【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。導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致。含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。

　　

【正文】 加功率因數(shù)角閉環(huán)，通過模糊控制器對交流側(cè)電壓幅值和相位進(jìn)行前饋補(bǔ)償，可心使PWM 整流器在電網(wǎng)電壓波動或電路參數(shù)變化等擾動下保護(hù)單位功率因數(shù)和穩(wěn)定的直流輸出電壓。這些改進(jìn)方 案的提出，可以促進(jìn)間接電流控制實(shí)用化。 VSR 直接電流控制是針對 VSR 間接電流控制的不足 (動態(tài)響應(yīng)慢、對參數(shù)敏感 )而提出來的。這種直接電流控制與間接電流控制在結(jié)構(gòu)上的主要差別在于，前者具有網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制，而后者則無網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制，同時(shí)也使網(wǎng)側(cè)電流控制對系統(tǒng)參數(shù)不敏感，從而增強(qiáng)了電流控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 對網(wǎng)壓而言，電流內(nèi)環(huán)實(shí)質(zhì)起到前饋?zhàn)饔?；控制電路具有限流保護(hù)能力，由于系統(tǒng)在每一個(gè)載波周期都對電流進(jìn)行比較，因此故障情況下過電流保護(hù)迅速，可靠性高。 直接電流控制方案物理意義清晰，控制 電路簡單，控制效果良好。直接電流控制中雙閉環(huán)控制是目前應(yīng)用最廣泛，最實(shí)用化的控制方式，其中電壓外環(huán)是控制直流側(cè)電壓的，并給電流內(nèi)環(huán)提供指令電流；電流內(nèi)環(huán)則根據(jù)指令電流進(jìn)行電流快速跟蹤控制。 由于 VSR 電流內(nèi)環(huán)性能不僅影響直流側(cè)電壓響應(yīng)，而且當(dāng) VSR 應(yīng)用于諸如有源電力濾波器 (APF)等領(lǐng)域時(shí)，其網(wǎng)側(cè)電流的控制性能便決定了系統(tǒng)性能指標(biāo)的優(yōu)劣，因而 VSR直接電流控制策略的研究引起了學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注，先后提出了固定開關(guān)頻率 PWM 電流控制、滯環(huán) PWM 電流控制等。其中，固定開關(guān)頻率 PWM 電流控制其算法簡便，物理意義清晰， 且實(shí)現(xiàn)較方便。另外，由于開關(guān)頻率固定，因而網(wǎng)側(cè)變壓器及濾波電感設(shè)計(jì)較容易， 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 并且有利于限制功率開關(guān)損耗。但該方案的主要缺點(diǎn)是，在開關(guān)頻率不高條件下，電流動態(tài)響應(yīng)相對較慢，且電流動態(tài)偏差隨電流變化率而相應(yīng)變化。相比之下，滯環(huán) PWM 電流控制則具有較快的電流響應(yīng)，且電流跟蹤動態(tài)偏差由滯環(huán)寬度確定，而不隨電流變化率變化而變動。但該方案主要不足就是，開關(guān)頻率隨電流變化率變化而波動，造成網(wǎng)側(cè)濾波電感設(shè)計(jì)困難，功率模塊應(yīng)力及開關(guān)損耗增大，因而在大功率變流領(lǐng)域難以應(yīng)用，為此提出了基于固定開關(guān)頻率的滯環(huán) PWM 電流控制策略。 1固定開關(guān)頻率 PWM 電流控制基本原理及控制算法 所謂固定開關(guān)頻率 PWM 電流控制，一般是指 PWM 載波 (如三角波 )頻率固定不變，而以電流偏差調(diào)節(jié)信號作為調(diào)制波的 PWM 控制方法，其電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖 32 所示。 圖 32 固定開關(guān)頻率 PWM 電流控制閉環(huán)結(jié)構(gòu) 2滯環(huán) PWM 電流控制 當(dāng)開關(guān)頻率人按一定規(guī)律變化時(shí)，電流跟蹤性能將得以改善，電流偏差將在某一限定值內(nèi)基本不變，這對要求電流跟蹤精度較高的控制系統(tǒng)十分重要。而滯環(huán) PWM 電流控制則可以實(shí)現(xiàn)上述要求。這種電流控制 結(jié)構(gòu)中無傳統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器 (如 P,PI 調(diào)節(jié)器等 )，取而代之的是一非線性環(huán)節(jié) — 滯環(huán)。當(dāng)電流偏差超越滯環(huán)寬度時(shí)，主電路開關(guān)切換，并迫使電流偏差減小，顯然這是一種典型的非線性控制。研究表明，滯環(huán) PWM 電流控制具有較好的穩(wěn)定性和快速性。 三相 VSR 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 在三相 VSR 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般采用雙閉環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中的電壓外環(huán)是為了控制穩(wěn)定直流側(cè)電壓，根據(jù)電壓的大小調(diào)整整流器工作的狀態(tài)，并給電流內(nèi)環(huán)輸出給定值；電流內(nèi)環(huán)是使檢測的輸入電流能夠跟蹤給定電流，實(shí)現(xiàn)單位功率 因數(shù)的整流或逆變。在前面分析整流器數(shù)學(xué)模型中，在三相靜止 abc 坐標(biāo) 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 系下難以設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，而且對系統(tǒng)控制做不到無靜差，所以，雙閉環(huán)控制建立在同步旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的。而在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下， 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)變量僅受另一個(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)電動勢矢量 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)的對稱性，因而下面以 qi 控制為例討論電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)?？?慮電 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 流內(nèi)環(huán)信號采樣的延遲和 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 PW MiP hLKK ?? ?? (36) 解得 : ????????????P W MsiiPiIP W MsP W MiiiPKTLKKKTLKLhK61562)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)對恒值給定可以實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤，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) 三相 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、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)電動勢與 VSR 交流側(cè)電壓。通過 VSR 交流側(cè)電壓幅值、相位的 PWM 控制，或通過 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， VSR 交流側(cè)電感對 VSR 系統(tǒng)的影響和作用是綜合的。以下將從穩(wěn)態(tài)條件下滿足 VSR 輸出有功 (無功 )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 L