基于双闭环控制的三相电压型PWM整流器的设计与研究.pdf

摘要

传统的不控整流和相控整流方式存在功率因数低、谐波大等缺点，这给电力

系统造成了污染，引起学术界的重视。PWM整流器克服了传统不控整流器和相

控整流器的缺点，具有功率因数可控，可实现双向（整流/逆变）单位功率因数运

行，交流侧电流波形正弦化，系统具有较快的动态响应，直接电流控制易于控制

系统设计，等等优点。因此，在有着较高技术要求的高性能电力电子应用场合和

装置中，受到学界的青睐，并有了越来越广泛的应用。本文以三相电压型PWM

整流器为研究对象，重点对非线性控制方法在电力电子系统中的应用和实现进行

了研究。

本文基于三相电压型PWM整流器拓扑结构，分析其工作原理，建立在三相

静止坐标系和两相同步旋转坐标系下的数学模型。对主电路电感和电容的取值范

围进行了分析和计算。对传统SVPWM控制算法的实现进行了研究，鉴于该方法

的实现复杂性，造成控制器的执行效率低，给出一种新颖差值SVPWM方法，该

方法从电压入手，利用电压关系判断扇区，大大简化SVPWM算法过程且计算量

小，适合实时高精度控制。

基于双闭环控制器结构，对传统的电流闭环PI线性控制方法进行了分析，指

出其对非线性系统的局限性，应用非线性控制理论，提出了基于负载电流前馈的

滑模变结构电压环和输入/输出线性化的变结构电流环双闭环优化设计方案。为了

验证本文提出的混合非线性控制方案对动态响应干扰的优越性，在Simulink中分

别建立传统电流闭环PI矢量控制和非线性混合控制的PWM整流系统仿真模型，

对比仿真结果，本文提出的非线性方案能够改善系统稳态特性，并能有效减小外

部扰动所引起的电压波动，加快网侧电流的响应速度。

为实现本文提出的三相电压型PWM整流系统的混合非线性控制策略，设计

功率等级为33kW的实验样机，对主要硬件部分和DSP程序结构进行了详细介绍。

在阻性线性负载和逆变器非线性负载下分别进行动稳态实验，结果表明，采用基

于双闭环控制结构的非线性控制方法，三相电压型PWM整流器可单位功率因数

运行，具有输入电流谐波畸变率低，动态响应快的优点。

关键词：PWM整流器；SVPWM；PI控制；滑模变结构控制；输入/输出线性化

ABSTRACT

Thetraditionaluncontrolledrectificationandphasedrectificationmethodshavethe

disadvantagesoflowpowerfactorandlargeharmonics,whichcausepollutiontothe

powersystemandarousetheattentionoftheacademiccommunity.ThePWMrectifier

overcomestheshortcomingsoftraditionaluncontrolledrectifiersandphased-controlled

rectifiers.Ithasapowerfactorcontrollable,canachievebidirectional(rectifier/inverter)

unitpowerfactoroperation,ACsidecurrentwaveformsinusoidal,thesystemhasafast

dynamicresponse,Directcurrentcontroliseasytocontrolsystemdesign,etc.Therefore,

inhigh-performancepowerelectronicsapplicationsanddevicesthathavehigher

technicalrequirements,theyarefavoredbyacademiccirclesandhavebeenincreasingly

used.Thispapertakesthethree-phasevoltage-typePWMrectifierastheresearchobject,

andfocusesontheappl