电压型PWM整流器(VSR)及控制系统的matlab仿真

电压型PWM整流器(VSR)及控制系统的matlab仿真A.理论部分理论数学模型的建立B.仿真部分simulink模型的建立C.验证部分simulink模型的验证1.PWM整流器原理与分类•PWM(PulseWidthModulation)整流器是采用全控型器件组成的高频整流电路。按桥路结构分类按直流储能形式分类PWM整流器电压型（VSR）电流型（CSR）半桥电路全桥电路A理论部分1.PWM整流器原理与分类•VSR•显著特征：直流侧采用电容进行直流储能，从而使VSR直流侧呈低阻抗的电压源特性。•CSR•显著特征：直流侧采用电感进行直流储能，从而使VSR直流侧呈高阻抗的电流源特性。A理论部分2.PWM整流器的控制方式•间接电流控制(IndirectCurrentControl)：又称为幅相控制,通过对整流器交流侧电压基波分量的幅值和相位进行控制，间接实现对网侧电流的控制.•直接电流控制(DirectCurrentContorl)：与间接电流控制主要区别在于引入了电流环，提高了系统的动态响应速度。•直接电流控制中双闭环控制是目前应用最广泛，最实用化的控制方式，其中电压外环是控制直流侧电压的，并给电流内环提供指令电流;电流内环则根据指令电流进行电流快速跟踪控制.A理论部分3.三相桥式VSR的数学模型•分类按坐标系按描述方式静止坐标系(abc)模型旋转坐标系(dq)模型开关函数描述模型占空比描述模型A理论部分3.三相桥式VSR的数学模型•三相电压型PWM整流器主电路A理论部分3.三相桥式VSR的数学模型•uAO,uBO,uCO:对称三相交流电源相电压;•ia,ib,ic:网侧相电流;•U0:直流输出电压;•RL:负载;•uab,ubc,uca:整流器的输入电压:•iL:负载电流;•N、O点:别为直流输出中点和电源的中性点。A理论部分3.三相桥式VSR的数学模型整流电路桥侧线电压分析•桥侧线电压表示为uab，ubc，uca。由于各相平衡，以uab为例:uab=uaN-ubN•uaN是a对直流中点N间的电压;ubN是b对N间的电压.•桥侧线电压是单极性PWM波，幅值为U0。uaN=U0/2S1导通-U0/2S4导通A理论部分3.三相桥式VSR的数学模型A理论部分3.三相桥式VSR的数学模型整流电路桥侧相电压分析•Sa,Sb,Sc为开关信号，Sp(p=a,b,c)=1(上桥臂导通，上桥臂关断);Sp(p=a,b,c)=0(下桥臂导通，上桥臂关断);•对整流器的交流侧应用KVL：0000001()21()21()2aNAONaaNObNBONbbNOcNCONbcNOdiLuRiUSUUdtdiLuRiUSUUdtdiLuRiUSUUdt0()3abcaOaSSSuSU0011()32NOabcuUSSSUA理论部分3.三相桥式VSR的数学模型•三相VSR在三相静止坐标系下(a,b,c)的一般数学模型：aAOaaONbBObbOcCOccOiUiudLiURNiudtiUiuA理论部分4.电压矢量定向控制策略•电压矢量控制方案即为：为基于d-q轴同步速旋转坐标系的电压矢量控制方案。其中d-q轴是以指定速度转动的二相旋转坐标系。λ是d轴的定向角。•电网相电压为：•各相电流基波分量：cos2cos()32cos()3AOmBOmCOmuUtuUtuUtcos()2cos()32cos()3ambmcmiItiItiItφ是相电流基波对相电压的相位角，PWM整流器可以在φ为任意值下运行。A理论部分4.电压矢量定向控制策略•将两相静止坐标系的α轴与三相静止坐标系中的a轴重合。将a相电压定在两相静止坐标的β轴上.定义整流器网侧相电压和相电流的空间矢量分别为:.2.2()2()32()3jtNaobocomjtNabcmUuauauUeIiaiaiIe23jaeA理论部分4.电压矢量定向控制策略•电压矢量UN和电流矢量IN在α-β坐标系中以角速度ω随时间按逆时针方向旋转，并保持相位差φ不变。•设旋转直角d-q坐标系也以角速度ω在空间按逆时针方向旋转，则在该坐标中的电压、电流矢量均为静止矢量，它们在坐标轴上的分量均为直流量。电流IN在d轴和q轴的分量可表示为:cossindmqmIIIIA理论部分4.电压矢量定向控制策略•电压矢量定向控制策略是将两相旋转d-q坐标系的d轴定向为与电网电压矢量UN同轴，把对网侧相电流的控制转化为对电流IN在d轴和q轴的直流分量的控制，从而简化了PWM整流系统控制器的设计。A理论部分5.整流器开关控制信号的产生•关键：确定六个开关管的开通状态和时间。•整流电路中GIBT的开关控制信号是采用SPWM方式,将正弦调制信号ug和对称三角波载波信号uc进行比较产生的。•IGBT的开关频率固定,等于三角波载波信号的频率fc。A理论部分5.整流器开关控制信号的产生•各相正弦调制信号uga,ugb,ugc，幅值均为Ugm，频率与网压频率相同;•Ψ：各相正弦调制信号滞后网压的角度，•调制比m：•Ucm：对称三角波的幅值。sin()2sin()32sin()3gagmgbgmgcgmuUtuUtuUtarctanNNLRgmcmUmUA理论部分5.整流器开关控制信号的产生•各相开关控制脉冲的宽度由ug和uc的交点决定。•各相开关控制脉冲的特点:1.各相桥上下臂控制信号在相位上互补，以避免上、下桥臂直通而造成短路；2.各相开关控制信号的幅值相同，均为Ugm；3.任何时间，桥中有三个开关控制脉冲处于高电位，与此对应，此时有三个开关管处于导通状态。4.各相脉冲占空比由调制比决定。A理论部分6.总结•采用电压矢量定向控制策略的三相桥式VSR双闭环控制系统结构图A理论部分6.总结•电压外环控制直流侧的输出电压，并向电流内环提供指令电流。直流电压调节器的直流输出量作为电流IN的d轴分量的给定值，将它与q轴分量给定值一起利用二相旋转d一q坐标系进行Park变换，将直流电流分量给定转化为三相正弦电流给定，并把它作为电流调节器指令电流。•电流内环能根据指令电流对网侧相电流进行快速跟踪控制。从电压外环得到的指令电流与网侧相电流比较，差值经电流PI调节器处理后与一个频率固定的三角波信号相比较得到PWM控制信号。A理论部分6.总结•如果指令电流比网侧相电流大，其差值信号为正，经正弦波与三角波调制后，可使下桥臂整流器件导通，从而使网侧相电流增加;•如果差值信号为负，经正弦波与三角波调制后，可使上桥臂整流器件导通，网侧相电流将减小。•指令电流信号正弦波形越好，三角波的频率越高(载波比高)，则整流器网侧相电流波形的正弦因数就越高。•这种方案，整流系统的开关频率是固定的且与三角波的频率相同，是一种线性化的PWM方法。A理论部分1.三相VSR系统控制结构图B仿真部分2.主电路滤波环节•直流侧滤波•i0为直流侧输出电流，iL是负载电流。•交流侧滤波00LduCiidtaAOaaONbBONbbOcCOccOiUiudLiURiudtiUiuB仿真部分3.主电路参数选择•交流侧电感参数1.电感不能太小2.电感不能太大B仿真部分max00max0(sin)22()()(2)3332,23caAmaONabcccaOaaAmNAONaaOTiUtULSSSTTUSiUULUULitUU00sin()33sin()aamccNccNamciiTUUTLTTLiT3.主电路参数选择•直流侧电容参数C设计电容时应兼顾两个方面:1.满足电压环控制的跟随性指标，直流环节电容应尽量小，以确保系统直流输出电压的快速跟踪控制；2.满足电压环控制的抗扰性能指标，直流环节电容应尽量大，以限制负载扰动时直流电压的降落。B仿真部分直流侧电容起到如下作用:稳定直流输出电压;抑制直流环节谐波电压。4.坐标变换计算定向角λλ是电网电压矢量UN的定向角。dq-abc变换Id*:电流矢量IN在d轴的分量，有功分量；Iq*:电流矢量IN在q轴的分量，无功分量。B仿真部分cos,sinNNNNUUUU*****cos-sin22cos(-)-sin(-)3322cos()-sin()33adbqciiiii5.双闭环控制系统的设计•三相VSR控制电路应具有以下基本功能:1.实现网侧电流正弦化，保证λ=1(或-1)；2.调压:直流输出电压随给定值U0*而变；3.稳压:给定值不变时，UO应在网压波动和负载变化时维持恒定。4.电路具有双向传输电能的能力，即可实现电流的双象限运行。B仿真部分5.双闭环控制系统的设计•设计双环控制系统的一般原则是:先设计内环后设计外环。•设计步骤：先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的控制精度。再选择调节器的参数，满足动态性能指标。B仿真部分5.双闭环控制系统的设计•PWM整流系统的传递函数—电流内环cos()2cos()32cos()3ambmcmiItiItiIt0aabbcciSiSiSicos()2cos()32cos())3abcSmtSmtSmt03cos()2mimI以a相为例，Ψ是桥侧线电压Uba滞后UAO的相角。考虑电路工作在整流状态时，Ia和UAO同相，φ=0。B仿真部分5.双闭环控制系统的设计•PWM整流系统的传递函数—电流内环•虑到当控制电压改变时，PWM整流器的输出要到下一个周期才能改变，所以将脉宽调制器和PWM整流器合起来近似成一阶小惯性环节，它的传递函数可以近似为：•KPWM=U0/Ua*——脉宽调制器和PWM整流器的放大倍数；•U0——PWM整流器的输出电压；Ua*——脉宽调制器的控制电压。•脉宽调制器和PWM整流器的延时最大不超过一个开关周期，一般取开关周期的一半，所以T=0.5Tc。1PWMPWMKWTsB仿真部分5.双闭环控制系统的设计•PWM整流系统的传递函数—电流内环•考虑到电流环快的跟随性能，采用典型I型系统设计电流调节器。•PI电流调节器的零点抵消控制对象中一个大的惯性环节，可使系响应更快；•其中：1()0.51iPWMipcNNKKGKsTssLRiNpLKRKR(0.51)icKGsTsPPWMNKKKLB仿真部分5.双闭环控制系统的设计•PWM整流系统的传递函数—电流内环•按典型I型系统参数的整定关系，当取系统阻尼比ξ=0.707时，系统的动态性能最佳。•PI电流调节器参数整定：•积分饱和问题10.52cKTNpcPWMLKTKNicPWMRKTKB仿真部分5.双闭环控制系统的设计•PWM整流系统的传递函数—电压外环•电流内环的化简：•闭环：•按典型II型系统参数的整定关系：1()uiuupiKGKGssC21110.511(0.51)111icccKGTsTsKTssssKKK2(1)11()1(1)upuiuiuiuupccKKsKKGKsTssCCsTs2212uivvcKhChThv:中频宽工程上一般取52650uicCKT35upcCKTB仿真部分6.开关信号的生成•三角波载波发生器•开关控制信号采用SPWM方式将调制信号ugn*(n=a,b,c)和对称三角波载波信号uc进行比较产生开关控制信号.B仿真部分7.基于开关函数的VSR模型•6个PWM开关逻辑信号a+，a-，b+，b-，c+，c-•全桥开关函数：•整流器输入端a，