三相电压型PWM整流器的仿真

1、武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书摘要为了解决电压型PWM整流器直接功率控制系统主电路参数设计问题，根据整流器在dq两相同步旋转坐标系中的数学模型建立了其功率控制数学模型.基于功率控制数学模型，结合整流器直接功率控制系统的特点，推得交流侧电感是由功率、功率滞环比较器环宽及开关平均频率决定的；直流侧直流电压是由交流电压、电感及负载决定的；突加负载时直流侧电容是由直流电压波动、功率、电感及负载决定的.根据上述影响主电路参数的诸多因素，提出交流侧电感、直流侧电压及直流侧电容的设计方法.计算机仿真和实验证明了本文提出的设计方法是可行的.关键词PWM整流器；直接功率控制；直流电压；交流侧电感；直流

2、电容武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书目录1电压型PWM整流器21.1 电压型PWM整流器拓扑结构及数学模型31.2 电压型PWM整流器DPC系统结构及原理32电压型PWM整流器DPC系统主电路参数设计52.1 交流侧电感的选择52.2 直流侧直流电压的选择62.3 直流侧电容的选择73电压型PWM整流器DPC系统仿真与实验93.1 系统主电路参数设计93.2 系统仿真93.3 系统实验104总结与体会12参考文献13武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书1电压型PWM整流器1.1 电压型PWM整流器拓扑结构及数学模型电压型PWM整流器主电路拓扑结构如图1所示.图中Ua,Ub,Uc为三

3、相对称电源相电压ia"b,ic为三相线电流；Sa,Sb,&为驱动整流器开关管(绝缘栅双极型晶体管IGBT)开关函数；Sj定义为单极性二值逻辑开关函数，Sj=1(j=a,b,c)则上桥臂开关导通，下桥臂开关关断，Sj=0下桥臂开关导通，上桥臂开关关断；Udc为直流电压;R,L为滤波电抗器的电阻和电感；C为直流侧电容；RL为负载；Ura,UrbUrc为整流器的输入相电压；iL为负载电流。5X水本式达-图1-1电压型PWM整流器主电路拓扑结构由图1-1可知:工77十、十/m=心17+处河十/八,11fod明二277+KJ+立"|tJ£1§»J

4、3十C-为便于系统分析，将PWM整流器在三相对称坐标系中的数学模型变换到dq两相同步旋转坐标系，正交变换矩阵为武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书式中,为电源电压角频率。经T3s/2r变换布到整流器在dq两相同步旋转坐标系中的数学模型:dQ.L7idKi#+sLiwtirjtL山=1%-Riq-MLfjf2J式中,跟SdUdUrqSqUdcJrd,Urq与Sd,Sq分别为整流器输入电压矢量、开关函数在d,q轴上的分量；Ud,Uq,与id,iq为交流电源电压矢量、与电流矢量在d,q轴上的分量.根据式(2)及三相对称系统功率计算p超umid,qJ23Umiq(Um为电源相电压幅值)可得以p,q

5、为变量的功率控制数学模型r乙R二晨5即-说q-)41.2电压型PWM整流器DPC系统结构及原理电压型PWM整流器DPC系统有多种方案，经综合比较采用有电压互感器方案，如图1-2所示.整流器DPC系统主要由主电路和控制电路组成.主电路由交流电源、滤波电抗器、整流器、直流电解电容器、负载组成；控制电路为直流电压外环功率内环结构，由交流电压、电流检测电路和直流电压检测电路、功率估算器、扇形划分器、功率滞环比较器、开关表及PI调节器组成.瞬时有功与无功功率根武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书据检测到的电流la,lb,lc,及扇,Ub，进行计算将到瞬时有功和无功功率的估算值p,q及三相电压Ua,U

6、b,uc在aB两相静止坐标系中的,uu扇形划分器根据u,u划分扇区得到扇区9n信号.p和q与给定的Pref和qref比较后的差值信号送入功率滞环比较器得到S，Sq开关信号；Pref由直流电压外环PI调节器的输出（代表电流）与直流电压的乘积设定，qref设定为0,以实现单位功率因数.根据Sp,Sq,8n在开关表中选择所需的0,0,0,去驱动主电路开关管.图1-2中略去了电阻R1-2PWM整流器DPC系统结构电H计武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书2电压型PWM整流器DPC系统主电路参数设计在主电路拓扑结构、交流电源电压及负载一定的情况下，主电路设计主要是确定网侧滤波电感值、直流侧电压和直流

7、侧电容值.2.1交流侧电感的选择交流电感的主要作用是滤除交流侧PWM谐波电流，当在整流器稳定于单位功率因数运行时，瞬时有功功率决定了交流电流.对此，需找出功率与电感的关系.根据式（2），略去了电阻R,考虑到整流器稳态运行单位功率因数时，q=0,式（3）可变：UpI：it34由（4）式可知根据：_1二L51片iinin+Utilr皿.=3乙而I】，UbJlniiri根据式（5）得jrr2=3l/tnriHri（T为开关周期，2Hp为有功功率滞环比较器滞宽），则有武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书十八柏IIJI2式中,fmaxp,fminp,3Vp分别为对应于有功功率在Hp范围内的最高、最低

8、及平均开关频率。d同理，根据式（6）三丁（T为开关周期2Hq为有功功率滞环比较器滞宽）,则有式中，.面厂/田叱/浜丁分别为对应于无功功率在2Hq范围内的最高、最低及平均开关频率由于整流器输入电压空间矢量同时对p和q进行调节，则开关频率平均值取favp和favq几何平均值，即<U)由式（11）可得:式（12）可以看出，当Um,Pref（UdC）一定，口的平方与电感L和HpHq成反比，因而HpHq不能太小，以免fav过高；当Um,L及一定，HpHq,Ref（Udc）升高，fav变高；当Um,Pref（Udc）及L一定，fav变高，HpHq就变小，当faoo时，HpHj0,则无动态跟踪偏差由于

9、Um,pref,为定值，可根据选定的滞环宽度HpH4及fav确定电感值L。2.2 直流侧直流电压的选择武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书直流侧直流电压与交流电压、电感及负载有关，下面从功率角度来进行分析.整流器在aB两相静止坐标系中功率计算式为：略去R的影响，由式（13）可知:L二二比”+sLg(WffAo+"毋力JU上2，在稳定时，UdCUdcr,PPref2Udcrrlqgg0,Pq0,则由式（14）可得等效Seq,直流电压的选择在满足负载要求的同时，必须满足控制交流侧电流波形的需要使交流电流不发生畸变并可控，即行：(16)当RL>4GL时,Udc,r存在,可由式（1

10、6）确定Udc,r。2.3 直流侧电容的选择直流电容的主要作用是稳定直流电压和抑制直流侧谐波电压，同时在负载扰动时可减少直流电压波动.对于电压型PWM整流器，应考虑在严重负载变化时使直流电压波动在允许的范围内选择直流电容器.对此，研究突加负载时直流电压波动与电容之间的关系.考虑负载电流由额定值突ILN增到ILM情况.此情况下，为满足负载功率的要求，导致有功功率突增，直流电压下降.当Sd超时，由式2）和式（4）可得有功功率最大上升速率和直流电压最大下降速率为：武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书山一U“十/fl7)令to为突变开始时刻，则有式（17）的初始条件:，1Jrt!那二十fl.5a.

11、Utli）4:fUdef二已上jd止,_J_J"h7Tr,可In、/根据初始条件式（18）,由式（17）可得最小直流电压Udc.min及最大直流电压波M=口正上十UM，动VUdem：，120,根据给定的Udem和1LN由式（20）可确定出Udem满足给定的最小电容值为:f2U在实际工程中，负载电流突增需要一个暂短的时间，不能瞬间完成，式（21）所确定出的电容值偏大。武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书3电压型PWM整流器DPC系统仿真与实验3.1 系统主电路参数设计给定RL10,U85V314radgs1HpHq200wfav6kHzUdcm20vIln20A,Ilm60A，按本

12、文设计方法可得Udc.r200vF%f4KWL4mHic2200F,电压调节器采用PI调节器Gpi(s)0.01950.178so3.2 系统仿真按上述参数和图1-2构建了Simulink环境下的电压型PWM整流器DPC系统仿真模型，其仿真结果如图3-1所示。其产生波形如图3-2所示。图3-1电压型PWM三相整流电路的仿真模型武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书时司，m区(a)相电或儿和相比源l(b)由疝电*和直在蛤定电抹Lj图3-2PWM整流器DPC系统仿真3.3 系统实验由智能功率模块6MBP20RH060、电抗器、电解电容器、功率电阻、LEM电流传感器、LEM电压传感器、ICETEK

13、-LF2407-A数字信号处理器，构成了电压型PWM整流器DPC系统硬件电路，实验结果如图3-3所示.由图3-1的系统稳态的仿真结果可以看出：稳态时Ua与1a同相位，且1a非常接近正弦波;直流输出电压Udc稳定在给定值5。附近;p的平均值稳定在给定值Pref,q的武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书平均值稳定在给定值，并接近于0.由图3-3实验结果可以看出：稳态时时间nis204080IOC时间一(b)鱼波电尼为川百村给电电压匕.,树电压明和相电流时小ms版时有功功率P和战时尢功用不中图3-3PWM整流器DPC系统实验5与1a同相位，1a略有谐波；Udc稳定在给定值Udc;p的平均值为4k

14、W,q的平均值为0.仿真结果和实验结果表明本文的主电路设计方法是可行的。11武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书4总结与体会最初拿到课设题目的时候，感到十分的迷茫与困惑，不知如何着手开始，于是，头几天都是在查阅资料，阅读相关书籍，询问了同学后，仿佛有一种山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村的感觉，瞬间豁然开朗。因为电压型PWM整流器比较流行，所以我们就采用这个方案而不采用电流型PWM整流，在对电路原理，波形产生的介绍中并不感觉有何困难。比较困难的是基于MATLAB的三相电压PWM整流仿真的调试，期间，因为参数的选择不正确，不合理，导致所产生的波形与理论值不一致，进过多次的校正与改进后，才出现本文

15、的较为理想的波形。本文着重介绍了三相电压型PWM整流电路原理，其输入与输出电压，电流之间的关系，并利用Simulink建立了仿真图形，通过对仿真图形的观测，验证输入与输出电压之间的联系是否正确，验证了本文所建模型的正确性。采用Matlab/Simulink对三相桥式全控整流电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。应用Matlab/Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况。应用Matlab对整流电路故障仿真研究时，可以判断出不同桥臂晶闸管发生故障时产生的波形现象，为分析三相桥式整流电路打下较好的基础，是一种值得进一步应用推广的功能强大的仿真软件，同进也是电力电子技术实验较好辅助工具。随着社会生产和科学技术的发展，整流电路在自动控制系统、测量系统和发电机励磁系统等领域的应用日益广泛。由于整流电路涉及到交流信号、直流信号以及触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种元件，采用常规电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下实验也难顺利进行。Matlab提供的可视化仿真工具Simtlink可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且立即可得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。本文利用Simulink对三相桥式全控整流电