【正文】 流器直流側(cè)電容的設(shè)計(jì)也是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。從滿足電壓外環(huán)控制的跟隨性看，直流側(cè)電容應(yīng)盡量小， 以確保直流側(cè)電壓的快速跟蹤控制，而從電壓控制的抗干擾性能看，直流側(cè)電容應(yīng)盡量大，以限制負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的直流側(cè)電壓動(dòng)態(tài)降落。 特別當(dāng)系統(tǒng)工作模式由最大功率整流到最大功率逆變突變時(shí)（或反之），輸入輸出功率偏差最大，并且瞬態(tài)過(guò)程最長(zhǎng)。這將引起電容上較大的電壓波動(dòng)。諧波主要是來(lái)自于一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的開(kāi)關(guān)諧波，其能量很小，能引起的直流電壓波動(dòng)很小。當(dāng)負(fù)載由某一負(fù)載 1R 突變到額定負(fù)載 0R ，那么交流輸入側(cè)電流也由 1I 突變到 0I ，此情況下，為了滿足負(fù)載功率的要求，導(dǎo)致有功電流突變，直流電壓下降。 設(shè) t0 為開(kāi)始突變時(shí)刻，則 (312)的初始條件為： ????????????)(1)32(1000mdctdcdcmtdiRUCdtduUULdtdi (313) 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 根據(jù)初始條件 (313)，當(dāng) 0?dtdudc時(shí)， dcu 取得最小值 mindcu 。在直流側(cè)電容的設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際需要，綜合考慮電壓跟隨性和抗擾動(dòng)性的指標(biāo)要求，還要從電容器的體積、價(jià)格方面考慮，在滿足 允許輸出濾波電壓波動(dòng)范圍條件下，盡可能選擇較小的電容值。實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)的方法有多種多樣的類(lèi)型。電流內(nèi)環(huán)的作用就是使整流器的實(shí)際輸入電流能夠跟蹤電壓外環(huán)輸出的電流給定，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的控制。該方法不需要將電壓電流解耦，其控制是建立在三相靜止坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的。 早期三相靜止坐標(biāo)系下的控制原理：直流輸出電壓給定信號(hào) *dcU 和實(shí)際的直流電壓 dcU 比較后的誤差信號(hào)先送入 PI 調(diào)節(jié)器，其輸出為整流電路交流輸入電流 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 + Isc Isc* + Isb Isb* + Isa Udc* Im sin(ω t+π /3) sin(ω tπ /3) sinω t + udc 的幅值。只要控制電流 sai 、 sbi 、 sci 跟隨電流給定信號(hào)，那么能量就以單位功率因數(shù)進(jìn)行雙向流動(dòng)。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路處理后驅(qū)動(dòng) IGBT，從而使實(shí)際的交流輸入電流跟蹤其相應(yīng)的指令值，達(dá)到控制輸出電壓的目的。的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正弦波，從而使整流裝置流入電網(wǎng)的電流最終為三相對(duì)稱的正弦波。但是由于基于三相靜止坐標(biāo)系模型的控制方法中電流環(huán)的給定信號(hào)是正弦波，所以系統(tǒng)控制結(jié)果做不到無(wú)靜差。 基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 的前饋解耦控制方法 由于在三相靜止坐標(biāo)系下電壓之間和電流之間存在耦合，而通過(guò) Park 變換后得到的兩相旋轉(zhuǎn) d、 q 坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型將電壓和電流分解為兩個(gè)直流分量。通過(guò)引入 id、iq 的前饋補(bǔ)償解耦控制實(shí)現(xiàn)對(duì)兩通道電壓?jiǎn)为?dú)控制，實(shí)現(xiàn)整流器網(wǎng)側(cè)有功和無(wú)功分量的無(wú)耦合單獨(dú)控制。具體分析如下： 假設(shè)三相電壓源輸入電壓為： PL 同步鎖相環(huán) PL PL PL 三角波發(fā)生器 1 1 1 驅(qū)動(dòng)電路 Isa* 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 ??????????)3/2c os ()3/2c os ()c os (?????tUutUutUumcmbma (317) 式中 mU 、 ? 為電壓源峰值和電網(wǎng)角頻率。將式 (318)代入 (319)，可得 ： ???????032***qmdIUPI (320) 由已知的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 dq 系統(tǒng)模型 (213)，可以設(shè)計(jì) dq 坐標(biāo)系下三相電壓型 SVPWM 整流器電流控制時(shí)的電壓指令 *dU 、 *qU ： ???????????????????dqqqiipiqdddiipidLiuiiSKKULiuiiSKKU??))(())((**** (321) 式中 piK —— 電流環(huán)的比例系數(shù)； iiK —— 電流環(huán)的積分系數(shù)。如圖 32 所示。給定的直流側(cè)電壓參考值和實(shí)際輸出電壓進(jìn)行比較之后，經(jīng)過(guò)電壓外環(huán) PI 調(diào)節(jié)器得到有功電流指令，其值決定有功功率的大小，符號(hào)決定有功功率的流向。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 + + + + + + Uq* Ud* uq ud iq id iq* id* ic ib ia Udc* udc 圖 32 基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制 方案 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) PI 電流 PI 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 雙閉環(huán)整流器系統(tǒng)中電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，迫使輸入電流跟蹤輸入電壓，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 根據(jù)電流的拉普拉斯變換微分性質(zhì)： 0)0(,)0( ???dddd iiL s idtdiL (322) 將 (322)及電壓指令代入到 (213)，可得： ?????????????**qdqqqdqdddULiRius L iULiRius L i?? (323) 根據(jù)圖 32 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的控制方案及 (321)，可得到 d、 q 電流環(huán)的控制模型如圖 33。在設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器時(shí)候，應(yīng)該考慮反饋電流輸入信號(hào)濾波，同時(shí)考慮整流器本身的時(shí)間常數(shù)，還要考慮電流內(nèi)環(huán)的采樣延時(shí) ， 這樣更接近于實(shí)際情況。圖中 Gid(s)、 Giq(s)為電流環(huán) PI 調(diào)節(jié)器。這樣更接近于實(shí)際情況。 電壓 PL 電流 PL 兩 相 靜 止 坐 標(biāo) 轉(zhuǎn) 換 SVPWM Park 變換 ω L I? ω L 電流 PL K 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 id + + + id* 圖 33 電流環(huán)的控制結(jié)構(gòu)圖 圖 34 中， Tic 為電流環(huán)采樣時(shí)間， Tic=， Ts 為 PWM 整流器的開(kāi)關(guān)周期。 Tif 為反饋通道的濾波時(shí)間常數(shù)， sif nTT ? 。且一般希望電流控制無(wú)靜差，所以選用 PI 調(diào)節(jié)器。為了使大時(shí)間參數(shù)的零點(diǎn)和極點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)消，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)可滿足： LRKK repiii ? (325) 同時(shí)，由于 Tic、 Tds、 Tif都是很小的時(shí)間參數(shù)，可用一階慣性環(huán)節(jié)代替三個(gè)慣性環(huán)節(jié)， sifdsdcicsf TnTTTTT )( ?????? 。進(jìn)而推導(dǎo) 出 PI 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) piK ，根據(jù)式 (327)推導(dǎo)出積分 系數(shù) iiK 。將其代入公式 (328)得到滿足要求的電流內(nèi)環(huán) PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)為： ???????????????? ?? ??1 0 0 0 106 423iipiKK (329) 在實(shí)際的工 程應(yīng)用和分析中， d、 q 軸的 PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)應(yīng)該保持一致。由整流器的模型可得： 2/)(3 qqdddc iSiSi ?? ，同時(shí) mIi mdc ? ， mI為電流的幅值， m 為 PWM 調(diào)制比。為了能用線性方法設(shè)計(jì)，不得不做一些簡(jiǎn)單的處理。在直流電壓發(fā)生較大變化 z 之前， iq 已經(jīng)完成了其暫態(tài)過(guò)程達(dá)到 0。 電流環(huán)作降階處理，等效為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)： piisis KLTsTsC ??? ,1 1)( (330) 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 udc + + + Udc* 圖 35 電壓外環(huán)的控制原理框圖 圖 35 中， suc TT ? 為電壓外環(huán)的采樣時(shí)間。由圖 35 可得電壓外環(huán)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)函數(shù)為： sTmsCsTs KsKsTsG ufisiupuuc ?????????? 1 11 1)( (331) 將電壓采集延遲小 慣性環(huán)節(jié)、電流環(huán)的小慣性環(huán)節(jié)以及反饋通道的小慣性環(huán)節(jié)合并，忽略負(fù)載擾動(dòng)，取 m=1，降階后的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)： pisususiupuiuKLTnTsTCssKKKsG ?????? )(,]1[)1()( 2 (332) 式 (332)為一個(gè) Ⅱ 系統(tǒng)，是最小相位系統(tǒng)。 4 0 4 0H 2 0 d B / d e cua0ωω1ω3ωc 圖 36 期望對(duì)數(shù)幅頻特性 圖中， uspuiu TKK /1,/ 31 ?? ?? ，截止頻率 1/ 231 ?? rrc MM??? ，諧振峰值 )1/()1( ??? HHM r 。為了使開(kāi)環(huán)特性能夠得到最大的相角裕度，并有盡可能快的響應(yīng)速度和系統(tǒng)整定時(shí)電壓外環(huán)有較強(qiáng)的抗干擾性能，可以按照三階最佳設(shè)計(jì)。根據(jù)式 (335)可得電壓外環(huán) PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)： ???????????????2])[(6])[(4pisiupisiupuKLTnCKKLTnKK (336) 按照 5kW 整流器的設(shè)計(jì)要求，給出已知參數(shù)： L=6mH，由電流環(huán)的設(shè)計(jì)可知 n=8，通過(guò)仿真可知電壓外環(huán)的反饋通道常數(shù)為電流環(huán)的反饋通道時(shí)間常數(shù)的兩倍，則 n=16，直流側(cè)電容 C=1500uF， PWM的開(kāi)關(guān)周期為 sTs 410?? 。 本章小結(jié) 本章深入研究了三相電壓型 SVPWM 整流器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它與整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)息息相關(guān)。電感是整流器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文在前人所作工作基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了基于穩(wěn)態(tài)條件下滿足功率指標(biāo)和瞬態(tài)電流跟蹤指標(biāo)的電感設(shè)計(jì)。 整流器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)給出了電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉 環(huán)控制方法。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 第 4 章 三相電壓型 SVPWM 整流器的仿真研究 計(jì)算機(jī)仿真就是應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)對(duì)所研究對(duì)象的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算和分析，以替代實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，是現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)、產(chǎn)品研究開(kāi)發(fā)的新型手段，具有巨大的優(yōu)越性。器件層次的仿真主要用于研究器件在電路中的開(kāi)關(guān)過(guò)程，它需要對(duì)器件有較為詳細(xì)的了解，并得出詳盡的數(shù)學(xué)模型，這一模型能在一定程度上反映出器件的物理過(guò)程；電路層次的仿真適用于對(duì)電力電子電路較為宏觀的電壓、電流波形的研究，如對(duì)電路拓?fù)?，電路特性和控制方式的研究；系統(tǒng)層次的仿真則著眼于研究電力電子系統(tǒng)的特性，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制方式，參數(shù)選擇等。本章以目前流行的MATLAB/SIMULINK 作為 仿真工具，詳細(xì)介紹三相電壓型 SVPWM 整流器的建模過(guò)程，并建立好的仿真模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。但因其名字與著名的軟件 SIMULA 類(lèi)似，所以在 1992 年正式改名為SIMULINK?？刂平绾芏鄬W(xué)者將自己擅長(zhǎng)的 CAD 方法用MATLAB 加以實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)了大量的 MATLAB 配套工具箱，如控制界最流行的控制系統(tǒng)工具箱、系統(tǒng)辨識(shí)工具箱、魯棒控制工具箱多變量頻域設(shè)計(jì)工具箱、分析與校正工具箱、最優(yōu)化工具箱、信號(hào)處理工具箱以及仿真環(huán)境 SIMULINK。它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)和離散時(shí)間模型，或者是兩者的混合模型。對(duì)于建模， 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 SIMULINK 提供了一個(gè)圖形化的用戶界面 (GUI)，可以用鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖拉模塊的圖標(biāo)建模。這是以前需要用編程語(yǔ)言明確地用公式表達(dá)微分方程的仿真軟件包所遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能相比的。定義完模型后，就可通過(guò) SIMULINK 的菜單或者在 MATLAB的命令窗口輸入命令對(duì)它進(jìn)行仿真。因 MATLAB 和 SIMULINK 是集成在一起的，所以用戶可以在任何環(huán)境的任意點(diǎn)對(duì)用戶的模型進(jìn)行仿真、分析或