【導(dǎo)讀】隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，具有網(wǎng)側(cè)電流接近正弦波、功率因數(shù)近似為1、直流側(cè)輸出電壓穩(wěn)定、抗負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)并且能夠在四象限運(yùn)行的PWM整流器應(yīng)運(yùn)而生，本言研究的主要對(duì)象就是應(yīng)用最為廣泛的三相電壓型PWM整流器。首先，本文介紹了PWM整流器研究的背景與意義，綜述了PWM技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀，礎(chǔ)上建立了其在ABC三相靜止坐標(biāo)系、d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和?兩相靜止坐標(biāo)系三個(gè)。不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。驗(yàn)證了方案的正確性和可行性。

　　

【正文】 ， d 軸和 q 軸變量之間相互耦合，那么，在 dq 坐標(biāo)系耦合狀態(tài)下進(jìn)行解耦，希望一個(gè)變量?jī)H受另一個(gè)變量控制，系統(tǒng)解耦方法一般采用串聯(lián)補(bǔ)償解耦和前饋補(bǔ)償解耦，本文研究的系統(tǒng)主要采用前饋補(bǔ)償解耦控制的方法。 其控制結(jié)構(gòu)圖如下： 圖 33 整流器控制結(jié)構(gòu)圖 電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 由前面敘述可以知道，三相 VSR 的 dq模型可以描述為 ????????????????????LqqdddcdqqqqddddisisidtdvCLiRivedtdiLLiRivedtdiL)(23q ?? （ 31） 式中， de 、 qe —— 電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量 dqE? 的 d 、 q 分量； 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 dv 、 qv —— 三相 VSR 交流側(cè)電壓矢量 dqV? 的 d 、 q 分量； di 、 qi —— 三相 VSR 交流側(cè)電流矢量的 dqI? 的 d 、 q 分量。 從三相 VSR 的 dq 模型方程式可以看出，由于 VSR 的 d、 q 軸變量相 互耦合，給控制器的設(shè)計(jì)造成一定困難。為此，可以采用前饋解耦控制策略，當(dāng)電流調(diào)節(jié)器采用 PI調(diào)節(jié)器時(shí)，則 dv 、 qv 的控制方程如下： **( ) ( )( ) ( )iId iP d d q diIq iP q q d qKv K i i Li esKv K i i Li es??? ? ? ? ? ? ????? ? ? ? ? ? ??? （ 32） 式中， iPK 、 iIK —— 電流內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)增益和積分調(diào)節(jié)增益； ?qi 、 ?di —— qi 和 di 的電流指令值。 將式（ 32）帶入式（ 31），并化簡(jiǎn)可得 **/ 010 /iIiPd d diIiPqq qiIiPKR K Li i is KpKii Ls iKR K Ls??????? ? ??????? ??? ? ? ????? ??? ? ? ??? ? ? ? ???????? ??? ? ? ? ??? ? ??????????? （ 33） 顯然，式（ 33）表明：基于前饋的控制算式（ 32）使 VSC 電流內(nèi)環(huán)（ di ， qi ）實(shí)現(xiàn)了解耦控制。 由此可以畫(huà)出電流內(nèi)環(huán)的解耦控制 結(jié)構(gòu)，如下圖： 圖 34 三相 VSR電流內(nèi)環(huán)解耦控制結(jié)構(gòu) 由于兩電流內(nèi)環(huán)的對(duì)稱(chēng)性，因而下面以 qi 控制為例討論電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)?？紤]電 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 流內(nèi)環(huán)信號(hào)采樣的延遲和 PWM的小慣性特性，取 sT 為電流內(nèi)環(huán)電流采樣周期（即為 PWM開(kāi)關(guān)周期）， PWMK 為橋路 PWM 等效增益， 模擬 PWM 的小慣性特性。已解耦的 qi 電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖 35所示。 1 1sTs ? iIip KK s? 1P W MsKTs? ?1/1 ( / )RL R s?qe qi*qi? ?? ? 圖 35 電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu) 將 PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)改寫(xiě)成零極點(diǎn)形式，即 1iI iiP iPiiPiIiKsKKssKK????? ?????? ??? （ 34） 將小時(shí)間常數(shù) 、 sT 合并，得到簡(jiǎn)化后電流環(huán)結(jié)構(gòu)如圖 36所示。 1iipisKs??? 1P W MsKTs??1/1 ( / )RL R s?qe qi*qi? ??? 圖 36 電流內(nèi)環(huán)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) 由此可以按照典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，從圖 36 得到電流內(nèi)環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 )( 1)( 2 ??? sTs sLKKsW sii P W MiPoi ?? (35) 為了盡量提高電流響應(yīng)的快速性，對(duì)典型Ⅱ型系統(tǒng)而言，可設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)闹蓄l寬 ih ，工程上常取 ?? sii Th ? 。按照典型Ⅱ型系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)關(guān)系有 22 1iii PWMiP hLKK ?? ?? (36) 解得 : ????????????P W MsiiPiIP W MsP W MiiiPKTLKKKTLKLhK 1 261562)1(?? (37) 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 電壓外環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 三相 VSR 的電壓環(huán)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如下圖所示。 *dcU? ( 1 )VVVK T sTs? 1evTs ?1sC dcU? 圖 37三相 VSR電壓環(huán)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) vK ， vT — 電壓外環(huán) PI 調(diào)節(jié)器參數(shù) 。 由于電壓外環(huán)的主要控制作用是穩(wěn)定三相 VSR 直流電壓 ，故其控制系統(tǒng)整定時(shí)，應(yīng)著重考慮電壓環(huán)的抗擾性能。Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)恒值給定可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差跟蹤，顯然，同樣可按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器，由圖 37得電壓環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 )1( )1()( 2 ??? sTsCT sTKsW evv vvov (38) 由此，得電壓環(huán)中頻寬 vh 為 evvv TTh? (39) 由典型Ⅱ型系統(tǒng)控制器參數(shù)整定關(guān)系，得 222 evvvv v ThhCTK ?? (310) 綜合考慮電壓環(huán)控制系統(tǒng)的抗擾性和跟隨性，取 5/ ?? evvv TTh ，計(jì)算出電壓環(huán) PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)為 ???????????)3(5454 )3(55svevvsvevvTCTCK TTT?? (311) PWM 整流器參數(shù)的設(shè)計(jì) 交流側(cè)電感的設(shè)計(jì) 在 VSR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，交流側(cè)電感的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。這是因?yàn)?VSR 交流側(cè)電感的取值 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 不僅影響到電流環(huán)的動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)，而且還制約著 VSR 輸出功率、功率因數(shù)以及直流電壓。 VSR 交流側(cè)電 感的作用歸結(jié)如下： (1)隔離電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)與 VSR 交流側(cè)電壓。通過(guò) VSR 交流側(cè)電壓幅值、相位的 PWM 控制，或通過(guò) VSR交流側(cè)電流幅值、相位的 PWM 控制都可實(shí)現(xiàn) VSR 四象限運(yùn)行。 (2)慮除 VSR 交流側(cè) PWM 諧波電流，從而實(shí)現(xiàn) VSR 交流側(cè)正弦波電流或一定頻帶范圍內(nèi)的任意電流波形控制。 (3)使 VSR 獲得良好電流波形的同時(shí)，還可向電網(wǎng)傳輸無(wú)功功率，甚至實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)純電感、純電容運(yùn)行特性。 (4)使 VSR 控制系統(tǒng)獲得了一定的阻尼特性，從而有利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 (5)使 VSR 具有 Boost 型 PWM AC/DC 變換 性能以及直流側(cè)受控電流源特性。 可見(jiàn)， VSR 交流側(cè)電感對(duì) VSR 系統(tǒng)的影響和作用是綜合的。以下將從穩(wěn)態(tài)條件下滿(mǎn)足 VSR輸出有功 (無(wú)功 )功率以及電流波形品質(zhì)指標(biāo)兩方面討論 VSR 交流側(cè)電感的設(shè)計(jì)。 1 滿(mǎn)足功率指標(biāo)時(shí)電感的設(shè)計(jì) 穩(wěn)態(tài)條件下， VSR 交流側(cè)矢量關(guān)系如圖 38，圖中忽略了 VSR 交流側(cè)電阻 R,且只討論基波正弦電量。 由圖 38看出：當(dāng) E 不變，且 I 一定條件下，通過(guò)控制 VSR 交流側(cè)電壓 V的幅值、相位，即可實(shí) 現(xiàn) VSR四象限運(yùn)行，且矢量 V端點(diǎn)軌跡是以 LV 為半徑的圓。由于 LV LI?? ，因此 VSR 交 流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系體現(xiàn)了對(duì)其交流側(cè)電感 L 的約束。 E—— 交流電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì) V—— VSR 交流側(cè)相電壓 I—— 交流側(cè)相電流 LV —— 交流側(cè)電感電壓 EβαCVIBDAφVLθ 圖 38 VSR穩(wěn)態(tài)交流側(cè)矢量關(guān)系 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 圖 38 中， B、 D 點(diǎn)為 VSR 單位功率因數(shù)整流、逆變狀態(tài)運(yùn)行點(diǎn)， A、 C 點(diǎn)為 VSR 純電感、純電容特性運(yùn)行點(diǎn)，并且通過(guò)α、β坐標(biāo)軸將 VSR 運(yùn)行狀態(tài)分為四個(gè)運(yùn)行象限。當(dāng) VSR直流側(cè)電壓 dcV 確定后， VSR交流側(cè)電壓最大峰值也得以確定，既： max dcV Mv? （ 312） M—— PWM 相電壓最大利用率 為使 VSR 獲得四象限運(yùn)行特性， F 點(diǎn)應(yīng)可處于圓 軌跡上任一點(diǎn)，為此必須確保 VSR能輸出足夠大的 V 。但由于 dcV Mv? ，因此必須限制 VSR 交流側(cè)電感，使 LV 足夠小，才能使 VSR 四象限運(yùn)行，且可以輸出足夠大的交流電流。 VSR 交流側(cè)功率因數(shù)角 φ， 90?? ?? ，利用余弦定理得 2 2 2 2 c o sLLV E V E V ?? ? ? 22 2 sinLLE V E V? ? ? ? （ 313） 將 LV LI?? 代入式（ 313），化簡(jiǎn)得 2 2 22 2 sin 0L I E I E V?? ? ? ? ? ? （ 314） 求解上式得 2 2 22si n si nE E V EL ? ? ? ? ???? 2 2 2 2s in s inm m m mmE E V EI? ? ? ? ?? ? （ 315） 式中 Em—— 電網(wǎng)相電動(dòng)勢(shì)峰值； Im—— VSR 交流側(cè)相電流基波峰值； Vm—— VSR 交流側(cè)相電壓基波峰值。 由上面可得： m dcV Mv? （ 316） 將式（ 316）代入（ 315）得 2 2 2 2 2s in s inm m d c mmE E M v EL I? ? ? ? ?? ? （ 317） 顯然式（ 317）中的分子大于零，所以 mdc EV M? （ 318） 式（ 318）體現(xiàn)了實(shí)現(xiàn) VSR 四象限運(yùn)行時(shí)直流側(cè)電壓 dcV 取值的下限。 對(duì)于三相 VSR，若采用 SPWM 控制則 M=1/2，而采用空間矢量 (SVPWM) 控制時(shí)， 則 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 3/3M? 。 所以，在該仿真系統(tǒng)中有以上的參數(shù)可得： 20033dcV ? （ 319） 則： ? 本文選取直流側(cè)電壓值為： 400V。 設(shè)三相 VSR 采用 SVPWM 控制，且忽略 VSR