三相電壓PWM整流器空間矢量控制研究及仿真分析

傳統(tǒng)的PWM控制技術(shù)多用于兩電平電路的驅(qū)動控制，其主要方法是正弦脈寬調(diào)制(SPWM)，調(diào)制波為正弦波，依靠三角載波和調(diào)制波的比較得出交點(diǎn)實(shí)施控制，其電壓利用率低，諧波含量大。而隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展和多電平電路的出現(xiàn)，涌現(xiàn)出很多新的控制方法，像優(yōu)化PWM方式、滯環(huán)電流控制方式、電壓空間矢量控制方式等。其中，空間電壓矢量控制通過合理地選擇、安排開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換順序和通斷持續(xù)時間，改變多個脈沖寬度調(diào)制電壓的波形寬度及其組合，達(dá)到較好的控制效果。相對SPWM控制，電壓空間矢量控制方法電壓利用率高、諧波含量小、大大改善了系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能，具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)容易、控制精度高等特點(diǎn)。本文采用空間矢量控制策略，并對整流電路采用電壓外環(huán)PI和電流內(nèi)環(huán)PI相結(jié)合的控制方法，建立三相電壓型PWM矢量控制方案的仿真模型，并對其進(jìn)行分析研究。

1 三相電壓型PWM整流器控制方案

圖1為三相電壓型PWM整流器空間矢量控制方案圖。它是由主電路和控制回路兩部分組成，其中，控制回路主要由輸入電流和輸出電壓檢測、坐標(biāo)變換、PI控制器和SVPWM脈沖產(chǎn)生等幾部分組成。其原理如下：三相交流電通過三相電壓型整流電路變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓。同時,控制回路對主電路的輸入交流電流和輸出直流電壓進(jìn)行檢測，一方面,將檢測值u0與給定值u0*進(jìn)行比較后送入PI控制調(diào)節(jié)器,輸出值與電流id比較并將其輸出送入PI控制器變?yōu)殡妷盒盘?，再?jīng)坐標(biāo)變換送入SVPWM脈沖產(chǎn)生單元，完成電壓閉環(huán)控制；另一方面，將檢測的輸入電流經(jīng)坐標(biāo)變換與給定電流iq*比較，送入PI控制器變?yōu)殡妷盒盘?，再?jīng)坐標(biāo)變換送入SVPWM脈沖產(chǎn)生單元，完成電流的閉環(huán)控制。矢量控制單元通過矢量運(yùn)算，生成所需要的PWM波，控制雙向變換器，達(dá)到輸出電壓的穩(wěn)定和輸入側(cè)交流電流的正弦化。

2 空間矢量控制的PWM整流器仿真模型建

(1) 主電路模型

主電路仿真模型如圖2所示。它主要由輸入電源模塊、三相整流器模塊和一些電壓、電流測量單元組成。

(2)控制電路模型

控制電路仿真模型如圖3所示。它主要由PI控制器模型、坐標(biāo)變換模型以及矢量控制器模型等部分組成。其中，坐標(biāo)變換和矢量控制器仿真模型的建立主要根據(jù)矢量控制原理搭建而成，其仿真模型如圖4所示。

3 仿真結(jié)果

根據(jù)上面搭建的仿真模型，給定仿真參數(shù)假定如下:交流輸入側(cè)為三相260V交流電壓,交流側(cè)電感取3.4mH，直流側(cè)濾波電容為1000μF，給定直流輸出電壓為650V，開關(guān)頻率為10kHz,負(fù)載電阻為40Ω。在t=0.05s時，突加負(fù)載使負(fù)載電阻由40Ω變?yōu)?0Ω。

4 結(jié)束語

根據(jù)電壓空間矢量控制的基本概念和控制方案圖，建立三相電壓型PWM整流器空間矢量控制的仿真模型，并對每個模塊進(jìn)行詳細(xì)分析。采用這種控制方案輸出直流電壓響應(yīng)速度快，輸入交流側(cè)電流波形為正弦波且與輸入交流電壓相位相同，基本實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)。當(dāng)突加負(fù)載時，整流器輸入側(cè)電流幅值變大并有少許的波動，但很快就恢復(fù)為正弦波，同時輸出側(cè)直流電壓降低，但很快也恢復(fù)到給定的650V直流電壓。通過仿真結(jié)果可以看出采用空間矢量控制的整流器具有很好的動態(tài)特性和穩(wěn)定性。