【正文】 摘 要隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，供電系統(tǒng)中添加了大量的非線性負(fù)載，引起電網(wǎng)電壓、電流的畸變，導(dǎo)致電力污染，實(shí)現(xiàn)“綠色”電能變換成為目前電力電子技術(shù)研究的重點(diǎn)之一。在眾多諧波治理措施中，使用PWM整流器來(lái)調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)這一主動(dòng)改善電能質(zhì)量的技術(shù)得到了深入的研究和發(fā)展。本文基于三相兩電平PWM整流器結(jié)構(gòu)，對(duì)PWM整流器的控制策略進(jìn)行了研究。PWM整流器的工作原理及數(shù)學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)整流器控制的基礎(chǔ)。本文分析了PWM整流器各種工作狀態(tài)的工作原理，基于開關(guān)函數(shù)和占空比兩種描述方法建立了PWM整流器的數(shù)學(xué)模型。對(duì)PWM整流器的有效控制是實(shí)現(xiàn)其改善電網(wǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。本文重點(diǎn)分析了滯環(huán)電流控制和電流前饋解耦控制兩種控制策略，并采用電壓控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)組成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，而且對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為PWM整流器的控制奠定了理論基礎(chǔ)。最后運(yùn)用MATLAB/Simulink構(gòu)建了三相VSR仿真平臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，證明了控制策略的正確性。關(guān)鍵詞：PWM整流器； 數(shù)學(xué)模型； 控制策略； 仿真Abstract Recent years, power electronic devices have been used wildly used in various industrial applications as essential modules. A large part of these facilities are posed of diodes or thyristors, which bring severe harmonics pollution to the power grid. The green converter of power has bee the study key point of power electronic technology. Among the methods of harmonic restraining, the technoogy of using PWM rectifier, which can modulate the grid power factor, emplement the bidirectional transmission of power and improve the power quality actively has gotten indepth study and development. This paper studied on the control strategy of rectifier based on the structure of the structure of three phase PWM rectifier. The working principle and mathematic model of PWM rectifier is the base of rectifier39。s control. This paper analyzed the working principle of PWM rectifier at every work state, and built the AC mathematic model of PWM rectifier based on the switching function and duty ratio. The efficient control of PWM rectifier is the key technology of improving grid quality. This paper analyzed the two control strategy of hysteresis current control and feedforward decoupled current control, and designed the parameter of the controller, and settled the theory base of the PWM rectifier39。s control.A threephase VSR simulation platform is built with Simulink software, and the simulation results prove the correctness of the control strategy.Keywords：PWM rectifier。 mathematic model。 control strategy。 simulation目 錄1 緒論 1 1 1 2 32 PWM整流器的工作原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及數(shù)學(xué)模型 4 4 5 9 10 11（靜止）坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型 13 q（同步）旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型 143 PWM整流器的控制策略 16 16 17 194 三相VSR的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 21 23 24 24 285 三相VSR的仿真研究 30 30 30總結(jié) 42參考文獻(xiàn) 43翻譯部分 43英文原文 44中文譯文 55致 謝 651 緒論 非線性負(fù)載被引入電網(wǎng)，導(dǎo)致了日趨嚴(yán)重的諧波污染。電網(wǎng)諧波污染的原因有好多種，但是根本原因在于電力電子裝置的開關(guān)工作方式，從而引起網(wǎng)側(cè)電流、電壓波形的嚴(yán)重畸變。在我國(guó)，當(dāng)前主要的諧波源主要是一些整流設(shè)備，如化工和冶金行業(yè)的整流設(shè)備以及各種調(diào)速、調(diào)壓設(shè)備和電力機(jī)車等。最常見的整流方式是采用二極管不控整流電路或晶閘管相控整流電路，運(yùn)用二極管不控整流電路從電網(wǎng)吸取畸變電流的同時(shí)又對(duì)電網(wǎng)注入了大量諧波及無(wú)功，造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)諧波污染，而且直流側(cè)能量無(wú)法回饋電網(wǎng)。采用相控方式的整流器也存在很多問題，在深度相控下交流側(cè)功率因數(shù)很低，因換流引起電網(wǎng)電壓波形畸變等缺點(diǎn)。這些整流器從電網(wǎng)汲取電流的非線性特征，給周圍用電設(shè)備和公用電網(wǎng)都會(huì)帶來(lái)不良的影響。針對(duì)上述兩種整流電路的不足，PWM整流器對(duì)傳統(tǒng)的二極管及相控整流器進(jìn)行了全面的改進(jìn)。PWM整流器關(guān)鍵性的改進(jìn)在于用全控型功率開關(guān)管取代了半控型功率開關(guān)管或二極管，以PWM整控整流取代了相控整流或不可控整流。PWM整流器具有很多優(yōu)良的性能，例如：實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的控制(比如單位功率因數(shù))，網(wǎng)側(cè)電流更接近正弦波，電能實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了抑制電力電子裝置產(chǎn)生的諧波，其中最直接的一種方法就是對(duì)整流器本身進(jìn)行改進(jìn)，使其盡量不產(chǎn)生諧波，且電流和電壓同相位。這種整流器被稱為高功率因數(shù)變流器或高功率因數(shù)整流器。高功率因數(shù)變流器主要采用PWM整流技術(shù)，大多數(shù)都需要使用自關(guān)斷器件。對(duì)電流型整流器，可直接對(duì)各個(gè)電力半導(dǎo)體器件的通斷進(jìn)行 PWM調(diào)制，使輸入電流變成接近正弦且與電源電壓同相的PWM波形，從而得到接近1的功率因數(shù)。對(duì)電壓型整流器，需要將整流器通過電抗器與電源相連。只要對(duì)整流器各開關(guān)器件施以相應(yīng)的PWM控制，就可以對(duì)整流器網(wǎng)側(cè)交流電流的大小和相位進(jìn)行控制，不僅可以實(shí)現(xiàn)交流電流接近正弦波，而且可以使交流電流的相位與電源電壓同相，就是系統(tǒng)的功率因數(shù)總是接近于1。在電力系統(tǒng)中，電流和電壓應(yīng)是完整的正弦波。但是在我們實(shí)際生活中的電力系統(tǒng)中，由于非線性負(fù)載等因素的影響，電網(wǎng)電壓和電流波形總會(huì)存在不同程度的畸變，給電力輸配電系統(tǒng)和附近的其它電氣設(shè)備帶來(lái)許多相關(guān)問題，所以就應(yīng)該采取必要的措施限制其對(duì)電網(wǎng)和其它設(shè)備的影響。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通、家庭等眾多領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，很多場(chǎng)合需要大量各種類型的變流裝置將一種頻率、幅值、相位的電能變換為另一種頻率、幅值、相位的電能，使得用電設(shè)備處于理想工作狀態(tài)，或者滿足用電負(fù)載某些特殊要求，從而獲得最大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益[1]。目前，隨著功率半導(dǎo)體器件的研制與生產(chǎn)水平都在不斷提高，各種新型電力電子變流裝置不斷出現(xiàn)在市場(chǎng)上，特別是用于交流電機(jī)調(diào)速傳動(dòng)的變頻器性能的逐步完善，為工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能和改善生產(chǎn)工藝提供了十分廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)資料表明，電力電子裝置的生產(chǎn)量在未來(lái)十年中將以每年大于10%的速度飛速增長(zhǎng)，同時(shí)，由這類裝置所產(chǎn)生的高次諧波約占總諧波源的70%以上。根據(jù)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)定義可以知道，相控整流裝置的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)總是小于1，即使基波電流與網(wǎng)側(cè)電壓是同相的。隨著相控角的增大，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)也減小，這些都將給電網(wǎng)帶來(lái)不好的影響，主要有三點(diǎn)： （1）增加了電網(wǎng)的無(wú)功損耗與線路壓降，更嚴(yán)重是，還將造成局部網(wǎng)絡(luò)電壓的波動(dòng)； （2）引起了電網(wǎng)的諧波損耗； （3）這些諧波電流在傳輸線上流動(dòng)將會(huì)引起傳導(dǎo)和射頻干擾，造成對(duì)它敏感的電子儀器和設(shè)備、繼電器以及通信線路等的諧波干擾，特別對(duì)當(dāng)今計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用是一種實(shí)在的威脅。因此，采取相應(yīng)的措施來(lái)抑制、以至消除這些電力危害是電力電子技術(shù)領(lǐng)域中一項(xiàng)重要的研究課題，具有重要的理論和實(shí)際意義[2]。對(duì)PWM整流器的研究開始于20世紀(jì)70年代末，而進(jìn)入80年代后，PWM整流技術(shù)的應(yīng)用與研究在電力電子技術(shù)的發(fā)展下得到了推動(dòng)。1982年，Busse Alfred提出了三相全橋PWM整流器及其網(wǎng)側(cè)電流幅相控制策略，實(shí)現(xiàn)了PWM整流器網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)控制[5]。1984年，Akagi Hirofumi等人提出了無(wú)功補(bǔ)償器控制策略，成為電壓型PWM整流器的早期設(shè)計(jì)思想[6]。 20世紀(jì)80年代末，使PWM整流器的研究達(dá)到了一個(gè)新的高度[7]。在20世紀(jì)90年代，PWM整流器的研究主要集中在其建模與分析、電流控制方法、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)控制策略以及電流型PWM整流器的研究等方面。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著PWM整流器的廣泛應(yīng)用，各國(guó)學(xué)者對(duì)PWM整流器控制策略的研究也越來(lái)越深入。最主要的研究領(lǐng)域幾種在以下幾個(gè)方面:1. 無(wú)電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)傳感器和無(wú)網(wǎng)側(cè)電壓傳感器控制；2. 電網(wǎng)電壓不平衡條件下的PWM整流器控制；3. PWM整流器非線性控制策略的研究，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、二次型最優(yōu)控制、模糊控制和反饋線性化控制等。 此外，Carls Henrique等人在PWM整流器原有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加入了二極管整流器，二者混合使用以實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)整流；，有效地減小了開關(guān)頻率和開關(guān)損耗；，提出了一種新型的整流器預(yù)測(cè)控制方法；Monglol Konghirun則詳細(xì)分析了PWM整流器各工作狀態(tài)的電壓、電流及開關(guān)情況，得出了PWM整流器的通用等效Boost電路；Abdelouahab Bouafia和JeanPaul Gaubert等人用有功功率和無(wú)功功率代替直接轉(zhuǎn)矩控制中的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，提出了無(wú)電壓傳感器的直接功率控制策略；Liviu Mihalache等人對(duì)于PWM整流器網(wǎng)側(cè)LCL濾波器進(jìn)行研究，提出了在電壓畸變情況下減小電流總諧波含量的控制方法；，在固定的開關(guān)頻率下對(duì)PWM整流器進(jìn)行了基于模糊邏輯算法的直接功率控制的研究[8]。PWM整流對(duì)電網(wǎng)不產(chǎn)生諧波污染，因而是一種真正意義上的綠色環(huán)保電力電子裝置。經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，PWM整流器技術(shù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)已從單相、三相電路發(fā)展到多相組合及多電平拓?fù)潆娐?；PWM開關(guān)控制由單純的硬開關(guān)調(diào)制發(fā)展到軟開關(guān)調(diào)制；功率等級(jí)從千瓦級(jí)發(fā)展到兆瓦級(jí)。在中大功率場(chǎng)合特別是需要能量雙向傳遞的場(chǎng)合中，PWM整流電路具有非常廣泛的應(yīng)用前景。IGBT等新型電力半導(dǎo)體開關(guān)器件的出現(xiàn)和PWM控制技術(shù)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了PWM整流電路的發(fā)展，并使之進(jìn)入了實(shí)用化階段，已經(jīng)應(yīng)用于有源濾波器、超導(dǎo)儲(chǔ)能、交流傳動(dòng)、高壓直流輸電以及統(tǒng)一潮流控制等方面[2]。在我國(guó)，PWM整流電路地研究仍處于起步階段，有關(guān)PWM整流電路的研究主要以理論和實(shí)驗(yàn)研究為主，雖然取得了一定進(jìn)展，但是還不夠完善。1. PWM整流器的工作原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 本文分析了PWM整流器在不同工作狀態(tài)下的工作原理，以及不同分類下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2. 數(shù)學(xué)模型的建立 對(duì)PWM整流器電路進(jìn)行分析，采用開關(guān)函數(shù)描述和占空比描述的方法建立三相PWM整流器在靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。3. PWM整流器的控制策略 本設(shè)計(jì)采用電流內(nèi)環(huán)控制和電壓外環(huán)控制的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。其中，電流內(nèi)環(huán)的動(dòng)態(tài)性能直接影響電壓外環(huán)的控制性能。PWM整流器的電流內(nèi)環(huán)控制分為直接電流控制和間接電流控制，直接電流控制采用前饋解耦控制，間接電流控制采用幅相控制。4. 三相VSR的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本文對(duì)三相VSR的系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)，并對(duì)主電路的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定。5. 三相VSR的仿真研究采用Matlab/Simulink仿真軟件對(duì)PWM整流器的數(shù)學(xué)模型和電路模型分別進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，尋找合適的控制方法和系統(tǒng)參數(shù)，分析仿真結(jié)果，驗(yàn)證模型的正確性和控制方法的可行性。2 PWM整流器的工作原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及數(shù)學(xué)模型 PWM整流器實(shí)際上是一個(gè)交、直流側(cè)可控的四象限運(yùn)行的變流裝置，為了便于理解，以下首先從模型電路來(lái)闡述PWM整流器的原理[3]。，可以看出：PWM整流器模型電路是由交流回路、功率開關(guān)管橋路以及直流回路組成。其中交流回路包括交流電動(dòng)勢(shì)e和網(wǎng)側(cè)電感L等；直流回路包括負(fù)載電阻R和負(fù)載電動(dòng)勢(shì)等；功率開關(guān)管橋路可由電壓型或電流型橋路組成。 PWM整流器模型電路 當(dāng)不計(jì)功率開關(guān)管橋路損耗時(shí)，由交、直流側(cè)功率平衡關(guān)系得：式中v和i是模型電路交流側(cè)電壓和電流；和是模型電路直流側(cè)電壓和電流。由上不難理解：通過對(duì)模型電路交流側(cè)的控制，就可以控制其直流側(cè)，反之對(duì)直流側(cè)的控制也可以控制交流側(cè)。 以下主要從模型電路的交流側(cè)入手，分析PWM整流器的運(yùn)行狀態(tài)和控制原理。穩(wěn)態(tài)條件下。 PWM整