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分类号:470.4054 密级: 天津理工大学研究生学位论文 基于预测直接功率控制的三相电压 型PWM整流器研究 申请工程硕士学位 工程领域:电气工程 作者姓名:王彪 指导教师:赵辉教授 余喜珍高工 2014年1月
ThesisSubmittedto in of for TianjUniversityTechnology theMaster’S Degree Researchon PredictiveDirectPower Controlof Three-?phase PWMRectifier By Biao Wang Supervisor ZhaoHui YuXi.zhen 嘲 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取
得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他
人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得 天津理工大学
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究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 .
匕, 学位论文作者签名:土7辛§ 签字日期:7。卅年 号月/日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天盗理工大至有关保留、使用学位论文
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文件。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者黼王怒导师黼锄籀会喜哆 I 日 日 签字日期:blLr年刁月1
签字日期:矽f乒年孑月/ 摘要 随着电力电子技术的发展,三相电压型PWM整流器以其在能量的双向流动、功率因
数控制上的优越性,应用越来越广泛。但是,这种整流器如果不加控制的应用,会带来
严重的谐波和的无功问题,因此研究能够高效控制整流器的控制算法破在眉睫,也是
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淘豆网网友近日为您收集整理了关于三相电压型svpwm整流器的simulink建模与仿真的文档,希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍:23Vol.27 No.1
船电技术 2007 年第 1 期三相电压型 SVPWM 整流器的 SIMULINK建模与仿真毛文喜罗隆福(湖南大学电气与信息工程学院,长沙 410082)摘要:在建立了三相 PWM 整流器数学模型的基础上,将双闭环工程设计方法结合矢量控制策略应用于PWM 整流器。通过 MATLAB 的 SIMULINK 工具箱得到系统仿真结果,验证了该模型和控制方法的可行性。关键词:PWM 数学模型空间矢量 SIMULINK中图分类号: TM 461.5 文献标识码:A 文章编号:07)01-0023-04The Modeling and Simulation of Three-phase Voltage SVPWM RectifierMao Wenxi, Luo Longfu(College of Electrical and Information Engineering Hunan University, Changsha 410082, China)Abstract: Based on the mathematical model of PWM rectifier,the dual-close-loop engineering design withvector control is applied in the 3-phase PWM rectifier. The validity of the mathematical model and itscontrol method are confirmed by both MATLAB/SIMULINK simulation and experiment.Key words: PWM;SIMULINK1 引言在电能变换中,电压型PWM整流器(简称“VSR”)功率因数可调、输入电流波形为正弦波、可实现能量的双向流动,真正实现了“绿色电能变换”。本文在建立三相VSR在a、b、c坐标系下数学模型的基础上,通过坐标变换得到了三相VSR的d、q坐标系下的数学模型,应用空间矢量的控制方法对PWM整流器进行动态实时仿真,实验结果验证了该模型的正确性和控制方法的可行性。2 三相VSR主电路结构及基本原理三相VSR的主电路结构如图1所示,主要包括交流侧的电感、电阻、直流电容以及由全控开关器件和续流二极管组成的三相整流电路。ea 、eb、ec为电源电压,RL为负载电阻。开关器件按采用的调制方法动作,由于输入电感的滤波作用,整流器交流侧的输入可认为是三相正弦电流,直流侧有大电容稳压,输出呈直流电压源特性,稳态时输出直流电压可保持不变。图2是整流器输入电压Us、输入电流Is、交流侧控制电压Ur间的向量图。(a)图中,整流器工作在整流状态,电流矢量Is与电压矢量Us平行且同向,此时整流器网侧呈现正电阻特性,实现单位功率因数整流控制,负载从电网吸收有功功率。(b)图中,整流器工作在逆变状态,电流矢量Is与电压矢量Us平行且反向,此时整流器网侧呈现负电阻特性,实现单位功率因数逆变控制,负载向电网释放有功功率。对图2进行分析可看出,要实现整流器的单位功率因数控制,关键在于控制网侧电流Is,使之与电网电压E同相或反相。目前,控制方法主要分为间接电流控制和直接电流控制2种。间接电流控制[1]的优点在于控制简单、无需电流反馈控制,不足之处在于电流响应不够快,甚至交流侧电流收稿日期:作者简介:毛文喜(1975-),男,硕士研究生,研究方向:电力电子与电力传动及电力系统谐波抑制。罗隆福(1962-),男,教授,博士生导师,主要从事电力电子变流技术新研究工作。24船电技术 2007 年第 1 期 Vol.27 No.1 中含有直流分量,且对系统参数波动较敏感[2]。直接电流控制[3]以快速电流反馈控制为特性,可获得较高品质的电流响应,但控制结构和算法较复杂,不易于数字实现。另一种是基于同步旋转坐标系的矢量控制方案,它具有动态响应快、稳态性能好、消除电流稳态跟踪误差、可以实现无功功率的解耦控制[4]等优点,是一种较理想的控制策略。3 三相VSR动态数学模型及矢量控制策略三相VSR的拓扑结构如图1所示,假设电路满足以下条件:(1)电源是三相平衡的正弦电压源,即:=++=++0 0iiieeecbacba(2)滤波电感L是线形的,不考虑饱和现象。定义三相桥臂的开关函数分别为sa、sb、s=l代表上管通,下管关;s=O代表下管通,上管关。三相VSR的数学模型为[1]:++==+=+=+++=bbaadcRdtdLRdtdLRdtdLdtdC)(3 1(1)为便于系统分析与综合、获得良好的控制性能,采用PARK变换[4],将整流器模型变换到两相同步旋转的d、q坐标系,并使q轴定向于电网电压矢量。取变换矩阵为:++=→)3 2sin()3 2sin(sin)3 2cos()3 2cos(cos3 2πωπωωπωπωωttttttT dqabc将以上变换作用于(1)式,则得到整流器在两相同步旋转 d-q 坐标系下的数学模型为:+=LLRLLRdtddtddtd1 000 10 001 022 33ωω(2)VSR d、q 轴变量相互耦合,给控制器设计造成一定困难。为此,可采用前馈解耦控制策略[3],引入 id、iq 的前馈补偿解耦控制实现对两通道的电压进行单独控制。对电流环采用 PI 调节,可得三相同步旋转坐标系下三相电流控制时的电压指令为[5]:+=++=iiiKKeuiiiKKeudqqiIiPqqqddiIiPddLSLSωω))(())((**(3)式中:KiP 、KiI 是电流内环的比例调节增益和积分调节增益;iq*、id*为电流 iq、id 的指令值。引入补偿后,式(3)表示的电压指令已完全解耦控制,系统控制框图如图3所示。图中,给定指令电压u*dc与实际直流侧电压Udc比较后经PI调节器得到电流有功分量指令iq*,id*、iq*与交流侧实际电流比较后经PI环得到指令电压u*d、u*q,经过电网电压、电感电压交叉分量的前馈补偿后,将所得电压指令送入PWM合成器,作为SVPWM控制的指令电压。为了实现单位功率因数控制,控制算法采用电网电压定向,即令以同步速度旋转的三相电网电压E=eq,若要实现单位功率因数控制,则必须使三相网侧电流I=iq,即使Id=0。整个控制电路由图2 电压向量图图1 三相PWM整流器的主电路结构25Vol.27 No.1
船电技术 2007 年第 1 期电压外环和电流内环组成,电压外环经PI调节后的输出作为电流环的给定。4 空间矢量合成原理三相VSR不同开关组合时的交流侧电压可以用一个模为2Udc/3的空间电压矢量在复平面上表示出来,由于三相VSR开关是双电平控制,其空间电压矢量只有23=8种,且U0(0,0,0)、U7(1,1,1)为零矢量[4]。空间矢量PWM控制是通过分配电压空间矢量(尤其是零矢量)的作用时间,最终形成等幅不等宽的PWM脉冲波,实现追踪磁通的基准圆形轨迹。由图3可知,三相 VSR 电流环调节运算确定后,三相VSR电流跟踪控制的指令电压矢量U*也就被确定,可以利用三相VSR空间电压矢量Uk(k=0,…,7)来合成U*,以实现VSR电流控制。当矢量U*处于三相VSR电压矢量空间任一区域时,设矢量U*与a轴夹角为θ(0≤θ≤360°),矢量 U* 与所在三角形区域起始边界矢量 Uk(k=1,…, 6)的夹角为α,则α,k可以由以下方程求得[6]:)4(60)1()1 60(°×=+°=kINTkθθ其中,k取1,…,6。则对于任意U*,设其位于k区,则U*可由Uk和Uk+1两矢量合成,施加时间分别为Tk和Tk+1,矢量作用周期为Ts[7]。为保证较高的合成精度,如图4所示,采用双三角形合成方案,可以求得==+++++ααsin2 160sin2cos2 160cos22*1 1*1 1UUTTUUTTUTTkskkskksk进而求得===+∧+∧∧TTTTTTTKKSSKSkUUCOSUT10 1sin*3 2sin*3 1*其中,3/2**UUdcU =∧将零矢量周期分成三段,其中矢量U*的起、终点上均匀地分布矢量U0,而在矢量U*中点处分布矢量U7,且T7=T0/2。对应的三相PWM如图5所示,其中矢量Uk和Uk+1放置先后顺序以开关次数最少为准。5 系统仿真及仿真结果应用 Matlab 软件 SimPowerSystem 工具箱,搭建了整个控制系统的仿真模型,进行仿真。5.1 系统主回路仿真说明图 6 为系统主电路仿真图,系统的控制算法由 control 模块实现。电压电流分别经检测模块输入到 control 模块中,给定电压 Udc*和直流侧反馈电压 Udc 同时也输入到该模块中来。5.2 控制算法的仿真控制算法由 control 模块实现,如图 7 所示。给定指令电压 u*dc 与实际直流侧电压 Udc 比较后经 PI 调节器得到电流有功分量指令 iq*,id*、iq*与交流侧实际电流比较后经 PI 环得到指令电压idcPI PIPIwLwLSV-PWMU dc*Udc+-iq*+-iq-+eq-+- +id*id+-ediaibicea L RL ReaL Rea0 CudcRLiLELAbc-dq Abc-dqeqedidcPI PIPIwLwLSV-PWMU dc*Udc+-iq*+-iq-+eq-+- +id*id+-ediaibicea L RL ReaL Rea0 CudcRLiLELAbc-dq Abc-dqeqed图3 PWM 整流器矢量解耦控制框图T0/4 Tk/2 Tk/2 T0/4T 0K+1 /2 T0K+1/2T7Ts图5 空间矢量作用时间图UkUk+1UTTksk2UTTksk2U*UTTksk1 12 ++UTTksk1 12 ++α图4 U*矢量的合成26船电技术 2007 年第 1 期 Vol.27 No.1 u*d、u*q,经过电网电压、电感电压交叉分量的前馈补偿后, 将所得电压 ud 、 uq 指令输入到PWM_wave 模块,PWM_wave 模块的输出便作为控制三相电压型 SVPWM 整流器的脉冲指令。5.3 仿真研究结果主电路参数设置如下:三相对称交流电源电压幅值:Emax=200V,频率 f=50Hz,交流侧电感L=6mH,交流侧电阻 R=0(忽略不计),直流侧电容:C=2000F,指令电压 Udc*=520V。图 8 给出了单位功率因数整流、逆变时 a 相电压和电流的稳态仿真波形。从仿真结果可以看出,稳态时,网侧电流非常好地与电网电压保持同相,实现了单位功率因数的整流与逆变。6 结论以 SIMULINK 为工具进行的三相 PWM 整流器仿真,充分发挥了 SIMULINK 功能强大、建模简单、参数易于调整的特点。本文在建立三相VSR d_q 数学模型的基础上,结合间接电流控制和直接电流控制方法的矢量控制策略,系统的建立了三相 VSR 仿真模型。模型直观、易于使用,仿真验证了数学模型及其控制策略的正确性。参考文献:[1].W u R, Dewan S B,Slemon G R.Analysis of an AC todc voltage source converter using PWM with phase andamplitude control[J]. IEEE Trans.Irans Power Eledtron,5-364.[2].JOSE R Espinoza,GEZA Jocs,LUIS Moran.Decoupledcontrol of the active and reactive power in three-phaserectifiers based on non-linear control strategies[J].IEEETrans on Indus Electronics,—136.[3].ZARGARINR,J006S G.Performance investigation ofa current-controlled voltage-regulated PWM rectifier inrotating and stationary frames Proc[J].IEEE Annu ConfIndustrial Electronics Society Proceedings of the Iedon93,3—1198.[4].V.Blask and V.Kanra, A new mathematical model andcontrol of a three-phase ac-dc voltage source converter,IEEETrans. Power Electron. V o1.12, PP.116-123, Jan.1997[5].张兴,等.PWM可逆变流器空间电压矢量控制技术的研究[J].中国电机工程学报,):101-106.[6].董小鹏,等.一种电压型PWM整流器控制方法的研究[J].电工技术学报,):31-38.[7].Chern-Lin Chen, He-Ming Lee. Rong-Jie Tu. eta1.ANovel Simplified space-Vector- Modulated ControlScheme for Three-Phase Switch-Mode Rectifier[J].IEEE Trans . on Industrial Electronics . ):512—51 5.图 6 三相 PWM 整流器的结构仿真模型框图图 8 a 相电压、电流稳态仿真波形图 7 控制系统结构图播放器加载中,请稍候...
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基于虚拟磁链的三电平PWM整流器直接功率控制仿真研究
11:12:24 & 作者: & 来源:UPS应用
PWM整流器与交流电机的定子电路有很大的相似性,采用交流电机磁链观测的方法构造出虚拟的电网磁链矢量,可以达到取消交流侧电网电压传感器降低PWM整流器硬件成本的目的。    赵志旺[1]闫民华[2]张颖超[2]    [1]71366部队,孝感(432900)    [2]重庆通信学院,重庆(400035)    E-mail:    摘要:PWM整流器与交流电机的定子电路有很大的相似性,采用交流电机磁链观测的方法构造出虚拟的电网磁链矢量,可以达到取消交流侧电网电压传感器降低PWM整流器硬件成本的目的。根据交流电机磁链观测器的设计方法,设计了虚拟电网磁链观测器,并构造了基于Matlab/Simulink的三电平PWM整流器虚拟电网磁链直接功率控制的仿真模型。仿真结果验证了观测器的可靠性和控制方案良好的动静态特性。      1、引言    随着电力电子装置的广泛应用,大量低功率因数的二极管不控整流和晶闸管相控整流设备仅能实现能量的单向输送,对电网的谐波污染严重。可逆PWM整流器不仅具有能量可双向传输、网侧电流正弦及达到单位功率因数等特点,还解决了传统整流装置中存在的诸多问题,近年来越来越受到关注,具有广阔的应用前景。在中高压大功率的应用场合,三电平PWM整流器应用较为广泛,它的功率因数达到1,具有两电平所不可比拟的优点。但是由于PWM整流器、负载及传感器的非线性影响,整流器向电网注入谐波电流,导致功率损耗和电磁辐射的增加,并有可能发生谐振现象。以空间矢量方法为基础,建立基于虚拟磁链的直接功率控制系统,对于优化三电平PWM整流器控制系统结构,减少传感器数量,实现主电路与控制电路的隔离,抑制整流器对电网的谐波*,改善功率因数、提高可靠性和减少控制系统成本等均具有重要意义。    然而,目前此类研究均着眼于两电平拓扑。此外,由于无网侧电压传感器,整流器启动过程中存在过大的电流冲击。基于该背景,为将虚拟磁链技术应用于三电平拓扑场合,并抑制系统启动过程中的浪涌电流冲击,本文从三电平PWM整流器数学模型出发,推导出了虚拟磁链在三电平PWM整流器控制中的应用方法,并进行了直接功率控制策略仿真分析。    2、虚拟电网磁链的引入    二极管箝位三电平PWM整流器拓扑如图1所示。    按照可能的开关状态,引入三电平整流桥三相桥臂的开关函数sip、sin(i=a,b,c)为:    若S1i,S2i开通,S3i,S4i关断,则sip=1,sio=0,sin=0;    若S2i,S3i开通,S1i,,S4i关断,则sip=0,sio=1,sin=0;    若S3i,S4i开通,S1i,S2i关断,则sip=0,sio=0,sin=1。    对于图1所示的三电平PWM整流器来讲,在两相静止坐标系αβ下,由其数学模型容易得到:    显然,最直接实现无网侧电压传感器的方法就是通过式(1)计算得到网侧电压e。然而,由于计算式中包含电流的微分项,在实现时极易引入噪声。要得到较为稳定的控制性能,需要相对较大的电抗器抑制电流的快速变化和高速的A/D和MCU以尽可能提高采样频率,实现起来比较困难,特别是在大容量系统中。为解决这一问题,文献[4]提出了虚拟磁链(virtualflux)的概念并将其成功运用于两电平PWM整流器的直接功率控制中,本文将其拓展到三电平拓扑中。    如图1所示,将电网和电抗器一起视为一个虚拟的交流电机。网侧电压ea、eb、ec等效为虚拟电机定子绕组的反电势,网侧电抗器中的等效电感Ls和等效电阻Rs分别代表定子漏感和定子电阻。由此,在αβ坐标系下,可求得此电机的虚拟气隙磁链如:  
PWMvVdc1Vdc2
  通过式(5)可以得到v,然后由式(4),即可在无网侧电压传感器的情况下求得虚拟磁链Ψ。    虚拟磁链计算式(4)中没有微分项,而且对电压的积分运算还可以滤除高频扰动;此外,由于磁链是连续量,相对于桥臂交流侧PWM形式的电压,更适合作为反馈量参与控制。因此,对于三电平PWM整流器直接功率控制策略,引入虚拟磁链不仅能实现无网侧电压传感器,而且对网侧电压的扰动具有一定的抑制作用。    3、虚拟磁链直接功率控制    在三电平的PWM整流器的直接功率控制中,通常网侧电压不仅仅用于定位,而且要用来计算有功和无功功率。省去推导过程,有    因此,应用虚拟磁链同样可以完成无网侧电压传感器直接功率控制控制。图2给出了基于虚拟磁链的三电平PWM整流器直接功率控制框图。    同样,通过采样网侧电流ia、ib以及整流桥电容电压Vdc1、Vdc2,由式(4)观测虚拟磁链。根据磁链和检测的电流计算得到网侧电压矢量所在扇区θn以及系统的瞬时有功p和无功q。外电压环得到有功功率的参考量p*,无功的参考量q*在单位功率因数下设为零。有功、无功以及中点电位的误差经过滞环比较器分别量化为开关信号Sp、Sq以及Sn,共同查表得到三电平PWM整流桥三相桥臂的开关信号Sa、Sb、Sc,控制整流桥工作。    4、仿真研究    本文对三电平PWM整流器虚拟磁链直接功率控制策略进行了仿真,仿真所用参数如表1所示。    图3给出了仿真结果。其中,图3(a)为网侧相电压(ea)、电流(ia)仿真波形,在0.15s时负载突然由半载加到满载,在0.25s时电路工作在能量回馈模式。可以看出:电压电流相位一致,经计算功率因数在0.99以上。图3(b)给出了满载情况下,网侧电流波形频谱。可以看出,总谐波畸变率约为3.86%。图3(c)给出了直流母线电压(Vdc)波形。可以看出:在突加负载情况时,会引起母线电压的跌落(18V)。    仿真结果表明:采用本文所提出的VF-DPC控制策略,能够实现三电平PWM整流器的单位功率因数控制,网侧电流为正弦波。从母线电压波形可以看出,直流环节的动态比较快,负载从半载到满载的突变引起母线电压的跌落约18V左右,比较小。显然,与传统的DPC控制相比,采用VF-DPC策略的三电平PWM整流器动态响应得到一定程度的提高。    5、结束语    本文在结合传统VOC和虚拟磁链的基础上,为实现无传感器控制,提高系统可靠性和降低成本,推导了三电平PWM整流器中虚拟磁链的观测方法,提出了基于虚拟磁链的三电平PWM整流器无网侧电压传感器的控制方法,并进行了仿真研究。    PWM整流器主电路与交流电机的主电路有很大的相似性,类似于交流电机磁场定向矢量控制,在PWM整流器中可以构造一个虚拟电网磁链作为定向矢量,可以省去PWM整流器电网电压定向所必须的交流电压传感器,从而降低了PWM整流器的成本。仿真结果表明:PWM整流器虚拟电网磁链定向的无电网电压传感器矢量控制方案有良好的动静态特性。    参考文献    [1]AgirmanI,BlaskoV.AnovelcontrolmethodofaVSCwithoutAClinevoltagesensors.IEEETransactiononIndustryApplications,):519-524.    [2]赵仁德,贺益康.无电网电压传感器三相PWM整流器虚拟电网磁链定向矢量控制研究.中国电机工程学报,):56-61.    [3]赵仁德,贺益康.PWM整流器虚拟电网磁链定向矢量控制仿真研究.电力系统及其自动化学报,):35-41.    [4]MalinowskiM,KazmierkowskiMP,BlaabjergF.VirtualfluxbaseddirectpowercontrolofthreephasePWMrectifiers.IEEETransactionsonIndustryApplications,):.    [5]张颖超.中点箝位三电平双PWM变频器控制技术研究.清华大学工学博士学位论文,.    [6]何致远,韦巍.基于虚拟磁链的PWM整流器直接功率控制研究.浙江大学学报.):36-41.    作者:赵志旺男1982年生,硕士,工程师,河北南宫人,研究方向:电力电子及电力传动    地址:湖北省孝昌县71366部队二中队,邮编:432900    【红尘有你】求三相电压型PWM整流器的MATLAB/SIMULINK的仿真图 恳请知道的仁兄把文件发到邮箱yiyi__百度知道
求三相电压型PWM整流器的MATLAB/SIMULINK的仿真图 恳请知道的仁兄把文件发到邮箱yiyi_
需要是电路文件,感激不尽
因为符合甲灯额定电压,电阻=电压÷电流(1)甲电阻....025欧乙电阻。电功率=电压×电流
=220V×10A
=2200焦呵呵O(∩_∩)O~.祝你成功:220V÷40W÷220V=0:110V÷40W÷110V=0电流=电功率÷电压...025欧甲乙电阻相同(2)甲灯亮些
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“power_3levelVSC ”就可以有一个三电平的全桥电压pwm变换器 。。当然你也可以自己搭 因为仿真中采样 比较 dq变换 pi调节器 都是有现成的 最简单的方法 在matlab命令窗口中输入。。。
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三相电压型PWM整流器直接功率控制仿真研究
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&&分​析​了​三​相​P​W​M​整​流​器​的​工​作​原​理​,​介​绍​了​基​于​定​频​电​压​空​间​矢​量​调​制​的​直​接​功​率​控​制​方​法​,​建​立​M​a​t​l​a​b​/​S​i​m​u​l​i​n​k​环​境​下​的​仿​真​模​型​,​对​系​统​进​行​了​仿​真​分​析​。​仿​真​结​果​表​明​该​方​法​实​现​了​输​入​电​流​正​弦​化​,​单​位​功​率​因​数​整​流​,​具​有​良​好​的​动​态​和​稳​态​性​能​。​、
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