三相PWM滯環(huán)整流器的仿真研究

王亭嶺 張鑫克 張夢圓 張宇

摘 要：在本文中筆者介紹了三相PWM整流器在三相靜止坐標(biāo)系和d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的簡化數(shù)學(xué)模型。建立了電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)雙閉環(huán)PWM整流器的簡化數(shù)學(xué)模型。利用MATLAB對系統(tǒng)進行仿真，實現(xiàn)了DC電壓穩(wěn)定輸出。分析了整流器參數(shù)對系統(tǒng)的影響。

關(guān)鍵詞：PWM整流器；PI調(diào)節(jié)；閉環(huán)控制；MATLAB仿真

一、引言

由于交流電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)高速、高壓、大電流、大容量等優(yōu)點，因而在高速鐵路中得到廣泛應(yīng)用。中國因此采用了交流高速交流供電方式。整流器是將三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電的裝置。因此，整流器在高速鐵路領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

三相電壓型PWM整流器可以通過調(diào)節(jié)電壓電流相位差從而提高功率因數(shù)而得到廣泛應(yīng)用。在本文中，首先基于坐標(biāo)變換建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后對模型解耦得到PI調(diào)節(jié)控制模型并討論了相關(guān)參數(shù)對整流器的影響。最后通過MATLAB仿真，獲得了理想的結(jié)果。

二、為什么要發(fā)展PWM整流器

如今，越來越多的AC/DC轉(zhuǎn)換的需求使得整流器廣泛的使用在各行各業(yè)。然而，以前的整流器通常采用二極管組成的非線性電路或由晶閘管組成的相控整流電路，而這些非線性開關(guān)元件導(dǎo)致了大量的諧波和無功功率被注入電網(wǎng)。為后續(xù)用電器的使用帶來了極大的麻煩，并且消耗了大量的能量在功率上。因此，消除諧波污染，提高功率因數(shù)，提高電網(wǎng)的質(zhì)量、輸電效率和使用效率已成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)中一個重要而實用的問題。

三、三相PWM整流器數(shù)學(xué)模型

三相電壓型PWM整流器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1 建立三相PWM整流器的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)電網(wǎng)電壓三相對稱穩(wěn)定，根據(jù)基爾霍夫定定律，由圖1可列出系統(tǒng)微分方程如下：

3.2 基于d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的數(shù)學(xué)模型

通過坐標(biāo)變換，三相電壓型PWM整流器在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的模型可描述為：

上式中，ed，eq——三相電網(wǎng)電動勢矢量的d、q分量；vd，vq——三相VSR交流側(cè)電壓矢量的d、q分量；id，iq——三相VSR交流側(cè)電流的d、q分量；p——微分算子。

3.3設(shè)計電流調(diào)節(jié)器

解耦后電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

3.4設(shè)計電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器

3.5選取最小滯環(huán)寬度

欲使Iw最小則：、。

四、仿真分析

通過上述參數(shù)在MATLAB中建立三相滯環(huán)PWM整流器仿真模型，其結(jié)果如圖5所示。整流器的輸出電壓經(jīng)過波動，在0.07s后穩(wěn)定在268伏，直流側(cè)的電壓和電流相位差為零，電流有源分量為28A，無功分量為0A，電路功率因數(shù)達到1。

通過MATLAB的FFT分析其結(jié)果如圖6所示，直流側(cè)整體諧波含量為11111，低于國家標(biāo)準(zhǔn)的5%。

通過仿真結(jié)果可知，電感可以有效地抑制交流側(cè)電流的波動。隨著L的增大，電流波形趨于穩(wěn)定，但與之相對的是系統(tǒng)的響應(yīng)時間變長，輸出電壓的波形具有較大波動。當(dāng)L過大時，輸出電壓波形不穩(wěn)定，交流側(cè)電流畸變嚴(yán)重。由結(jié)果可知電容對交流側(cè)電流的影響很小，因此僅分析電容對直流側(cè)輸出電壓的影響。隨著C的增加，系統(tǒng)響應(yīng)時間相應(yīng)增加，但輸出電壓波形趨于穩(wěn)定。電流環(huán)中的Kp增加，過沖減小，調(diào)整時間增加；當(dāng)Ki增加時，過沖增加，調(diào)整時間減少；當(dāng)電壓環(huán)中的Kp增加時，過沖先減小后增大，但變化不大，調(diào)整時間顯著減少；Ki增加，超調(diào)增加，過大的Ki引起振蕩，不能穩(wěn)定輸出，所以雙閉環(huán)的參數(shù)設(shè)置要協(xié)調(diào)，并根據(jù)需要獲得適當(dāng)?shù)膮?shù)。調(diào)整參數(shù)后，輸出電壓過沖小，輸出電壓穩(wěn)定較快。

五、結(jié)束語

本文通過建立簡單的三相整流電路數(shù)學(xué)模型并搭建了滯環(huán)控制的三相PWM整流器仿真模型，并在MATLAB平臺進行仿真。通過仿真結(jié)果分析，驗證了該模型的適用性。并探討了交流側(cè)電感與直流側(cè)電壓對系統(tǒng)輸出的影響。

參考文獻

[1]電網(wǎng)電壓不平衡情況下三相并聯(lián)型PWM整流器的控制策略[J].張學(xué)，裴瑋，鄧衛(wèi)，范士雄，劉幸蔚，孔力.電網(wǎng)技術(shù).2018（01）

[2]基于三矢量的三相PWM整流器低復(fù)雜性模型預(yù)測直接功率控制[J].張輝，李志新，王濤，張滿，孫傳達.電網(wǎng)技術(shù).2018（03）

[3]新型三相PWM整流器無交流電壓傳感器控制方法[J].盧子廣，林遠，胡立坤，黃太昱，張文元.電力自動化設(shè)備.2017（05）

[4]王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)（第5版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[5]孫美玲，王鵬彰，周煒.三相電壓型PWM整流電路的控制與實驗[J].工業(yè)控制計算機，2016（10）：122-124+126.

[6]張曉峻.三相大功率PWM整流器系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[7]曹世華.三相電壓型空間矢量PWM整流器的研究[D].西安理工大學(xué)，2008.

作者簡介

1.王亭嶺（1975-），男，漢族，籍貫：內(nèi)蒙古呼倫貝爾市，工學(xué)碩士學(xué)位，副教授，碩士生導(dǎo)師，單位：華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，研究方向：分布式控制與優(yōu)化、傳感網(wǎng)絡(luò)與嵌入式控制技術(shù)。

2.張鑫克（1996-），男，漢族，籍貫：河南省駐馬店市，本科應(yīng)屆生，單位：華北水利水電大學(xué)。

3.張夢圓（1997-），男，漢族，籍貫：河南省鄧州市，本科生，單位：華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院。

4.張宇（1996-），男，漢族，籍貫：湖北宜昌，本科生，單位：華北水利水電大學(xué)。

5.劉玉璽（1996-），男，漢族，籍貫：河南省鄭州市，本科生，單位：華北水利水電大學(xué)。

（作者單位：華北水利水電大學(xué)）