三相電壓型PWM整流器設計

fpga&matlab發表於2020-12-25

隨著功率半導體器件技術的進步，電力電子變流裝置技術得到了快速發展，出現了以脈寬調製（PWM）控制為基礎的各種變流裝置，如變頻器、逆變電源，高頻開關電源以及各類特種變流器等，電力電子裝置在國民經濟各領域取得了廣泛的應用，但是這些裝置的使用會對電網造成嚴重的諧波汙染問題。傳統的整流方式會無論是二極體不控整流還是閘流體相控整流電路能量均不能雙向傳遞，不僅降低能源的利用率還會增加一定的汙染，主要缺點是：

1）無功功率的增加造成了裝置功率因素降低，會導致損耗增加，降低電力裝置的利用率等；

2）諧波會引起系統內部相關器件的誤動作，使得電能的計量出現誤差，外部對訊號產生嚴重干擾；

3）傳統的結構，能量只能單向流動，使得控制系統的能量利用率不高，不能起到節能減排的作用。

電網汙染的日益嚴重引起了各國的高度重視，許多國家都已經制定了限制諧波的國家標準，國際電氣電子工程師協會(IEEE)，國際電工委員會(IEC)和國際大電網會議(CIGRE)紛紛推出了自己的諧波標準。國際電工學會於1988年對諧波標準IEC555-2進行了修正，歐洲制定IEC1000-3-2標準。我國國家技術監督局也於1994年頒佈了《電能質量公用電網諧》標準(GB/T 14549-93)，傳統變流裝置大多數已不符合這些新的標準，面臨前所未有的挑戰。

目前，抑制電力電子裝置對電網汙染的方法有兩種：一是設定補償裝置。通過對已知頻率諧波進行補償，這種方式適用於所有諧波源，但其缺點是隻能對規定頻率的諧波進行補償，應用範圍受限。並且當受到電網阻抗特性或其他外界干擾，容易發生並聯諧振，導致某些諧波被放大進而使濾波器過載或燒燬；而是對整流器裝置本身效能進行改造，通過優化控制策略和引數設定，使網側輸入的電壓和電流呈現接近於同相位的正弦波，實現單位功率因數執行即功率因數為1。

目前治理諧波和無功主要是採用功率因數校正技術(PFC技術)，由於PWM調製技術引入整流器中，使得整流器能夠獲得較好的直流電壓並且實現網側電流正弦化，PWM整流技術已經成為治理電網汙染的主要技術手段。PFC技術雖然具有控制簡單、功率因數高、總諧波失真小和易於電路設計等優點，但是其結構並沒有發生根本變化只是在輸出側加了一個開關管，而重要的交流側還是選取二極體做為開關器件，其整流方式只能是單一方向的不能實現能量的雙向流動，它在單相電路中有著廣泛的用途，但是由於其自身性質決定其難以用於三相電電路中；PWM整流技術交流側採用全控器件，與傳統PFC相比，PWM整流技術可以在任意功率因數執行可以實現能量雙向流動而且具有較好的電流品質和更快的動態響應速度，因而真正實現了“綠色電能變換”提高了系統電能的利用率減少了資源的浪費。由上述分析可知，對PWM整流器進行控制研究符合建設資源節約型和環境友好型社會發展的需要，具有重要經濟和社會價值。

PWM整流器可實現能量雙向流動並具有優良的輸出特性，與二極體不控整流和閘流體相控整流相比，具有以下特點：（1）可以實現能量的雙向流動且功率因數任意可調；(2)網側電流近似正弦化，諧波含量少；(3)具有較好的動態效能，適合動態效能要求高且開關頻率變化快的場合；（4)直流輸出電壓穩定且電壓波形品質高。

PWM整流器在功率因數校正、諧波抑制以及能量回饋等應用方面具有其突出的優勢，故很早就已經成為電力電子技術研究的最具意義的內容之一。經過各國學者和專家多年的實驗和研究，在數學模型、主電路拓撲結構和控制策略等各個方面，PWM整流器均取得了較為成功的研究成果。對於學生來說，設計高效能三相PWM整流器是很具有學習和研究價值的課題。

PWM整流器的分類方法很多，最基本的分類方法是按照直流儲能形式可分為電壓型整流器（VSR）和電流型整流器(CSR)兩種，前者直流側採用電容為儲能元件，提供一個平穩的電壓輸出，直流側等效為一個低阻電壓源；後者直流側採用電感作為儲能元件，提供一個平穩的電流輸出，直流側等效為一個高阻電流源。由於VSR的結構簡單，儲能效率高、損耗較低、動態響應快，控制方便，使得VSR一直是PWM整流器研究和應用的重點，本文主要討論三相電壓型PWM整流器的設計與模擬。

第一章緒論，說明了PWM整流器的研究和學習的價值，以及整個論文的結構；第二章介紹了PWM整流器在國內外的研究現狀；第三章建立電壓型PWM整流器的數學模型；第四章介紹了很據PWM整流器的數學模型對有功電流和無功電流進行解耦控制，設計了電壓、電流雙閉環調節器，對空間向量脈寬調製(space vector pulse width modulation)技術進行詳細分析；第五章對設計的整個PWM整流系統進行模擬，分析設計的控制器對擾動的抑制作用以及輸入輸出電壓的動靜態效能。

自 20 世紀 90 年代以來，PWM整流技術一直是學術界關注和研究的熱點。隨著研究的深入，PWM整流技術的相關應用研究也得到發展，如有源電力濾波(APF)、超導儲能(SMES)、電氣傳動(ED)、高壓直流輸電(HVDC)、統一潮流控制器(UPFC)、新型UPS 以及太陽能、風能等再生能源的併網發電等，並隨著現代控制理論、微處理器技術以及現代電子技術的推陳出新，這些應用技術的研究又促使PWM整流技術日趨成熟，其主電路已從早期的半控型器件橋路發展到如今的全控型橋路；拓撲結構已成從單相、三相電路發展到多相組合及多電平拓撲電路；PWM調製方式從由單純的硬開關調製發展到軟開關調製；功率等級從千瓦級發展到兆瓦級，而在主電路型別上既有電壓源型整流器，又有電流源型整流器，兩者在工業上已成功投入使用，但卻多采用模擬晶片PWM波發生器，在閉環和智慧調節比如在風力發電的併網等方面均存在較大問題，尤其是在國內，基於數字訊號微處理器的PWM整流器的研究還只是處於初步發展階段。

當前PWM整流器的研究主要體現在如下幾個方面：

1. 關於PWM整流器數學模型的研究

PWM整流器數學模型的研究是PWM整流器及其控制技術的基礎。A. W.Green提出了基於座標變換的PWM整流器連續、離散動態數學模型，R.Wu和S.B.Dewan等較為系統地建立了PWM整流器的時域模型，並將時域模型分解成高頻和低頻模型，且給出了相應的時域解。而Chun T.Rim和DongY.Hu等則利用區域性電路的座標變換建立了PWM整流器基於變壓器的低頻等效模型電路，並給出了穩態、動態特性分析。在此基礎上，Hengchun Mao等人建立了一種新穎的降階小訊號模型，從而簡化了PWM整流器的數學模型及特性分析。

2. 關於PWM整流器拓撲結構的研究

PWM整流器的主電路拓撲結構近十幾年來沒有重大突破，主電路設計的基本原則是在保持系統的基礎上，儘量簡化電路拓撲結構，減少開關元件數，降低總成本，提高系統的可靠性。PWM整流器拓撲結構可分為電流型和電壓型兩大類。其中電壓型PWM整流器最顯著的拓撲特徵是直流側採用電容進行電流儲能，從而使整流器直流側呈低阻抗的電壓源特性。電流型PWM整流器直流側則是採用大電感進行電流儲能，使得整流器直流側呈高阻抗的電流源。根據裝置功率的不同，研究的側重點不同。在中小功率場合，研究集中在減少功率開關和改進直流輸出效能上；對於大功率場合，研究主要集中在多電平拓撲結構、變流器組合以及軟開關技術上。多電平拓撲結構的PWM整流器主要應用於高壓大容量場合。而對大電流應用場合，常採用變流器組合拓撲結構，即將獨立的電流型PWM整流器進行並聯組合。

3. 關於電壓型PWM整流器電流控制技術的研究

電壓型PWM整流器有兩個控制目標，一是得到穩定的直流電壓，另一個是使網側電流正弦化並跟蹤電網電壓變化。為了使電壓型PWM整流器網側呈現受控電流源特性，其網側電流的控制至關重要，決定了PWM整流器的動靜態效能。電壓型PWM整流器網側電流控制策略主要分成兩類：間接電流控制策略和直接電流控制策略。間接電流控制其網側電流的動態響應慢，且對系統的引數比較敏感，適用性不高，因此逐步被直接電流控制所取代。與間接電流控制相比，直接電流控制電流響應速度快，系統魯棒性強，且容易實現過流保護，是當今PWM整流器電流控制方案的主流。

4. PWM整流器系統控制策略的研究

控制策略是PWM整流器控制系統的核心，其優劣決定著PWM整流器的動靜態效能以及魯棒性。PWM整流器常用的控制方法有滯環電流控制、固定開關頻率電流控制、預測電流控制、直接功率控制、無電網電動勢感測器及無網側電流感測器控制、電網不平衡條件下的PWM整流器控制、滑模變結構控制、反饋精確線性化控制、基於Lyapunov穩定性理論的控制、模糊控制等，具體如下：

1) 滯環電流控制

滯環電流控制是一種瞬時值反饋控制模式，其基本思想是將檢測到的實際電流訊號與電流給定訊號值相比較，若實際電流大於指令值，則通過改變變流器的開關狀態使之減小，反之增大，使得實際電流圍繞指令電流做鋸齒狀變化，並將偏差控制一定範圍內，形成滯環。該控制方法結構簡單，電流響應速度快，易於實現電流限制，且控制與系統引數無關，系統魯棒性好，但是開關頻率在一個工頻週期內不固定，諧波電流頻譜隨機分佈，網側濾波器設計較為困難。

2）固定開關頻率PWM電流控制

固定開關頻率PWM電流控制，一般是指PWM載波(如三角波)頻率固定不變，而以電流偏差調節訊號為調製波的PWM控制方法。該控制方法克服了滯環電流控制開關頻率不固定的缺點，電流響應速度快，系統魯棒性高，但當電流內環均採用PI調節時，三相靜止座標系中的PI電流調節器無法實現電流的無靜差控制。

3）預測電流控制

預測電流控制的思想是從開關的線上優化出發，根據負載大小及給定電流向量的變化率，推算出使得下一週期電流滿足期望值的電壓向量來控制PWM整流器的開關。預測電流控制具有快速的電流響應速度，但其控制效果依賴於系統引數，魯棒性不高，且受處理器取樣和控制延時影響較大。

4）直接功率控制

直接功率控制通過對PWM整流器瞬時有功和無功進行直接控制，達到控制瞬時輸入電流的目的。該方法具有結構、演算法簡單，系統動態效能好，魯棒性強，容易數字化實現，對交流側電壓不平衡和諧波失真也具有一定補償作用。

5) 無電網電動勢感測器及無網側電流感測器控制

無電網電動勢感測器及無網側電流感測器控制是為進一步簡化電壓型PWM整流器的訊號檢測而提出的控制方法。無電網電動勢感測器控制主要包括兩類電網電動勢的重構方案：其一是通過復功率的估計來重構電網電動勢，是一種開環估計演算法，因而精度不高，並且在復功率估計演算法中由於含有微分項，容易引入干擾；其二是基於網側電流偏差調節的電網電動勢重構，是一種閉環估計演算法，它採用網側電流偏差的PI調節來控制電網電動勢誤差，因而精度較高。無網側電流感測器控制是通過直流側電流的檢測來重構交流側電流。

6) 電網不平衡條件下的PWM整流器控制

為了使PWM整流器在電網不平衡條件下仍能正常執行，學術界提出了不平衡條件下，網側電流和直流電壓的時域表示式，電網負序分量被認為是導致網側電流畸變的原因，同時指出，在電網不平衡條件下，常規的控制方法會使直流電壓產生偶次諧波分量，交流側會有奇次諧波電流。為此，D.Vincenti等人較為系統地提出了正序座標系中的前饋控制策略，即通過負序分量的前饋控制來抑制電網負序分量的影響。但是由於該方法的負序分量在座標下不是直流量，導致 PI 調節不能實現無靜差控制。因此，又有人提出了正、負序雙旋轉座標系控制，該方法實現了無靜差控制，是較完善的理論，但是其控制的結構比較複雜，運算量大。

7) 滑模變結構控制

滑模變結構控制本質上是一種非線性控制，其非線性特性表現為控制的不連續性，特點是系統結構並不固定，而是可以在動態過程中，根據系統當前的狀態不斷變化，迫使系統按照指定的滑動模態運動。採用滑模變結構控制，可以使PWM整流器不依賴於電網電壓、開關器件以及負載引數，對引數變化及干擾具有不變性，即強魯棒性，但控制器設計中滑模係數的選取比較困難，選取不當容易給系統帶來不利抖動，造成系統不穩。

8) 反饋精確線性化控制

反饋精確線性化控制利用微分幾何理論對非線性系統進行結構分解、分析及控制設計，通過採用適當的非線性座標變換和非線性狀態反饋量，從而使非線性系統得以在大範圍甚至在全域性範圍內線性化，這樣就可以方便地使用線性控制理論對非線性系統進行控制器的設計。將反饋精確線性化用於PWM整流器的控制，可以使輸入電流快速跟蹤網壓且畸變較小，具有良好的魯棒性。該方法非線性控制器設計比較複雜，涉及多次座標變換，運算量較大。

9) 基於Lyapunov穩定性理論的控制

現有大多數PWM整流器控制策略是基於小訊號模型，應用線性控制理論進行設計。因此，只有在系統的狀態和輸入在小干擾的情況下能保證系統的穩定，在大範圍干擾的情況下，難以使系統穩定，為了保證PWM整流器在大範圍干擾的情況下能穩定執行並具有良好的動靜態效能，國內外學者已將Lyapunov穩定理論應用到系統控制設計中。對於非線性系統，只要找到合適的Lyapunov函式，就可以利用該函式對系統控制器進行設計，採用Lyapunov穩定理論設計的PWM整流器，電流跟蹤給定值效果明顯變好，同時克服了系統引數變化對電流跟蹤的影響，在大範圍干擾的情況下系統穩定，並具有良好的動態效能，但構造 Lyapunov函式比較困難，難以確定最佳能量函式。

10)模糊控制

模糊控制是將系統的動態對映關係通過隸屬度函式和模糊規則體現出來，首先將確定性輸入量模糊化，利用模糊推理得到模糊輸出，再用清晰化的方法得到輸出的確定量，這樣輸入輸出是一組規則。採用模糊控制可以使PWM整流器具有如下特點：控制頻率不受輸入電源頻率的限制，只與程式執行週期有關；輸入電流快速跟蹤電網電壓，諧波低，功率因數高；對系統引數不敏感，且能適用負載的非線性變化；模型完全離散化，易於數字實現。

國內目前的研究主要集中於控制方法的實驗研究，分析各引數與系統效能之間的關係，並找出改善電流跟蹤效能、提高輸入功率因數的方法，其中模擬和實驗是主要手段，對於系統建模研究較少。

針對設計的控制器，在MATLAB/Simulink中搭建模擬電路，檢測控制器對抑制擾動、提高輸入輸出電壓電流的動靜態效能的效果。模擬圖如下：