【正文】 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。：任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔1）設(shè)計（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它目錄1 緒論 1 PWM整流器研究的背景與意義 1 PWM整流器的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)狀 2 PWM整流器的產(chǎn)生 2 2 3 PWM整流器的發(fā)展現(xiàn)狀 4 52 三相VSR原理分析與建模 6 三相VSR的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 6 PWM基本原理分析 6 三相VSR的數(shù)學(xué)模型 9 三相VSR在三相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型 9 三相VSR dq模型的建立 123 三相VSR控制系統(tǒng)設(shè)計 17 VSR的電流控制 17 間接電流控制 17 18 19 電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 20 電壓外環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 23 23 交流側(cè)電感的設(shè)計 23 直流側(cè)電容的設(shè)計 284 三相VSR的空間矢量控制 30 三相VSR空間矢量PWM 控制的基本原理 30 30 SVPWM整流器的控制算法 32 扇區(qū)的確定 33 矢量作用時間的確定 33 375 Matlab 仿真 40 基于空間電壓矢量的直接電流控制的三相VSR PWM整流器的仿真 40 基于空間電壓矢量PWM波生成模塊simulink模型建立 40 PWM整流器的主回路及控制系統(tǒng)simulink模型的建立 42 PWM整流器仿真波形 456 總結(jié)與展望 48致謝 49參考文獻 501 緒論 PWM整流器研究的背景與意義 隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪校芏鄨龊隙茧x不開對電的需求，但是由于近些年來煤炭、石油、天然氣等不可再生能源不斷地被大量過度地開采，有專家預(yù)測在未來的80多年以后，人類將再無這些能源可以使用，人類將面臨能源枯竭的尷尬境地，隨之而來將會引起人們對電能的恐慌。因為這些變換裝置大量被使用的同時，必定會帶來一些不利因素：在這些大部分變換裝置使用中首先需要整流環(huán)節(jié)將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，而整流環(huán)節(jié)主要是通過功率二極管或者晶閘管組成的整流電路；這種方式在交流側(cè)容易造成電流波形畸變，并向電網(wǎng)注入大量的無功功率和諧波，將會給電網(wǎng)造成嚴(yán)重的電磁污染，以致影響同網(wǎng)其他設(shè)備的正常使用，同時還存在功率因數(shù)低、直流電壓波動等問題，所以既能有效治理電網(wǎng)污染并提高電能利用率，又能環(huán)保節(jié)能的綠色能源措施越來越受到眾多研究組織的關(guān)注和重視。一般來說，要想能夠消除電網(wǎng)諧波且獲得高功率因數(shù)的途徑，主要有兩種：一種是在系統(tǒng)中加入補償器，如靜止無功補償器(Static Var Compensator)、有源電力濾波器(Active Power Filter)等達到補償無功功率和諧波的目的；一種是改進整流環(huán)節(jié)的裝置，優(yōu)化電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法，使自身實現(xiàn)抑制諧波并可調(diào)節(jié)功率因素的效能。PWM 整流器采用的是全控開關(guān)器件，電路結(jié)構(gòu)簡單，工作頻率高且容易實現(xiàn)，通過控制開關(guān)器件的通斷就可以控制整流器輸入的電流波形，實現(xiàn)電壓電流同相位或反相位，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)近似達到1，諧波含量少，直流側(cè)電壓可控，并且這種結(jié)構(gòu)的整流器能在四象限運行，可以工作在整流或逆變狀態(tài)，是真正意義上的綠色裝置，因此對 PWM 整流器的控制研究意義重大。它由于能夠根據(jù)不同的用電場合，完成交—直、交—交、直—交、直—直的電能形式的變換，滿足生產(chǎn)與生活的需求，在此后的幾十年間得到大規(guī)模的應(yīng)用。到了80年代后期，由于GTR的普遍應(yīng)用以及IGBT的大量使用促使PWM整流器向高頻化發(fā)展，高頻化可以大大提高了交流輸入電流波形的正弦度，減少了直流輸出電壓紋波，提高了功率因數(shù)，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。盡管分類方法多種多樣，但最基本的分類方法就是將PWM整流器分類成電壓型和電流型兩大類，這主要是因為電壓型、電流型PWM整流器，無論是在主電路結(jié)構(gòu)、PWM信號發(fā)生以及控制策略等方面均各有各自的特點，并且兩者間存在電路上的對偶性。 CSR(電流型PWM整流器)的顯著特征是直流側(cè)采用電感進行直流儲能，從而使CSR直流側(cè)呈現(xiàn)高阻抗的電流源特性。除直流儲能電感外，與VSR相比，其交流側(cè)增加了濾波電容，作用是與網(wǎng)側(cè)電感一起組成LC三階低通濾波器，以慮除CSR網(wǎng)側(cè)諧波電流，并抑制CSR交流側(cè)諧波電壓。三相電流型PWM整流器的結(jié)構(gòu)圖如下：圖11 三相CSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 電壓型PWM整流器(Voltage Source )最顯著拓?fù)涮卣骶褪侵绷鱾?cè)采用電容進行直流儲能，從而使VSR直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性。電壓型PWM整流器有以下幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：單相半橋、全橋VSR拓?fù)?，三相半橋、全橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、三電平VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基于軟開關(guān)調(diào)制的VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖12給出了三相半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。關(guān)于三相PWM整流器的工作原理將在下一節(jié)中專門論述。 圖12三相半橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) PWM整流器的發(fā)展現(xiàn)狀PWM整流器的研究始于20世紀(jì)80年代，這一時期由于自關(guān)斷器件的日趨成熟及應(yīng)用，推動了PWM技術(shù)的應(yīng)用與研究。1984年Akagi Hirofumi等提出了基于PWM整流器拓?fù)涞臒o功補償器控制策略，這實際上就是電壓型PWM整流器早期設(shè)計思想。自20世紀(jì)90年代以來，PWM整流器一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注和研究的熱點。這一時期PWM整流器的研究主要集中于以下幾個方面: 1) PWM整流器的建模與分析。3)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究。5)電流源型PWM整流器研究。 (2)根據(jù)系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)，對三相電壓型 PWM 整流器在三相靜止坐標(biāo)系與dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進行數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)，并對系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)進行設(shè)計，對電壓空間矢量調(diào)制進行了分析。 (4)最后對本文進行全文總結(jié)，對下一步工作研究展望做簡要敘述。圖12給出了三相半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三相電壓型PWM整流器也是本文進行電路建模、參數(shù)計算和控制器設(shè)計的基礎(chǔ)。 圖21三相半橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) PWM基本原理分析從電力電子技術(shù)發(fā)展來看，整流器是較早應(yīng)用的一種AC/DC變換裝置。傳統(tǒng)的相控整流器，雖應(yīng)用時間較長，技術(shù)也較成熟，且被廣泛使用，但仍然存在以下問題: （1）晶閘管換流引起網(wǎng)側(cè)電壓波形畸變。 （3）深控時網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低。雖然二極管整流器，改善了整流器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，但仍會產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)諧波電流以“污染”電網(wǎng)。針對上述不足，PWM整流器已對傳統(tǒng)的相控及二極管整流器進行了全面改進。因此，PWM整流器可以取得以下優(yōu)良性能: （1）網(wǎng)側(cè)電流為正弦波。（3）電能雙向傳輸。顯然，PWM整流器已不是一般傳統(tǒng)意義上的AC/DC變換器。而當(dāng)PWM整流器向電網(wǎng)傳輸電能時，其運行于有源逆變工作狀態(tài)。當(dāng)PWM整流器運行于有源逆變狀態(tài)時，其網(wǎng)側(cè)電壓、電流反相(負(fù)勝特性)。 圖22 PWM整流器模型電路圖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。圖22為PWM整流器模型電路，可以看出:PWM整流器模型電路由交流回路、功率開關(guān)管橋路以及直流回路組成。直流回路包括負(fù)載電阻及負(fù)載電動勢等。當(dāng)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 、i是模型電路交流側(cè)電壓、電流。由上式不難理解，通過模型電路交流側(cè)的控制，就可以控制其直流側(cè)，反之也成立。 （a） (b) (c) (d)圖23 PWM整流器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系穩(wěn)態(tài)條件下，PWM整流器交流側(cè)矢量關(guān)系如圖23所示。這樣可從圖23分析:當(dāng)以電網(wǎng)電動勢矢量為參考時，通過控制交流電壓矢量V即可實現(xiàn)PWM整流器的四象限運行。當(dāng)電壓矢量端點位于圓軌跡A點時，電流矢量比電動勢滯后90度，此時PWM整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)電感特性，如圖23a所示。當(dāng)電壓矢量端點運動至圓軌跡C點時，電流矢量比電動勢矢量超前90度，此時PWM整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)純電容特性，如圖23c所示。以上，A, B, C, D四點是PWM整流器四象限運行的四個特殊工作狀態(tài)點，進一步分析，可得PWM整流器四象限運行規(guī)律如下:(1) 電壓矢量端點在圓軌跡AB上運動時，PWM整流器運行于整流狀態(tài)。值得注意的是，當(dāng)PWM整流器運行在B點時，則實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流控制。此時，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整流器由電網(wǎng)傳輸至直流負(fù)載。 (3)當(dāng)電壓矢量端點在圓軌跡CD上運動時，PWM整流器運行于有源逆變狀態(tài)。當(dāng)PWM整流器運行至D點時，便可實現(xiàn)單位功率因數(shù)有源逆變控制。此時，PWM整流器向電網(wǎng)傳輸有功及感性無功功率，電能將從PWM整流器直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。 二、可以通過網(wǎng)側(cè)電流的閉環(huán)控制直接控制PWM整流器的網(wǎng)側(cè)電流。三相VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上圖21所示。 （2）網(wǎng)側(cè)濾波電感是線性的，且不考慮飽和。由上述假設(shè)得到三相電壓型PWM整流器的主電路數(shù)學(xué)模型如圖24所示。、為整流器的開關(guān)函數(shù)。 以三相VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，建立采用開關(guān)函數(shù)描述的VSR一般數(shù)學(xué)模型，如圖24所示，當(dāng)直流電動勢=0時，直流側(cè)為純電阻負(fù)載，此時三相VSR只能運行于整流模式，當(dāng)，三相VSR既可運行于整流模式，又可運行于有源逆變模式當(dāng)運行于有源逆變模式時，三相VSR將:所發(fā)電能向電網(wǎng)側(cè)輸送，有時也稱這種模式為再生發(fā)電模式。當(dāng)時，三相VSR也只能運行于整流模式。 將三相VSR功率管損耗等值電阻R，同交流濾波電感等值電阻合并，且令,采用基爾霍夫電壓定律建立三相VSR a相回路方程 （22）當(dāng)導(dǎo)通而關(guān)斷時，Sa=1，且。雖然VSR在abc坐標(biāo)系下一般數(shù)學(xué)模型具有物理意義清晰、直觀等特點，但是在這種模型中，VSR交流側(cè)均為具有一定頻率、幅值和相角的正弦時變交流量，因而不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計。通過坐標(biāo)變換將三相（a,b,c）靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系。而且旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中存在有功電流和無功電流的解耦，有利于實現(xiàn)VSR的控制系統(tǒng)的設(shè)計。其中Q軸與a軸重合，而D軸滯后a軸90度相角。 在三相靜止對稱坐標(biāo)系（a, b, c）中，、分別表示三相電網(wǎng)電動勢矢量和電流矢量，并且、以電網(wǎng)基波角頻率逆時針旋轉(zhuǎn)。矢量（q 軸）方向的電流分量 定義為有功電流，而比矢量E滯后相角的軸（ d 軸）方向電流分量定義為無功電流。 如圖26所示，若令矢量與 a 軸相角為, q 軸與 a 軸相角為，則 （224）矢量在a, b, c 三相靜止坐標(biāo)軸的投影為 （225） 圖２6 坐標(biāo)系（d,q) 坐標(biāo)系（a,b,c）及矢量分解定義零軸分量為 （226） 聯(lián)立上式可得 （227）式中——旋轉(zhuǎn)變量矩陣 （228）經(jīng)過數(shù)學(xué)分析得三相VSR在兩相dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為： （229）  3 三相VSR控制系統(tǒng)設(shè)計通過第2章對三相電壓型PWM整流器的工作原理分析，得出了通過控制網(wǎng)側(cè)的輸入電流，就可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)和PWM整流器四象限里運行，所以對網(wǎng)側(cè)的電流控制也是對整個系統(tǒng)控制的關(guān)鍵。 VSR的電流控制VSR的建模及工作原理分析表明，當(dāng)其正常工作時，在能夠穩(wěn)定直流側(cè)電壓的同時，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)在受控功率因數(shù)條件下的正弦波形電流控制。因此，VSR的電流控制策略是十分重要的。目前，VSR電流控制技術(shù)根據(jù)是否引入電流閉環(huán)，分為兩大類，即間接電流控制和直接電流控制。盡管間接電流控制的動態(tài)性能欠佳，但因其控制簡單、成本低廉，在對PWM整流器動態(tài)性能要求不高的場合，間接電流控制仍然有一定的應(yīng)用前景。為了穩(wěn)定輸出電壓，間接電流控制需要引入電壓閉環(huán)反饋。 圖31 間接電流控制原理框圖當(dāng)整流器負(fù)載波動時，通過調(diào)節(jié)輸入電壓的幅值和相位按一定的軌跡移動，可以使整流器重新達到穩(wěn)態(tài)且輸入功率因數(shù)保持不變。間接電流控制雖有一定的應(yīng)用空間，但其缺點卻是不可忽略的。 針對上述缺點，有一些改進的辦法，比如引入電流微分或動態(tài)解耦的串聯(lián)補償，利用零極點對消的原理可心改善整流器的電流響應(yīng)特性，在間接電流控制基礎(chǔ)上增加功率因數(shù)角閉環(huán)，通過模糊控制器對交流側(cè)電壓幅值和相位進行前饋補償，可心使PWM整流器在電網(wǎng)電壓波動或電路參數(shù)變化等擾動下保護單位功率因數(shù)和穩(wěn)定的直流輸出電壓。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。對網(wǎng)壓而言，電流內(nèi)環(huán)實質(zhì)起到前饋作用；控制電路具有限流保護能力，由于系統(tǒng)在每一個載波周期都對電流進行比較，因此故障情況下過電流保護迅速，可靠性高。直接電流控制中雙閉環(huán)控制是目前應(yīng)用最廣泛，最實用化的控制方式，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)