【正文】 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。當(dāng)VSR開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)基波頻率時(shí)，為簡化VSR的一般數(shù)學(xué)描述，可忽略VSR開關(guān)函數(shù)描述模型中的高頻分量，即只考慮其中的低頻分量，從而獲得采用占空比描述的低頻數(shù)學(xué)模型。針對(duì)三相VSR一般數(shù)學(xué)模型的建立，通常作以下假設(shè):（1）電網(wǎng)電動(dòng)勢為三相平穩(wěn)的純正弦波電動(dòng)勢（,）；（2）網(wǎng)側(cè)濾波電感L是線性的，且不考慮飽和； （3）功率開關(guān)損耗以電阻表示，即實(shí)際的功率開關(guān)可由理想開關(guān)與損耗電阻串聯(lián)等效表示；（4）為描述VSR能量的雙向傳輸，三相VSR其直流側(cè)負(fù)載由電阻和直流電動(dòng)勢串聯(lián)表示。CSR通常有單相和三相兩種。 。為解決這些問題，設(shè)計(jì)了具有中點(diǎn)嵌位的三電平VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中以多個(gè)功率開關(guān)串聯(lián)使用，并采用二極管嵌位以獲得交流輸出電壓的三電平調(diào)制。只是這種方法所需的功率開關(guān)器件數(shù)量過于多，控制相對(duì)復(fù)雜和繁瑣，所以很難被廣泛應(yīng)用。三相全橋VSR克服了前者在電網(wǎng)不平衡的時(shí)候容易發(fā)生故障的缺點(diǎn)，在公共直流母線上連接了三個(gè)獨(dú)立控制的單相全橋VSR，而且通過變壓器連接三相四線制電網(wǎng)，但是其功率開關(guān)器件數(shù)量是前者的兩倍，所以應(yīng)用較少。單相半橋VSR只有一個(gè)橋臂采用功率開關(guān)器件，另一橋臂由兩個(gè)串聯(lián)的電容組成，可以作為直流側(cè)儲(chǔ)能電容；單相全橋VSR采用四個(gè)功率開關(guān)器件構(gòu)成H橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)功率開關(guān)器件與一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)，以用來緩沖PWM過程中的無功電能。按調(diào)制電平可以分為兩電平電路、三電平電路和多電平電路。按直流儲(chǔ)能形式可以分為電壓源型和電流源型。一方面，可以通過控制PWM整流器交流側(cè)電壓，間接控制網(wǎng)側(cè)電流；另一方面，可以通過網(wǎng)側(cè)電流的閉環(huán)控制來直接控制PWM整流器的網(wǎng)側(cè)電流。當(dāng)PWM整流器運(yùn)行至D點(diǎn)時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)有源逆變控制。此時(shí)，PWM整流器需從電網(wǎng)吸收有功及容性無功功率，電能將通過PWM整流器從電網(wǎng)傳輸至直流負(fù)載。以上，A、 B、C、D四點(diǎn)是PWM整流器四象限運(yùn)行的四個(gè)特殊工作狀態(tài)點(diǎn)，進(jìn)一步分析，可得PWM整流器四象限運(yùn)行的規(guī)律如下： （1）電壓矢量端點(diǎn)在圓軌跡AB上運(yùn)動(dòng)時(shí)，PWM整流器運(yùn)行于整流狀態(tài)。 PWM整流器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系 為簡化分析，對(duì)于整流器模型電路，只考慮基波分量而忽略PWM諧波分量，并且不計(jì)交流側(cè)電阻。 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。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。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)。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]。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。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。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)。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(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。在電力系統(tǒng)中，電流和電壓應(yīng)是完整的正弦波。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。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。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功，造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)諧波污染，而且直流側(cè)能量無法回饋電網(wǎng)。 control strategy。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。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。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。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)。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。 mathematic model。在我國，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。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)。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。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。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。因此，采取相應(yīng)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(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]。 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]。 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(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]。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(yīng)用前景。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。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。其中交流回路包括交流電動(dòng)勢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)勢等；功率開關(guān)管橋路可由電壓型或電流型橋路組成。穩(wěn)態(tài)條件下。當(dāng)電壓矢量端點(diǎn)位于圓軌跡A點(diǎn)時(shí)，電流矢量比電動(dòng)勢矢量滯后，此時(shí)PWM整流器的網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)純電感特性，（a）所示；當(dāng)電壓矢量端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至圓軌跡B點(diǎn)時(shí)，電流矢量與電動(dòng)勢矢量平行而且同向，此時(shí)PWM整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)正電阻特性，（b）所示；當(dāng)電壓矢量端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至圓軌跡C點(diǎn)時(shí)，電流矢量比電動(dòng)勢矢量超前，此時(shí)PWM整流器的網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)純電容特性，（c）所示；當(dāng)電壓矢量端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至圓軌跡D點(diǎn)時(shí)，電流矢量與電動(dòng)勢矢量平行且反向，此時(shí)PWM整流器的網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)負(fù)阻特性，（d）所示。 （2）當(dāng)電壓矢量端點(diǎn)在圓軌跡BC上運(yùn)動(dòng)時(shí)，PWM整流器運(yùn)行于整流狀態(tài)。此時(shí)PWM整流器向電網(wǎng)傳輸有功及容性無功功率，電能將從PWM整流器直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。顯然，要實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，關(guān)鍵在于網(wǎng)側(cè)電流的控制。隨著PWM整流技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)設(shè)計(jì)出多種PWM整流器，它們?cè)谥麟娐方Y(jié)構(gòu)、PWM信號(hào)發(fā)生以及控制策略等方面均有各自的特點(diǎn)。按橋路結(jié)構(gòu)可以分為半橋電路和全橋電路?？梢钥闯?，單相半橋和單相全橋VSR的交流側(cè)的電路結(jié)構(gòu)是相同的，其中交流側(cè)電感主要用于濾除網(wǎng)側(cè)電流諧波。 、全橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三相半橋VSR交流側(cè)采用三相對(duì)稱的無中線連接方式，用六個(gè)功率開關(guān)器件構(gòu)成，適用于三相電網(wǎng)平衡的系統(tǒng)，是一種普遍使用的PWM整流器。而具有中點(diǎn)嵌位的三電平VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用二極管嵌位，獲得交流輸出電壓為三電平，因此提高了耐壓等級(jí)，降低了交流諧波電壓、電流，改善了網(wǎng)側(cè)波形品質(zhì)。此外，由于VSR交流側(cè)輸出電壓總在二電平上切換，當(dāng)開關(guān)頻率不高時(shí)，將導(dǎo)致諧波含量相對(duì)較大。另外，為了更好地適應(yīng)高壓大功率應(yīng)用，并降低交流輸出電壓諧波，近年來還設(shè)計(jì)出采用多個(gè)二極管嵌位的多電平VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電流源型PWM整流器直流側(cè)采用電感進(jìn)行直流儲(chǔ)能，使CSR直流側(cè)呈現(xiàn)高阻抗的電流源特性，這是其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最顯著特征。 所謂三相VSR一般數(shù)學(xué)模型就是根據(jù)三相VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在三相靜止坐標(biāo)系（a，b，c）中利用電路基本定律(基爾霍夫電壓、電流定律)對(duì)VSR所建立的一般數(shù)學(xué)描述。然而，采用開關(guān)函數(shù)描述的VSR一般數(shù)學(xué)模型由于包括了其開關(guān)過程的高頻分量，因而很難用于指導(dǎo)控制器設(shè)計(jì)?？傊?，采用開關(guān)函數(shù)描述的以及采用占空比描述的VSR一般數(shù)學(xué)模型在VSR控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真中各自起著重要作用。 為分析方便，首先定義單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)為 將三相VSR功率管損耗等值電阻同交流濾波電感等值電阻合并，且令采用基爾霍夫電壓定建立三相VSR a相回路方程 （）當(dāng)導(dǎo)通而關(guān)斷時(shí)，且；當(dāng)關(guān)斷而導(dǎo)通時(shí)，且，則式（）可改寫為： （） 同理： （） （）由于主電路為三相三線平衡系統(tǒng)，故 （） （） 聯(lián)立式（）到式（），可得： （） ，任何瞬間總有三個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，其開關(guān)模式共有＝8種，因此，直流側(cè)電流可以描述為： （）另外，對(duì)直流側(cè)電容正極節(jié)點(diǎn)處應(yīng)用基爾霍夫電流定律，可得： （）即： （）聯(lián)立式（）到（），而且考慮引入狀態(tài)變量X，且X=，則采用單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)描述的三項(xiàng)VSR一般數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)變量表達(dá)式為： ZX=AX+BE （）其中