雙PWM變流器的深度建模剖析與先進(jìn)控制策略研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代能源領(lǐng)域和電力系統(tǒng)中，隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及人們生活水平的持續(xù)提高，對(duì)電能的需求日益增長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)電能質(zhì)量和能源利用效率也提出了更高的要求。雙PWM變流器作為一種重要的電力電子裝置，在能源轉(zhuǎn)換和電力系統(tǒng)運(yùn)行中占據(jù)著關(guān)鍵地位。從能源轉(zhuǎn)換角度來(lái)看，在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，如風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等項(xiàng)目中，雙PWM變流器起到了不可或缺的作用。以直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為例，雙PWM全功率變流器連接著永磁同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)，機(jī)側(cè)PWM變流器能夠調(diào)節(jié)定子電流，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速，追蹤最大功率，同時(shí)改善二極管整流橋所帶來(lái)的非線性特征，減少電流畸變，延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)壽命；網(wǎng)側(cè)PWM變流器穩(wěn)定直流端電壓，實(shí)現(xiàn)有功分量和無(wú)功分量的獨(dú)立調(diào)節(jié)，且電流諧波含量小，電能質(zhì)量高，從而高效地將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能并饋入電網(wǎng)。在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，雙PWM變流器可以將光伏電池輸出的直流電逆變?yōu)榻涣麟?，?shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的有效連接，確保太陽(yáng)能的穩(wěn)定利用。在工業(yè)傳動(dòng)領(lǐng)域，雙PWM變流器也有著廣泛的應(yīng)用。許多工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，如軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)等，需要高性能的調(diào)速系統(tǒng)來(lái)滿足生產(chǎn)工藝的要求。雙PWM變流器構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)，能夠精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，具有響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，有效提高了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率。從電力系統(tǒng)角度分析，雙PWM變流器對(duì)提高電能質(zhì)量有著重要意義。傳統(tǒng)的整流裝置，如二極管整流橋，在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流，這些諧波電流注入電網(wǎng)后，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓畸變，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，增加線路損耗，甚至可能引發(fā)電力系統(tǒng)的諧振等故障。而雙PWM變流器通過(guò)先進(jìn)的控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的正弦化，使功率因數(shù)接近1，大大減少了諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，提高了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在降低能耗方面，雙PWM變流器同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在一些需要頻繁啟停和調(diào)速的設(shè)備中，如電梯、起重機(jī)等，雙PWM變流器可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。當(dāng)設(shè)備處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的再生能量能夠通過(guò)雙PWM變流器回饋到電網(wǎng)中，而不是像傳統(tǒng)方式那樣通過(guò)電阻消耗掉，從而實(shí)現(xiàn)了能量的回收利用，降低了能源消耗。在自動(dòng)扶梯中應(yīng)用雙PWM變流器，能將扶梯帶載下行時(shí)電機(jī)產(chǎn)生的再生能量回饋給電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能目的，同時(shí)還能延長(zhǎng)扶梯使用壽命。雙PWM變流器的研究對(duì)于促進(jìn)能源的高效利用、提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性以及推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展都具有十分重要的意義。對(duì)雙PWM變流器進(jìn)行深入的建模與控制研究，不斷優(yōu)化其性能，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀雙PWM變流器作為電力電子領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，在理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面均取得了顯著進(jìn)展。在國(guó)外，許多知名科研機(jī)構(gòu)和高校對(duì)雙PWM變流器展開(kāi)了深入研究。美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的科研團(tuán)隊(duì)在雙PWM變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化上取得了成果，通過(guò)改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)，降低了開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，提高了變流器的效率。德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的學(xué)者在雙PWM變流器的控制策略研究方面處于前沿，提出了新型的模型預(yù)測(cè)控制算法，該算法能快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)變流器的未來(lái)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率和電流的精確控制，使系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，魯棒性更強(qiáng)。在工業(yè)應(yīng)用中，ABB、西門(mén)子等國(guó)際知名企業(yè)將雙PWM變流器廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、工業(yè)傳動(dòng)等領(lǐng)域，并不斷推出高性能的產(chǎn)品。ABB的ACS880系列變頻器采用了先進(jìn)的雙PWM變流器技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的電機(jī)調(diào)速和能量回饋，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)對(duì)于雙PWM變流器的研究也在不斷深入。清華大學(xué)、浙江大學(xué)等高校在雙PWM變流器的建模與控制方面開(kāi)展了大量研究工作。清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的雙PWM變流器控制方法，有效提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和動(dòng)態(tài)性能。浙江大學(xué)的學(xué)者通過(guò)對(duì)雙PWM變流器在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，優(yōu)化了系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制策略，提高了能源利用效率。在企業(yè)層面，華為、陽(yáng)光電源等公司在雙PWM變流器技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面取得了重要突破，其研發(fā)的產(chǎn)品在光伏發(fā)電、儲(chǔ)能等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。陽(yáng)光電源的集中式光伏逆變器采用雙PWM變流器技術(shù)，具有高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外光伏市場(chǎng)占據(jù)了較大份額。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在雙PWM變流器的建模與控制研究方面取得了眾多成果，但仍存在一些不足之處。在建模方面，現(xiàn)有模型往往難以全面準(zhǔn)確地描述雙PWM變流器在復(fù)雜工況下的特性，尤其是在考慮器件非線性、寄生參數(shù)以及電磁干擾等因素時(shí)，模型的精度有待提高。在控制策略方面，雖然已經(jīng)提出了多種先進(jìn)的控制方法，但部分控制算法計(jì)算復(fù)雜，對(duì)硬件要求較高，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用成本增加；一些控制策略在系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能之間難以達(dá)到最佳平衡，在應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載突變等情況時(shí)，系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性還有待進(jìn)一步增強(qiáng)。此外，在雙PWM變流器的集成化和小型化方面，雖然取得了一定進(jìn)展，但仍無(wú)法滿足一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)設(shè)備體積和重量的嚴(yán)格要求。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本文主要圍繞雙PWM變流器的建模與控制展開(kāi)深入研究，旨在提升雙PWM變流器的性能，使其在能源轉(zhuǎn)換和電力系統(tǒng)等領(lǐng)域發(fā)揮更出色的作用。在研究?jī)?nèi)容上，首先對(duì)雙PWM變流器的工作原理進(jìn)行詳細(xì)剖析，涵蓋機(jī)側(cè)PWM變流器和網(wǎng)側(cè)PWM變流器。針對(duì)機(jī)側(cè)PWM變流器，深入探究其如何通過(guò)調(diào)節(jié)定子電流，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在最佳轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，從而追蹤最大功率，同時(shí)改善二極管整流橋帶來(lái)的非線性問(wèn)題，減少電流畸變，延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)使用壽命。對(duì)于網(wǎng)側(cè)PWM變流器，著重研究其穩(wěn)定直流端電壓的機(jī)制，以及如何實(shí)現(xiàn)有功分量和無(wú)功分量的獨(dú)立調(diào)節(jié)，降低電流諧波含量，提高電能質(zhì)量。深入開(kāi)展雙PWM變流器的建模工作。從電路結(jié)構(gòu)出發(fā)，考慮到功率器件的開(kāi)關(guān)特性、電感電容的儲(chǔ)能特性以及線路電阻等因素，建立精確的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，推導(dǎo)變流器在不同工作狀態(tài)下的數(shù)學(xué)表達(dá)式，為后續(xù)的控制策略研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。采用狀態(tài)空間平均法，對(duì)雙PWM變流器在連續(xù)導(dǎo)通模式和斷續(xù)導(dǎo)通模式下的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，建立相應(yīng)的狀態(tài)空間模型，準(zhǔn)確描述變流器的動(dòng)態(tài)特性。在控制策略方面，研究多種先進(jìn)的控制方法。深入研究矢量控制策略，通過(guò)將交流量轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的解耦控制，分別獨(dú)立調(diào)節(jié)有功電流和無(wú)功電流，使雙PWM變流器能夠更好地滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)功率的需求。對(duì)模型預(yù)測(cè)控制進(jìn)行探討，利用變流器的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)其未來(lái)的狀態(tài)，通過(guò)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，在每個(gè)控制周期內(nèi)選擇最優(yōu)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和精確的控制效果。將智能控制算法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等引入雙PWM變流器的控制中，利用其自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，提升變流器在復(fù)雜工況下的控制性能，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性。在研究方法上，采用理論分析、仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式。在理論分析階段，運(yùn)用電路原理、電磁學(xué)、自動(dòng)控制原理等相關(guān)知識(shí)，對(duì)雙PWM變流器的工作原理、建模方法和控制策略進(jìn)行深入研究和推導(dǎo)。通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)和理論論證，分析變流器的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，為后續(xù)的研究提供理論依據(jù)。在仿真環(huán)節(jié)，借助MATLAB/Simulink等專(zhuān)業(yè)仿真軟件，搭建雙PWM變流器的仿真模型。對(duì)不同的控制策略和工況進(jìn)行仿真分析，觀察變流器的輸出波形、功率因數(shù)、諧波含量等性能指標(biāo)的變化情況。通過(guò)仿真，可以快速驗(yàn)證不同方案的可行性，優(yōu)化控制參數(shù)，為實(shí)驗(yàn)研究提供參考。搭建雙PWM變流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)。利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)雙PWM變流器的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)試和分析，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)一步完善和優(yōu)化雙PWM變流器的建模與控制方法，確保研究成果的可靠性和實(shí)用性。二、雙PWM變流器工作原理2.1基本結(jié)構(gòu)雙PWM變流器主要由整流側(cè)PWM變流器和逆變側(cè)PWM變流器組成，兩者通過(guò)直流母線相連，構(gòu)成了一個(gè)完整的AC-DC-AC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)使其能夠?qū)崿F(xiàn)電能在交流與直流之間的雙向高效轉(zhuǎn)換，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)和工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。整流側(cè)PWM變流器的主要功能是將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并為直流母線提供穩(wěn)定的電壓。其基本結(jié)構(gòu)通常采用三相電壓型PWM整流電路，主要由三相交流電源、輸入電抗器、功率開(kāi)關(guān)管組成的三相全橋電路以及直流側(cè)電容構(gòu)成。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，整流側(cè)PWM變流器連接永磁同步發(fā)電機(jī)與直流母線，通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，將發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電，為后續(xù)的逆變環(huán)節(jié)提供穩(wěn)定的直流電源。輸入電抗器起到抑制電流突變、減少電流諧波的作用，能夠提高變流器的穩(wěn)定性和可靠性；直流側(cè)電容則用于平滑直流電壓，減少電壓波動(dòng)，為逆變側(cè)提供穩(wěn)定的直流電壓源。逆變側(cè)PWM變流器的作用是將直流母線的直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟?，輸出到電網(wǎng)或負(fù)載。它同樣采用三相電壓型PWM逆變電路，結(jié)構(gòu)與整流側(cè)類(lèi)似，也是由功率開(kāi)關(guān)管組成的三相全橋電路、輸出濾波器等部分構(gòu)成。在工業(yè)傳動(dòng)系統(tǒng)中，逆變側(cè)PWM變流器將直流電源逆變?yōu)轭l率和幅值可變的三相交流電，為交流電機(jī)提供合適的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速和運(yùn)行控制。輸出濾波器用于濾除逆變過(guò)程中產(chǎn)生的高次諧波，使輸出的交流電更加接近正弦波，滿足負(fù)載對(duì)電能質(zhì)量的要求。在AC-DC-AC系統(tǒng)中，雙PWM變流器的整流側(cè)和逆變側(cè)相互配合，實(shí)現(xiàn)了電能的高效轉(zhuǎn)換和靈活控制。整流側(cè)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過(guò)程中，通過(guò)控制策略可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的正弦化，使功率因數(shù)接近1，減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染；逆變側(cè)將直流電逆變?yōu)榻涣麟姇r(shí)，能夠精確控制輸出電壓的頻率和幅值，滿足不同負(fù)載的需求。在一個(gè)典型的交流調(diào)速系統(tǒng)中，整流側(cè)將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電，逆變側(cè)根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩要求，將直流電逆變?yōu)轭l率和幅值合適的交流電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。同時(shí)，當(dāng)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，再生能量通過(guò)逆變側(cè)回饋到直流母線，再由整流側(cè)回饋到電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了能量的回收利用，提高了系統(tǒng)的能源利用效率。雙PWM變流器的這種基本結(jié)構(gòu)和工作方式，使其在現(xiàn)代電力電子領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的研究?jī)r(jià)值。2.2整流側(cè)工作原理2.2.1電壓型與電流型整流器對(duì)比在雙PWM變流器的整流側(cè)，電壓型PWM整流器和電流型PWM整流器是兩種常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們?cè)诙鄠€(gè)方面存在顯著差異，各自適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)看，電壓型PWM整流器的直流側(cè)采用大電容濾波，相當(dāng)于一個(gè)電壓源，其三相全橋電路由6個(gè)功率開(kāi)關(guān)管和6個(gè)反并聯(lián)二極管組成。在一個(gè)典型的三相電壓型PWM整流器中，直流側(cè)電容能夠平滑直流電壓，使直流母線電壓保持相對(duì)穩(wěn)定，為逆變側(cè)提供穩(wěn)定的直流電源。而電流型PWM整流器的直流側(cè)采用大電感濾波，等效為一個(gè)電流源，其主電路通常由6個(gè)晶閘管組成，通過(guò)晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷來(lái)控制電流的流向和大小。電流型PWM整流器的直流側(cè)電感可以抑制電流的突變，使直流電流保持平穩(wěn)。在工作特性方面，電壓型PWM整流器具有輸出直流電壓穩(wěn)定的特點(diǎn)，能夠快速跟蹤電壓指令信號(hào)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快。它可以通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，精確調(diào)節(jié)輸出電壓的大小和相位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交流側(cè)電流的有效控制，使網(wǎng)側(cè)電流正弦化，功率因數(shù)接近1。電壓型PWM整流器在小功率場(chǎng)合，如家用電器、辦公設(shè)備等的電源轉(zhuǎn)換中應(yīng)用廣泛，能夠滿足這些設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量和體積的要求。電流型PWM整流器則以其輸出直流電流穩(wěn)定為優(yōu)勢(shì)，對(duì)負(fù)載電流的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。由于直流側(cè)電感的儲(chǔ)能作用，在負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，電流型PWM整流器能夠快速調(diào)整電流，保持輸出電流的穩(wěn)定。電流型PWM整流器適用于大功率場(chǎng)合，如工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、高壓直流輸電等領(lǐng)域。在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，電流型PWM整流器能夠?yàn)殡姍C(jī)提供穩(wěn)定的電流，保證電機(jī)的可靠運(yùn)行，同時(shí)其能夠承受較大的電流變化，適應(yīng)電機(jī)在啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速過(guò)程中的電流需求。兩種整流器在成本和效率方面也有所不同。電壓型PWM整流器由于采用了較多的功率開(kāi)關(guān)管和電容等元件，成本相對(duì)較高，但在中小功率范圍內(nèi)，其效率表現(xiàn)較好。電流型PWM整流器雖然晶閘管的成本相對(duì)較低，但由于直流側(cè)電感的體積和重量較大，整體成本也不容忽視，不過(guò)在大功率應(yīng)用中，其效率優(yōu)勢(shì)較為明顯。電壓型PWM整流器和電流型PWM整流器各有特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的需求，如功率等級(jí)、負(fù)載特性、對(duì)電能質(zhì)量的要求以及成本限制等因素，綜合考慮選擇合適的整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)雙PWM變流器的高效穩(wěn)定運(yùn)行。2.2.2雙閉環(huán)PI控制原理在整流側(cè)，雙閉環(huán)PI控制是一種常用且有效的控制策略，它由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成，通過(guò)兩個(gè)閉環(huán)的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)整流器輸出電壓和電流的精確控制，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。電壓外環(huán)的主要作用是維持直流母線電壓的穩(wěn)定。它以直流母線電壓的實(shí)際值與給定值的差值作為輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器的運(yùn)算，輸出一個(gè)電流指令信號(hào)。PI調(diào)節(jié)器是一種線性控制器，由比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)組成。比例環(huán)節(jié)能夠快速響應(yīng)輸入信號(hào)的變化，根據(jù)電壓偏差的大小輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，使系統(tǒng)能夠迅速對(duì)電壓變化做出調(diào)整；積分環(huán)節(jié)則用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，通過(guò)對(duì)電壓偏差的積分運(yùn)算，不斷積累控制量，直到電壓偏差為零，從而保證直流母線電壓穩(wěn)定在給定值附近。在一個(gè)實(shí)際的雙PWM變流器系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載變化或電網(wǎng)電壓波動(dòng)導(dǎo)致直流母線電壓下降時(shí)，電壓外環(huán)檢測(cè)到電壓偏差，PI調(diào)節(jié)器會(huì)增大輸出的電流指令信號(hào)，以提高整流器的輸出功率，從而使直流母線電壓回升到給定值。電流內(nèi)環(huán)則負(fù)責(zé)跟蹤電壓外環(huán)輸出的電流指令信號(hào)，并對(duì)網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行精確控制。它將網(wǎng)側(cè)電流的實(shí)際值與電壓外環(huán)給出的電流指令值進(jìn)行比較，得到的誤差信號(hào)輸入到另一個(gè)PI調(diào)節(jié)器中。經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，輸出的控制信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制網(wǎng)側(cè)電流的大小和相位。電流內(nèi)環(huán)的PI調(diào)節(jié)器同樣利用比例環(huán)節(jié)快速響應(yīng)電流誤差的變化，積分環(huán)節(jié)消除電流的穩(wěn)態(tài)誤差，使網(wǎng)側(cè)電流能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤電流指令信號(hào)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的正弦化，并提高功率因數(shù)。當(dāng)電壓外環(huán)輸出的電流指令信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，電流內(nèi)環(huán)能夠迅速調(diào)整網(wǎng)側(cè)電流，使其跟蹤指令信號(hào)的變化，保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。解耦設(shè)計(jì)在雙閉環(huán)PI控制中對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有著重要影響。由于三相交流系統(tǒng)中存在著電感和互感，電流之間存在耦合關(guān)系，直接對(duì)電流進(jìn)行控制會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。通過(guò)解耦設(shè)計(jì)，引入前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，將電流的交叉耦合項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償，使電流內(nèi)環(huán)能夠獨(dú)立地對(duì)各相電流進(jìn)行控制。在dq坐標(biāo)系下，對(duì)d軸電流和q軸電流進(jìn)行解耦控制，d軸電流主要控制有功功率，q軸電流主要控制無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)了有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。解耦設(shè)計(jì)有效提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，使雙PWM變流器能夠更好地適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載變化等復(fù)雜工況。雙閉環(huán)PI控制中的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)相互配合，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用以及解耦設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整流側(cè)輸出電壓和電流的精確控制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能和電能質(zhì)量，是雙PWM變流器整流側(cè)控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。2.3逆變側(cè)工作原理2.3.1雙閉環(huán)PI控制與svpwm技術(shù)結(jié)合在雙PWM變流器的逆變側(cè)，雙閉環(huán)PI控制策略與空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)相結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓和精確控制的關(guān)鍵。雙閉環(huán)PI控制由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成，電壓外環(huán)主要負(fù)責(zé)維持輸出電壓的穩(wěn)定，使其跟蹤給定的參考電壓值。它以輸出電壓的實(shí)際值與給定值之間的偏差作為輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器的運(yùn)算，輸出一個(gè)電流指令信號(hào)。PI調(diào)節(jié)器中的比例環(huán)節(jié)能夠根據(jù)電壓偏差的大小快速調(diào)整控制量，使系統(tǒng)對(duì)電壓變化做出及時(shí)響應(yīng)；積分環(huán)節(jié)則用于消除電壓偏差的穩(wěn)態(tài)誤差，通過(guò)不斷積累控制量，確保輸出電壓穩(wěn)定在給定值附近。在一個(gè)實(shí)際的逆變系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化導(dǎo)致輸出電壓下降時(shí)，電壓外環(huán)檢測(cè)到電壓偏差，PI調(diào)節(jié)器會(huì)增大輸出的電流指令信號(hào)，以提高逆變器的輸出功率，從而使輸出電壓回升到給定值。電流內(nèi)環(huán)的作用是跟蹤電壓外環(huán)輸出的電流指令信號(hào)，并對(duì)輸出電流進(jìn)行精確控制。它將輸出電流的實(shí)際值與電流指令值進(jìn)行比較，得到的誤差信號(hào)輸入到另一個(gè)PI調(diào)節(jié)器中。經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，輸出的控制信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的大小和相位的精確控制。電流內(nèi)環(huán)的PI調(diào)節(jié)器同樣利用比例環(huán)節(jié)快速響應(yīng)電流誤差的變化，積分環(huán)節(jié)消除電流的穩(wěn)態(tài)誤差，使輸出電流能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤電流指令信號(hào)，保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)電壓外環(huán)輸出的電流指令信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，電流內(nèi)環(huán)能夠迅速調(diào)整輸出電流，使其跟蹤指令信號(hào)的變化，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力。SVPWM技術(shù)在逆變側(cè)起著至關(guān)重要的作用。它通過(guò)合理地控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，將直流電壓轉(zhuǎn)換為三相交流電壓輸出。SVPWM技術(shù)的基本原理是利用逆變器的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合，產(chǎn)生一系列的電壓矢量，通過(guò)對(duì)這些電壓矢量的合成和切換，來(lái)逼近理想的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精確控制。與傳統(tǒng)的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)相比，SVPWM技術(shù)具有更高的直流電壓利用率，能夠使逆變器輸出的線電壓基波幅值達(dá)到直流母線電壓的√3/2倍，而SPWM技術(shù)的線電壓基波幅值最大只能達(dá)到直流母線電壓的1/2倍。SVPWM技術(shù)產(chǎn)生的諧波含量更低，能夠有效提高輸出電壓的質(zhì)量，減少諧波對(duì)負(fù)載的影響。在一個(gè)對(duì)電能質(zhì)量要求較高的工業(yè)應(yīng)用中，采用SVPWM技術(shù)的雙PWM變流器能夠?yàn)樨?fù)載提供更加穩(wěn)定、純凈的交流電，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。雙閉環(huán)PI控制與SVPWM技術(shù)的結(jié)合，使得逆變側(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓和精確的控制。電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的協(xié)同工作，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能；SVPWM技術(shù)則實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電壓的高效轉(zhuǎn)換和精確控制，提高了直流電壓利用率和輸出電壓質(zhì)量。這種結(jié)合方式在現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，為各種負(fù)載提供了高質(zhì)量的電能。2.3.2常見(jiàn)逆變控制策略分析除了雙閉環(huán)PI控制策略，逆變側(cè)還有其他一些常見(jiàn)的控制策略，每種策略都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）是一種較為常用的控制策略，它直接對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行控制。DTC的優(yōu)點(diǎn)在于控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的坐標(biāo)變換和電流解耦環(huán)節(jié)，能夠快速響應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的變化，動(dòng)態(tài)性能良好。在一些對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求較高的場(chǎng)合，如電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，DTC能夠使電機(jī)迅速響應(yīng)駕駛員的操作指令，實(shí)現(xiàn)快速的加速和減速。DTC也存在一些缺點(diǎn)，由于其采用的是滯環(huán)控制方式，開(kāi)關(guān)頻率不固定，會(huì)導(dǎo)致輸出電流和轉(zhuǎn)矩存在較大的脈動(dòng)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和舒適性，在低速運(yùn)行時(shí)，這種脈動(dòng)問(wèn)題更為明顯，可能會(huì)引起電機(jī)的振動(dòng)和噪聲。模型預(yù)測(cè)控制（MPC）近年來(lái)在逆變控制領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。MPC利用變流器的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)其未來(lái)的狀態(tài)，通過(guò)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，在每個(gè)控制周期內(nèi)選擇最優(yōu)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。這種控制策略具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，能夠同時(shí)考慮多個(gè)控制目標(biāo)，如輸出電壓、電流、功率因數(shù)等。在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，MPC可以根據(jù)不同分布式電源的發(fā)電情況和負(fù)載需求，靈活地調(diào)整逆變器的輸出，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。然而，MPC的計(jì)算量較大，對(duì)硬件的計(jì)算能力要求較高，需要高性能的處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算，這增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，其控制性能對(duì)模型的準(zhǔn)確性依賴(lài)較大，如果模型存在誤差，可能會(huì)影響控制效果。模糊控制是一種基于模糊邏輯的智能控制策略，它不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和模糊規(guī)則進(jìn)行控制。模糊控制具有較強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)性，能夠在系統(tǒng)參數(shù)變化和外界干擾的情況下保持較好的控制性能。在一些復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，如冶金、化工等領(lǐng)域，系統(tǒng)的參數(shù)和工況經(jīng)常發(fā)生變化，模糊控制能夠根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)整控制策略，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。模糊控制的控制精度相對(duì)較低，控制規(guī)則的制定需要一定的經(jīng)驗(yàn)和技巧，缺乏系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)方法，可能會(huì)導(dǎo)致控制效果不佳。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制也是一種智能控制策略，它通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠逼近任意復(fù)雜的非線性函數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的非線性和不確定性具有較好的適應(yīng)性。在一些具有強(qiáng)非線性特性的負(fù)載應(yīng)用中，如電力電子變換器驅(qū)動(dòng)的非線性電機(jī)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以有效地提高控制性能。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要大量的數(shù)據(jù)和較長(zhǎng)的時(shí)間，計(jì)算復(fù)雜度高，實(shí)時(shí)性較差，在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)受到一定的限制。不同的逆變控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的需求，如系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求、對(duì)控制精度的要求、成本限制以及系統(tǒng)的復(fù)雜性等因素，綜合考慮選擇合適的控制策略，以實(shí)現(xiàn)雙PWM變流器逆變側(cè)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。三、雙PWM變流器建模方法3.1電路模型建立雙PWM變流器的電路模型建立是深入研究其工作特性和控制策略的基礎(chǔ)，對(duì)于準(zhǔn)確分析變流器在不同工況下的運(yùn)行狀態(tài)至關(guān)重要。在建立電路模型時(shí)，需要全面考慮功率器件的開(kāi)關(guān)特性、電感電容的儲(chǔ)能特性以及線路電阻等因素，以確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。雙PWM變流器主要由機(jī)側(cè)PWM變流器、網(wǎng)側(cè)PWM變流器以及直流母線組成。以三相電壓型雙PWM變流器為例，其機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)的主電路結(jié)構(gòu)均為三相全橋電路，由6個(gè)功率開(kāi)關(guān)管（如絕緣柵雙極型晶體管IGBT）和6個(gè)反并聯(lián)二極管組成。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，機(jī)側(cè)PWM變流器連接永磁同步發(fā)電機(jī)，將發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電；網(wǎng)側(cè)PWM變流器則連接直流母線與電網(wǎng)，將直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟婐伻腚娋W(wǎng)。直流母線起到能量傳輸和存儲(chǔ)的作用，通過(guò)電容進(jìn)行濾波，以保持直流電壓的穩(wěn)定。在建立電路模型時(shí)，功率器件的開(kāi)關(guān)特性是需要重點(diǎn)考慮的因素之一。IGBT等功率開(kāi)關(guān)管在導(dǎo)通和關(guān)斷過(guò)程中存在一定的時(shí)間延遲和電壓電流變化，這些特性會(huì)影響變流器的動(dòng)態(tài)性能和效率。在開(kāi)關(guān)瞬間，IGBT的導(dǎo)通電阻和關(guān)斷漏電流會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致功率損耗的產(chǎn)生。因此，在模型中需要準(zhǔn)確描述功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)過(guò)程，通常采用理想開(kāi)關(guān)模型結(jié)合開(kāi)關(guān)損耗模型的方式進(jìn)行建模。理想開(kāi)關(guān)模型將功率開(kāi)關(guān)管視為理想的通斷元件，根據(jù)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)電路的導(dǎo)通和關(guān)斷；開(kāi)關(guān)損耗模型則考慮開(kāi)關(guān)過(guò)程中的能量損耗，通過(guò)計(jì)算開(kāi)關(guān)時(shí)間、電壓電流變化等參數(shù)來(lái)確定損耗的大小。電感和電容作為電路中的儲(chǔ)能元件，其特性對(duì)雙PWM變流器的性能也有著重要影響。電感能夠抑制電流的突變，在變流器中起到平滑電流、減少電流諧波的作用。在網(wǎng)側(cè)PWM變流器的輸入側(cè)，通常會(huì)串聯(lián)電感，以限制電流的變化率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電容則用于平滑電壓，直流母線電容能夠存儲(chǔ)能量，減少直流電壓的波動(dòng)，為逆變側(cè)提供穩(wěn)定的直流電源。在建立電路模型時(shí)，需要根據(jù)電感和電容的實(shí)際參數(shù)，如電感值、電容值、等效串聯(lián)電阻等，準(zhǔn)確描述其儲(chǔ)能和濾波特性。通過(guò)建立電感和電容的數(shù)學(xué)模型，可以分析它們?cè)诓煌ぷ鳡顟B(tài)下對(duì)變流器性能的影響，為電路參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。線路電阻同樣不容忽視，它會(huì)導(dǎo)致功率損耗和電壓降的產(chǎn)生。在實(shí)際的雙PWM變流器系統(tǒng)中，連接各個(gè)部件的線路存在一定的電阻，尤其是在長(zhǎng)距離傳輸或大功率應(yīng)用中，線路電阻的影響更為明顯。線路電阻會(huì)使電流在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生功率損耗，降低系統(tǒng)的效率；同時(shí)，線路電阻上的電壓降會(huì)影響變流器的輸出電壓和電流，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。在電路模型中，需要考慮線路電阻的影響，將其等效為串聯(lián)在電路中的電阻元件，通過(guò)計(jì)算電阻上的功率損耗和電壓降，評(píng)估線路電阻對(duì)變流器性能的影響程度。關(guān)鍵參數(shù)如電感值、電容值和開(kāi)關(guān)頻率等對(duì)電路模型有著顯著影響。電感值的大小會(huì)影響電流的變化率和濾波效果，較大的電感值可以更好地抑制電流諧波，但也會(huì)增加系統(tǒng)的體積和成本，同時(shí)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；較小的電感值則可能導(dǎo)致電流諧波增加，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電容值的選擇會(huì)影響直流電壓的穩(wěn)定性和紋波大小，較大的電容值可以使直流電壓更加平穩(wěn)，但會(huì)增加電容的體積和成本；較小的電容值則可能導(dǎo)致直流電壓波動(dòng)較大，影響變流器的正常工作。開(kāi)關(guān)頻率的高低會(huì)影響功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗和輸出波形的質(zhì)量，較高的開(kāi)關(guān)頻率可以使輸出波形更加接近正弦波，減少諧波含量，但會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，降低變流器的效率；較低的開(kāi)關(guān)頻率則會(huì)導(dǎo)致輸出波形諧波增加，影響電能質(zhì)量。因此，在建立電路模型時(shí)，需要綜合考慮這些關(guān)鍵參數(shù)的影響，通過(guò)優(yōu)化參數(shù)取值，實(shí)現(xiàn)雙PWM變流器性能的優(yōu)化。通過(guò)全面考慮功率器件的開(kāi)關(guān)特性、電感電容的儲(chǔ)能特性、線路電阻以及關(guān)鍵參數(shù)的影響，建立準(zhǔn)確的雙PWM變流器電路模型，為后續(xù)的控制策略研究和系統(tǒng)性能分析提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有助于實(shí)現(xiàn)雙PWM變流器的高效穩(wěn)定運(yùn)行。三、雙PWM變流器建模方法3.2基于Matlab/Simulink的仿真建模3.2.1仿真平臺(tái)介紹Matlab/Simulink是一款在工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的強(qiáng)大仿真平臺(tái)，由MathWorks公司開(kāi)發(fā)。Matlab作為一種高級(jí)編程語(yǔ)言和交互式環(huán)境，具備強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析以及算法開(kāi)發(fā)能力，而Simulink是Matlab的重要附加產(chǎn)品，為用戶提供了一個(gè)可視化的多域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)環(huán)境，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)建模與仿真的過(guò)程。Simulink具有直觀的圖形化界面，用戶通過(guò)簡(jiǎn)單的拖放操作，將來(lái)自不同功能庫(kù)的模塊進(jìn)行連接，就能輕松搭建出復(fù)雜系統(tǒng)的模型。在搭建雙PWM變流器仿真模型時(shí)，用戶可以從Simulink的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)中直接拖出電源模塊、功率開(kāi)關(guān)管模塊、電感電容模塊等，按照雙PWM變流器的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，快速構(gòu)建出模型框架，無(wú)需繁瑣的代碼編寫(xiě)，大大提高了建模效率。該平臺(tái)支持線性與非線性系統(tǒng)、連續(xù)與離散系統(tǒng)以及多種混合系統(tǒng)的仿真，能夠全面模擬各種復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)行為。雙PWM變流器在運(yùn)行過(guò)程中，功率器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作呈現(xiàn)出非線性特性，同時(shí)系統(tǒng)中既包含連續(xù)變化的電壓、電流信號(hào)，又存在離散的控制信號(hào)，Simulink能夠很好地處理這些復(fù)雜特性，準(zhǔn)確模擬雙PWM變流器的工作狀態(tài)。Simulink提供了豐富的分析工具和可視化功能，用戶可以方便地對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行深入分析和直觀展示。在雙PWM變流器的仿真中，用戶可以利用示波器模塊實(shí)時(shí)觀察變流器的輸出電壓、電流波形，分析其諧波含量；通過(guò)功率測(cè)量模塊計(jì)算有功功率和無(wú)功功率，評(píng)估系統(tǒng)的功率特性；利用頻譜分析工具對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，了解系統(tǒng)的頻率特性等。這些分析工具和可視化功能有助于用戶全面了解雙PWM變流器的性能，為優(yōu)化控制策略和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有力支持。在電力電子系統(tǒng)仿真領(lǐng)域，Matlab/Simulink更是占據(jù)著重要地位。它擁有專(zhuān)門(mén)的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)（SimPowerSystems），該庫(kù)包含了大量電力電子元件和電力系統(tǒng)設(shè)備的模型，如各種類(lèi)型的電源、變壓器、電機(jī)、電力電子器件（二極管、晶閘管、IGBT等）以及濾波器等。這些豐富的模型資源使得用戶能夠快速搭建各種電力電子系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)驗(yàn)證、性能分析以及控制策略研究等工作。在研究新型電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，用戶可以利用Simulink搭建模型，對(duì)新拓?fù)涞目尚行院托阅苓M(jìn)行仿真驗(yàn)證，減少實(shí)際實(shí)驗(yàn)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。Matlab/Simulink還支持與其他軟件的協(xié)同仿真，如與電路仿真軟件PSpice、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件MATLABControlSystemToolbox等進(jìn)行聯(lián)合仿真，進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用范圍，提高了仿真的準(zhǔn)確性和全面性。3.2.2模型搭建與參數(shù)設(shè)置在Matlab/Simulink中搭建雙PWM變流器仿真模型，需要按照一定的步驟進(jìn)行，以確保模型的準(zhǔn)確性和完整性，同時(shí)合理設(shè)置參數(shù)，使其能夠真實(shí)反映雙PWM變流器的實(shí)際工作情況。搭建雙PWM變流器仿真模型時(shí)，首先從Simulink的模塊庫(kù)中選擇所需的基本模塊。從電源模塊庫(kù)中拖出三相交流電壓源模塊，用于模擬電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電；在電力電子模塊庫(kù)中選取三相全橋模塊，分別作為機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)PWM變流器的主電路，三相全橋模塊由6個(gè)功率開(kāi)關(guān)管和6個(gè)反并聯(lián)二極管組成，能夠?qū)崿F(xiàn)交流電與直流電的雙向轉(zhuǎn)換；從電氣元件模塊庫(kù)中添加電感和電容模塊，電感用于限制電流變化率、減少電流諧波，電容則用于平滑電壓、存儲(chǔ)能量，在網(wǎng)側(cè)PWM變流器的輸入側(cè)串聯(lián)電感，在直流母線側(cè)并聯(lián)電容。按照雙PWM變流器的實(shí)際電路結(jié)構(gòu)，將各個(gè)模塊進(jìn)行連接。將三相交流電壓源的輸出端連接到機(jī)側(cè)PWM變流器的交流輸入端，機(jī)側(cè)PWM變流器的直流輸出端通過(guò)直流母線與網(wǎng)側(cè)PWM變流器的直流輸入端相連，網(wǎng)側(cè)PWM變流器的交流輸出端連接到負(fù)載或電網(wǎng)。連接過(guò)程中，要注意模塊端口的電氣特性和連接順序，確保電路連接的正確性。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)雙PWM變流器的控制，還需要搭建相應(yīng)的控制模塊。采用雙閉環(huán)PI控制策略時(shí)，需要構(gòu)建電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的PI調(diào)節(jié)器模塊。電壓外環(huán)以直流母線電壓的實(shí)際值與給定值的差值作為輸入，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算后輸出電流指令信號(hào)；電流內(nèi)環(huán)將網(wǎng)側(cè)電流的實(shí)際值與電壓外環(huán)給出的電流指令值進(jìn)行比較，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。在Simulink中，可以利用數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊和PI調(diào)節(jié)器模塊來(lái)搭建這些控制環(huán)節(jié)，并將控制信號(hào)正確連接到三相全橋模塊的控制端。合理設(shè)置模型參數(shù)是保證仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。對(duì)于三相交流電壓源，需要設(shè)置其幅值、頻率和相位等參數(shù)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，幅值通常設(shè)置為電網(wǎng)的額定電壓，如380V（線電壓有效值），頻率設(shè)置為50Hz；電感的電感值和電容的電容值對(duì)雙PWM變流器的性能有重要影響，電感值的選擇要考慮電流諧波抑制和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求，電容值則要滿足直流電壓平滑的需求，通常電感值在幾毫亨到幾十毫亨之間，電容值在幾百微法到幾千微法之間，具體數(shù)值需要根據(jù)系統(tǒng)的功率等級(jí)和性能要求進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化。功率開(kāi)關(guān)管的參數(shù)設(shè)置也不容忽視，包括開(kāi)關(guān)頻率、導(dǎo)通電阻、關(guān)斷漏電流等，開(kāi)關(guān)頻率的提高可以減少輸出電流的諧波含量，但會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，一般開(kāi)關(guān)頻率在幾千赫茲到幾十千赫茲之間。在雙閉環(huán)PI控制中，PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，如比例系數(shù)和積分系數(shù)，需要通過(guò)調(diào)試和優(yōu)化來(lái)確定，以獲得良好的控制性能。通?？梢圆捎媒?jīng)驗(yàn)法、試湊法或基于系統(tǒng)模型的參數(shù)計(jì)算方法來(lái)確定PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下都能達(dá)到較好的性能指標(biāo)。在Matlab/Simulink中搭建雙PWM變流器仿真模型并合理設(shè)置參數(shù)，能夠?yàn)殡pPWM變流器的研究和分析提供有效的工具，通過(guò)仿真可以深入了解變流器的工作特性，優(yōu)化控制策略，為實(shí)際應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)參考。四、雙PWM變流器控制策略4.1網(wǎng)側(cè)變流器控制策略4.1.1定子電壓定向控制定子電壓定向控制是網(wǎng)側(cè)變流器一種常用且重要的控制策略，其原理基于坐標(biāo)變換和矢量控制理論。在三相交流系統(tǒng)中，通過(guò)將靜止坐標(biāo)系下的三相交流量轉(zhuǎn)換到以電網(wǎng)電壓矢量定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）下，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器的有效控制。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先進(jìn)行坐標(biāo)變換。將三相靜止坐標(biāo)系（abc坐標(biāo)系）下的電壓和電流通過(guò)克拉克變換（Clarke變換）轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系（αβ坐標(biāo)系），再經(jīng)過(guò)帕克變換（Park變換）轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系。在dq坐標(biāo)系中，當(dāng)d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量時(shí)，電網(wǎng)電壓的q軸分量為0，即u_{gd}=|U_g|，u_{gq}=0，其中U_g為電網(wǎng)相電壓幅值。此時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型得到簡(jiǎn)化，便于后續(xù)的控制分析和設(shè)計(jì)。在定子電壓定向控制中，通過(guò)控制dq坐標(biāo)系下的電流分量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標(biāo)。d軸電流主要控制有功功率，q軸電流主要控制無(wú)功功率。根據(jù)網(wǎng)側(cè)變流器的功能需求，如保持直流母線電壓穩(wěn)定和控制輸入功率因數(shù)等，分別對(duì)d軸電流和q軸電流進(jìn)行控制。為了保持直流母線電壓穩(wěn)定，需要控制交流側(cè)輸入的有功功率，在電網(wǎng)電壓恒定的條件下，即控制輸入電流的有功分量（d軸電流）。當(dāng)直流母線電壓低于給定值時(shí)，通過(guò)增大d軸電流參考值，使網(wǎng)側(cè)變流器從電網(wǎng)吸收更多的有功功率，從而提高直流母線電壓；反之，當(dāng)直流母線電壓高于給定值時(shí)，減小d軸電流參考值，使網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)回饋有功功率，降低直流母線電壓。在控制輸入功率因數(shù)方面，通過(guò)調(diào)節(jié)q軸電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。若要實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，可將q軸電流參考值設(shè)置為0，使網(wǎng)側(cè)變流器只吸收有功功率，不吸收無(wú)功功率；若需要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，則根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整q軸電流參考值，使網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)發(fā)出或吸收無(wú)功功率。定子電壓定向控制對(duì)功率轉(zhuǎn)換效率有著顯著影響。由于該控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，使網(wǎng)側(cè)變流器能夠根據(jù)實(shí)際需求靈活地調(diào)整功率輸出，從而提高了功率轉(zhuǎn)換效率。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的功率也會(huì)相應(yīng)改變，通過(guò)定子電壓定向控制，網(wǎng)側(cè)變流器能夠快速調(diào)整有功功率和無(wú)功功率的輸出，確保直流母線電壓穩(wěn)定，并使網(wǎng)側(cè)電流保持正弦波，功率因數(shù)接近1，減少了能量損耗，提高了電能的利用效率。該控制策略能夠有效抑制電流諧波，減少諧波損耗，進(jìn)一步提高了功率轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)精確控制dq坐標(biāo)系下的電流分量，使網(wǎng)側(cè)電流的波形更加接近正弦波，降低了電流諧波含量，減少了諧波對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的影響，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。4.1.2其他網(wǎng)側(cè)控制策略探討除了定子電壓定向控制，網(wǎng)側(cè)變流器還有其他一些控制策略，它們?cè)诓煌r下有著各自獨(dú)特的應(yīng)用效果。直接功率控制（DPC）是一種較為常見(jiàn)的控制策略。DPC直接對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行控制，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換和電流解耦。其原理是通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)網(wǎng)側(cè)電壓和電流，計(jì)算出有功功率和無(wú)功功率，然后根據(jù)功率偏差直接選擇合適的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使功率快速跟蹤給定值。在一些對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求較高的場(chǎng)合，如微電網(wǎng)中分布式電源的并網(wǎng)控制，DPC能夠快速響應(yīng)功率的變化，實(shí)現(xiàn)功率的精確控制。當(dāng)分布式電源的發(fā)電功率突然變化時(shí)，DPC可以迅速調(diào)整網(wǎng)側(cè)變流器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使有功功率和無(wú)功功率快速跟蹤新的給定值，保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。DPC也存在一些缺點(diǎn)，由于其開(kāi)關(guān)狀態(tài)的選擇是基于功率偏差的離散控制，開(kāi)關(guān)頻率不固定，會(huì)導(dǎo)致電流諧波含量較高，影響電能質(zhì)量，在低功率運(yùn)行時(shí)，功率波動(dòng)較大，控制精度相對(duì)較低。模型預(yù)測(cè)控制（MPC）近年來(lái)在網(wǎng)側(cè)變流器控制中也得到了廣泛研究和應(yīng)用。MPC利用網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)其未來(lái)的狀態(tài)，通過(guò)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，在每個(gè)控制周期內(nèi)選擇最優(yōu)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。該控制策略能夠同時(shí)考慮多個(gè)控制目標(biāo)，如功率、電流、電壓等，具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。在電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大的情況下，MPC可以根據(jù)預(yù)測(cè)的電網(wǎng)電壓變化，提前調(diào)整網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略，使網(wǎng)側(cè)電流保持穩(wěn)定，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。MPC的計(jì)算量較大，對(duì)硬件的計(jì)算能力要求較高，需要高性能的處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算，這增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，其控制性能對(duì)模型的準(zhǔn)確性依賴(lài)較大，如果模型存在誤差，可能會(huì)影響控制效果。滑模變結(jié)構(gòu)控制（SMC）也是一種有效的網(wǎng)側(cè)變流器控制策略。SMC通過(guò)設(shè)計(jì)滑模面，使系統(tǒng)狀態(tài)在滑模面上滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。其具有較強(qiáng)的魯棒性，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化和外界干擾不敏感。在網(wǎng)側(cè)變流器面臨電網(wǎng)電壓畸變、負(fù)載突變等復(fù)雜工況時(shí)，SMC能夠保持較好的控制性能，使網(wǎng)側(cè)電流和功率穩(wěn)定。在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)諧波時(shí)，SMC可以通過(guò)調(diào)整控制策略，有效抑制諧波對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器的影響，保證網(wǎng)側(cè)電流的正弦性。SMC在滑模切換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生抖振現(xiàn)象，這可能會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命，需要采取一定的措施來(lái)削弱抖振。不同的網(wǎng)側(cè)控制策略各有優(yōu)劣。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的工況需求，如對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、控制精度、電能質(zhì)量以及成本等因素的考量，綜合選擇合適的控制策略，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變流器的高效穩(wěn)定運(yùn)行。4.2機(jī)側(cè)變流器控制策略4.2.1轉(zhuǎn)速外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制機(jī)側(cè)變流器采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制策略，是實(shí)現(xiàn)電機(jī)高效穩(wěn)定運(yùn)行以及功率解耦控制的關(guān)鍵技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電力傳動(dòng)系統(tǒng)和新能源發(fā)電領(lǐng)域，如風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的永磁同步發(fā)電機(jī)控制。轉(zhuǎn)速外環(huán)的主要作用是根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行需求，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制，使其跟蹤給定的轉(zhuǎn)速指令。它以電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的差值作為輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（通常為PI調(diào)節(jié)器）的運(yùn)算，輸出一個(gè)轉(zhuǎn)矩電流指令信號(hào)。PI調(diào)節(jié)器中的比例環(huán)節(jié)能夠根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差的大小快速調(diào)整控制量，使電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速變化做出及時(shí)響應(yīng)；積分環(huán)節(jié)則用于消除轉(zhuǎn)速偏差的穩(wěn)態(tài)誤差，通過(guò)不斷積累控制量，確保電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定值附近。在一個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)相應(yīng)改變，轉(zhuǎn)速外環(huán)檢測(cè)到轉(zhuǎn)速偏差后，PI調(diào)節(jié)器會(huì)調(diào)整轉(zhuǎn)矩電流指令信號(hào)，通過(guò)機(jī)側(cè)變流器控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持在最佳值，以實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。電流內(nèi)環(huán)則負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)的電流進(jìn)行精確控制，確保電機(jī)按照轉(zhuǎn)速外環(huán)給出的轉(zhuǎn)矩電流指令運(yùn)行。它將電機(jī)的實(shí)際電流與轉(zhuǎn)矩電流指令值進(jìn)行比較，得到的誤差信號(hào)輸入到電流調(diào)節(jié)器（同樣為PI調(diào)節(jié)器）中。經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，輸出的控制信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)機(jī)側(cè)變流器中功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制電機(jī)的電流大小和相位。電流內(nèi)環(huán)的PI調(diào)節(jié)器利用比例環(huán)節(jié)快速響應(yīng)電流誤差的變化，積分環(huán)節(jié)消除電流的穩(wěn)態(tài)誤差，使電機(jī)電流能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤轉(zhuǎn)矩電流指令信號(hào)，保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)轉(zhuǎn)速外環(huán)輸出的轉(zhuǎn)矩電流指令信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，電流內(nèi)環(huán)能夠迅速調(diào)整電機(jī)電流，使其跟蹤指令信號(hào)的變化，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力。在雙閉環(huán)控制中，功率解耦控制是一個(gè)重要目標(biāo)。通過(guò)將電機(jī)的電流分解為轉(zhuǎn)矩電流分量（通常對(duì)應(yīng)q軸電流）和勵(lì)磁電流分量（通常對(duì)應(yīng)d軸電流），實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的獨(dú)立控制。在永磁同步發(fā)電機(jī)中，d軸電流用于控制勵(lì)磁磁鏈，q軸電流用于控制電磁轉(zhuǎn)矩。通過(guò)分別調(diào)節(jié)d軸電流和q軸電流，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的功率解耦控制，使電機(jī)在不同工況下都能高效運(yùn)行。在電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程中，可以通過(guò)控制d軸電流建立合適的勵(lì)磁磁場(chǎng)，同時(shí)控制q軸電流產(chǎn)生足夠的電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)快速平穩(wěn)地啟動(dòng)；在電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)負(fù)載的變化實(shí)時(shí)調(diào)整q軸電流，保持電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，而d軸電流則保持相對(duì)穩(wěn)定，維持勵(lì)磁磁場(chǎng)的穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制和功率解耦控制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能和運(yùn)行效率，是機(jī)側(cè)變流器控制的核心策略之一。4.2.2諧波抑制控制策略機(jī)側(cè)變流器在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生諧波，這些諧波不僅會(huì)影響自身的性能，還會(huì)對(duì)電網(wǎng)和其他用電設(shè)備造成不良影響，因此需要采用有效的諧波抑制控制策略。機(jī)側(cè)變流器產(chǎn)生諧波的原因較為復(fù)雜。PWM調(diào)制技術(shù)是導(dǎo)致諧波產(chǎn)生的主要原因之一。在PWM調(diào)制過(guò)程中，通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓輸出。由于開(kāi)關(guān)動(dòng)作的非連續(xù)性，會(huì)在輸出電壓和電流中引入高頻諧波分量。當(dāng)采用常規(guī)的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)時(shí)，輸出電壓波形是由一系列等幅不等寬的脈沖組成，這些脈沖的頻率和寬度變化會(huì)產(chǎn)生諧波。電容濾波器雖然能夠在一定程度上濾除諧波，但由于其自身的特性和參數(shù)限制，無(wú)法完全消除諧波，甚至可能會(huì)在某些頻率下與系統(tǒng)產(chǎn)生諧振，導(dǎo)致諧波放大。電機(jī)的非線性特性也會(huì)對(duì)諧波產(chǎn)生產(chǎn)生影響。電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，其繞組的電感、電阻等參數(shù)會(huì)隨著電流和溫度的變化而變化，這種非線性特性會(huì)使電機(jī)的電流和電壓波形發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生諧波。為了抑制機(jī)側(cè)變流器產(chǎn)生的諧波，采用PI與準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器聯(lián)合的控制策略是一種有效的方法。PI調(diào)節(jié)器在控制系統(tǒng)中能夠?qū)χ绷鞣至窟M(jìn)行有效調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)整比例系數(shù)和積分系數(shù)，可以使系統(tǒng)的輸出快速跟蹤給定值，并消除穩(wěn)態(tài)誤差。而準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器則對(duì)特定頻率的交流信號(hào)具有無(wú)窮大的增益，能夠?qū)υ擃l率的諧波進(jìn)行精確補(bǔ)償。在機(jī)側(cè)變流器中，將PI調(diào)節(jié)器用于轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的基本控制，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)，引入準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器對(duì)特定頻率的諧波進(jìn)行抑制。在dq坐標(biāo)系下，針對(duì)5次、7次等主要諧波，設(shè)計(jì)相應(yīng)的準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器。通過(guò)檢測(cè)電流中的諧波分量，準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器產(chǎn)生與諧波大小相等、相位相反的補(bǔ)償信號(hào)，疊加到原控制信號(hào)中，從而有效抑制諧波。這種聯(lián)合控制策略能夠在保證系統(tǒng)基本控制性能的前提下，顯著降低諧波含量，提高電能質(zhì)量。采用改進(jìn)的PWM調(diào)制技術(shù)也是抑制諧波的重要手段。例如，空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)相比傳統(tǒng)的SPWM技術(shù)，具有更高的直流電壓利用率和更低的諧波含量。SVPWM技術(shù)通過(guò)合理地選擇逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，將直流電壓合成一系列的空間電壓矢量，使電機(jī)的磁鏈軌跡更接近圓形，從而減少諧波的產(chǎn)生。多電平PWM調(diào)制技術(shù)也是一種有效的諧波抑制方法。通過(guò)增加逆變器輸出電壓的電平數(shù)，使輸出電壓波形更加接近正弦波，從而降低諧波含量。三電平逆變器相比兩電平逆變器，輸出電壓的諧波含量明顯降低。在硬件方面，合理設(shè)計(jì)濾波器也能有效抑制諧波。采用LC濾波器可以對(duì)特定頻率的諧波進(jìn)行濾波，通過(guò)選擇合適的電感和電容參數(shù)，使濾波器在諧波頻率處呈現(xiàn)低阻抗，將諧波電流旁路到地，從而減少諧波對(duì)電網(wǎng)和負(fù)載的影響。采用有源電力濾波器（APF）也是一種先進(jìn)的諧波抑制方法。APF通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)中的諧波電流，產(chǎn)生與之相反的補(bǔ)償電流，注入電網(wǎng)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。在一些對(duì)電能質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合，如數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院等，APF能夠有效地抑制諧波，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。機(jī)側(cè)變流器產(chǎn)生諧波的原因多樣，通過(guò)采用PI與準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器聯(lián)合的控制策略、改進(jìn)的PWM調(diào)制技術(shù)以及合理設(shè)計(jì)濾波器等方法，可以有效地抑制諧波，提高機(jī)側(cè)變流器的性能和電能質(zhì)量，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。4.3載波移相技術(shù)在變流器中的應(yīng)用載波移相技術(shù)在雙PWM變流器中有著廣泛的應(yīng)用，它通過(guò)巧妙地調(diào)整多個(gè)載波信號(hào)的相位關(guān)系，顯著提升了變流器的性能，尤其是在提高開(kāi)關(guān)頻率和降低諧波含量方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。載波移相技術(shù)的基本原理是在多電平變流器或多模塊并聯(lián)變流器中，將多個(gè)相同頻率的載波信號(hào)進(jìn)行相位偏移，然后分別與調(diào)制信號(hào)進(jìn)行比較，生成PWM脈沖信號(hào)。在一個(gè)三相五電平雙PWM變流器中，采用載波移相技術(shù)，將三個(gè)載波信號(hào)分別移相0°、120°和240°。每個(gè)載波信號(hào)與對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈沖，控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。這種方式使得各個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)時(shí)刻不同，從而實(shí)現(xiàn)了變流器的特定功能。在提高開(kāi)關(guān)頻率方面，載波移相技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的單載波PWM調(diào)制方式下，功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率受到限制，過(guò)高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增加，效率降低。而采用載波移相技術(shù)，通過(guò)多個(gè)載波的協(xié)同工作，可以在不增加單個(gè)功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)頻率的情況下，等效提高變流器的開(kāi)關(guān)頻率。在一個(gè)由N個(gè)模塊組成的多模塊并聯(lián)雙PWM變流器中，每個(gè)模塊的載波頻率為f_c，通過(guò)載波移相技術(shù)，使各模塊載波依次移相360°/N。從整體上看，變流器輸出電壓的等效開(kāi)關(guān)頻率提高到了N\timesf_c。這使得變流器能夠輸出更接近正弦波的電壓和電流，減少了諧波的產(chǎn)生，提高了電能質(zhì)量。載波移相技術(shù)對(duì)降低諧波含量有著顯著效果。隨著等效開(kāi)關(guān)頻率的提高，變流器輸出電壓和電流的諧波頻譜向高頻段移動(dòng)，且諧波幅值大幅降低。根據(jù)傅里葉分析，諧波含量與開(kāi)關(guān)頻率密切相關(guān)，開(kāi)關(guān)頻率越高，諧波含量越低。在一個(gè)實(shí)際的雙PWM變流器應(yīng)用中，采用載波移相技術(shù)后，輸出電流的總諧波失真（THD）從原來(lái)的10%降低到了3%以下，有效減少了諧波對(duì)電網(wǎng)和負(fù)載的影響。載波移相技術(shù)還能夠使諧波分布更加均勻，避免了某些特定頻率諧波的集中出現(xiàn)，進(jìn)一步降低了諧波對(duì)系統(tǒng)的危害。載波移相技術(shù)在雙PWM變流器中的應(yīng)用，通過(guò)調(diào)整載波信號(hào)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了等效開(kāi)關(guān)頻率的提高和諧波含量的降低，為雙PWM變流器在電力系統(tǒng)、工業(yè)傳動(dòng)等領(lǐng)域的高效穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力支持，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。五、仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證5.1仿真結(jié)果分析在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建雙PWM變流器仿真模型，對(duì)不同工況下的運(yùn)行性能進(jìn)行深入分析，以驗(yàn)證所采用控制策略的有效性和優(yōu)越性。在額定工況下，對(duì)雙PWM變流器進(jìn)行仿真分析。設(shè)定網(wǎng)側(cè)交流電源電壓為380V（線電壓有效值），頻率為50Hz，直流母線電壓給定值為700V。機(jī)側(cè)連接永磁同步發(fā)電機(jī)，其額定功率為10kW，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。采用定子電壓定向控制策略的網(wǎng)側(cè)變流器，通過(guò)仿真得到網(wǎng)側(cè)電流波形近似為正弦波，與電網(wǎng)電壓同相位，功率因數(shù)接近1。這表明定子電壓定向控制策略能夠有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變流器的單位功率因數(shù)運(yùn)行，減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，提高電能質(zhì)量。機(jī)側(cè)變流器采用轉(zhuǎn)速外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制策略，電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠快速跟蹤給定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為零。當(dāng)給定轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速在短暫的過(guò)渡過(guò)程后迅速穩(wěn)定在1500r/min，且轉(zhuǎn)速波動(dòng)極小，表明該控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為了進(jìn)一步驗(yàn)證控制策略在動(dòng)態(tài)工況下的性能，對(duì)雙PWM變流器進(jìn)行負(fù)載突變和電網(wǎng)電壓波動(dòng)的仿真測(cè)試。在t=0.5s時(shí)，將負(fù)載電阻突然減小50%，模擬負(fù)載突變工況。從仿真結(jié)果可以看出，在負(fù)載突變瞬間，直流母線電壓會(huì)出現(xiàn)短暫的下降，但通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器的雙閉環(huán)PI控制，能夠迅速調(diào)整網(wǎng)側(cè)電流，增加從電網(wǎng)吸收的有功功率，使直流母線電壓在極短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到給定值。機(jī)側(cè)變流器能夠根據(jù)轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)，快速調(diào)整電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)負(fù)載的變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速在短暫波動(dòng)后也能迅速恢復(fù)穩(wěn)定。這說(shuō)明雙PWM變流器的控制策略在負(fù)載突變時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，能夠有效維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在t=1.0s時(shí)，使電網(wǎng)電壓幅值下降10%，模擬電網(wǎng)電壓波動(dòng)工況。此時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器通過(guò)定子電壓定向控制策略，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓的變化，并調(diào)整自身的控制策略。通過(guò)仿真觀察到，網(wǎng)側(cè)電流的幅值和相位能夠根據(jù)電網(wǎng)電壓的變化進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，保持功率因數(shù)接近1，同時(shí)確保直流母線電壓穩(wěn)定在給定值附近。機(jī)側(cè)變流器同樣能夠不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，繼續(xù)穩(wěn)定地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，保證電機(jī)的正常運(yùn)行。這表明控制策略在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠有效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電壓的變化，確保雙PWM變流器的可靠運(yùn)行。對(duì)雙PWM變流器輸出的諧波含量進(jìn)行分析。通過(guò)傅里葉分析工具對(duì)網(wǎng)側(cè)電流和機(jī)側(cè)電流進(jìn)行諧波分析，結(jié)果顯示，網(wǎng)側(cè)電流的總諧波失真（THD）小于3%，滿足相關(guān)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。這得益于載波移相技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)調(diào)整載波信號(hào)的相位關(guān)系，等效提高了變流器的開(kāi)關(guān)頻率，使諧波頻譜向高頻段移動(dòng)，且諧波幅值大幅降低。機(jī)側(cè)電流在采用PI與準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器聯(lián)合的控制策略后，5次、7次等主要諧波含量得到有效抑制，進(jìn)一步驗(yàn)證了諧波抑制控制策略的有效性，提高了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。通過(guò)對(duì)不同工況下雙PWM變流器的仿真分析，充分驗(yàn)證了所采用控制策略在額定工況下的良好穩(wěn)態(tài)性能，以及在負(fù)載突變和電網(wǎng)電壓波動(dòng)等動(dòng)態(tài)工況下的出色動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和魯棒性，同時(shí)有效降低了輸出電流的諧波含量，為雙PWM變流器的實(shí)際應(yīng)用提供了有力的理論支持和技術(shù)參考。5.2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建與測(cè)試為了進(jìn)一步驗(yàn)證雙PWM變流器控制策略的實(shí)際效果，搭建了雙PWM變流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了全面的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件設(shè)備主要包括雙PWM變流器主電路、控制電路、測(cè)量與保護(hù)電路以及負(fù)載等部分。雙PWM變流器主電路采用三相電壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由功率開(kāi)關(guān)管（IGBT模塊）組成三相全橋電路，機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)分別通過(guò)合適的電感與電機(jī)和電網(wǎng)相連，直流母線采用大容量電容進(jìn)行濾波，以保持直流電壓的穩(wěn)定。在選擇IGBT模塊時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的功率等級(jí)和電壓電流要求，選用了耐壓值為1200V、電流為50A的IGBT模塊，以確保其能夠承受系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的電壓和電流。控制電路以數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為核心，選用TI公司的TMS320F28335型號(hào)，其具備高速的運(yùn)算能力和豐富的外設(shè)資源，能夠滿足雙PWM變流器復(fù)雜控制算法的實(shí)時(shí)運(yùn)算需求。測(cè)量與保護(hù)電路用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變流器的電壓、電流等信號(hào)，通過(guò)電壓傳感器和電流傳感器將強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)，送入DSP進(jìn)行處理。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)壓、過(guò)流等異常情況時(shí)，保護(hù)電路會(huì)迅速動(dòng)作，封鎖IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保護(hù)變流器和其他設(shè)備的安全。負(fù)載采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)，其額定功率為5kW，額定電壓為380V，額定轉(zhuǎn)速為1450r/min，用于模擬實(shí)際應(yīng)用中的負(fù)載情況。軟件程序采用C語(yǔ)言在CCS（CodeComposerStudio）開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫(xiě)。初始化程序?qū)SP的各個(gè)外設(shè)進(jìn)行配置，包括定時(shí)器、中斷控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，使其能夠正常工作。主程序負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的初始化、參數(shù)設(shè)置以及與上位機(jī)的通信等任務(wù)。中斷服務(wù)程序則根據(jù)控制策略，實(shí)時(shí)采集電壓、電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算和處理后，生成PWM脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷。在實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)PI控制時(shí)，通過(guò)編寫(xiě)PI調(diào)節(jié)器算法，對(duì)電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行控制，根據(jù)采樣得到的電壓和電流實(shí)際值與給定值的偏差，計(jì)算出相應(yīng)的控制量，調(diào)整PWM脈沖的占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變流器的精確控制。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，首先對(duì)雙PWM變流器進(jìn)行空載測(cè)試。在空載情況下，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，觀察網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)的電壓、電流波形以及直流母線電壓的變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，網(wǎng)側(cè)電流波形近似正弦波，功率因數(shù)接近1，說(shuō)明網(wǎng)側(cè)變流器能夠?qū)崿F(xiàn)良好的輸入特性，有效減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。直流母線電壓穩(wěn)定在給定值附近，波動(dòng)范圍較小，驗(yàn)證了網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)直流母線電壓的穩(wěn)定控制能力。機(jī)側(cè)變流器輸出的電壓波形也較為理想，為后續(xù)帶載測(cè)試提供了良好的基礎(chǔ)。進(jìn)行帶載測(cè)試，將三相交流異步電動(dòng)機(jī)接入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為負(fù)載。在不同負(fù)載條件下，記錄網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)的電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)，并分析其變化規(guī)律。當(dāng)負(fù)載逐漸增加時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器能夠根據(jù)負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)整輸入電流，保持功率因數(shù)穩(wěn)定，同時(shí)確保直流母線電壓穩(wěn)定。機(jī)側(cè)變流器能夠根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩需求，精確控制輸出電壓和電流，使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。在滿載情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速附近，轉(zhuǎn)矩能夠滿足負(fù)載的要求，系統(tǒng)的效率較高。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了雙PWM變流器控制策略的有效性。在額定工況下，網(wǎng)側(cè)電流的總諧波失真（THD）小于5%，滿足相關(guān)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。機(jī)側(cè)電流在采用PI與準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器聯(lián)合的控制策略后，主要諧波含量得到有效抑制，提高了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。在負(fù)載突變和電網(wǎng)電壓波動(dòng)等動(dòng)態(tài)工況下，雙PWM變流器能夠快速響應(yīng)，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，展現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性。搭建雙PWM變流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)硬件設(shè)備的合理選擇和軟件程序的精心編寫(xiě)，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析，充分驗(yàn)證了雙PWM變流器控制策略在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和優(yōu)越性，為其進(jìn)一步的工程應(yīng)用提供了有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。5.3仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比將雙PWM變流器的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，是驗(yàn)證建模準(zhǔn)確性和控制策略有效性的重要環(huán)節(jié)，能夠深入了解雙PWM變流器在實(shí)際運(yùn)行中的性能表現(xiàn)，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。從穩(wěn)態(tài)性能方面來(lái)看，在額定工況下，仿真結(jié)果中網(wǎng)側(cè)電流波形近似正弦波，功率因數(shù)接近1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也呈現(xiàn)出相似的特性，網(wǎng)側(cè)電流波形正弦度良好，功率因數(shù)達(dá)到0.98以上。這表明仿真模型能夠準(zhǔn)確反映雙PWM變流器在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的網(wǎng)側(cè)特性，所采用的控制策略能夠有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變流器的單位功率因數(shù)運(yùn)行，減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。直流母線電壓在仿真和實(shí)驗(yàn)中都能穩(wěn)定在給定值附近，仿真中的直流母線電壓波動(dòng)范圍在±2V以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)中的波動(dòng)范圍在±3V以內(nèi)，驗(yàn)證了網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)直流母線電壓的穩(wěn)定控制能力，以及仿真模型在直流電壓控制方面的準(zhǔn)確性。在動(dòng)態(tài)性能方面，當(dāng)進(jìn)行負(fù)載突變實(shí)驗(yàn)時(shí)，仿真結(jié)果顯示在負(fù)載突變瞬間，直流母線電壓會(huì)出現(xiàn)短暫下降，隨后通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器的雙閉環(huán)PI控制迅速恢復(fù)到給定值，機(jī)側(cè)變流器也能快速調(diào)整電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)速在短暫波動(dòng)后恢復(fù)穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣表明，在負(fù)載突變時(shí)，直流母線電壓下降后能在0.1s內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定，電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍在±50r/min以內(nèi)，且能在0.2s內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。這說(shuō)明仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在負(fù)載突變時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性具有一致性，控制策略在實(shí)際運(yùn)行中能夠有效應(yīng)對(duì)負(fù)載突變，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在電網(wǎng)電壓波動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，仿真結(jié)果表明網(wǎng)側(cè)變流器能夠根