三相SVPWM整流器的仿真研究

2011.0768三相SVPWM整流器的仿真研究（淮安信息职业技术学院，江苏淮安223200）摘要：三相电压型SVPWM整流器的功率因数高，输出侧电压利用率高，可以实现能量的双向流动。文章介绍了三相电压型整流器主电路的拓扑结构和数学模型，分析了前馈解耦的控制策略，采用简化的SVPWM新算法搭建了三相电压型SVPWM整流器的模型，使得计算量明显减少，并在Simulink中搭建了仿真模型。通过对三相SVPWM整流器进行仿真研究，验证了上述方法的可行性。关键词：三相SVPWM整流器；前馈解耦；SVPWM控制中图分类号：TM461　　　文献标识码：A　　文章编号：1009-2374（2011）21-0068-03传统的二极管整流方法具有不可控性及能量的单向性的缺点，相控的整流方法具有低功率因数、高谐波含量等缺点，这两种方法已经不符合绿色能源的发展。三相电压型SVPWM整流器的功率因数接近于1，可以实现能量的双向流动，谐波污染少，是绿色的电力电子装置。与传统的PWM和SPWM相比，基于空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）的动态响应快、直流电压利用率高，通过采用改进的简化算法可使其数字实现更加简易。因此，基于SVPWM控制技术的三相电压型整流器是当今电力电子的研究热点。一、主电路结构和数学模型uaubucLreLreLreRreRreRrea相b相c相T1T5T4T6T2CR0iaibicudcT3图1主电路结构图1是三相电压型SVPWM主电路的结构，三相整流桥的开关信号S定义为：（1）k=a，b，c（a，b，c代表三相电路）根据电路的结构形式，用交流侧电感电流和直流侧输出电压为参考量，可以得到三相整流器在三相静止坐标系下的系统模型：01(2)31(2)31(2)3areaareabcdcbrebbrebacdccreccrecabdcdcdcaabbcctdiLuiRSSSudtdiLuiRSSSudtdiLuiRSSSudtduuCSiSiSidR⎧=−−−−⎪⎪⎪=−−−−⎪⎪⎨⎪=−−−−⎪⎪⎪=++−⎪⎩（2）式（2）中Lre，Rre分别为交流侧电感值和其等效电阻，ua、ub、uc为三相交流侧电源的瞬时值，udc是直流输出侧电容的直流电压。在三相静止坐标系下，由于三相交流侧电压ua、ub、uc之间以及三相电流ia、ib、ic之间存在着耦合，使得系统的控制结果做不到无静差。因此，通过Park变换将三相静止坐标系转化为两相同步旋转坐标系下的数学模型：03()2dredredreqddcqreqreqredqdcdcDCddqqdiLuRiLiSudtdiLuRiLiSudtduUCSiSidtRωω⎧=−+−⎪⎪⎪=−−−⎨⎪⎪=−++⎪⎩（3）式（3）中id，iq分别两相同步旋转坐标系dq坐标系下d轴电流（有功电流）和q轴电流（无功电流）。ud、uq分别为dq坐标系下d轴电压和q轴电压。二、前馈解耦控制通过三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的坐标变换，引入id，iq的前馈补偿解耦控制实现对两相旋转坐标系下的电压进行单独的控制，这样就可以实现交流侧有功和无功分量的无耦合的独立控制。由公式（2）可以得到电压指令*du，*qu：ElectricInformation2011.0769****()()()()iidpidddreqiiqpiqqqredKuKiiuLiSKuKiiuLiSωω⎧=−+−++⎪⎪⎨⎪=−+−+−⎪⎩（4）式（4）中Kpi，Kii分别为电流内环的比例系数和积分系数，ω为电源角频率。综合以上分析，可得出三相SVPWM整流器的前馈解耦控制为：*dcu+-dcu电压环PI电流PI电流PI*di+-aibiciPark变换diqi0*qi+-reLωreLω+---++qu*qu*duSVPWMdu图2前馈解耦控制具体描述为：给定的直流侧电压参考值*dcu和实际输出电压进行比较得到偏差信号，将其经过电压环PI调节器之后得到有功电流的指令*di，其值决定了有功功率的大小，符号决定了功率的流向。为了实现单位功率因数，给定无功电流的指令*qi=0，然后将*di，*qi与主电路的中的实际电流相比较经过电流环PI调节器得到指令电压，再经过电网电压和电感电压的交叉分量前馈补偿之后得到电压指令*du，*qu。然后经过两相静止坐标系的转换得到信号送入到SVPWM，从而进行空间电压矢量的控制。三、简化的SVPWM控制技术根据功率管开关S的定义，整流器共有八种开关模式，分别为U0（000）、U1（100）、U2（110）、U3（010）、U4（011）、U5（001）、U6（101）、U7（111）。其中U1（100）～U6（101）为六个非零矢量的有效矢量，U0（000）、U7（111）为两个零矢量，在一个电流周期的采样时间里，总是以零矢量开始并以零矢量结束，将平面分为六个扇区。对于任意一个空间电压矢量可以用两个相邻的非零矢量和两个零矢量来表示，使三相桥的输入为等效的正弦波。图3为空间电压矢量的分解图：U6（101）U2（110）（010）ⅠⅠⅡⅡⅢⅢUrefⅥⅥⅣⅣ（001）U5ⅤⅤU1（100）图3空间电压矢量1．空间电压矢量的定义对于任意的三相电压Ua、Ub、Uc，考虑三相电压平衡，则0abcUUU++=，则可在复平面内定义电压空间矢量Uref：22()3refabcUUUUαα=++，其中3jeπα=。（5）2．判断Uref所在的扇区定义中间变量X，Y，Z，x，设空间电压矢量Uref在α、β上的分量为Uα、Uβ：sinsin36sinsin36XUYUUZUUβαβαβππππ⎧⎪=⎪⎪=−⎨⎪⎪=−−⎪⎩，1,0si()0,0xgnxx≥⎧=⎨⎩。()2()4()NsignXsignYsignZ=++（6）由公式（4）来判断空间电压矢量Uref在哪个扇区，经计算得到N与矢量所在扇区的关系表：表1N与矢量所在扇区的关系表N123456扇区ⅡⅥⅠⅣⅢⅤ3．相关矢量作用时间的判断将Uref在α、β的分量转换到U1、U2所形成的600坐标系上，以第一扇区为例：设空间电压矢量Uref在α、β上的分量为Uα、Uβ，在600坐标系上的分量为Uref1、Uref2。/U1UUUref1Uref2UrefU2600图4第一扇区坐标变换根据向量关系得到：122cos60sin60refrefrefUUUUUαβ°°⎧=+⎪⎨=⎪⎩（7）设Uref的作用时间为Ts，U1、U2的作用时间为T1、T2，由图可得到：111222refsrefSUTUTUTUT=⎧⎪⎨=⎪⎩（8）U1、U2是两个有效矢量，它的幅值等于2/3Udc，通过计算（5）（6）两公式可以得到相邻矢量作用时间，并表示成矩阵的形式：1223SNdcTUTMUTUαβ⎡⎤⎡⎤=⋅⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦，3132303NM⎡⎤−⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦，（N=1）（9）MN为坐标变换矩阵，N为表1中扇区对应的编号。同理，按照相邻矢量的正确作用方向，可以得到在其他扇区的作用时间。其余扇区的坐标变换矩阵为：2313313M⎡⎤−⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦32303313M⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥−−⎢⎥⎣⎦2011.077042303313M⎡⎤−⎢⎥⎢⎥=⎢⎥−⎢⎥⎣⎦5313313M⎡⎤−−⎢⎥⎢⎥=⎢⎥−⎢⎥⎣⎦63132303M⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥−⎢⎥⎣⎦（10）当12STTT+，则过饱和，要做归一化处理。11122212CSCSTTTTTTTTTT⎧=⎪+⎪⎨⎪=⎪+⎩（11）在Simulink里面具体的实现模型如图5所示：图5相邻空间电压矢量的时间判断模型4．A、B、C三相对应的开关时刻表。先定义变量Ta、Tb、Tc，根据空间矢量所在的扇区不同，功率管的切换时间如表2：1212422sabacbTTTTTTTTTT−−⎧=⎪⎪⎪=+⎨⎪⎪=+⎪⎩（12）表2切换点的赋值表扇区号ⅠⅡⅢⅣⅤⅥTcm1TbTaTaTcTcTbTcm2TaTcTbTbTaTcTcm3TcTbTcTaTbTa其对应的模型如图6所示：图6开关时刻切换模型四、系统仿真结果及分析通过对三相电压型SVPWM整流器系统控制策略的分析，利用Matlab/Simulink建立仿真模型。仿真的主要参数：电压源Us=50V，电感L=6.8mH，输出滤波电容C=1000uF，开关频率Ts=10kHz。电压环参数：比例系数Kpu=0.15，Kiu=5.7。电流环参数：Kpi=1.4，Kii=91。额定负载18Ω，输出功率约为1kW。仿真结果如图7、图8所示。图7给出了A相在稳态下输入电压和输入电流的波形，从图中可以看出输入电流基本接近正弦波，电流波形畸变很小。整流器工作在额定负载下，输入功率因数为1。由图8可看出输出直流电压在几乎没有超调的情况下实现了较快的动态响应，纹波小，上下波动小。00.050.10.150.2-80-60-40-20020406080t/sU/VI/A图7A相输入电压和电流波形（单位V/A）00.511.52-20020406080100120140160t/sU/V图8输出直流电压波形图（单位V）以上仿真结果说明，交流侧电流畸变小，输出电压可以很快达到稳定，交流侧电压电流可以达到同相位，昀终实现高功率因数运行。五、结论本文建立了三相电压型SVPWM整流器的仿真模型，采用简化的SVPWM算法进行调制，通过仿真对整个系统进行了分析，仿真结果表明以上设计方法的正确性。三相电压型SVPWM整流器实现了交流侧电流的正弦化，可以运行于单位功率因数，实现能量的双向流动，有着广泛且重要的应用领域。[1]　张崇巍，张兴．PWM整流器及其控制[M]．北京：机械工业出版社，2003.[2]　方宇．高功率因数可逆PWM变换器及其数字控制研究[D]．南京航空航天大学，2008．[3]　马皓，郎芸萍．空间矢量简化算法在三相PWM电压型整流器中的应用[J]．浙江大学学报，2006，40（1）.[4]　王儒，方宇，邢岩．三相高功率因数PWM变换器可逆运行研究[J]．电工技术学报，2007，22（8）.[5]　徐金榜．三相电压源PWM整流器控制技术研究[D]．华中科技大学，2004.[6]　AFastAlgorithmforSVPWMinThreePhasePowerFactorCorrectionApplication[D]．IEEEPowerElectronicsSpe-cialistsConference，2004，（35）.王玲（1984-），女，江苏人，淮安信息职业技术学院助教，硕士，研究方向：电力电子与电力传动。