三相PWM整流器研究讲课讲稿.doc

三相PWM整流器研究精品文档毕业设计（论文）题 目 PWM整流器的设计 学院（系）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在10年解密后适用本授权书2、不保密囗。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日导师签名： 年 月 日本科生毕业设计(论文)任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师 工作单位 设计(论文)题目: PWM整流器的设计 设计（论文）主要内容：熟悉整流的原理，对整流技术进行综述、比较，并设计出整流器硬件电路和软件程序。要求完成的主要任务:（1）外文资料翻译不少于20000印刷符；（2）查阅相关文献资料（中文15篇，英文3篇）；（3）掌握整流的原理；（4）撰写开题报告；（5）熟悉整流技术国内外的研究现状、目的意义；（6）对整流技术进行综述、比较；（7）计出整流器硬件电路和软件程序。；（8）绘制的电气图纸符合国标；（9）撰写的毕业设计（论文）不少于10000汉字。必读参考书：1 王兆安，黄俊.电力电子技术.第4版.北京：机械工业大学出版社，20072 杨荫福，段善旭，朝泽云.电力电子装置及系统.北京：清华大学出版社，20063 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制.北京：机械工业大学出版社，2003指导教师签名 系主任签名 院长签名(章) 本科学生毕业设计（论文）开题报告20世纪90年代发展起来的智能型功率模块(IPM)开创了功率半导体开关器件新的发展方向。功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的发展，出现了以脉宽调制（PWM）控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛的应用。但是，目前这些变流装置很大一部分需要整流环节，以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网“污染”。治理这种电网“污染”最根本措施就是，要不变流装置实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。PWM控制技术的应用与发展为整流器性能的改进提供了变革性的思路和手段，结合PWM控制技术的新型整流器成为PWM整流器。根据能量是否可双向流动，派生出两类不同拓扑结构的PWM整流器，即可逆PWM整流器和不可逆PWM整流器。 能量可双向流动的PWM整流器不仅体现出AC/DC变流特性（整流），而且还可呈现出DC/AC变流特性（有源逆变），因而确切地说，这类PWM整流器实际上是一种新型的可逆PWM整流器。 经过几十年的研究与发展，PWM整流器技术已日趋成熟。PWM整流器主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；PWM开关控制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，既有电压型整流器（Voltage Source RectifierVSR），也有电流型整流器（Current Source RectifierCSR），并且两者在工业上均成功地投入了应用。由于PWM整流器实现了网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数，甚至能量可双向传输，因而真正实现了“绿色电能变换”。由于PWM整流器网侧呈现出受控电源特性，因而这一特性使PWM整流器及其控制技术获得进一步的发展和拓宽，并取得了更为广泛和更为重要的应用，如静止无功补偿（SVG）、有源电力滤波（APF）、统一潮流控制（UPFC）、超导储能（SMES）、高压直流输电（HVDC）、电气传动（ED）、新型UPS、通信电源以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等。 将PWM控制技术应用于整流器始于20世纪70年代末，但由于当时谐波问题不突出，加上受电力电子器件发展水平的制约，PWM整流器没有引起充分的重视。进入80年代后，由于自关断器件的日趋成熟及应用，推动了PWM技术的应用与研究。1982年Busse Alerfd、Holtz Joaehim首先提出了基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑结构及其网侧电流幅相控制策略，并实现了电流型PWM整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制。1984年从Akgai Hiorufmi等提出了基于PWM整流器结构的无功补偿器装置，这实际上就是电压型PWM整流器的早期设计思想。到20世纪80年代末，随AWGreen等人提出了基于坐标变换的PWM整流器连续、离散动态数学模型及控制策略，PWM整流器的研究发展到了一个新的高度。进入90年代，三相PFC技术的研究成为电力电子技术和电能变换领域中最具重要意义的研究方向之一，经过国内外专家学者多年的研究，PWM整流器在电路拓扑结构，数学模型，控制方法，电网电压不平衡等方面取得了丰硕的研究成果。随着研究的深入，基于PWM整流器拓扑结构及控制的拓展，相关的应用研究也发展起来，如有源滤波器、超导储能、交流传动、高压直流输电以及统一潮流控制等。这些应用技术的研究，促进了PWM变换器及其控制技术的进步和完善。2、基本内容和技术方案2.1设计任务 1）外文资料翻译不少于15000印刷符； 2）撰写开题报告； 3）查阅相关文献资料 4）设计出基于单片机系统结构图； 5）完成基于单片机不间断电源系统设计； 6）绘制的电气图纸符合国标； 7）撰写的毕业设计（论文）不少于10000汉字；2.2 技术方案本设计为PWM整流器的设计。最终是要得到小功率等级电压源型双闭环控制系统的PWM整流器。主电路采用的是三相半桥型VSR拓扑结构，由于电能的双向流动，当PWM整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态；而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工作状态。为了使电压型PWM整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的研究非常重要。 “直接电流控制”策略由于引入交流电流反馈作为内环，直流电压外环构成整流器控制系统，既可实现单位功率因数，又可控制直流电压恒定。本设计采用的就是固定开关频率且与电网电动势前馈结合的SPWM控制。其控制系统以DSP芯片为核心，驱动器件则是以IR2130为主。2.3 系统结构组成系统由软件和硬件两部分组成，软件和硬件都将按照框图总系统的设计方法进行设计。 1） 硬件部分主要分为两大部分，即主电路（图1）和控制电路（图2）。而控制电路还可以细化为：智能功率模块电路（IPM）、DSP芯片作为控制电路的处理器、检测电路（主要有网侧三相电压检测，电抗器交流电流检测，直流侧电容电压检测，A相、B相电网电压同步信号检测）、驱动电路等。其中DSP芯片采用TMS320LF240，IPM选用三菱公司的IPM50RSA060。 2） 软件部分主要通过系统的流程图描述来对基于F240DSP芯片的VSR控制系统进行软件设计，包括了主程序模块和中断服务程序模块。中断服务程序中主要有以下几个模块构成：直流电压检测模块、交流电压检测模块、电压外环调节器计算模块、电流指令计算模块、电网频率检测模块、电流检测模块、电流内环调节器计算模块，指针计算模块。图1 主电路图图2 控制电路框图2.4 本文主要内容论文结合等离子体位移快控电源的设计，提出基于电压源型PWM整流器循环变流器拓扑的控制方案，为三相电压源型PWM整流器建立了开关仿真模型，并利用此开关仿真模型进行仿真设计，进而以TI公司的处理器芯片DSP240为核心设计控制器，分别对系统的硬件和软件进行设计，最终实现了小功率等级电压源型PWM整流器的双闭环控制系统。最后简单做出了一些结论。2.5 技术路线1）收集资料并进行归纳、分析；2）电路连接及分析；3）进行系统集成；4）软件、硬件设计。2.7 设计的技术难点1）主电路的设计；2）控制系统的确定；3）DSP芯片的应用，包括硬件与软件两个方面。3、设计的进度安排第1周： 英文翻译第3周： 毕业实习第4周： 查阅文献资料第5周： 开题报告第6周： 系统的方案设计第7周： 硬件电路设计第10周：系统软件设计第11周：撰写论文第13周：论文修改第14周：论文定稿第15周：上交毕业论文，答辩准备第15周：答辩4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 目录摘要 IAbstract II绪论 11 三相电压源型PWM整流器工作原理及数学模型 21.1 PWM整流器工作原理 21.1.1 PWM整流电路基本特性 21.1.2 PWM整流电路工作原理 21.2 PWM整流电路基本特性 52 三相VSR控制策略及控制系统设计 72.1 VSR的电流控制方法 72.1.1 间接电流控制和直接电流控制的比较 72.1.2 三相VSR在dq坐标系下的直接电流控制 82.2 三相VSR控制系统的设计 92.2.1 电流内环控制系统设计 92.2.2 电压外环控制系统设计 112.3 三相VSR的仿真 123 硬件设计 173.1 主电路的设计 173.1.1 主功率开关器件的选择 173.1.2 交流侧电感的设计 183.1.3 直流侧电容的设计 193.2 基于DSP的控制电路硬件设计 203.2.1 TMS320F2407芯片的介绍 203.2.2 IGBT驱动电路223.2.3 信号检测电路 234 软件设计 254.1 主程序设计 254.2 中断服务程序设计 254.3 直流侧电压检测模块 254.4 交流侧电压检测模块 284.5 电流指令计算模块 284.6 网测电流检测模块 29结束语 31致谢 32参考文献 33附录 系统结构图 34摘要 随着绿色能源技术的快速发展，PWM整流器技术己成为电力电子技术研究的热点和亮点。PWM整流器可成为用电设备或电网与其它电气设备的理想接口，因为它可以实现网侧电流正弦化和功率因数可调整。本文介绍一种基于TMS320F2407DSP芯片控制的三相电压型PWM整流器的控制系统，完成了从系统结构、硬件、软件到控制策略等方面的设计。本文首先分析了PWM整流器的基本原理，然后根据三相电压源型PWM整流器各相电压电流之间的关系和桥路的工作状态建立了它的数学模型，给出系统在三相ABC坐标系和两相dq坐标系中的数学模型，利用电流反馈解耦控制，以及系统的基本控制框图。并设计了电压环和电流环数字化PI调节器，结合理论分析和实际对其参数进行了优化整定。然后在Matlab的集成仿真环境Simulink下搭建了仿真模型，通过仿真，验证了理论的可行性。根据以上控制思想，设计了以数字信号处理器(DSP)TMS320F240为核心的数字化的三相电压型PWM整流器的硬件和软件。论文最后对全文所作的工作进行了总结，并指出了未来的研究方向。关键词：三相电压型PWM整流器 数学模型 DSP MatlabAbstractWith the fast developing technology of green energy，an ever-enhanced attention has been focused to the PWM rectifier in the field of power electronicsPWM rectifier might become an ideal electric appliance or a linkage between grid-line and other electric facilities，characterized of nearly sinusoidal current and adjustable power factorThis dissertation is devoted to the theory and application of Three-Phased Voltage-Sourced PWM Rectifier，which is controlled by the DSP chip TMS320F2407,and the design of the system structure, the hardware and the software is discussedThis paper analyses the basic principe of the PWM rectifierBased on the relations between the vo1tages and currents in accordance with the states of the rectifier topology，the switching function model was first establishedIt presents mathematical model for the system both in ABC coordinate and d/q coordinateAnd then it also analyses the decoupling control of voltage feed-forward and current feedback of system in d/q coordinateBased of the theory mentioned above， control block diagram of system is deductedAlso designs the current loop and voltage loop digital PI regulators，adjusts the parameters based on theoretical analysis and practical testThe theory is feasible through simulation with software MatlabBased a control scheme above，it introduces the design of hardware and software for fully digital Three-Phased Voltage-Sourced PWM Rectifier based on the DSP chip TMS320F2407Eventually,the conclusion of the research work in this dissertation is made and the future research directions ale also given outKeywords: Three-Phased Voltage-Sourced PWM Rectifier mathematical model DSP Matlab绪论随着电力电子技术的发展，电力电子变流技术也得以迅速发展，出现了以脉宽调制(PWM)控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛的应用。但是，目前这些变流装置很大一部分需要整流环节，以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网“污染”。治理这种电网“污染”最根本措施就是要求交流装置实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。因此，作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到了学术界的关注，并展开了大量的研究工作。其主要思路是将PWM技术引入整流器的控制中，使整流器网侧电流正弦化，且可运行于单位功率因数。经过多年的研究和发展，PWM整流器的主电路己从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；控制策略从间接电流控制发展到了直接电流控制；而主电路类型上，既有电压型整流器，也有电流型整流器。自20世纪90年代以来，PWM整流器的研究主要集中在以下几个方面：PWM整流器的建模与分析；电压型PWM整流器的电流控制；主电路拓扑结构研究；系统控制策略研究；电流型PWM整流器研究。由于PWM整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而这一特性使得PWM整流器及其控制技术获得进一步的发展和拓宽，并取得了更为广泛和更为重要的应用，如静止无功补偿、有源电力滤波、统一潮流控制、超导储能、高压直流输电、电气传动、新型UPS以及太阳能、风能等再生能源的并网发电等。本课题的研究对象是三相电压型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，并且讨论了三相电压型PWM整流器的数学模型，包括在ABC坐标系下的数学模型和在dq同步旋转坐标系下的数学模型。第二章讨论了三相电压型PWM整流器的控制策略，在其双闭环控制系统的基础上建立电路，并作了仿真。第三章着重于系统的硬件设计，包括主电路的设计和基于DSP芯片TMS320LF2407的控制系统硬件设计。第四章通过程序流程图的方式，对系统的软件设计做了详细分析。1 三相电压源型PWM整流器工作原理及数学模型1.1 PWM整流器原理1.1.1 PWM整流电路基本特性PWM整流器与以往的整流器相比，具有以下的优良性能：(1)网侧电流为正弦波；(2)网侧功率因数可控制(如单位功率因数控制)；(3)电能双向传输：(4)较快的动态控制响应。由于PWM整流器电能可双向传输，当PWM整流器从电网吸收电能时，其运行于整流工作状态；而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变状态。所谓单位功率因数是指：当PWM运行于整流状态时，网侧电压、电流同相位(正阻特性)；当PWM运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相位(负阻特性)。进一步研究表明，由于PWM整流器其网侧电流及功率因数均可控制，因而可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等其它一些非整流器应用场合。由此可见，PWM整流器实际上是一个其交、直流侧可控，可以在四象限运行的变流装置。图1-1为PWM整流器模型电路，该电路由交流回路、功率开关桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势以及网侧电感等，直流回路包括负载电阻及负载电动势等；功率开关管整流电路可由电压型或电流型整流电路组成。图1-1 PWM整流器模型电路图当不计功率管损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得：式中： 、模型电路交流侧电流、电压； 、模型电路直流侧电流、电压。由上式不难理解：通过对模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧，反之亦然。以下从模型电路交流侧入手，来分析PWM整流器的运行状态和控制原理。1.1.2 PWM整流电路工作原理将普通整流电路中的二极管或晶闸管换成IGBT或MOSFET等自关断器件，并将SPWM技术应用于整流电路，这就形成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路的适当控制，不仅可以使输入电流非常接近正弦波，而且还可以使输入电流和电压同相位，功率PWM整流电路由于需要较大的直流储能电感以及交流侧LC滤波环节所导致的电流畸变、振荡等问题，使其结构和控制复杂化，从而制约了它的应用和研究。相比之下，电压型PWM整流电路以其结构简单，较低的损耗等优点，电压型PWM整流电路的成功应用更现实鸭故选择电压型PWM整流电路进行研究。下面分别介绍单相和三相PWM整流电路的拓扑结构和工作原理。图1-2 单相PWM整流电路图1-2为单相全桥PWM整流电路，交流侧电感包含外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必需的。电阻包含外接电抗器的电阻和交流电源内部电阻。同SPWM逆变电路控制输出电压相类似，可在PWM整流电路的交流输入端AB产生一个正弦调制PWM波，中除含有和开关频率有关的高次谐波外，不含低次谐波成分。由于电感的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，当正弦信号波的频率和电源频率相同时，为频率与电源频率相同的正弦波。图1-3 单相PWM整流电路等效电路PWM整流电路的单相等效电路如图1-3所示，其中为交流电源电压。当一定时，的幅值和相位由中基波分量的幅值及其与的相位差决定。改变中基波分量的幅值和相位，就可以使与同相位。图1-4给出了单相PWM整流电路的相量图，其中以表示电网电压，表示PWM整流电路输出的交流电压，为连接电抗器的电压，为电网内阻的电压；在图1-4a)中，滞后的相角为，与的相位完全相同，电路工作在整路流状态，且功率因数为1。在图1-4b)中，超前的相角为，与的相位相反，电路工作在逆变状态。这说明PWM整流电路可以实现能量正反两个方向的流动，既可以运行在整流状态，从交流侧向直流侧输送能量；也可以运行在逆变状态，从直流侧向交流侧输送能量。而且这两种方式都可在单位功率因数下运行。图1-4 PWM整流电路两种运行方式向量图a）整流运行 b）逆变运行图1-5 三相PWM整流电路三相PWM整流电路主要结构如图1-5所示，其工作原理和单相PWM整流电路类似。通过对电路进行SPWM控制，就可以在桥的交流输入端ABC产生一个正弦调制PWM波，。，对各相电压按图1-4a)的向量图进行控制，就可使各相电流，为正弦波且和电压相位相同，功率因数为1。1.2 三相电压型PWM整流器数学模型系统模型是分析和设计三相电压型整流器的基础，从不同角度出发可以建立不同形式的系统模型，而且不同模型往往适合的控制方法也不尽相同。1） 在abc坐标系下的数学模型：所谓三相电压型整流器（VSR）在abc坐标系下的一般模型是根据三相VSR拓扑结构，在三相abc静止坐标系中，利用电路基本定律对其建立的一般数学描述。针对三相VSR一般数学模型的建立，通常作以下假设：（1） 电网电动势韦三相平稳的纯正弦波电动势；（2） 网侧滤波电感L是线性的，而且不考虑饱和；（3） 开关器件为理想开关，没有过渡过程，其通断状态由开关函数描述；（4） 开关频率远大于电网频率。定义单极性二值逻辑开关函数为：利用开关函数模型得到三相VSR在abc坐标系下的一般数学模型为 2）在dq坐标系下的数学模型：虽然VSR在abc坐标系下一般数学模型具有物理意义清晰、直观等特点，但是在这种模型中，VSR交流侧均具有一定频率、幅值和相角的正弦时变交流量。一般的VSR采用电压电流双闭环控制，当电流内环采用PI调节器时，三相静止坐标系中的PI调节器无法实现电流无静差控制。通过坐标变换将三相abc静止坐标系转换成以电网基波频率同步旋转的dq坐标系。通过这样的变换，静止坐标系中的基波正弦量将转化成同步旋转坐标系中的直流量，对直流给定PI调节器则可以实现无静差控制，从而提高稳态电流控制精度。而且旋转坐标系中存在有功电流和无功电流的解耦，有利于实现VSR的控制。三相VSR在两相dq同步旋转坐标系下的数学模型为2 三相VSR控制策略及控制系统设计2.1 VSR的电流控制方法VSR的工作原理分析表明，当其正常工作时，能在稳定直流侧电压的同时，实现网侧正弦波形电流控制。另一方面，当VSR应用于注入有源电力滤波器等领域时，其网测电流的控制性能决定了系统性能指标的优劣。因此，VSR的电流控制策略是十分重要的。2.1.1 间接电流控制和直接电流控制的比较为了使PWM整流电路在工作时功率因数近似为1，即要求输入电流为正弦波且和电源电压同相位，可以有多种控制方法，根据有没有引入电流反馈可以将这些控制方法分为两种，没有引入交流电流反馈的称为间接电流控制，引入交流电流反馈的称为直接电流控制。间接电流控制也称为相位和幅值控制，其实质是，通过PWM控制，在VSR桥路交流侧生成幅值、相位受控的正弦PWM电压。该PWM电压与电网电动势共同作用于VSR交流侧，并在VSR交流侧形成正弦基波电流，而谐波电流则由VSR交流侧电感滤除。由于这种VSR电流控制方案通过直接控制VSR交流侧电压进而达到控制VSR交流侧电流的目的，因而是一种间接电流控制方式。这种间接电流控制由于无需设置交流电流传感器以构成电流闭环控制，因而是一种VSR简单控制方案。间接电流控制的优点在于控制简单，一般无需电流反馈控制。另外，间接电流控制还可分为稳态间接电流控制和动态间接电流控制。间接电流控制的主要问题在于，VSR电流动态响应不够快，甚至交流侧电流中含有直流分量，且对系统参数波动较敏感，因而常适合于对VSR动态响应要求不高且控制结构要求简单的应用场合。相对于间接电流控制，直接电流控制以快速电流反馈控制为特征。在这种控制方法中，通过运算求出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。这种直接电流控制与间接电流控制在结构上的主要差别在于：前者具有网侧电流闭环控制，而后者则无网侧电流闭环控制。由于采用网侧电流闭环控制，使VSR网侧电流动、静态性能得到了提高，同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感，从而增强了电流控制系统的鲁棒性。直接电流控制可以获得较高品质的电流响应，但控制结构和算法较间接电流控制复杂。直接电流控制中有不同的电流跟踪控制方法，常用的有：固定开关频率PWM电流控制、滞环PWM电流控制、空间矢量PWM电流控制等，这些电流控制方案各有其优缺点。本文主要研究基于(d，q)坐标系的固定开关频率PWM电流控制策略：1） 固定开关频率PWM电流控制算法简单，物理意义清晰。且实现较方便。2）由于开关频率固定，因而网侧变压器及滤波电感设计较容易，并且有利于限制功率开关损耗。3）两相同步旋转坐标系(d，q)中的指令电流为直流时不变信号。4）在两相同步旋转坐标系(d，q)中，电流控制方案易于有功和无功电流的解耦控制。2.1.2 三相VSR在dq坐标系下的直接电流控制对于dq同步旋转坐标系，不考虑前馈解耦时的三相VSR固定开关频率PWM电流控制原理如图2-1所示。图2-1 dq坐标系下三相VSR直接电流控制原理图显然，电流指令来自电压外环PI调节器输出，而且表示三相电流的有共分两；而电流指令则表示三相电流的无功分量，且可以独立给定，若是要求单位功率因数运行，则可以将其给定设为0。在dq同步坐标系中，指令电流是直流信号；其电流内环PI调节器可以实现无静差控制，稳态性能好；在两相dq同步旋转坐标系中，易于有功电流和无功电流的独立控制，也即解耦控制。2.2 三相VSR控制系统的设计 在三相VSR控制系统设计中，一般采用双环控制，即电压外环和电流内环。电压外环作用主要是控制三相VSR直流侧电压，而电流内环作用主要是按电压外环输出的电流指令进行电流控制。2.2.1 电流内环控制系统设计 1）电流内环的简化由前面叙述可以知道，三相VSR的dq模型可以描述为式中，、电网电动势矢量的、分量； 、三相VSR交流侧电压矢量的、分量； 、三相VSR交流侧电流矢量的的、分量。从三相VSR的dq模型方程式（2-1）可以看出。由于VSR的d、q轴变量相互耦合，因此给控制器的设计造成一定困难。为此，可以采用前馈解耦控制策略。当电流调节器采用PI调节器时，则、的控制方程如下：式中，、电流内环比例调节增益和积分调节增益； 、和的电流指令值。由此可以画出电流内环的解耦控制结构，如图2-2。图2-2 三相VSR电流内环解耦控制结构2）电流调节器设计由于两电流内环的对称性，因而下面以控制为例讨论电流调节器的设计。考虑电流内环采样信号的延迟和PWM控制的小惯性特性，已经解耦的电流内环结构如图2-3所示。图2-3 电流环结构图2-3中，为电流内环电流采样周期，为桥路PWM等效增益。为简化分析，且将PI调节器传递函数写成零极点形式，即将小时间常数/2、合并，得到简化的电流环结构。如图2-4所示。图2-4 无扰动且忽略R时的近似电流内环结构由此可以按照典型型系统设计电流内环调节器，从图2-4得到电流内环开环传递函数为 为了尽量提高电流响应的快速性，对典型型系统而言，可设计适当的中频宽，工程上常取。按照典型型系统参数设计关系有解得2.2.2 电压外环控制系统设计 三相VSR的电压环简化结构如图2-5所示。图2-5 三相VSR电压环简化结构结构由于电压外环的主要控制作用是稳定三相VSR直流电压，故其控制系统整定时，应着重考虑电压环的抗扰性能。型系统设计对恒值给定可以实现无静差跟踪，显然，同样可按典型型系统设计电压调节器，由图2-5得电压环开环传递函数为由此，得电压环中频宽为由典型型系统控制器参数整定关系，得综合考虑电压环控制系统的抗扰性和跟随性，取，计算出电压环PI调节器参数为2.3 三相VSR的仿真基于前述分析在SIMUlINK7.0软件中，对三相VSR的PWM整流器建立仿真电路，如图2-6所示。 图2-6 三相VSR主电路模块结构其中，控制模块里封装着dq与abc之间坐标变换电路、电压电流双闭环电路、PWM生成电路等。图2-7 控制电路模块结构图2-8 abcdq变换电路模块图2-9 电流内环结构图2-10 电压外环结构按照前述计算给予电路相应的参数，给定直流侧电压为750V，仿真时间为0.1s。得到仿真波形图如下。图2-11 网侧电压波形图2-12 网测电流波形图2-13 直流侧电压波形 根据仿真结果可以看出，输入电流和输入电压相位差不大，能达到较高的功率因数。从电流波形看。其动态调节过程比较快，能够迅速跟踪网侧电压。直流侧输出平均电压为750V，与给定保持一致。3 硬件设计三相电压型PWM整流器的结构框图如图3-1所示。控制系统检测三相交流侧电源信号和直流侧电压信号，这些信号经过信号调理电路转换成DSP的A/D接口接受范围内的模拟信号，DSP完成输入电压信号的A/D转换、坐标变换、PI调节、SPWM调制等控制任务，DSP输出的SPWM信号经过IPM驱动电路后送至IPM。图3-1 三相电压型PWM整流电路整体硬件图3.1 主电路的设计3.1.1 主功率开关器件的选择 在大功率电力电子器件的应用中，IGBT已取代GTR或者MOSFET成为应用的主流。IGBT的优点在于输入阻抗高、开关损耗小、饱和压降低、开关速度快、热稳定性能好、驱动电路简单等。目前，由IGBT单元构成的功率模块在智能化方面得到迅速发展，智能功率模块IPM（Intelligent Power Module）不仅包括基本组合单元和驱动电路，还具有保护盒报警功能，以其完善的功能和较高的可靠性为我们创造了很好的应用条件，简化了电路设计。本文设计的三相电压型PWM整流器功率为15KW，三相交流输入电压相电压有效值为220V，主功率开关器件采用IPM来实现。假设效率为90%，则每相输入额定电流有效值为则网侧电流峰值为考虑2倍安全系数，取IPM的电流额定为100A。最大反向电压为在式（3-3）中，是电源线电压的振幅值，当电源相电压为220V时选。综合以上分析，选取额定电压为1200V，额定电流为100A的IGBT模块。3.1.2 交流侧电感的设计 下面从稳态条件下满足功率指标要求和电流波形品质指标两方面讨论交流侧电感的设计。1） 满足功率指标要求的电感设计当三相电压型PWM整流器在最大功率输出运行时，交流侧电压矢量与电网电动势矢量相位差，此时，交流侧电感上的电压值为则流经电感的电流值为则每相电网电动势发出或者吸收的有功功率为将式（3-6）带入（3-7）得则三相电网电动势发出或者吸收的有功功率为，本文设计的三相电压型PWM整流器功率为15KW，为了满足功率指标要求，有由式（3-9）得将、代入式（3-10）计算得 2）满足瞬态电流跟踪指标时的电感设计除了考虑功率指标外，电感设计还需要考虑满足瞬态电流跟踪指标的要求，既要抑制纹波电流，也要快速跟踪电流。为了抑制谐波电流较大的脉动，此时电感应足够大，以满足抑制谐波电流要求；另一方面，当电流过零时，其变化率最大，此时电感足够小，以满足快速跟踪电流的要求。由于此原理较为复杂，再次不再赘述。查阅相关资料得到满足瞬态电流跟踪指标时的电感取值范围为式（3-12）中，为PWM开关周期，为最大允许谐波电流脉动量。欲使上式成立，需要满足综上所述，根据大致计算，不妨设。3.1.3 直流侧电容的设计 电压型PWM整流器直流侧电容主要有以