1 绪 论

1.1 研究背景及意义

随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断提高，已从早期广泛使用的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管(SCR)发展到如今性能各异且类型诸多的全控型功率开关，如双极型晶体管(BJT)、门极关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换向晶闸管(IGCT)、功率场效应晶体管(MOSFET)以及场控晶闸管(MCT)等。而20世纪90年代发展起来的智能型功率模块(IPM)则开创了功率半导体开关器件新的发展方向。功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽调制(PWM)控制为基础的各类变流装置。目前这些变流装置很大一部分需要整流环节以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用二极管不可控整流电路或晶闸管相控整流电路，对电网注入了大量谐波及无功，给电网带来严重的“污染”。治理这种电网“污染”最根本的措施就是，要求变流装置实现网侧电流正弦化且运行于单位功率因数。因此，作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到了学术界的关注，并开展了大量的研究工作。其主要思路就是将PWM技术引入整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化且可运行于单位功率因数。根据能量是否可双向流动，派生出两类不同拓扑结构的PWM整流器，即可逆PWM整流器和不可逆PWM整流器。本论文只讨论能量可双向流动的可逆PWM整流器及其控制策略，以下所称PWM整流器均指可逆PWM整流器[1]。

能量可双向流动的PWM整流器不仅体现出AC/DC变流特性(整流)，而且还可 呈现出DC/AC变流特性(有源逆变)，因而确切地说，这类PWM整流器实际上是一 种新型的可逆PWM变流器。经过几十年的研究与发展，PWM整流器技术已日趋成 熟。PWM整流器主电路己从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路， 其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路[1]。PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制，功率等级从千瓦级发展到兆瓦级，而在主电路类型上既有电压型整流器(Voltage Source Rectifier-VSR)，也有电流型整流器(Current Source Rectifier-CSR)[1]。

由于PWM整流器实现了网侧电流正弦化且运行于单位功率因数，实现能量双 向传输，因而真正实现了“绿色电能变换”。由于PWM整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而这一特性使PWM整流器及其控制技术的应用领域得到了发展和拓宽，如静止无功补偿(SVG)、有源电力滤波(APF)、统一潮流控制(UPFC)，超导储能(SMES)、高压直流输电(HVDC)、电气传动(ED)，新型UPS以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等[1]。

1.2 PWM整流器的研究现状

PWM整流器的研究始于20世纪80年代，这一时期由于自关断器件的日趋成

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熟及应用，推动了PWM技术在整流器领域的应用。1982年Busse Alfred, Holtz Joachim首先提出基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑及其网侧电流幅相 控制策略，并实现了电流型PWM整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制。1984 年Akagi Hirofumi等提出了基于PWM整流器拓扑的无功补偿器控制策略，这实际上就是电压型PWM整流器早期设计思想。到20世纪80年代末，随着A.W. Green等人提出了基于坐标变换的PWM整流器连续离散动态数学模型及控制策略，PWM整流器的研究发展到了一个新的高度[1]。

自20世纪90年代以来，PWM整流器一直是学术界关注和研究的热点。随着 研究的深入，基于PWM整流器拓扑结构及控制的拓展，相关的应用研究也发展起 来，这些应用技术的研究，又促进了PWM整流器及其控制技术的进步和完善。这一时期PWM整流器的研究主要集中于以下几个方面:（1） PWM整流器的建模与分析;（2）电压型PWM整流器的电流控制;（3）主电路拓扑结构研究;（4）系统控制策略研究;（5）电流型PWM整流器研究。

PWM整流器数学模型的研究是PWM整流器及其控制技术研究的基础。自A.W. Green等提出了基于坐标变换的PWM整流器连续、离散动态数学模型之后， R. Wu, S. B. Dewan等较为系统地建立了PWM整流器的时域模型，并将时域模型分解成高频、低频模型，且给出了相应的时域解。而Chun T. Rim和Dong Y.Hu等则利用局部电路的dq坐标变换建立了PWM整流器基于变压器的低频等效模型电路，并给出了稳态、动态特性分析。在此基础上Hengchun Mao等人又建立了一种新颖的降阶小信号模型，从而简化了PWM整流器的数学模型及特性分析[6]。 为了使电压型PWM整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的 研究显得十分重要。在PWM整流器技术发展过程中，电压型PWM整流器网侧电流 控制策略主要分成两类:一类是由J. W. Dixon和B. T. Ooi首先提出的“间接电流控制”策略;另一类就是目前占主导地位的“直接电流控制”策略。“间接电流控制”实际上就是所谓的“幅相”电流控制，即通过控制电压型PWM整流器的交流侧电压基波幅值、相位，进而间接控制其网侧电流。由于“间接电流控制”其网侧电流的动态响应慢，且对系统参数变化灵敏，因此这种控制策略己逐步被“直接电流控制”策略所取代。“直接电流控制”策略以其快速的电流响应和鲁棒性受到了学术界的关注，并先后研究出各种不同的控制方案，主要包括以固定开关频率且采用电网电动势前馈的SPWM控制，以及以快速电流跟踪为特征的滞环电流控制等[7]。为了提高电压利用率并降低损耗，基于空间矢量的PWM控制在电压型PWM整流器电流控制中取得了广泛应用，并先后提出了多种控制方案。目前，电压型PWM整流器网侧电流控制有将固定开关频率、滞环及空间矢量控制相结合的趋势，以使其在大功率有源滤波等需快速电流响应场合获得优越的性能。此外，在具体的控制策略上还相继提出了状态反馈控制等。

就PWM整流器拓扑结构而言，可分为电流型和电压型两大类。而对于不同功 率等级以及不同的用途，人们研究了各种不同的PWM整流器拓扑结构。在小功率 应用场合，PWM整流器拓扑结构的研究主要集中在减少功率开关和改进直流输出 性能上。J. Shieh等对四开关三相电压型PWM整流器进行了建模与分析，并阐

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述了这类电路的工作特点[8]。对于大功率PWM整流器，其拓扑结构的研究主要集中在多电平拓扑结构变流器组合以及软开关技术上。 随着PWM整流器及其控制策略研究的深入，研究人员相继提出了以下较为新颖的系统控制策略：(1)无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制(2)基于Lyapunov稳定性理论的PWM整流器控制(3) PWM整流器的时间最优控制(4)电网不平衡条件下的PWM整流器控制[9]。

1.3 本文研究的主要内容

本文首先对三相电压型PWM整流器的工作原理进行分析，然后详细介绍其直 接电流控制策略和直接功率控制策略并进行MATLAB平台设计及仿真实现，主要工作如下:

1.3.1.分析三相电压型PWM整流器的结构、工作原理，数学模型，并给予比 较分析。

1.3.2.对直接电流控制和直接功率控制两种控制策略进行原理、实现、结构、特点等方面的比较分析。并对电压空间矢量(SVPWM)控制技术进行了原理和实现分析。

1.3.3.设计分别基于直接电流控制策略和直接功率控制策略的三相PWM整流系统MATLAB仿真平台，包括主电路、控制电路设计。

1.3.4.探讨两种控制策略的仿真模型的电路参数的具体设计方法，进行仿真实验并对结果进行对比分析。

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2 三相电压型PWM整流器

本章将结合PWM整流器的原理，对其改善功率因数以及四象限运行机理进行深入研究，并对PWM整流器的各种拓扑结构进行比较分析，对各种坐标系下的数学模型进行详细的推导及简化，为后续章节打下基础。

2.1主电路拓扑结构

电压型PWM整流器主电路拓扑结构的类型有很多，而电压型PWM整流器一个最显著的特点就是直流侧接电容器，对直流电压进行滤波，从而能够获得比较平稳的直流电压，而本设计主要是将三相电压型PWM整流器作为研究对象。

图2.1 三相电压型PWM整流器主电路拓扑

三相电压型PWM整流器的拓扑结构如图2.1所示，其中在所示的电路中三相电感L起滤波作用，因此交流侧电流可近似认为是三相正弦电流，C为直流侧电容，起稳压滤波的作用，当系统稳定时，可保持直流母线电压基本不变，故可看作是直流电压源。R为线路与开关管的等效电阻，RL为负载。

2.2 PWM整流器工作原理

图2.2 PWM整流器模型电路

PWM整流器实际上是一个交、直流侧可控的四象限运行的变流装置。为便于理解，以下首先从模型电路阐述PWM整流器的原理。图2.2为PWM整流器模型电路，可以看出:PWM整流器模型电路由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势e以及网侧电感L等;直流回路包括负载电

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