【正文】 靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型分析，以 A 相電壓方程分析，可得： 3 )2( cbadcaarea SSSuuiRdtdiL ?????? (33) 忽略電感的寄生電阻影響， PWM 的開(kāi)關(guān)周期為 Ts,可以得到它的增量式： 3 )2( cbadcask SSSuuT iL ?????? (34) 設(shè) A相電壓值表達(dá)式為 tUu sa ?sin2? 。根據(jù)上述分析，在不計(jì)損耗情況下，輸出最大功率SSIUP 3? 可得到電感的一個(gè)上限值： pUL S? ? (32) ②基于瞬態(tài)電流跟蹤指標(biāo)的電感設(shè)計(jì) 瞬態(tài)電流跟蹤指標(biāo)要從兩個(gè)方面來(lái)考慮。流經(jīng)電感的電壓值為：sL Liu ?? 。 ①基于穩(wěn)態(tài)條件下滿足功率指標(biāo)設(shè)計(jì)電感 假設(shè)三相電壓 型 SVPWM 整流器的輸出功率為 P， 電壓源的有效值為 US，電流的有效值為 IS， 考慮到電感本身和開(kāi)關(guān)功率管的損耗等，那么交流側(cè)輸入功率必須大于直流側(cè)的輸出功率。這是因?yàn)榫W(wǎng)側(cè)電感的大小不僅影響著整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能 ， 而且還對(duì)額定輸出功率等其他因素產(chǎn) 生影響。因此由 (31)可得， 26911066 ???? sdc uu V，可選擇直流側(cè)濾波電容輸出電壓給定為 Udc=300V。 從電壓矢量 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 時(shí)間占空比進(jìn)行了詳細(xì)的分析，但是涉及電感這個(gè)重 要的未知參量，需要反復(fù)對(duì)比已確定合適值，但是這樣會(huì)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)更多的麻煩。由于整流器交流側(cè)輸入端的線電壓都是幅值為 dcu 的 PWM波，只要 dcu 大于交流側(cè)基波峰值電壓，那么整流器輸入端的線電壓就不含與PWM 開(kāi)關(guān)頻率無(wú)關(guān)的低次諧波，電感電流就不會(huì)發(fā)生畸變。因此要對(duì) dcu 要有一定的限制，從控制輸入電流方面來(lái)考慮， dcu 過(guò)低會(huì)使電感中的電流發(fā)生畸變且不可控； dcu 過(guò)高，會(huì)增加系統(tǒng)的成本和體積，降低系統(tǒng)的可靠性和安全性。本文設(shè)計(jì)的三相電壓型 SVPWM 整流器的裝置容量為P=5kW,交流側(cè)輸入電壓為 Us=100V。所以主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)非常重要，是對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，保證系統(tǒng)正常工作的必要條件。對(duì)整流器的控制，旨在穩(wěn)定直流側(cè)輸出電壓的同時(shí)實(shí)現(xiàn)其交流側(cè)輸入電流正弦波與電壓同相位的控制，達(dá)到輸入單位功率因數(shù)的目的。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第 3 章 三相電壓型 SVPWM 整流器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 三相電壓型 SVPWM 整流器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括兩部分，一是系統(tǒng)主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)，從不同出發(fā)點(diǎn)出發(fā)，綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能 ， 穩(wěn)定性及安全性，對(duì) 5kW 整流器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。電路不僅工作在整流狀態(tài)，而且能使三相輸入電流成為與電壓變化一致的正弦波，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)為 1，對(duì)網(wǎng)側(cè)不產(chǎn)生諧波；分析了整流器的整流和逆變兩種工作狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。 ① 分析了三相橋式的主電路拓?fù)洌睦碚撋戏治隽苏麄€(gè)電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其各個(gè)部分對(duì)系統(tǒng)的作用；根據(jù)主電路結(jié)構(gòu)推導(dǎo)了在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，為了方便和簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，做到系統(tǒng)控制無(wú)靜差，根據(jù) “ 等量 ” 坐標(biāo)變換原則，通過(guò)派克變 換將三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。如圖 23（ b） ，電流矢量和電壓矢量處于平行但反相位，交流側(cè)功率因數(shù)為 1，此時(shí)整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)負(fù)電阻特性，負(fù)載從電網(wǎng)釋放有功功率。以 A 相為例，用整流器的矢量圖 23來(lái)說(shuō)明。通過(guò)對(duì)網(wǎng)側(cè)電流的直接控制或者通過(guò)電壓對(duì)電流的間接控制，對(duì)電路進(jìn)行 空間電壓矢量的調(diào)制，控制 IGBT 的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，改變 ABu 、 BCu 、 CAu 中基波分量的幅值和相位，就可以使得 ia、 ib、 ic 為正弦波且和電壓同相位，從而實(shí)現(xiàn)整流側(cè)電路的輸入功率因數(shù)為 1 或者近似于 1。通過(guò)對(duì)交流側(cè)的控制可以達(dá)到對(duì)直流側(cè)電壓控制的目的，反之亦然。聯(lián)立 (210)，(212)，可得三相電壓型 SVPWM 整流器在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型： )(230qqdddcdcdcqdqreqqdcdqdreddSiSiRudtduCuSLiiRudtdiLuSLiiRudtdiL?????????????? (213) 三相電壓型 SVPWM 整流器工作原理 通過(guò)對(duì)上述主電路結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型的分析，三相電壓型整流電路由交流回路、功率開(kāi)關(guān)橋路和直流回路組成。 ??????????????????????212121)120s i n ()120s i n (s i n)120c o s ()120c o s (c o s32/??????????dqabcT (211) 其中， d 軸與 a 軸的夾角 0??? ?? t 0， 0? 為 0?t 時(shí)的夾角。因此，通過(guò)派克變換轉(zhuǎn)變?yōu)閮上嘈D(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。 三相電壓型 SVPWM 整流器數(shù)學(xué)模型 基于三相靜止坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型 以 A 相為例，根據(jù)基爾霍夫定律建立三相整流器 A 相回路方程為 ： )(NOANaarea uuuiRdtdiL ???? (22) 當(dāng) 1T 導(dǎo)通， 2T 關(guān)斷時(shí)，即 1?aS ，則 dcAN uu ? ；當(dāng) 0?aS 時(shí)，則 0?ANu 。以下為對(duì)數(shù)學(xué)模型的理論推導(dǎo)。 ④ 開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率（ 50Hz）。各相電感和等效電阻大小相同。波形為理想的正弦波。電容 C 越大，直流側(cè)電 壓諧波則越小，抗負(fù)載擾動(dòng)能力就越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)速度也會(huì)越慢。直流側(cè)濾波電容 C 是三相 電壓型 SVPWM 整流器的標(biāo)志。 各個(gè)元器件對(duì)系統(tǒng)的作用：交流側(cè)電感 L，主要作用是限制開(kāi)關(guān)器件所產(chǎn)生的高次諧波電流，其取值應(yīng)該恰當(dāng)，它是保證三相電壓型 SVPWM 整流器正常工作必要條件。 0R 為整流器直流側(cè)的負(fù)載。 ai 、 bi 、 ci 分別代表交流側(cè)三相電流的瞬時(shí)值。 au 、 bu 、 cu 分別代表交流側(cè)三相電壓源電壓。 三相電壓型 SVPWM 整流器主電路結(jié)構(gòu) 三相電壓型 SVPWM 整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 21 所示。由于三相電壓型 PWM 整流器利用電容作為直流儲(chǔ)能元件，在體積、效率、價(jià)格方面優(yōu)于以電感為儲(chǔ)能元件的電流型整流器，且實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，具有簡(jiǎn)單的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和快速控制響應(yīng)速度等特點(diǎn) [14]，目前研究的重點(diǎn)集中在電壓型PWM整流器。 （ 3） 利用 Matlab 仿真軟件構(gòu)建系統(tǒng)仿 真模型，并對(duì)仿真結(jié)果予以討論。本文就以三相電壓型 SVPWM 整流器為研究對(duì)象，具體工作步驟如下 ： （ 1） 分析三相電壓型 SVPWM 整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理，詳細(xì)推導(dǎo)基于三相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 的 數(shù)學(xué)模型。 本文研究的主要內(nèi)容 三相電壓型 SVPWM 整流器是抑制諧波污染、改善電能質(zhì)量的有效方法。目前，在電磁法探測(cè)儀器大功率發(fā)射機(jī)進(jìn)行野外勘測(cè)中，需要將發(fā)電機(jī)輸出整流為直流，常規(guī)的全橋整流使得功率因數(shù)極低，一般只達(dá)到 至 。在我國(guó) PWM 技術(shù)還處于起步階段，有關(guān) PWM 整流器技術(shù)的研究主要以理論和實(shí)驗(yàn)研究為主，雖然有一定的進(jìn)展，但是還不夠完善?；谌嚯妷盒?SVPWM 整流器的特性，還可以將其應(yīng)用領(lǐng)域拓展到電磁法探測(cè)領(lǐng)域。隨著研究的深人，基于 PWM 整流器 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制的拓展，相關(guān)的應(yīng)用研究也發(fā)展起來(lái)，并使之進(jìn)入了實(shí)用化階段。而在中大功率場(chǎng)合，特別是需要能量雙向流動(dòng)的場(chǎng)合中，如傳動(dòng)領(lǐng)域、靈活交流輸變電等，具有更廣泛的應(yīng)用前景。 應(yīng)用場(chǎng)合 目前 PWM 整流器的研究主要集中在小功率上，功率等級(jí)在幾百瓦到幾千瓦，超過(guò) 10kW 的目前還不多。然而目前利用 FPGA 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) PWM 整流器的研究還很少，文獻(xiàn)也只是將 FPGA 作為其他微處理器的附屬器件來(lái)完成一些外圍的邏輯功能，沒(méi)有完全 發(fā)揮 FPGA 的強(qiáng)大功能。 隨著 FPGA 的迅猛發(fā)展，與 DSP 相比它具有更加突出的優(yōu)勢(shì)：系統(tǒng)工作速度更快、采樣率更高、自頂向下的開(kāi)發(fā)流程對(duì)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有全程的主動(dòng)性和能動(dòng)性等。第三種方法為采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。該研究方法按照傳統(tǒng) DSP 系統(tǒng)的典型開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而完成 DSP 在 PWM 整流器上的應(yīng)用系統(tǒng)。第二種方法是采用 dSPACE 仿真系統(tǒng)，也是最常用的方法。 根據(jù)不同的控制策略的需要，還有其他的 PWM 調(diào)制方法，如三次諧波注入方式（ Three harmonic injection PWM，簡(jiǎn)稱 THIPWM）等。與傳統(tǒng) PWM 和 SPWM 相比，空間電壓矢量脈寬調(diào)制（ SVPWM）動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)性能好，電壓利用率高，容易微處理器實(shí)現(xiàn)，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，實(shí)時(shí)控制要求高，需高速微處理器。另一種是空間矢量脈寬調(diào)制（ Space Vector Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱 SVPWM），諧波抑制最好。對(duì)于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，可以分為自然采樣和規(guī)則采樣等。該方法是最 基本的調(diào)制方式，概念清晰，易于實(shí)現(xiàn)。從工程應(yīng)用上講，目前自適應(yīng) PID 模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等 PI參數(shù)整定方法還不成熟并不實(shí)用，還是采用古典的線性控制，這需要對(duì)由 PI 調(diào)節(jié)器構(gòu)成的雙閉環(huán)整流器的具體設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究。電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)的串級(jí)控制是常用的方法。只不過(guò)實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)的方法不一樣而已。另外，狀態(tài)反饋控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、基于 Lyapunov 非線性大信號(hào)、模糊控制、二次型最優(yōu)控制、非線性狀態(tài)反饋、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等技術(shù)還不夠成熟，有待于人們進(jìn)一步研究。直接電流控制技術(shù)雖然可以獲得較高品質(zhì)的電流響應(yīng)，但控制結(jié)構(gòu)和算法較間接電流控制復(fù)雜，對(duì)處理器的要求高 [9]。間接電流控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需交流電流傳感器，但是它的最大缺點(diǎn)是電流動(dòng)態(tài)相應(yīng)緩慢，甚至在交流側(cè)電流中含有直流分量且 對(duì)系統(tǒng)參數(shù)波動(dòng)較敏感，穩(wěn)定性也不好，因而常適合于對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)不高且控制結(jié)構(gòu)要求簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合。間接電流控制技術(shù)是通過(guò)直接控制交流側(cè)電壓進(jìn)而達(dá)到控制交流側(cè)電流的目的。到二十世紀(jì)八十年代末， 等人提出了基于坐標(biāo)變換的PWM 整流器連續(xù) 離散動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型及控制策略， PWM 整流器的研究發(fā)展到了一個(gè)新的高度 [8]。 控制技術(shù) 為了使電壓型 SVPWM 整流器網(wǎng)側(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)受控電流源特性，網(wǎng)側(cè)電流的控制顯得非常重要。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有單相全橋、單相倍壓、三相四開(kāi)關(guān)、三相六開(kāi)關(guān)、多相組合及多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等；在小功率場(chǎng)合，研究集中在減少功率開(kāi)關(guān)和改進(jìn)直流輸出性能上；在大功率場(chǎng)合，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究集中在多電 平、整流模塊并聯(lián)擴(kuò)容以及軟開(kāi)關(guān)技術(shù)上。相對(duì)于電流型整流器而言，電壓型整流器具有更快的響應(yīng)速度，且容易實(shí)現(xiàn) [7]。 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) PWM整流器的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。作為真正意義上的綠色環(huán)保電力電子裝置，經(jīng)過(guò)幾十年的研究和發(fā)展， PWM 整流技術(shù)的應(yīng)用和研究有了突破性進(jìn)展。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 PWM 整流器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 二十世紀(jì)八十年代，自關(guān)斷器件的日趨成熟并得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。 因此，應(yīng)該開(kāi)發(fā)將 PWM 控制技術(shù)應(yīng)用到 IGBT、 MOSFET 等全控器件組成的整流電路中，使整流器在工作時(shí)對(duì)電網(wǎng)或者電源系統(tǒng)既不產(chǎn)生諧波也不消耗無(wú)功功率，即輸入功率因數(shù)為 1 或者高于 ，成為無(wú)諧波污染的 “ 綠色 ” 電力電子變流裝置。傳統(tǒng)的不可控二極管和晶閘管相控整流是電網(wǎng)中的主要諧波污染源，同時(shí)引起系統(tǒng)中大量無(wú)功功率流動(dòng)，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量。 目前，解決電網(wǎng)污染的途徑主要有兩種：一種是加入補(bǔ)償器補(bǔ)償電網(wǎng)中的諧波，如有源電力濾波器（ APF： Active Power Filter）、靜止無(wú)功補(bǔ)償（ SVC： Static Var Compensator）等；另外一種是設(shè)計(jì)輸入電流為正弦、諧波含量低、功率因數(shù)高的整流器。然而這些非線性負(fù)荷設(shè)備在傳遞、變換、吸收過(guò)程中把部分基波能量轉(zhuǎn)換成諧波能量 ,造成交流輸入電壓、電流發(fā)生畸變，向系統(tǒng)中注入高次諧波，使輸入功率因數(shù)降低，電能質(zhì)量下降，對(duì)電力系統(tǒng)包括用戶安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的危害和影響，甚至造成電力設(shè)備的損壞，干擾保護(hù)產(chǎn)生誤動(dòng)，引發(fā)電力系統(tǒng)大面積停電等事故 [2]。 關(guān)鍵詞 ： 整流器； SVPWM； PI 調(diào)節(jié)器；仿真 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Abstract In the application field of power e