论文总字数：19760字

摘 要

摘要：PWM整流器具有能量双向流动、网侧电流正弦、低谐波的输入电流、恒定的直流电压控制、容量较小的滤波器及高功率因数（近似为单位功率因数）等特征，有效地消除了传统整流器输入电流谐波含量大、功率因数低等问题，被广泛应用于有源电力滤波、超导储能、新能源发电等工业领域。PWM 整流器控制策略有多种，其中直接功率控制方法,因其具有简单实用、抗干扰能力强、动态性能良好以及可实现有功无功的解耦控制的特性而被广泛应用。现如今，各种新颖的控制方法也层出不穷。

本文首先对PWM整流器控制技术的现状进行了分析，介绍了当前比较新颖的整流控制策略。基于传统的电压定向直接功率控（VO-DPC）策略，阐述了PWM整流器工作原理和拓扑结构，及在各个坐标系下的数学模型；分析了电压定向直接功率控（VO-DPC）系统的组成，并引入了空间矢量脉宽调制（SVPWM）的概念，探讨预测直接功率控制（P-DPC）策略的可行性。该方法基于功率预测模型，在固定时间间隔内以满足功率误差最小为原则来选择电压矢量，从而完成直接功率控制的定频控制。该策略将功率预测控制理论与空间矢量调制技术结合代替原来的滞环比较器与开关表。

在MATLAB/SIMULINK环境下分别搭建VO-DPC的系统模型和P-DPC的系统模型进行仿真对比分析，分析结果证明P-DPC的控制效果比VO-DPC好很多，该控制策略能获得更好的稳态性能和动态性能，相比于传统的电压定向控制具有更快的功率响应，实现了频率固定，使整流器参数设计简化，从仿真、实验进行对比分析，验证了其可行性。

关键词：PWM整流器；直接功率控制；电压定向控制；空间矢量脉宽调制；预测算法

PWM Rectifier Direct Power Control Strategy Research

ABSTRACT

ABSTRACT: PWM Rectifier with two-way flow of energy, sinusoidal line current, low input harmonic current, constant DC voltage control, smaller capacity filters and high power factor (approximate unity power factor) and other features, effectively eliminating the conventional rectifier input large current harmonic content, and low power factor problems, is widely used in industrial fields four-quadrant AC drive, active power filter, superconducting magnetic energy storage, new energy power generation. There are a variety of PWM rectifier control strategy, which is due to direct power control method is simple and practical, anti-interference ability, good dynamic performance and achieve decoupling control of active and reactive properties and is widely used, a variety of novel control methods are endless.

Firstly, the status of PWM rectifier control techniques were analyzed, introduced the current relatively new rectifier control strategy. Composition based on traditional directional voltage direct power control (VO-DPC) strategy, elaborated the principle and PWM rectifier topology and mathematical models in various coordinate systems and analyzes the voltage oriented direct power control (VO-DPC) system and the introduction of space vector pulse width modulation (SVPWM) concept, to explore the feasibility of predictive direct power control (P-DPC) strategy. The predictive power of the model based, at fixed time intervals in order to meet the minimum error power in principle to select the voltage vector, thereby completing the direct control of the power control constant frequency. The strategy will power prediction control theory combined with space vector modulation technology to replace the original comparator with hysteresis switching table.

In the MATLAB / SIMULINK environment were built VO-DPC system model and system model to simulate P-DPC comparative analysis and the results prove that the control effect of P-DPC much better than VO-DPC, the control strategy can obtain better steady-state and dynamic performance, compared to the conventional orientation control voltage in response to a faster power to achieve a fixed frequency, so that the design parameters of the rectifier simplified, comparative analysis from simulation experiment to test the feasibility.

Key words: PWM Rectifier; Direct Power Control; voltage oriented control; Space Vector Pulse Width Modulation; predictive algorithm.

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 PWM整流器的研究现状分析 2

1.2.1 PWM整流器研究现状 2

1.2.2 PWM整流器控制策略 2

1.3 直接功率控制 3

1.4 论文各部分的主要内容 3

第二章 三相PWM整流器 4

2.1 PWM整流器的工作原理及拓扑结构 4

2.2 PWM整流器的数学模型 5

2.2.1 三相静止坐标系()下的数学模型 5

2.2.2 两相静止坐标系()下的数学模型 7

2.2.3 两相旋转坐标系()下的数学模型 8

第三章 直接功率控制（DPC） 11

3.1 瞬时功率的定义 11

3.1.1 三相静止坐标系()下的功率定义 12

3.1.2 两相静止坐标系()下的功率定义 12

3.1.3 两相旋转坐标系()下的功率定义 13

3.2 传统的电压定向直接功率控制 14

3.2.1 PWM直接功率控制系统结构 14

3.2.2 传统开关表构造原理 15

3.3.2 三状态开关信号的控制策略 17

3.3 预测直接功率控制 18

3.3.1 基于空间矢量的P-DPC控制系统结构 19

3.3.2 预测算法 19

3.3.3 空间电压矢量脉宽调制(SVPWM) 21

第四章 PWM整流器直接功率控制仿真 22

4.1 传统的电压定向直接功率控制系统仿真 22

4.2 预测直接功率控制系统仿真 25

4.3 仿真结果分析 27

4.3.1 P-DPC的动态性能分析 28

4.3.2 P-DPC的控制延时补偿分析 29

第五章 总结与展望 31

5.1 全文总结 31

5.2 不足与展望 31

参考文献 32

致谢 34

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着电力工业的发展，功率半导体开关器件性能的不断提高，从早期使用广泛的半控型功率半导体开关器件，到现如今性能各异种类繁多的全控型功率开关器件。然而，一些现有的转换变流装置很大一部分需要通过整流才能获得直流电压，常规整流广泛采用的是二极管半控整流电路或是晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功，造成严重的电网“污染”，主要体现在以下几点：

1. 增加很多无功功率，导致装置的功率因数低，而且无功功率会导致电流增大和视在功率增加，造成设备和线路损耗加大，降低发电设备和输电设备的利用率；
2. 无功功率增加，使线路的电压降增大，一些冲击性的无功负载还会造成电压剧烈波动；
3. 谐波会引起继电保护装置和自动装置的误判，引起装置错误的动作，使得常规电气测量仪表不准确；
4. 谐波影响电气设备的正常工作，使电缆电容器等线路设备过热导致绝缘老化，会缩短电气设备的使用寿命；
5. 谐波会导致电网中局部发生串联和并联谐振，从而使得原来的谐波被放大，造成谐波危害增加，甚至导致严重的事故。

如何提高功率因数，抑制和消除谐波己成为当今电力行业发展项目中的重大课题。因此，控制交流装置不产生谐波，实现网侧电流正弦和运行单位功率因数，成为治理这种电网“污染”最根本的措施。所以，作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到了学术界的关注，并且为之开展了大量的研究工作。由于PWM整流器实现了网侧电流正弦化和运行单位功率因数，且实现了能量双向流动，还可以进行电网无功调节，因而真正实现了“绿色电能变换”。开发PWM整流器成为解决谐波污染的重要途径。

1.2 PWM整流器的研究现状分析

1.2.1 PWM整流器研究现状

PWM整流器的控制策略主要有两大目标：其一，变换器的交流侧电流需要应对于各种应用场合，即，根据不同场合实现相应的功率因数要求以及精确的电流波形控制；其二，还需要令直流侧输出电压同给定电压值的差值稳定在0V，且尽量不要受到电网电压及负载增减的影响。为了这两个目标，大多数PWM整流器都采用对输出直流电压的闭环控制系统，同时，在控制系统中包含一个内环控制器构成双闭环控制器结构。

1.2.2 PWM整流器控制策略

PWM整流器控制策略种类繁多，分类方法也各异。根据内环控制器的具体结构和控制对象不同，PWM整流器的控制技术可以分为基于虚拟磁链矢量和基于电压矢量两类定向控制。所谓虚拟磁链矢量定向是来自于一个交流电机控制思想的控制方案，它消去了电压检测电路，只需通过虚拟磁链估算算法获得矢量的相位，就能得到矢量参考坐标系，从而控制交流电流的相位。而电压矢量定向控制，就是将电网电压旋转矢量的角度作为控制器的参考角度，以确定参考坐标向量，从而控制交流电流的相位。这类控制方法要求对电网电压相位的精确计算，其方法可以是直接检测电网电压相位值，也可以根据电网电压传感器估算策略估算电网电压相位值。根据有无反馈电流，PWM整流器又可分为“直接”和“间接”两种控制策略。间接功率控制策略的具有良好的静态特性，其结构简单、容易实现、且不需要电流传感器；但也存在稳定性差、动态响应较慢、存在直流电流偏移及电流冲击等缺点，这从很大程度上制约了该策略的应用。本文我们主要研究讨论的是直接功率控制策略。直接功率控制策略其动态响应迅速、容易限流、并且能够精确控制，在现今的电力电子技术领域有着广泛的应用和很好的发展研究前景。

1.3 直接功率控制

从能量角度来看，当交流电压恒定时，如果在允许范围内PWM整流器的瞬时有功无功功率也得到控制，那么也间接控制了瞬时电流（有功和无功）在允许的范围内，此种控制策略即为直接功率控制（Direct Power Control）。直接功率控制将系统瞬时有功、无功功率引入闭环比较。通过滞环比较相应的参考值与电流检测量计算系统的瞬时有功无功功率，得到误差指令，结合输入电压空间矢量的位置从开关选择表中获得当前时刻所需的开关矢量。这种控制方法多采用瞬时功率来估计输入电压，从而免去交流侧电压传感器这一环节。由于PWM整流器直接功率控制采用的是瞬时功率控制，因而具有更高的功率因数、较低电流总谐波畸变以及更简单的算法及系统结构等优点，引起一些学者的兴趣与关注。

1.4 论文各部分的主要内容

本文的第一章绪论首先提出了开发PWM整流器是解决谐波污染的重要途径这个观点，随后简单的分析PWM整流技术现状，介绍了几个当前应用较为广泛的PWM整流器控制策略，以及对直接功率控制的基本概念做了简单介绍。

第二章介绍了PWM整流器的工作原理及电路拓扑结构，并给出了其在不同坐标系下的数学模型。

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