功率因數(shù)，又可控制直流電壓恒定。本設計采用的就 是固 定開 關頻 率 且與 電網(wǎng) 電 動勢 前 饋 結合的 SPWM 控制 。 其控制系統(tǒng)以DSP 芯片為核心，驅(qū)動器件則是以IR2130 為主。2.3 系統(tǒng)結構組成系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成，軟件和硬件都將按照框圖總系統(tǒng)的設計方法進行設計。1 ） 硬件部分主要分為兩大部分，即主電路（圖1 ）和控制電路（圖2） 。而控制電路還可以細化為：智能功率模

11、塊電路（IPM ） 、 DSP 芯片作為控制電路的處理器、檢測電路（主要有網(wǎng)側三相電壓檢測，電抗器交流電流檢測，直流側電容電壓檢測，A 相、 B 相電網(wǎng)電壓同步信號檢測）、驅(qū)動電路等。其中DSP芯片采用TMS320LF240 ， IPM 選用三菱公司的IPM50RSA060 。2 ）軟件部分主要通過系統(tǒng)的流程圖描述來對基于F240DSP 芯片的 VSR控制系統(tǒng)進行軟件設計，包括了主程序模塊和中斷服務程序模塊。中斷服務程序中主要有以下幾個模塊構成： 直流電壓檢測模塊、交流電壓檢測模塊、電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器計算模塊、電流指令計算模塊、電網(wǎng)頻率檢測模塊、電流檢測模塊、電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器計算模塊，指針計算模塊。

12、1 主電路圖控制電路框圖22.4 本文主要內(nèi)容論文結合等離子體位移快控電源的設計，流器拓撲的控制方案，為三相電壓源型提出基于電壓源型PWM 整流器循環(huán)變PWM 整流器建立了開關仿真模型，并利用此開關仿真模型進行仿真設計，進而以TI 公司的處理器芯片DSP240 為核心設計控制器，分別對系統(tǒng)的硬件和軟件進行設計，最終實現(xiàn)了小功率等級電壓源型 PWM 整流器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。最后簡單做出了一些結論。2.5 技術路線1 ）收集資料并進行歸納、分析；2）電路連接及分析；3）進行系統(tǒng)集成；4）軟件、硬件設計。2.7 設計的技術難點1 ）主電路的設計；2）控制系統(tǒng)的確定；3） DSP芯片的應用，包括硬件與

13、軟件兩個方面。3、設計的進度安排第1 周：英文翻譯第3 周：畢業(yè)實習第4 周：查閱文獻資料第5 周：開題報告第6 周：系統(tǒng)的方案設計第7 周：硬件電路設計第 10 周：系統(tǒng)軟件設計第 11 周：撰寫論文第 13 周：論文修改第 14 周：論文定稿第 15 周：上交畢業(yè)論文，答辯準備第 15 周：答辯4、指導教師意見指導教師簽名：年月日武漢理工大學畢業(yè)設計（論文）摘要 IAbstract II緒論 11 三相電壓源型PWM整流器工作原理及數(shù)學模型 11.1 PWM 整流器工作原理 11.1.1 PWM整流電路基本特性 21.1.2 PWM整流電路工作原理 21.2 PWM 整流電路基本特性 52

14、 三相VSR控制策略及控制系統(tǒng)設計72.1 VSR 的電流控制方法 72.1.1 間接電流控制和直接電流控制的比較 72.1.2 三相VSR在 dq 坐標系下的直接電流控制 82.2 三相VSR控制系統(tǒng)的設計 92.2.1 電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)設計 錯誤！未定義書簽。2.2.2 電壓外環(huán)控制系統(tǒng)設計112.3 三相VSR的仿真 123 硬件設計 173.1 主電路的設計173.1.1 主功率開關器件的選擇173.1.2 交流側電感的設計183.1.3 直流側電容的設計193.2 基于DSP的控制電路硬件設計203.2.1 TMS320F2407芯片的介紹 203.2.2 IGBT 驅(qū)動電路 錯誤！

15、未定義書簽。3.2.3 信號檢測電路 錯誤！未定義書簽。4 軟件設計 254.1 主程序設計254.2 中斷服務程序設計254.3 直流側電壓檢測模塊254.4 交流側電壓檢測模塊284.5 電流指令計算模塊284.6 網(wǎng)測電流檢測模塊29結束語 錯誤！未定義書簽。致謝 25參考文獻 34附錄 系統(tǒng)結構圖 35武漢理工大學畢業(yè)設計(論文)摘要隨著綠色能源技術的快速發(fā)展，PWM整流器技術己成為電力電子技術研究的熱點和亮點。PWM整流器可成為用電設備或電網(wǎng)與其它電氣設備的理想接口，因為它可以實現(xiàn)網(wǎng)側電流正弦化和功率因數(shù)可調(diào)整。本 文 介 紹 一 種 基 于 TMS320F2407DSP芯 片 控

16、制 的 三 相 電 壓 型 PWM整 流 器 的 控 制 系統(tǒng)， ，完成了從系統(tǒng)結構、硬件、軟件到控制策略等方面的設計。本文首先分析了PWM整流器的基本原理，然后根據(jù)三相電壓源型PWM整流器各相電壓電流之間的關系和橋路的工作狀態(tài)建立了它的數(shù)學模型，給出系統(tǒng)在三相ABC坐標系和兩相dq坐標系中的數(shù)學模型，利用電流反饋解耦控制，以及系統(tǒng)的基本控制框圖。并設計了電壓環(huán)和電流環(huán)數(shù)字化PI 調(diào)節(jié)器，結合理論分析和實際對其參數(shù)進行了優(yōu)化整定。然后在Matlab 的集成仿真環(huán)境Simulink 下搭建了仿真模型，通過仿真，驗證了理論的可行性。根據(jù)以上控制思想，設計了以數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320F2

17、40為核心的數(shù)字化的三相電壓型PWM整流器的硬件和軟件。論文最后對全文所作的工作進行了總結，并指出了未來的研究方向。關鍵詞 ：三相電壓型PWM整流器數(shù)學模型DSP MatlabI武漢理工大學畢業(yè)設計（論文）AbstractWith the fast developing technology of green energy ， an ever-enhanced attention has been focused to the PWM rectifier in the field of power electronics PWM rectifier might become an ideal

18、electric appliance or a linkage between grid-line and other electric facilities ， characterized of nearly sinusoidal current and adjustable power factor This dissertation is devoted to the theory and application of Three-Phased Voltage-Sourced PWMRectifier ，which is controlled by the DSP chipTMS320F

19、2407,and the design of the system structure, the hardware and the software is discussed This paper analyses the basic principe of the PWM rectifier Based on the relations between the vo1tages and currents in accordance with the states of the rectifier topology ， the switching function model was firs

20、t established It presents mathematical model for the system both in ABC coordinate and d/q coordinate And then it also analyses the decoupling control of voltage feed-forward and current feedback of system in d/q coordinate Based of the theory mentioned above ， controlblock diagram of system is dedu

21、cted Also designs the current loop and voltage loopdigital PI regulators ， adjusts the parameters based on theoretical analysis and practical test The theory is feasible through simulation with software Matlab Based a control scheme above ， it introduces the design of hardware and software for fully

22、 digital Three-Phased Voltage-Sourced PWM Rectifier based on the DSP chip TMS320F2407 Eventually,the conclusion of the research work in this dissertation is made and the future research directions ale also given out Keywords: Three-Phased Voltage-Sourced PWM Rectifier mathematical modelDSP MatlabIII

23、緒論隨著電力電子技術的發(fā)展，電力電子變流技術也得以迅速發(fā)展，出現(xiàn)了以脈寬調(diào)制(PWM控制為基礎的各類變流裝置，如變頻器、逆變電源、高頻開關電源)以及各類特種變流器，這些變流裝置在國民經(jīng)濟各領域中取得了廣泛的應用。但是，目前這些變流裝置很大一部分需要整流環(huán)節(jié)，以獲得直流電壓，由于常規(guī)整流環(huán)節(jié)廣泛采用了二極管不控整流電路或晶閘管相控整流電路，因而對電網(wǎng)注入了大量諧波及無功，造成了嚴重的電網(wǎng)“污染”。治理這種電網(wǎng)“污染”最根本措施就是要求交流裝置實現(xiàn)網(wǎng)側電流正弦化，且運行于單位功率因數(shù)。因此，作為電網(wǎng)主要“污染”源的整流器，首先受到了學術界的關注，并展開了大量的研究工作。 其主要思路是將PWM技術引

24、入整流器的控制中，使整流器網(wǎng)側電流正弦化，且可運行于單位功率因數(shù)。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，PWM整流器的主電路己從早期的半控型器件橋路發(fā)展到如今的全控型器件橋路；其拓撲結構已從單相、三相電路發(fā)展到多相組合及多電平拓撲電路；PWM開關控制由單純的硬開關調(diào)制發(fā)展到軟開關調(diào)制；控制策略從間接電流控制發(fā)展到了直接電流控制；而主電路類型上，既有電壓型整流器，也有電流型整流器。自 20 世紀 90 年代以來，PWM整流器的研究主要集中在以下幾個方面：PWM整流器的建模與分析；電壓型PWM整流器的電流控制；主電路拓撲結構研究；系統(tǒng)控制策略研究；電流型PWM整流器研究。由于PWM整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)出受控電流源特性，

25、因而這一特性使得PWM整流器及其控制技術獲得進一步的發(fā)展和拓寬，并取得了更為廣泛和更為重要的應用，如靜止無功補償、有源電力濾波、統(tǒng)一潮流控制、超導儲能、高壓直流輸電、電氣傳動、新型UPS以及太陽能、風能等再生能源的并網(wǎng)發(fā)電等。本課題的研究對象是三相電壓型PWM整流器及其控制策略。第一章分析了PWM整流器的基本原理，并且討論了三相電壓型PWM整流器的數(shù)學模型，包括在ABC坐標系下的數(shù)學模型和在dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型。第二章討論了三相電壓型PWM整流器的控制策略，在其雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎上建立電路，并作了仿真。第三章著重于系統(tǒng)的硬件設計，包括主電路的設計和基于DSP芯片TMS320LF2

26、407的控制系統(tǒng)硬件設計。第四章通過程序流程圖的方式，對系統(tǒng)的軟件設計做了詳細分析。1 三相電壓源型PWM整流器工作原理及數(shù)學模型1.1 PWM整流器原理1.1.1 PWM整流電路基本特性PW整流器與以往的整流器相比，M具有以下的優(yōu)良性能：(1) 網(wǎng)側電流為正弦波； (2) 網(wǎng)側功率因數(shù)可控制( 如單位功率因數(shù)控制) ； (3) 電能雙向傳輸：(4) 較快的動態(tài)控制響應。由于PW整流器電能可雙向傳輸，M當 PWM整流器從電網(wǎng)吸收電能時，其運行于整流工作狀態(tài)；而當PW整流器向電網(wǎng)傳輸電能時，其運行于有M源逆變狀態(tài)。所謂單位功率因數(shù)是指：當PWM運行于整流狀態(tài)時，網(wǎng)側電壓、電流同相位 ( 正阻特性

27、 ) ； 當 PW運行于有源逆變狀態(tài)時，M其網(wǎng)側電壓、電流反相位(負阻特性) 。 進一步研究表明，由于PW整流器其網(wǎng)側電流及功率因數(shù)均可控制，M因而可被推廣應用于有源電力濾波及無功補償?shù)绕渌恍┓钦髌鲬脠龊稀Ｓ纱丝梢?，PWM整流器實際上是一個其交、直流側可控，可以在四象限運行的變流裝置。圖1-1 為 PW整流器模型電路，該電路由交流回路、功率開關橋路以及直流回M路組成。其中交流回路包括交流電動勢e以及網(wǎng)側電感L等，直流回路包括負載電阻RL 及負載電動勢e等； 功率開關管整流電路可由電壓型或電流型整流電路組成。圖 1-1 PWM整流器模型電路圖當不計功率管損耗時，由交、直流側功率平衡關系得：

28、iv iDC vDC(1 1)式中：i 、 v 模型電路交流側電流、電壓；iDC、 vDC 模型電路直流側電流、電壓。由上式不難理解：通過對模型電路交流側的控制，就可以控制其直流側，反之亦然。以下從模型電路交流側入手，來分析PW整流器的運行狀態(tài)和控制原理。M1.1.2 PWM整流電路工作原理將普通整流電路中的二極管或晶閘管換成IGBT或 MOSFE等自關斷器件， T并將SPW技術應用于整流電路，M這就形成了PW整流電路。M通過對PW整流電路的適當M控制， 不僅可以使輸入電流非常接近正弦波，而且還可以使輸入電流和電壓同相位，功率PW整流電路由于需要較大的直流儲能電感以及交流側MLC濾波環(huán)節(jié)所導致

29、的電流畸變、振蕩等問題，使其結構和控制復雜化，從而制約了它的應用和研究。相比之下，電壓型PW整流電路以其結構簡單，較低的損耗等優(yōu)點，電壓型MPW整流電路的成功應用更現(xiàn)實鴨故選擇電壓型MPW整流電路進行研究。M下面分別介紹單相和三相PW整流電路的拓撲結構和工作原理。M圖 1-2 單相PWM整流電路圖 1-2 為單相全橋PW整流電路，交流側電感MLs 包含外接電抗器的電感和交流電源內(nèi)部電感，是電路正常工作所必需的。電阻Rs 包含外接電抗器的電阻和交流電源內(nèi)部電阻。同SPW逆變電路控制輸出電壓相類似，可在MPWM整流電路的交流輸入端AB產(chǎn)生一個正弦調(diào)制PW波M uAB， u AB中除含有和開關頻率有

30、關的高次諧波外，不含低次諧波成分。由于電感Ls的濾波作用，這些高次諧波電壓只會使交流電流is產(chǎn)生很小的脈動。如果忽略這種脈動，當正弦信號波的頻率和電源頻率相同時，i s為頻率與電源頻率相同的正弦波。圖 1-3 單相PWM整流電路等效電路PW整流電路的單相等效電路如圖M1-3所示， 其中 u s為交流電源電壓。當 us一定時，is的幅值和相位由u AB中基波分量的幅值及其與u s的相位差決定。改變 uAB中基波分量的幅值和相位，就可以使is與 us同相位。 圖 1-4給出了單相PW整流電M路的相量圖，其中以U s 表示電網(wǎng)電壓，U AB 表示PW整流電路輸出的交流電壓，MUL 為連接電抗器Ls的

31、電壓，U R為電網(wǎng)內(nèi)阻Rs的電壓；在圖1-4a） 中， UAB滯后Us 的相角為， I s與 U s的相位完全相同，電路工作在整路流狀態(tài)，且功率因數(shù)為 1。在圖 1-4b） 中， U AB 超前U s 的相角為， I s與 U s 的相位相反，電路工作在逆變狀態(tài)。這說明PW整流電路可以實現(xiàn)能量正反兩個方向的流動，既可以運行M在整流狀態(tài)，從交流側向直流側輸送能量；也可以運行在逆變狀態(tài)，從直流側向交流側輸送能量。而且這兩種方式都可在單位功率因數(shù)下運行。1-4 PWM整流電路兩種運行方式向量圖a）整流運行b ）逆變運行圖 1-5 三相PWM整流電路三相PWM整流電路主要結構如圖1-5所示，其工作原理

32、和單相PW整流電路類M似。通過對電路進行SPW控制，就可以在橋的交流輸入端MABC產(chǎn)生一個正弦調(diào)制PWM波 uA， uB ， uC 。 ，對各相電壓按圖1-4a） 的向量圖進行控制，就可使各相電流 isA， isB， i sC為正弦波且和電壓相位相同，功率因數(shù)為1。1.2 三相電壓型PWM整流器數(shù)學模型系統(tǒng)模型是分析和設計三相電壓型整流器的基礎，從不同角度出發(fā)可以建立不同形式的系統(tǒng)模型，而且不同模型往往適合的控制方法也不盡相同。1）在abc坐標系下的數(shù)學模型：所謂三相電壓型整流器（VSR） 在 abc坐標系下的一般模型是根據(jù)三相VSR拓撲結構，在三相abc靜止坐標系中，利用電路基本定律對其建立

33、的一般數(shù)學描述。針對三相VSR一般數(shù)學模型的建立，通常作以下假設：（ 1）電網(wǎng)電動勢韋三相平穩(wěn)的純正弦波電動勢；（ 2）網(wǎng)側濾波電感L是線性的，而且不考慮飽和；（ 3）開關器件為理想開關，沒有過渡過程，其通斷狀態(tài)由開關函數(shù)描述；（ 4）開關頻率遠大于電網(wǎng)頻率。定義單極性二值邏輯開關函數(shù)為：1 上橋臂導通，下橋臂關斷 （ k a b c）0 上橋臂關斷，下橋臂導通 , ,(1 2)利用開關函數(shù)模型得到三相VSR在 abc坐標系下的一般數(shù)學模型為di avdcLRiaea(vdcsask )dt3ka,b,cdibvdcLRibeb(vdcsbsk )dt3ka,b,cdi cvdcLRicec(

34、vdcscsk )dt3ka,b,c(1.2)C dvdc iasa ibsb icsc iL dt2 ）在dq坐標系下的數(shù)學模型：雖然VSR在 abc坐標系下一般數(shù)學模型具有物理意義清晰、直觀等特點，但是在這種模型中，VSR交流側均具有一定頻率、幅值和相角的正弦時變交流量。一般的VSR采用電壓電流雙閉環(huán)控制，當電流內(nèi)環(huán)采用 PI 調(diào)節(jié)器時，三相靜止坐標系中的PI 調(diào)節(jié)器無法實現(xiàn)電流無靜差控制。通過坐標變換將三相abc靜止坐標系轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標系。通過這樣的變換，靜止坐標系中的基波正弦量將轉(zhuǎn)化成同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的直流量，對直流給定PI 調(diào)節(jié)器則可以實現(xiàn)無靜差控制，從而提高

35、穩(wěn)態(tài)電流控制精度。而且旋轉(zhuǎn)坐標系中存在有功電流和無功電流的解耦，有利于實現(xiàn)VSR的控制。三相 VSR在兩相dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型為L did LiqRidedvdc sddt diqL Lid RiqeqvdcsddtC vdc(idsd iqsq) iLdt 2(1 4)2 三相VSR控制策略及控制系統(tǒng)設計2.1 VSR的電流控制方法VSR的工作原理分析表明，當其正常工作時，能在穩(wěn)定直流側電壓的同時，實現(xiàn)網(wǎng)側正弦波形電流控制。另一方面，當VSR應用于注入有源電力濾波器等領域時，其王測電流的控制性能決定了系統(tǒng)性能指標的優(yōu)劣。因此，VSR的電流控制策略是十分重要的。2.1.1 間接電流控

36、制和直接電流控制的比較為了使PW整流電路在工作時功率因數(shù)近似為M1， 即要求輸入電流為正弦波且和電源電壓同相位，可以有多種控制方法，根據(jù)有沒有引入電流反饋可以將這些控制方法分為兩種，沒有引入交流電流反饋的稱為間接電流控制，引入交流電流反饋的稱為直接電流控制。間接電流控制也稱為相位和幅值控制，其實質(zhì)是，通過PW控制，M在 VSR橋路交流側生成幅值、相位受控的正弦PWM電壓。該 PW電壓與電網(wǎng)電動勢共同作用于MVSR交流側，并在VSR交流側形成正弦基波電流，而諧波電流則由VSR交流側電感濾除。由于這種VSR電流控制方案通過直接控制VSR交流側電壓進而達到控制VSR交流側電流的目的，因而是一種間接電

37、流控制方式。這種間接電流控制由于無需設置交流電流傳感器以構成電流閉環(huán)控制，因而是一種VSR簡單控制方案。間接電流控制的優(yōu)點在于控制簡單，一般無需電流反饋控制。另外，間接電流控制還可分為穩(wěn)態(tài)間接電流控制和動態(tài)間接電流控制。間接電流控制的主要問題在于，VSR電流動態(tài)響應不夠快，甚至交流側電流中含有直流分量，且對系統(tǒng)參數(shù)波動較敏感， 因而常適合于對VSR動態(tài)響應要求不高且控制結構要求簡單的應用場合。相對于間接電流控制，直接電流控制以快速電流反饋控制為特征。在這種控制方法中，通過運算求出交流輸入電流指令值，再引入交流電流反饋，通過對交流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值。這種直接電流控制與間接電流控制

38、在結構上的主要差別在于：前者具有網(wǎng)側電流閉環(huán)控制，而后者則無網(wǎng)側電流閉環(huán)控制。由于采用網(wǎng)側電流閉環(huán)控制，使VSR網(wǎng)側電流動、靜態(tài)性能得到了提高，同時也使網(wǎng)側電流控制對系統(tǒng)參數(shù)不敏感，從而增強了電流控制系統(tǒng)的魯棒性。直接電流控制可以獲得較高品質(zhì)的電流響應，但控制結構和算法較間接電流控制復雜。直接電流控制中有不同的電流跟蹤控制方法，常用的有：固定開關頻率PWM電流控制、滯環(huán)PW電流控制、空間矢量MPW電流控制等，M這些電流控制方案各有其優(yōu)缺點。本文主要研究基于（d ， q） 坐標系的固定開關頻率PW電流控制策略：M1）固定開關頻率PW電流控制算法簡單，物理意義清晰。且實現(xiàn)較方便。M2）由于開關頻率

39、固定，因而網(wǎng)側變壓器及濾波電感設計較容易，并且有利于限制功率開關損耗。3）兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系（d ， q） 中的指令電流為直流時不變信號。4）在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系（d ， q）中，電流控制方案易于有功和無功電流的解耦控制。2.1.2 三相 VSR在 dq坐標系下的直接電流控制對于dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系，不考慮前饋解耦時的三相VSR固定開關頻率PW電流M控制原理如圖2-1 所示。圖 2-1 dq 坐標系下三相VSR直接電流控制原理圖顯然，電流指令id來自電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出，而且表示三相電流的有共分兩；而電流指令iq則表示三相電流的無功分量，且可以獨立給定，若是要求單位功率q因數(shù)運行，則可以將其給

40、定設為0。在dq同步坐標系中，指令電流是直流信號；其電流內(nèi)環(huán)PI 調(diào)節(jié)器可以實現(xiàn)無靜差控制，穩(wěn)態(tài)性能好；在兩相dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系中，易于有功電流和無功電流的獨立控制，也即解耦控制。2.2 三相 VSR控制系統(tǒng)的設計在三相 VSR控制系統(tǒng)設計中，一般采用雙環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)作用主要是控制三相VSR直流側電壓，而電流內(nèi)環(huán)作用主要是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進行電流控制。2.2.1 電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)設計1）電流內(nèi)環(huán)的簡化由前面敘述可以知道，三相VSR的 dq模型可以描述為L didLiq Rid ed vddt diqL q Lid Riq eq vq(2 1)dtC dvdc3(

41、idsd iqsq) iLdt 2式中，ed、 eq 電網(wǎng)電動勢矢量Edq的 d 、 q分量；vd、 vq三相VSR交流側電壓矢量Vdq的 d 、 q分量；id、 iq 三相VSR交流側電流矢量的Idq的 d 、 q分量。從三相VSR的 dq模型方程式(2-1 )可以看出。由于VSR的 d、 q軸變量相互耦合，因此給控制器的設計造成一定困難。為此，可以采用前饋解耦控制策略。當電流調(diào)節(jié)器采用PI 調(diào)節(jié)器時，則vd 、 vq的控制方程如下：Kvq (KiP iI )(iq iq) Lid eq(2 2)sKvd(KiPiI )(id id ) Liq ed(2 3)s式中， KiP、 KiI 電流

42、內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)增益和積分調(diào)節(jié)增益；iq、 id iq和 id的電流指令值。2-2圖 2-2 三相VSR電流內(nèi)環(huán)解耦控制結構2）電流調(diào)節(jié)器設計由于兩電流內(nèi)環(huán)的對稱性，因而下面以i q控制為例討論電流調(diào)節(jié)器的設計?？紤]電流內(nèi)環(huán)采樣信號的延遲和PW控制的小慣性特性，已經(jīng)解耦的電流內(nèi)環(huán)結M構如圖 2-3 所示。2-3 i q 電流環(huán)結構2-3中，Ts為電流內(nèi)環(huán)電流采樣周期，KPWM 為橋路PWM等效增益。為簡化分析，且將PI 調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)寫成零極點形式，即KiP KiI KiP is 1， KiI KiP(2 4)sisi將小時間常數(shù)Ts/2 、Ts合并，得到簡化的電流環(huán)結構。如圖2-4所示。2-4

43、無擾動且忽略R時的近似電流內(nèi)環(huán)結構由此可以按照典型型系統(tǒng)設計電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，從圖2-4得到電流內(nèi)環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為Woi(s)K iP K PWM is 1 iLs2(1.5Tss 1)(2 5)為了盡量提高電流響應的快速性，對典型型系統(tǒng)而言，可設計適當?shù)闹蓄l寬hi ，工程上常取hii / 1.5Ts 5。按照典型型系統(tǒng)參數(shù)設計關系有(2 6)K iP K PWMhi 12i L 2 i2解得(hi 1)L 6LKiP(2 7)2 i K PWM15Ts K PWMKiP6LKiI2i112.5Ts2KPWM2.2.2 電壓外環(huán)控制系統(tǒng)設計三相VSR的電壓環(huán)簡化結構如圖2-5所示。圖 2-5 三

44、相VSR電壓環(huán)簡化結構結構由于電壓外環(huán)的主要控制作用是穩(wěn)定三相VSR直流電壓，故其控制系統(tǒng)整定時， 應著重考慮電壓環(huán)的抗擾性能。型系統(tǒng)設計對恒值給定可以實現(xiàn)無靜差跟蹤，顯然，同樣可按典型型系統(tǒng)設計電壓調(diào)節(jié)器，由圖2-5 得電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為Wov(s)0.75Kv(Tvs 1)CTvs2 (Tevs 1)(2 8)hvhv為TvTev(2 9)0.75K vCTvhv 122 2hv2Te2v(2 10)綜合考慮電壓環(huán)控制系統(tǒng)的抗擾性和跟隨性，取 hv Tv /Tev 5， 計算出電壓環(huán) PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)為Tv 5Tev 5( v 3Ts )4C 4C(2 11)Kvv 5Tev 5( v

45、3Ts )2.3 三相VSR的仿真基于前述分析在SIMUlINK7.0軟件中， 對三相VSR的 PW整流器建立仿真電路，M如圖2-6所示。2-6 三相VSR主電路模塊結構其中， 控制模塊里封裝著dq與 abc之間坐標變換電路、電壓電流雙閉環(huán)電路、PW生成電路等。M2-7 控制電路模塊結構2-8 abc dq變換電路模塊2-9 電流內(nèi)環(huán)結構2-10 電壓外環(huán)結構按照前述計算給予電路相應的參數(shù)，給定直流側電壓為750V，仿真時間為0.1s。得到仿真波形圖如下。2-11 網(wǎng)側電壓波形2-12 網(wǎng)測電流波形圖 2-13 直流側電壓波形根據(jù)仿真結果可以看出，輸入電流和輸入電壓相位差不大，能達到較高的功率

46、因數(shù)。從電流波形看。其動態(tài)調(diào)節(jié)過程比較快，能夠迅速跟蹤網(wǎng)側電壓。直流側輸出平均電壓為750V，與給定保持一致。3 硬件設計三相電壓型PW整流器的結構框圖如圖M3-1 所示。 控制系統(tǒng)檢測三相交流側電源信號和直流側電壓信號，這些信號經(jīng)過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成DSP的 A/D接口接受范圍內(nèi)的模擬信號，DSP完成輸入電壓信號的A/D轉(zhuǎn)換、坐標變換、PI調(diào)節(jié)、SPWM調(diào)制等控制任務，DSP輸出的SPW信號經(jīng)過MIPM驅(qū)動電路后送至IPM。圖 3-1 三相電壓型PW整流電路整體硬件圖M3.1 主電路的設計3.1.1 主功率開關器件的選擇在大功率電力電子器件的應用中，IGBT已取代GTR或者MOSFE成為應用

47、的T主流。 IGBT 的優(yōu)點在于輸入阻抗高、開關損耗小、飽和壓降低、開關速度快、熱穩(wěn)定性能好、驅(qū)動電路簡單等。目前，由IGBT單元構成的功率模塊在智能化方面得到迅速發(fā)展，智能功率模塊IPM( Intelligent Power Module )不僅包括基本組合單元和驅(qū)動電路，還具有保護盒報警功能，以其完善的功能和較高的可靠性為我們創(chuàng)造了很好的應用條件，簡化了電路設計。本文設計的三相電壓型PWM整流器功率為15KW，三相交流輸入電壓相電壓有效值為220V， 主功率開關器件采用IPM來實現(xiàn)。假設效率為90%， 則每相輸入額定電流有效值為15000(3 1)25.25A220 3 90%則網(wǎng)側電流峰

48、值為I NM考慮 2 倍安全系數(shù)，取最大反向電壓U RM 為U RM 2Um(3 3)25.252 35.71AIPM的電流額定為100A。(3 2)在式( 3-3 )中， U m 是電源線電壓的振幅值，當電源相電壓為220V時U RM 223 220 1077.58V(3 4)選 U RM 1200V 。綜合以上分析，選取額定電壓為1200V，額定電流為100A的 IGBT模塊。3.1.2 交流側電感的設計下面從穩(wěn)態(tài)條件下滿足功率指標要求和電流波形品質(zhì)指標兩方面討論交流側電感的設計。1)滿足功率指標要求的電感設計當三相電壓型PWM整流器在最大功率輸出運行時，交流側電壓矢量與電網(wǎng)電動勢矢量相位

49、差/ 6，此時，交流側電感上的電壓值為VL 2E sin(3 5)12則流經(jīng)電感的電流值為2E sinI L VL12(3 6)LL則每相電網(wǎng)電動勢發(fā)出或者吸收的有功功率為P E I L cos(3 7)12將式( 3-6)帶入( 3-7)得E2P(3 8)2L則三相電網(wǎng)電動勢發(fā)出或者吸收的有功功率為3E ， 本文設計的三相電壓型PWM2L整流器功率為15KW，為了滿足功率指標要求，有3E215000(3 9)2L由式( 3-9)得3E 2L(3 10)30000將 E 220V 、100 代入式(3-10)計算得L 15.41mH(3 11)2)滿足瞬態(tài)電流跟蹤指標時的電感設計既要抑制紋波電

50、流，也要快速跟蹤電流。為了抑制諧波電流較大的脈動，此時電感應足夠大，以滿足抑制諧波電流要求；另一方面，當電流過零時，其變化率最 大，此時電感足夠小，以滿足快速跟蹤電流的要求。由于此原理較為復雜，再次 不再贅述。查閱相關資料得到滿足瞬態(tài)電流跟蹤指標時的電感取值范圍為(3 12)(3 13)2vdc L vdcT s3I m 6 imax式（ 3-12）中，Ts為 PWM開關周期，imax為最大允許諧波電流脈動量。欲使上式成立，需要滿足iT maxsim 4綜上所述，根據(jù)大致計算，不妨設L 10mH 。3.1.3 直流側電容的設計電壓型PWM整流器直流側電容主要有以下作用：1）緩沖VSR交流側與直

51、流側的無功能量交換；2）抑制直流側電壓紋波；3 ）當負載發(fā)生變化時，支撐直流側電壓，限定直流電壓的波動。一般而言，從滿足電壓環(huán)控制的跟隨性指標看，VSR直流側電容應盡量小，以確保VSR直流側電壓的快速跟蹤控制；而從滿足電壓環(huán)控制的抗擾性指標分析，VSR直流側電容應盡量大，以限制負載擾動時的直流電壓動態(tài)降落。但是，當滿足直流電壓跟隨性能指標時通常不滿足直流電壓抗擾性能指標，反之亦然。這就要求在三相VSR電容參數(shù)設計過程中，需要根據(jù)實際需要，綜合考慮直流電壓跟隨性和抗擾性性能指標，并遵循以下一些準則：1） 直流側電容的選取應使直流電壓保持穩(wěn)定，峰峰波動值不超過允許值；2）所選擇的電容器的參數(shù)不會影

52、響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性；3）負載變化的暫態(tài)過程中應能盡量減小電壓調(diào)節(jié)的超調(diào)量和過渡時間；4）中間回路的損耗應保持最小。對于參數(shù)計算，此處不作多的敘述，取電容C 6mF 即可。3.2 基于DSP的控制電路硬件設計系統(tǒng)控制主電路采用TMS320LF2407為核心處理器， A再加外圍器件組成。DSP用來完成輸入電壓，輸入電流和輸出電壓的采集，三相abc坐標系到dq旋轉(zhuǎn)坐標系的轉(zhuǎn)換，SPW算法的實現(xiàn)，生成MPW控制波等作用。外圍器件包括兩個外部可M讀寫存儲器IS6lL 、 ， 6416，負責存儲輸入/輸出電流及電壓的歷史數(shù)據(jù)存儲：DSP供電電壓的轉(zhuǎn)換，負責將外圍集成供電的5v電壓轉(zhuǎn)換為DSP的 3.3V供電電壓；DSP仿真器接口JTAG；與計算機串口進行通信的MAX23。23.2.1 TMS320F2407芯片的介紹選擇定點DSP芯片TMS320F240作為