【正文】 摘 要隨著電力電子技術(shù)的廣泛應用與發(fā)展，供電系統(tǒng)中添加了大量的非線性負載，引起電網(wǎng)電壓、電流的畸變，導致電力污染，實現(xiàn)“綠色”電能變換成為目前電力電子技術(shù)研究的重點之一。在眾多諧波治理措施中，使用PWM整流器來調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，實現(xiàn)能量雙向流動這一主動改善電能質(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PWM整流器的控制策略進行了研究。PWM整流器的工作原理及數(shù)學模型是實現(xiàn)整流器控制的基礎。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)學模型。對PWM整流器的有效控制是實現(xiàn)其改善電網(wǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。本文重點分析了滯環(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)，而且對控制器的參數(shù)進行了設計，為PWM整流器的控制奠定了理論基礎。最后運用MATLAB/Simulink構(gòu)建了三相VSR仿真平臺，對實驗結(jié)果進行分析，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、拓撲結(jié)構(gòu)以及數(shù)學模型 4 4 5 9 10 11（靜止）坐標系的數(shù)學模型 13 q（同步）旋轉(zhuǎn)坐標系的數(shù)學模型 143 PWM整流器的控制策略 16 16 17 194 三相VSR的系統(tǒng)設計 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 43翻譯部分 43英文原文 44中文譯文 55致 謝 651 緒論 非線性負載被引入電網(wǎng)，導致了日趨嚴重的諧波污染。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、電壓波形的嚴重畸變。在我國，當前主要的諧波源主要是一些整流設備，如化工和冶金行業(yè)的整流設備以及各種調(diào)速、調(diào)壓設備和電力機車等。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，運用二極管不控整流電路從電網(wǎng)吸取畸變電流的同時又對電網(wǎng)注入了大量諧波及無功，造成了嚴重的電網(wǎng)諧波污染，而且直流側(cè)能量無法回饋電網(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。這些整流器從電網(wǎng)汲取電流的非線性特征，給周圍用電設備和公用電網(wǎng)都會帶來不良的影響。針對上述兩種整流電路的不足，PWM整流器對傳統(tǒng)的二極管及相控整流器進行了全面的改進。PWM整流器關(guān)鍵性的改進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，電能實現(xiàn)雙向流動，具有較快的動態(tài)響應。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整流器本身進行改進，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。對電流型整流器，可直接對各個電力半導體器件的通斷進行 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。只要對整流器各開關(guān)器件施以相應的PWM控制，就可以對整流器網(wǎng)側(cè)交流電流的大小和相位進行控制，不僅可以實現(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，電流和電壓應是完整的正弦波。但是在我們實際生活中的電力系統(tǒng)中，由于非線性負載等因素的影響，電網(wǎng)電壓和電流波形總會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備帶來許多相關(guān)問題，所以就應該采取必要的措施限制其對電網(wǎng)和其它設備的影響。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、家庭等眾多領域中廣泛應用，很多場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，使得用電設備處于理想工作狀態(tài)，或者滿足用電負載某些特殊要求，從而獲得最大的技術(shù)經(jīng)濟效益[1]。目前，隨著功率半導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)在市場上，特別是用于交流電機調(diào)速傳動的變頻器性能的逐步完善，為工業(yè)領域節(jié)能和改善生產(chǎn)工藝提供了十分廣闊的應用前景。相關(guān)資料表明，電力電子裝置的生產(chǎn)量在未來十年中將以每年大于10%的速度飛速增長，同時，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)帶來不好的影響，主要有三點： （1）增加了電網(wǎng)的無功損耗與線路壓降，更嚴重是，還將造成局部網(wǎng)絡電壓的波動； （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將會引起傳導和射頻干擾，造成對它敏感的電子儀器和設備、繼電器以及通信線路等的諧波干擾，特別對當今計算機的普及應用是一種實在的威脅。因此，采取相應的措施來抑制、以至消除這些電力危害是電力電子技術(shù)領域中一項重要的研究課題，具有重要的理論和實際意義[2]。對PWM整流器的研究開始于20世紀70年代末，而進入80年代后，PWM整流技術(shù)的應用與研究在電力電子技術(shù)的發(fā)展下得到了推動。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等人提出了無功補償器控制策略，成為電壓型PWM整流器的早期設計思想[6]。 20世紀80年代末，使PWM整流器的研究達到了一個新的高度[7]。在20世紀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、主電路拓撲結(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。進入21世紀，隨著PWM整流器的廣泛應用，各國學者對PWM整流器控制策略的研究也越來越深入。最主要的研究領域幾種在以下幾個方面:1. 無電網(wǎng)電動勢傳感器和無網(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整流器原有的拓撲結(jié)構(gòu)基礎上加入了二極管整流器，二者混合使用以實現(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測控制方法；Monglol Konghirun則詳細分析了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功功率代替直接轉(zhuǎn)矩控制中的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，提出了無電壓傳感器的直接功率控制策略；Liviu Mihalache等人對于PWM整流器網(wǎng)側(cè)LCL濾波器進行研究，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PWM整流器進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；其拓撲結(jié)構(gòu)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(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；功率等級從千瓦級發(fā)展到兆瓦級。在中大功率場合特別是需要能量雙向傳遞的場合中，PWM整流電路具有非常廣泛的應用前景。IGBT等新型電力半導體開關(guān)器件的出現(xiàn)和PWM控制技術(shù)的發(fā)展，極大地促進了PWM整流電路的發(fā)展，并使之進入了實用化階段，已經(jīng)應用于有源濾波器、超導儲能、交流傳動、高壓直流輸電以及統(tǒng)一潮流控制等方面[2]。在我國，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驗研究為主，雖然取得了一定進展，但是還不夠完善。1. PWM整流器的工作原理和拓撲結(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撲結(jié)構(gòu)。2. 數(shù)學模型的建立 對PWM整流器電路進行分析，采用開關(guān)函數(shù)描述和占空比描述的方法建立三相PWM整流器在靜止坐標系的數(shù)學模型和同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型。3. PWM整流器的控制策略 本設計采用電流內(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)設計 本文對三相VSR的系統(tǒng)設計包括電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)控制器的設計，并對主電路的參數(shù)進行了設定。5. 三相VSR的仿真研究采用Matlab/Simulink仿真軟件對PWM整流器的數(shù)學模型和電路模型分別進行仿真實驗，尋找合適的控制方法和系統(tǒng)參數(shù)，分析仿真結(jié)果，驗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、拓撲結(jié)構(gòu)以及數(shù)學模型 PWM整流器實際上是一個交、直流側(cè)可控的四象限運行的變流裝置，為了便于理解，以下首先從模型電路來闡述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勢e和網(wǎng)側(cè)電感L等；直流回路包括負載電阻R和負載電動勢等；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 當不計功率開關(guān)管橋路損耗時，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：通過對模型電路交流側(cè)的控制，就可以控制其直流側(cè)，反之對直流側(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整流器的運行狀態(tài)和控制原理。穩(wěn)態(tài)條件下。 PWM整