毕业设计（论文）电网电压不平衡时高功率因数整流器控制方法研究

1、 江苏科技大学本 科 毕 业 设 计（论文）学 院 电子信息学院 专 业 电气工程及其自动化 学生姓名 班级学号 07电气2班 指导教师 江苏科技大学本科毕业论文电网电压不平衡时高功率因数整流器控制方法研究study on three-phase pwm high power factor rectifier control strategy under unbalanced power grids voltage 江 苏 科 技 大 学毕 业 设 计 （论 文） 任 务 书 学院名称：电子信息学院 专业：电气工程及其自动化 学生姓名 指导教师： 职称： 讲 师 2011年2月28日毕业设计

2、（论文）题目： 电网电压不平衡时高功率因数整流器控制方法研究一、 毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）1 提供条件： matlab软件及相关pwm整流器控制的资料。 2 设计内容与要求:(1) 学习、理解pwm整流器控制的方法和原理；(2) 学习、理解电网电压不平衡时高功率因数整流器控制方法；(3) 结合异步电动机矢量控制的方法和原理，利用matlab软件进行仿真； (4) 撰写论文，通过答辩。二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）1. 毕业设计论文一份（不少于1.5万字）；2. 外文译文一篇（不少于5000英文单词）；3. 包含任务书、开题报

3、告、中期检查和前三项内容的光盘 一张。三、 完成日期及进度2011年3月21日至2011年6月17日，共13周。进度安排：3.143.21, 熟悉任务要求，查阅资料，翻译外文资料；3.284.18, 学习、理解电网电压不平衡时pwm整流器控制的方法和原理；4.184.30, 学习、理解matlab软件的使用；5.1 5.30, 利用matlab软件，进行仿真；5.316.17, 撰写毕业论文、答辩。五 主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:1. pwm整流器及其控制. 张崇魏,张兴编著2. moran l, ziogas p d, joos g . design aspects of sy

4、nchronous pwm rectifier inverter systems under unbalanced input voltage conditions j . ieee trans ind applicat. 1992, 28 (6) : 1286 - 1293.3. kim h s, mok h s, choe g h, et al. design of currentcontroller for 3-phase pwm converter with unbalanced input voltage c in proc ieee pesc98. fukuoka japan: i

5、eee, 1998 (17 - 22) : 503 - 509.4. rioual p, pouliquen h, louis j. regulation of a pwm rectifier in the unbalanced network state using a generalized model j . ieee trans power electron, 1996, 11(3) : 495 - 502.5. matlab控制系统仿真与设计。赵景波主编系(教研室)主任： （签章） 年 月 日学院主管领导： （签章） 年 月 日摘要本文在电网电压平衡情况下，对三相电压型pwm整流器进

6、行建模分析，依据数学模型，对pwm整流器的控制策略进行了分析比较。在实际中，电网电压常常是不平衡的，在这种情况下，如果采用传统的控制策略，会给交流侧电流和直流侧电压带来大量的谐波，因此需要对控制策略进行改进。为此，本文在三相电网电压不平衡情况下，建立了三相电压型pwm整流器分别在三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系的数学模型，并且总结了电网电压不平衡情况下三相电压型pwm整流器的一种控制方案，并通过matlab中的simulink仿真软件对这种控制策略进行了仿真验证分析。关键词： 不平衡：pwm流器；策略仿真；控制系统 abstractin this paper，mathematic model

7、s of the three-phase pwm converter under the balanced source voltage are separately set upand the connection among dc voltage，ac current，source voltage and switching mode of converter is also includedusually,the source voltage is unbalancedin this situation,the traditional controlling method will br

8、ing large harmonics to the ac current and dc-link voltagehence improvements are neededin this paper,mathematic models of the three-phase pwmconverter under the unbalanced source voltage are separately set up in three-phase coordinate and d-q coordinatemeanwhile,a controlling scheme is summarized，thi

9、s controlling scheme is simulated by the simulink of matlabkey words: unbalanced;pwm rectifier;scheme simulation;controi system目录第一章 绪论11.1选题的目的和意义11.2国内外研究现状及存在问题11.3主要研究内容2第二章 三相pwm整流器的工作原理和数学模型42.1三相pwm整流器的工作原理42.2三相pwm整流器的一般数学模型52.2.1三相静止坐标系（a-b-c）下的数学模型52.3电网电压不平衡条件下三相pwm整流器的数学模型72.3.1 正、负序电量关系

10、72.3.2 电网电压不平衡条件下三相静止坐标系（a-b-c）数学模型82.3.3 电网电压不平衡条件下同步旋转坐标系（d,q）数学模型9第三章 基于正负序旋转坐标系下双电流控制策略的讨论113.1 电网电压不平衡条件下三相pwm整流器网侧功率描述113.2 基于正、负序旋转坐标系下双电流控制策略的工作原理13第四章 基于正、负序旋转坐标系下双电流控制策略的仿真研究164.1仿真软件介绍164.2 基于正、负序旋转坐标系下双电流控制系统的仿真模型174.3 基于正、负序旋转坐标系下双电流控制系统的仿真25结论29致谢30参 考 文 献31第一章 绪论1.1选题的目的和意义pwm整流器技术是中等

11、容量单位功率因数采用的主要技术，一般需要使用自关断器件。三相pwm整流器在几乎不增加任何硬件的基础上，即可以实现能量的双向流动，且电路性能稳定。按电路的拓扑结构和外特性，pwm整流器可以分为电压型和电流型。在实际应用中，由于电源的大量使用，故电压型pwm整流器的特点： (1)可以任意调节功率因数，实现能量的双向流动。 (2)整流器网侧电流接近正弦，谐波含量少，只含有幅值很小的高次谐波。 (3)动态响应好，适于负荷变化频繁的场合。(4)直流端电压稳定，输出电压谐波含量少。在常规的三相电压型整流器（voltage source rectifier,vsr）设计中，一般均假设三相电网平衡。但是在实际

12、三相pwm整流器运行时，由于各种原因常常造成电网电压的不平衡，一般来说，造成电网电压不平衡主要有以下几方面原因：(1)三相电网配电时，三相负载不平衡；(2)大容量单相负载的使用；(3)不对称故障造成系统三相不对称。 而电网电压不平衡时，基于电网平衡设计的三相pwm整流器将处于不正常运行状态，比如三相vsr交流电压和交流电流中出现的非特征非谐波分量，使直流电压和交流电流波形发生严重畸变，三相vsr从电网吸收不平衡的瞬时功率等一系列的问题。 电网电压不平衡在电力系统中是一个比较常见的问题，因此为了使三相pwm整流器在电网不平衡条件下仍能正常运行，必须提出相应的控制策略。 1.2国内外研究现状及存在

13、问题近20年来电力电子技术得到了飞速发展，己广泛应用到电力、冶金、化工、煤炭、通讯、家电等领域多数电力电子装置通过整流器与电力网相接，因此三相整流器的研究得到了关注整流器经历了不可控整流、相控整流和pwm整流三个阶段的发展 传统的由二极管构成的不控整流具有电路结构简单。可靠性高的特点，但是由于从电网中吸收高峰值的脉冲电流，因此网侧功率因数通常较低，且存在输出电压不可调节的问题与之相反，由晶闸管构成的相控整流可以获得较宽的输出电压调节范围，而且相控整流由于采取自然换流方式，无须附加强迫换流电路，因而主电路结构简单，控制方便，易于实现，技术成熟但由于输出电压的调节是通过控制晶闸管导通延迟角实现的，

14、在深控状态下，网侧的功率因数比前者更低，另外电网电压也因晶闸管的换流作用而产生畸变，网侧电流含有很高的谐波成分，因此电网谐波污染严重，供电质量受到很大的影响并且不控整流和相控整流都存在直流侧能量无法双向流动，滤波器的体积笨重，动态响应慢等缺点近年来提出的高频pwm整流器可以克服相控整流和不控整流的缺点，它不仅具有可控的acdc变换性能，而且可以实现网侧单位功率因数和正弦电流控制，甚至能使能量双向流动，因而可以减少网络中的电流纹波和电压畸变，实现了“绿色”电能的变换随着pwm控制技术的发展。如空间矢量pwm(svpwm)、滞环电流pwm控制等方案的提出，以及现代控制理论和智能控制技术的发展和应用

15、，pwm整流器的性能得到了不断提高，功能也不断扩展。 pwm整流器网侧独特的受控电流源特性，使pwm整流器作为核心被广泛应用于各类电力电子应用系统中，这些应用系统主要有功率因数校正，静止无功补偿(svg)，有源电力滤波(apf)，统一潮流控制器(upfc)，超导储能(smes)，高压直流输电(hvdc)，可再生能源并网发电，交直流电气传动等pwm整流器及其控制技术以其广泛而重要的应用前景，近年来备受学术界的关注pwm整流器可分为电压源型pwm整流器和电流源型pwm整流器两种，与电流源型整流器相比，电压源型整流器直流侧脉动小，输入电流连续而且简单易行，因此电压源型pwm整流器成为当今主要研究对象

16、 1.3 主要研究内容电网电压不平衡在电力系统中是一个比较常见的问题，因此为了使三相pwm整流器在电网不平衡时仍能正常运行，必须提出相应的控制方法。本论文在进行了相关pwm整流器控制文献的阅读和资粮分析的基础上，主要完成以下内容：(1) 学习、理解pwm整流器控制的方法和原理；(2) 学习、理解电网电压不平衡时高功率因数整流器控制方法；(3) 结合异步电动机矢量控制的方法和原理，利用matlab软件进行仿真；第二章 三相pwm整流器的工作原理和数学模型2.1三相pwm整流器的工作原理三相电压型pwm整流器的拓扑结构如图2-1所示，它主要包括交流侧电感工、交流侧等值电阻r，直流电容c、以及由全控

17、开关器件和续流二极管组成的 三相全桥电路 图2-1三相pwm整流器的拓扑结构 图中,为电网电压。交流侧电感l包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必须的：交流侧等值电阻r 包括外接电抗器中的电阻和交流电源的内阻。其单相(以a相为例)基波等效电路如图2-2所示，对应的向量图如图2-3所示 图2-2单相(a相)等效电路图图2-3 a相对应的向量图 uao代表对电路中的功率开关器件进行pwm调制时，在整流桥的交流输入端产生的pwm电压的基波分量，由向量图2-3可以看出：在电网电压ea。一定的 情况下，交流电流ia的幅值和相位仅由uao加的幅值及其与ea的相位差来决定。适当调节uao

18、的大小和相位，就能控制输入电流的相位以控制功率因数近似为l。 对其余两相的控制与a相相同，也是对电路中的功率开关器件进行pwm调制，在整流桥的交流输入端b、c同样可得到pwm电压，对b、c相也按图23的向量图进行控制，这样就可以使b、c相电流为正弦波且和电网电压相位相同，功率因数近似为l。2.2三相pwm整流器的一般数学模型 所谓pwm整流器的数学模型就是根据三相pwm整流器的拓扑结构在三相静止坐标系（a,b,c）中，利用电路基本定律（基尔霍夫电压、电流定律）对pwm整流器所建立的一般数学描述。（三相vsr拓扑结构如图2-1所示）。 针对三相vsr一般数学模型的建立，通常做以下假设：（1） 电

19、网电动势为三相平稳的纯正弦波电动势（ea、eb、ec）。（2） 网侧滤波电感l是线性的，且不考虑饱和。2.2.1三相静止坐标系（a-b-c）下的数学模型 三相pwm整流器在三相静止坐标系中的数学模型是利用电路基本定律（基尔霍夫电压、电流定律）对pwm整流器所建立的一般数学描述。 定义单极性二值逻辑开关函数sk（k=a,b,c）为： sk=采用基尔霍夫电压定律建立三相pwm整流器a相回路方程为： （2-1）当sa导通而sa关断时，开关函数sa=1，且uan=vdc；当sa关断而sa导通时，开关函数sa=0。，且uan=0。由于uan=savdc,式（2-1）可改写成： （2-2）同理，可得b相、

20、c相方程如下： （2-3） （2-4）考虑三相对称系统，则： ea+eb+ec=0 ia+ib+ic=0 （2-5)联立式（2-2）（2-5），得： （2-6)在图2-1中，任何瞬间总有三个开关管导通，其开关模式共有因此，直流侧电流idc可描述为： （2-7）另外，对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律，得： （2-8）式（2-2）（2-4）和式（2-8）就构成了三相静止坐标系下三相pwm整流器一般数学模型。2.3电网电压不平衡条件下三相pwm整流器的数学模型2.3.1 正、负序电量关系若三相电网不平衡，且只考虑基波电动势，则电网电动势e可描述为正序电动势ep、负序电动势en和零序电动势e

21、0三者的合成，即 e=ep+en+e0 （2-9）式中，为正序，负序，零序基波电压峰值；为正序，负序，零序基波电压的初始相位角。 对于三相无中线连接的三相pwm整流器，一般不考虑零序电压的影响，即令e0=0。考虑三相禁止坐标系(a,b,c)和两相同步旋转坐标系（d,q）,则式（6-54）可描述为： （2-10）式中，c23为三相静止坐标系到两相静止（）坐标系的变换矩阵， ；为正序旋转坐标系变换矩阵，；为负序旋转坐标系变换矩阵，；分别为三相电压的正、负d、q分量。2.3.2 电网电压不平衡条件下三相静止坐标系（a-b-c）数学模型 三相pwm整流器拓扑结构如图3-1所示。当电网电压不平衡三相pw

22、m整流器拓扑结构如图31所示。当电网不平衡时，且只考虑基波电动势。在无中线三相vsr系统中，由于系统中不存在零序回路，所以在分析三相vsr的不平衡控制策略时，可以认为。根据公式(2-8)(2-9)可得三相电网电压不平衡情况下，三相pwm整流器开关函数为： (2-11)直流侧电流可表达为： (2-12)与平衡情况类似，电网不平衡情况下，开关函数可表示为： (2-13) (2-14)若忽略式(3-4)模型中的高频分壁，就可获得采用占空比描述的三楣pwm整流器低频数学模型。因为在电网咆压不平衡时，不考虑零序情况下，三相pwm整流器的开关函数包含正序和负序，因此，相对应的，占空比也可包含正序和负序，。

23、可以求出，当电网不平衡时，pwm整流器在三相静止坐标系下的数学模型为： (2-15) (2-16)2.3.3 电网电压不平衡条件下同步旋转坐标系（d,q）数学模型 在两相静止坐标系（）中，三相pwm整流器电网电压复矢量为： （2-17）若三相电网不平衡，则电网电压复矢量存在正、负序分量。显然，式（2-17）可改写成为同步旋转坐标系（d,q）复矢量表达式，即 （2-18）式中，为电网电压角频率；、分别为坐标系（d,q）中正、负序电网电压复矢量。 （2-19） 由式（2-12）可以看出：坐标系（）中，电网电压正序复矢量是一模为且按逆时针方向以角频率旋转的空间矢量；而电网电压负序负序矢量则模为且按顺

24、时针方向以角频率旋转的空间矢量。 根据三相pwm整流器的拓扑结构和三相静止坐标系下的数学模型，可以得到坐标系（）中复矢量模型方程为： （2-20）式中， （2-21）为坐标系（）中整流桥交流输入端基波电压合成矢量；为坐标系（）中三相pwm整流器交流电流合成矢量。当电网电压不平衡时，、均含有正、负序分量，类似式（2-12）可记为： （2-22）式中，、分别为同步旋转坐标系（d,q）中整流桥的交流输入端基波电压的正、负序复矢量。 (2-23) (2-24) 将式（2-18）、（2-20）、（2-22）联立，可求出坐标系（d,q）中三相pwm整流器正、负序复矢量模型方程为： (2-25) 将式（2-

25、19）、（2-13）、（2-14）代入（2-25）可得电网电压不平衡条件下，三相pwm整流器在正、负序同步旋转坐标系下的模型方程: (2-26) 此数学模型是研究电网电压不平衡条件下，三相pwm整流器不平衡控制策略的基础。第三章 基于正负序旋转坐标系下双电流控制策略的讨论为了抑制因电网电压不平衡而导致的直流电压2次谐波，相关文献提出了一种三相pwm整流器的不平衡控制策略，即基于正、负序旋转坐标系下的双电流控制策略。本章对该控制策略进行了研究及仿真。3.1 电网电压不平衡条件下三相pwm整流器网侧功率描述 在电网电压不平衡条件下，三相pwm整流器网侧视在复功率s为： (3-1)式中，为的共轭复矢

26、量；p(t)、q(t)分别为三相pwm整流器网侧瞬时有功功率、瞬时无功功率。 求解式（3-1）得： (3-2)(3-3) 式中，、分别为瞬时有功功率、无功功率平均值；、 分别为2次有功余弦、正弦项谐波峰值；、 分别为2次无功余弦、正弦项谐波峰值； 由前面的矢量关系式易推得： （3-4）显然，由式（3-2）、（3-3）及（3-4）可以看出：由于电网电压的不平衡，即电网负序电压的存在，三相pwm整流器网侧瞬时有功功率p(t)、无功功率q(t)均还有2次脉动分量。忽略各种损耗，输入输出功率守恒，如果网侧瞬时有功功率p(t)含有2次脉动分量，则输出直流电压就含有2次脉动分量。 因此，为了抑制直流电压2

27、次脉动分量，必须控制网侧瞬时有功功率的2次脉动分量为零，即使；另外，为了使整流器平均单位功率因数运行，必须控制瞬时无功功率的直流分量。设相关的有功、无功功率指令为并由式（3-4）可得功率指令的矩阵表达式，如下： (3-5)由前面的分析可知：为了抑制直流电压2次谐波，得到平均单位功率因数，必须使。将上述控制要求代入式（3-5），并求逆变换，即可获得抑制三相pwm整流器直流电压波动控制时的电流控制指令： = (3-6) 式中， 根据式（3-6）产生电流控制指令，就可以控制有功功率2次谐波分量的系数pc2、ps2等于零，平均无功功率q0等于零， 抑制了直流电压的2次谐波，实现了平均单位因数控制。但是

28、瞬时无功功率仍存在2次谐波分量，这是由于四个控制变量，因而无法同时满足的控制要求。换言之，无法在p0受控条件下，同时满足的控制要求。 由式（3-6）我们还可以看出，当电网电压不平衡时，为了抑制三相pwm整流器直流电压的2次谐波，必须使三相pwm整流器交流电流存在一定量的负序分量。这样，当三相pwm整流器直流电压2次谐波得以抑制时，不仅瞬时无功功率仍存在2次谐波分量，而且三相pwm整流器交流侧还会有负序电流。也就是说，通过增加交流电流的负序电流来达到抑制交流电压2次谐波的目的。3.2 基于正、负序旋转坐标系下双电流控制策略的工作原理 为了对三相电流进行控制，这里采用结构完全对称的正、负序旋转坐标

29、系（d,q）下的双电流内环控制，即正、负序双电流调节器。它是对正序电流和负序电流独立控制；在正序旋转坐标系中，对正序电流进行控制；在负序旋转坐标系中，对负序电流进行控制。由于正、负序电流控制指令均只含直流分量而不含有2次分量，因此两组调节器都是对直流量进行控制，所以不用增加控制增益，进而减小了系统的不稳定因素，还可以实现正、负序电流的无静差控制。从式（2-20）所示的正、负序旋转坐标系下三相pwm整流器的模型方程可以看出，pwm整流器正、负序d、q轴分量相互耦合，因此对于电流控制指令、可分别采用正序、负序前馈解耦控制，以产生相应的整流桥交流输入电压控制指令。当电流调节器采用pi调节器时，则可以

30、得到正序电流内环前馈解耦控制算法： (3-7)负序电流内环前馈解耦控制算法： （3-8） 式中，pi表示pi调节器的传递函数，即；、分别为电流内环pi调节器的比例调节增益和积分调节增益。 显然，由式（3-7）、（3-8）可以看出：采用正、负序双电流调节器，在正、负序旋转坐标系中分别对正、负序电流进行独立控制，使三相pwm整流器的正、负序电流内环实现了解耦控制。由于表示三相pwm整流器平均有功功率指令，因而与直流电压平均值相关，当三相pwm整流器直流电压调节器采用pi调节器时，其调节器输出与直流电流指令相对应，因此三相pwm整流器直流电流指令为： （3-9）式中，、分别为电压外环pi调节器的比例

31、调节增益和积分调节增益。则三相pwm整流器平均有功功率指令为： （3-10）然后根据前面分析的抑制直流电压2次谐波和平均单位功率因数控制的控制算法，由式（3-6）求出交流电流控制指令进而友正、负序双电流调节器，产生相应的整流桥交流输入侧电压控制指令将其转换到三相静止坐标系下，可以得到整流桥交流侧参考电压空间矢量： （3-11）由整流桥交流侧参考电压空间矢量,就可以对整流器进行空间矢量pwm（svpwm）调制，产生控制要求的svpwm开关信号，控制功率开关器件的导通与关断，使整流器平均单位功率因数运行，且输出稳定的直流电压。 三相pwm整流器正、负序双电流内环独立控制系统结构图如图3-1所示。

32、图3-1 三相pwm整流器正、负序双电流内环独立控制系统结构图显然，在正、负序双电流内环结构中，若电流调节器均设计为pi调节器，便可实现三相pwm整流器正、负序电流的无静差控制，从而使。这样，理论上即可抑制因电网电压不平衡所导致的三相pwm整流器直流电压2 次谐波。值得关注的是：这种不平衡控制策略实际上是在三相pwm整流器网侧交流电流中加入适当的负序电流，以满足直流电压的控制要求。但负序电流的加入，又使pwm整流器三相交流电流不对称。第四章 基于正、负序旋转坐标系下双电流控制策略的仿真研究4.1仿真软件介绍matlab是矩阵实验室（matrix laboratory）的简称，是美国mathwo

33、rks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括matlab和simulink两大部分。软件简介：simulink是matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于simulink。功能：simu

34、link是matlab中的一种可视化仿真工具， 是一种基于matlab的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(gui) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 simulink®是用于动态系统和嵌入式系

35、统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。 构架在simulink基础之上的其他产品扩展了simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。simulink与matlab® 紧密集成，可以直接访问matlab大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。4.2 基于正、负序旋转坐标系下双电流控制系统的仿真模型为了对基于正、负序旋转坐标系下双电流控制策

36、略进行深入的研究与探讨，本文利用matlab的simulink模块库建立了该控制系统的仿真模型，在该仿真模型的基础上，对基于正、负序旋转坐标系下的双电流不平衡控制策略进行仿真研究。基于正、负序旋转坐标系下双电流控制系统的仿真模型如图4-1所示， 该模型主要由三相电网电压模块、三相pwm整流器模块、不平衡电网电压正负序分量检测模块、不平衡电流正负序分量检测模块、交流电流指令计算模块、 电流控制环模块、svpwm波形产生等模块组成其中三相电网电压模块是由三相不平衡的交流电压源组成；三相pwm整流器模块其输入变量为三相电网电压和三相开关函数输出变量为直流电压和三相交流电流根据整流器的数学模型，即式（

37、2-1）-(2-8)可得到整流器模块的simulink仿真模型，如图4-2所示。图4-1 基于正、负序旋转坐标系下双电流控制系统的仿真模型 图4-2 三相pwm整流器模块在三相pwm整流器正、负序双电流调节的不平衡控制策略中，由于采用了 正序、负序电流独立控制，因此必须检测不平衡电网电压的正、负序分量。相关文献提到了几种正、负序分量的检测方法，其中利用信号延迟的方法检测动态响应最快，因此本文采用此方法进行电网电压的正、负序分量检测。信号延迟方法检测的原理框图如图4-3所示，该方法是在两相静止()坐标系下，将电网电压的合成矢量延迟1/4个基波周期来实现电网电压的正、负序分量的检测，在两相静止()

38、坐标系中，可以得到： (4-1) (4-2)式中，t为电网电压的基波周期，、为两相静止坐标系中电网电压的正、负序分量。图4-3 基于信号延迟的不平衡电网电压的检测方法将式（4-12）转换到正序同步旋转坐标系（d,q）下，则有： （4-3）又由于： （4-4） （4-5） 将式（4-4）-（4-5）代入式（4-1）可得正序电网电压的d,q分量： （4-6） （4-7） 同样将式（4-2）转换到负序同步旋转坐标系（d,q）下，则有： （4-8）将式（4-4）、（4-5）、（4-8）代入（4-2）可得负序电网电压的d、q分量： (4-9) （4-10） 根据式(4-6)，(4-7)、(4-9)和(4

39、-10)即可建立不平衡电网电压正、负序分量检测的仿真模块，如图4-4所示该模块也适用于不平衡电流正、负序分量的检测。图4-4 不平衡电网电压的正负序分量检测模块控制系统的外环是直流电压环，当直流电压调节器采用pi调节器时，由式(3-9)可以得到三相pwm整流器的平均有功功率指令为： （4-11） 将平均有功功率指令和不平衡电网电压的正、负序d、q分量送入交流电流指令计算模块，该模块根据双电流调节器抑制直流电压2 次谐波和平均单位功率因数运行的控制算法，由式(3-6)计算出交流电流指令。 图4-5给出了交流电流指令计算的仿真模块。 控制系统的内环是电流控制环，交流电流指令、三相交流电流的反馈值和

40、三相电网电压送入电流控制环，进行正、负序电流内环的前馈解耦控制。由基于正、负序旋转坐标系下双电流控制算法，即式(3-7)、(3-8)及式(3-11)，可以得到如图4-6所示的正、负序双电流控制环模块，该模块可输出整流桥交流侧参考电压空间矢量v*。 图4-5 交流电流指令计算模块 图4-6 电流控制环模块 参考电压空间矢量送入svpwm波形产生模块，进行svpwm调制产生三相开关信号，控制功率开关器件的导通与关断。svpwm波形产生模块如图4-7所示，首先判断参考电压空间矢量所在的扇区，然后计算基本空间矢量作用时间，最后根据开关模式序列生成三相开关函数。扇区判断及基本空间矢量作用时间计算子模块如

41、图4-8所示。 图4-7 svpwm波形产生模块 图4-8 扇区判断及基本空间矢量作用时间计算模块图4-8所示的子模块首先求出矿的模和幅角伊，然后判断所在的扇区,计算与相邻基本空间矢量的夹角口，制比m(svpwm调制系数)，最后求出基本电压空间矢量的作用时间、。其中，判断所在扇区模块的内部结构如图4-9所示，图中，妒是的幅角，此时，把妒转换成0到之间.图中的switch模块的门限值设置为0，第二通道为控制输入口，并且设置当控制输入口的值大于等于门限值时，switch模块输出第一通道的值，否则输出第三通道的值，这样设置以后，图4-10即可实现： 当时，；当时，。 这样，所以所在扇区数sector

42、就等于。 图4-9 扇区判断模块图4-10给出了各扇区三相开关函数生成模块，图中multiport switch模块可以根据扇区数sector的值，输出相应扇区的svpwm波形，例如，如果sector=0,则输出sector0模块的值；如果sector=l，则输出sectorl模块的值。以第0扇区为例，具体说明三相开关函数的生成方法，模块sector0的内部结构如图4-11所示。图4-11中，ta=/2，tb=(+)/2；repeating sequence模块输出周期为、幅值为/2的三角波；switchl、switch2模块的门限值都设置为0，并且设置当控制输入口的值大于等于门限值时，swi

43、tch输出第一通道的值，否则输出第三通道的值。进行以上设置后，此模块就可以实现这样的功能：ta、tb分别与三角波比较，当三角波的值大于等于ta时，=l，否则=0；当三角波的值大于等于tb时，=1，否则=0；而=1；这样在一个pwm周期内，即可发出开关模式序列为100、110、11l，lll、llo、100的svpwm脉冲，并且这些开关模式序列分别作用的时间为对于其他扇区，仍可以根据这种方法发出相应扇区的开关模式序列。 图4-10 三相开关函数生成模块图4-11 扇区0中svpwm波形产生模块4.3 基于正、负序旋转坐标系下双电流控制系统的仿真 通过matilab中的simulink模块，对本节

44、提到的控制策略进行了仿真验证。该控制策略在不同电网电压运行条件下的仿真模波形如下。采用不平衡控制策略时，当电网电压平衡时系统的仿真波形。图4-15 电网电压波形图4-16 直流侧波形 图4-17 稳态时的放大波形图4-18 交流侧三相电流波形 图4-19 a相电压与电流的对照波形图4-20 交流侧电流频谱采用不平衡控制策略时，从上面电网电压平衡时的仿真图形可以看出，在该控制策略下系统同样具有较好的动态、稳态性能，交流侧电流同样具有较小的谐波总量为0.27%。在电网电压严重不平衡，即；时系统的仿真波形。图4-21电网电压波形图4-22 直流侧波形 图4-23稳态时的放大波形图4-24 交流侧三相

45、电流波形 图4-25 a相正序电压与电流的对照波形图4-26 传统voc控制时的交流侧电流波形图4-27 交流侧电流频谱图4-28 直流侧电压频谱从上面的仿真波形看出，在电网a相电压为零，采用抑制交流侧电流谐波的控制策略时，不仅可以控制正序电压与电流接近同相位（功率因数接近为1），而且可以控制交流侧三相电流接近正弦，见图4-24和图4-25。如果电网a相电压为零，采用传统voc控制策略的交流侧电流波形见图4-26。通过比较我们可以明显看出，在电网电压不平衡时，抑制交流侧电流谐波控制策略的优越性。同时从图4-27和图4-28的频谱图可以验证第五章中的分析，电网电压不平衡时，在整流器的直流侧会出现

46、二次谐波，同时在交流侧会出现三次谐波，但本文采用的不平衡控制策略可以大幅减小交流侧的三次谐波（thd2.61%）。 结论本文对电网不平衡下的三相电压型pwm高功率因数整流器的控制策略进行了研究。论文的主要工作可以总结如下：(1)首先研究了三相pwm整流器的工作原理和电网电压平衡状态下的基础数学模型。(2)然后研究了三相电网不平衡的含义，对电网不平衡下的三相整流器进行了建模分析。分析表明，三相pwm整流器的交流电流中出现负序分量，使交流电流不对称；直流电压和交流电流中出现非特征谐波分量，只直流电压和交流电流波形发证畸变。(3)针对上述问题，研究了一种不平衡控制策略，即基于正负序旋转坐标系下双电流

47、控制策略。并对该控制策略进行了仿真验证，证明了该策略控制方案是可行而有效的。致谢本毕业设计首先要感谢袁文华老师的关心及细心指导和帮助。袁老师在毕业设计这段实践中，为我们花费了大量的时间和精力，从选题后开始，就组织每周一次的学习和交流研究，他都尽心尽力。在这期间他不仅给我们提供了丰富的文献资料和书籍，还教会了我们很多研究解决问题的方法，以及撰写论文的方法和规范。并指导我对设计和论文中的很多不足和错误进行了完善和修正。毕业设计和我一组的戴天齐、陈韦杰、庄园同学在仿真软件使用，pwm算法，以及在平时交流中都给予我很大的帮助。并且我从老师和同学那里学到了很多的知识和解决问题的方法。多亏了他们的帮助才能使我的毕业设计比较顺利地进行。在此向袁老师和所有在毕业设计的过程中帮助过我