高功率因数整流器matlab仿真研究毕业论文
2020-02-18 11:00:18
摘 要
电力电子装置中的开关器件在不加控制的情况下，会产生谐波，对电网电压造成污染，例如传统的二极管整流电路和晶闸管相控整流电路，就会对电网产生谐波污染，导致其功率因数不是很高。随着不断的发展，对这类电力电子器件也提出了更高的要求。
由于现在人们更加崇尚环保，因此人们更倾向于新的具有高功率因数，且对电网谐波污染较小的新型电力电子器件，因此对于高功率整流器的研究也渐渐得到众多研究者的青睐。这类电力电子器件通过利用PWM技术，使整流器的性能得到了巨大的提升，不仅实现了网侧单位功率因数和无谐波污染的“绿色”电能变换，甚至能够实现能量的双向传输。
本文通过对相关文献的研究，对电压型PWM整流器进行了一定程度上的研究，介绍了PWM整流器的原理及本文对其结构的设计，还介绍了其控制策略和控制系统的参数设计，并且通过MATLAB /Simulink仿真平台对电路模型进行仿真，得到了预期结果，验证了电压型PWM整流器的绿色环保以及理论的可行性。
关键词：环保；整流电路；PWM技术；单位功率因数；MATLAB /Simulink；
Abstract
Without control, switching devices in power electronic devices will produce harmonics, which will pollute the grid voltage. For example, the traditional diode rectifier circuit and thyristor phase-controlled rectifier circuit will pollute the grid harmonically, resulting in a low power factor. With the continuous development of power electronic devices, higher requirements have been put forward.
Nowadays, people are more advocating environmental protection, so people are more inclined to new high-power factors and new power electronic devices with less harmonic pollution. Therefore, the research of high-power rectifier has gradually been favored by many researchers. By using PWM technology, this kind of power electronic devices have greatly improved the performance of the rectifier. It not only realizes the "green" power conversion of unit power factor and non-harmonic pollution on the network side, but also can realize the two-way transmission of energy.
Through the research of related literature, this paper studies the voltage-type PWM rectifier to a certain extent, introduces the principle of the PWM rectifier and the design of its structure in this paper, and also introduces its control strategy and parameter design of the control system. The circuit model is simulated by MATLAB/Simulink simulation platform, and the expected results are obtained, which verifies the voltage-type PWM rectifier. Green environmental protection and theoretical feasibility.
Key words: Environmental protection；Rectifier circuit ；PWM technology; Unit power factor; MATLAB /Simulink;
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 国内外研究概况 1
1.3 本文主要内容 2
1.4 本章小结 2
第2章 三相电压型 PWM整流器原理 4
2.1 PWM整流器原理概述 4
2.2 三相电压型PWM整流器原理 5
2.2.1 三相电压型PWM整流器的结构 6
2.2.2开关模式分析 7
2.2.3 波形分析 7
2.3 三相PWM整流器模型分析 9
2.3.1 三相PWM整流器一般模型的分析 9
2.3.2 三相PWM整流器dq坐标变换及分析 10
2.4 本章小结 13
第3章 三相PWM整流器控制技术 14
3.1电流控制技术 14
3.1.1 间接电流控制 14
3.1.2 直接电流控制 15
3.2 SPWM控制技术 16
3.3 本章小结 17
第4章 三相PWM整流电路参数设计 19
4.1 交流测电感设计 19
4.2 直流侧电容设计 20
4.3 电流内环PI参数的设计 21
4.4 电压外环PI参数的设计 22
4.5 本章小结 23
第5章 SIMULINK中整流器系统建模仿真 24
5.1 MATLAB/SIMULINK介绍 24
5.2 仿真主电路的搭建 24
5.2.1 主电路部分 25
5.2.2 控制电路部分 27
5.3 仿真电路的结果 30
5.4 本章小结 32
第6章 总结与展望 34
6.1 全文总结 34
6.2 工作展望 34
参考文献 36
致 谢 37
第1章 绪论
1.1 研究目的及意义
随着工业的发展，人们越来越重视电能的质量，想通过提高电能的质量来改善能源的浪费，更加关注绿色能源的发展。如今传统能源日益枯竭，因此太阳能、风能等可再生能源的并网发电得到了世界各国的重视，而这些可再生能源的大规模应用需要一定的技术手段。实现这一目标首先要完成太阳能、风能由补充能源向某种代替能源过度，例如将太阳能和风能转化为电能，使太阳能、风能的利用由偏远无电地区向有电地区的常规供电方向发展。这就要求开发性能卓越的并网发电系统。
我们首先来介绍太阳能光伏发电并网系统，它主要由太阳能光伏发电板，太阳能电池以及PWM整流器组成，而并网效率的高低由整流器来决定，PWM整流器能够使得太阳能光伏发电并网系统在将电能并入到电网时实现网侧的高功率因数，这也使得我们能在能量转化的过程中减少电能的损失，因此对于具有高功率因数的PWM整流器的研究是很有必要的。
不仅仅实在新能源方面，随着工业的发展，人民生活水平的提高，我们需要更高水平的电力电子器件。人们也急需一种新型电力电子技术来满足人们对于电能的“绿色”要求，由于传统的整流器效率不高，而且很容易产生谐波污染电网电压，无法满足人们对于高生活水平的要求。因此对于研发高功率因数且谐波污染小的大功率整流器是非常有必要的。
PWM整流器在满足直流侧输出的响应指标的同时，还能通过正弦波控制实现网侧高功率因数，甚至能够实现电能的双向传输，能从根本上解决整流器的谐波污染问题。而且随着对于全控型器件以及PWM技术的使用越来越熟练，相关学者也在各个领域中引进PWM整流器，这也使得PWM整流器逐渐在电力电子的相关领域中得到应用。
1.2 国内外研究概况
从20世纪80年代开始，就有相关研究人员开始研究PWM整流器了，而且随着这一时期全控型开关器件的研究逐渐成熟，因此也加速了PWM整流器的研究和发展。Busse Alfred、Holtz Joachim首先在1982年提出了基于可关断器件三相全桥PWM整流器拓扑结构及其网侧电流幅相控制策略[1]，在电流型PWM整流器方面也有一定成就，实现了高功率因数的以正弦电流波来进行控制的电流型PWM整流器。电压型PWM整流器的最初设想是由Akagi Hirofumi 在1984年提出基于PWM整流器的基本结构的有关无功补偿策略的想法[2]。A.W.Green等人在20世纪80年代末期提出的用相应的坐标变换，将三相坐标下的参数进行相关转化后得到更容易控制的模型，再对其模型进行控制，这一想法使得PWM整流器的发展到了一个新的平台 [3]。
20世纪90年代以来，电力电子行业的相关研究人员对于PWM整流器的研究更加关注了起来，通过研究不同的拓扑结构，使得PWM整流器在其他方面也得到广泛的应用，除了本文所述的高功率因数整流器，还有静止无功补偿器、有源电力滤波器、可再生能源的并网控制等。
经过这么多年的研究，PWM整流器的研究虽然已取得了不少成果，但是还有可以进步的空间。当下研究的内容主要有以下几个方面[4]：
- 有关PWM整流器模型的建立和分析；
- 电压型PWM整流器的电流控制策略；
- 不同拓扑结构下的模型分析；
- 对于电流型PWM整流器的研究。
如今研究的趋势有以下几个方面：
- 新的控制策略和集成控制策略的研究；
- 在不平衡电网电压条件下的研究；
- 电流型PWM整流器需要较大储能电感问题如何解决；
- PWM整流器的最佳时间控制。
1.3 本文主要内容
第一章主要介绍了PWM整流器的背景和意义，并对本文内容进行概括。
第二章介绍了三相电压型PWM整流器的基本工作原理，分析了不同的开关模式，介绍了各个关键节点的波形方程。
第三章主要介绍了不同的电流控制方式，介绍了两种电流控制方式的优点与缺点，为我们选择更好的控制方式打下了基础。另外还介绍了SPWM控制的基本原理。
第四章研究了电压型PWM整流器的相关参数，通过参考相关文献，得到了交流侧电感和直流侧电容的计算公式，带入相关参数得到了这两个参数的取值范围。还介绍了该电路双闭环控制系统的PI参数计算方法。
第五章首先介绍了MATLAB/SIMULINK这一款仿真软件，然后再在其中搭建模型电路，设置相应的参数，得到了仿真结果。
1.4 本章小结
本章介绍了PWM整流器的背景及意义，了解了全控型器件的发展以及PWM整流器的关键技术发展，了解了当今PWM整流器的发展现状以及未来的趋势。大致介绍了本文的主要工作，逐步深入介绍了PWM整流器的相关技术，最后得到仿真结果。
第2章 三相电压型 PWM整流器原理
2.1 PWM整流器原理概述
单相整流电路是由四个二极管组成的，其结构简单，而且还不需要控制电路，因此很快就得到了人们的青睐，但是随着开关器件的发展以及二极管整流电路的谐波污染，人们渐渐发展出PWM整流电路取代二极管整流电路。PWM整流电路大致可分为两类，电压型和电流型，本文主要研究的是电压型PWM整流电路。拓扑结构也有好多种，有单相的PWM整流电路，分为单相全桥和单相半桥；三相PWM整流电路分为三相全桥和三相半桥，但我们一般研究的都是三相半桥PWM整流电路。三相全桥的开关管数量太多，不利于控制，因此我们一般所说的三相桥式PWM整流电路都指的是三相半桥PWM整流电路。
因为PWM整流电路是一个能够双向传输能量的系统，因此其既是一个整流器，又是一个逆变器，根据控制信号的不同就能得到不同功能的器件。接下来我们通过介绍单相全桥PWM整流器的基本原理来了解PWM整流器的工作原理。其图2.1是单相全桥PWM整流器的模型电路图。
图2.1 单相全桥PWM整流器模型电路
我们从图中可以看出，PWM整流器基本器件为滤波电感，整流桥，直流侧电容以及负载组成。我们通过把开关管分为两组，通过使用与电网频率相同的正弦调制波，载波为高频三角波的两组信号比较生成SPWM信号，让两组开关管交替导通，最终使得负载侧得到直流电压。而且由于电感L的作用交流电流只会产生很小的脉动。由于正弦调制信号频率与电网相同，则交流侧的电流与电网电压相位相同，这样PWM整流器就会工作在单位功率因数下[5]。
若直流侧存在一个直流电源，我们也可以通过控制SPWM信号的相位，使得PWM整流器工作在逆变状态，这也就说明了PWM整流器既可以工作在整流状态，又可以工作在逆变状态，能量既可以从交流侧传给直流侧，也可以从直流侧传给交流侧，PWM整流器可以在四象限运行。
2.2 三相电压型PWM整流器原理
上述大致讲述了单相全桥PWM整流器的工作原理，本文主要研究的是三相电压型PWM整流器的工作原理，其主要原理与单相全桥PWM整流器基本相同，只是比单相全桥PWM整流器多了一个桥臂。其拓扑结构如图2.2所示。
图2.2 三相PWM整流器拓扑结构图
三相电压型PWM整流器是目前为止应用最为广泛的，其基本作用就是使得输出的直流电压稳定跟随给定的参考电压且功率因数可调。三相电压通过6个IGBT管后整流为直流电压，通过电压检测得到负载处的直流电压，负载处的电压与给定电压比较得到误差信号，误差信号经过PI调节器，将输出作为有功电流的给定，再将电流信号进行误差放大后进行PI调节，将得到的输出进行SPWM变换得到控制IGBT的信号使得IGBT能够根据需要调节电压的变化，从而得到稳定的直流电压输出。
但是由于三相电压型PWM整流器中,根据SPWM的调制规律，要使得交流侧无低次谐波，则直流侧的电压与交流侧电压的关系为[6]
所以直流侧电压必须是交流侧的倍以上。
2.2.1 三相电压型PWM整流器的结构
由于设计要求中要求的是需要从380V的三相交流电压变为400V的直流电压，但是由于上一节中说到，直流侧电压必须是交流侧的倍以上，所以在电路设计时，我将整流器的输出电压设计为800V，然后再通过一个BUCK电路对其进行降压，其PWM整流器流程框图如图2.3所示。
图2.3 PWM整流器流程框图
三相PWM整流电路的主要电路结构图如图2.2所示，图2.4为BUCK电路的基本原理图。
图2.4 BUCK电路原理图
根据BUCK电路的原理我们可以知道，我们可以通过不同的占空比控制IGBT就能得到我们所需要的直流电压值[5]。
2.2.2开关模式分析
我们通过上面说的单相全桥整流器可以知道，只需要给两组开关管相差180°的信号就能得到单相整流电路的输出，因为三相桥整流电路只是多了一组桥臂，因此同理可知，我们只需要给三对桥臂加上相应的正弦调制信号即可，调制信号的幅值和频率必须保持相同，且三组信号的相位需要互差120°。由于每相桥臂共有两种开关模式，即上桥臂导通或者下桥臂导通，因此共有23=8中开关模式，我们通过使用单极性二值逻辑函数sj（j=a,b,c）来表示[5]，则有
式中表示上半桥桥臂的功率管及二极管；表示下半桥桥臂的高频开关管和开关二极管。三相PWM整流器的各种开关状态用开关函数的表示如表2.1所示[7]。
表2.1 三相PWM开关模式
