单相电压型PWM整流器Simulink仿真模型

资 源 简 介

本项目提供一个完整的单相电压型PWM整流器（VSR）Simulink仿真模型，旨在实现高效率、低谐波的交直流转换。 该模型详细构建了单相全桥整流电路的拓扑结构，包括交流输入电压源、网侧滤波电感、IGBT功率器件组成的桥式电路、直流侧滤波电容以及负载电阻。 系统的核心功能在于实现直流输出电压的闭环恒定控制，并确保交流侧输入电流为正弦波且与电压同相位，从而达到单位功率因数运行的目的。 在控制策略上，模型采用了典型的电压外环和电流内环双闭环控制架构。电压外环通过PI控制器稳定直流母线电压，其输出作为电流内环的参

详 情 说 明

单相电压型PWM整流器（VSR）设计与仿真项目

本模型实现了一个完整的单相电压型PWM整流器（VSR）仿真系统。通过数学建模与控制算法的结合，在MATLAB环境下模拟了功率变换器的动态过程。系统通过双闭环控制策略，实现了直流母线电压的稳定输出，并确保电网侧电流与电压同步，达到单位功率因数运行的要求。

项目核心功能特性

1. 高性能锁相技术：采用基于二阶广义积分器（SOGI）的单相锁相环，能够从交流输入电压中实时提取相位和频率，即使在电压波动情况下也能保持精准同步。
2. 双闭环控制架构：

- 电压外环：通过PI控制器监测直流侧电容电压，将其与目标值（400V）进行比对，输出交流电流的幅值指令。 - 电流内环：采用基于前馈角频率补偿的PI调节器，使网侧电流快速追踪参考信号，实现正弦化控制。

1. 双极性PWM调制：利用10kHz的高频三角载波与控制信号进行比较，生成脉冲宽度调制信号，驱动功率开关管，确保输出波形的质量。
2. 物理拓扑精确建模：使用一阶微分方程（欧拉法）对滤波电感电流和直流电容电压进行迭代求解，真实反映全桥电路的开关状态与能量流动。
3. 全自动性能评估：仿真结束后自动计算总谐波畸变率（THD）、功率因数（PF）以及直流电压稳态误差，并生成可视化图形界面。

系统实现逻辑

仿真过程基于步长为10微秒的离散系统进行，主要环节如下：

一、 信号检测与同步 系统首先读取瞬时交流电压信号。利用SOGI原理构建出正交信号（Alpha-Beta），通过简化的坐标变换获取坐标系下的分量。PLL算法利用PI控制器将Q轴分量强制归零，从而锁定电压的角频率与相位角。

二、 电压外环控制 由于直流电容电压响应较慢，模型设定每10个采样周期更新一次电压环。控制器将400V设为参考点，通过PI运算得出电流幅值需求，并加入限幅环节（最高40A）以保护功率器件。

三、 电流内环与前馈补偿 电流参考值由外环输出的幅值与PLL产生的正弦相位合成。控制律采用了“电网电压前馈 + 电流PI”的组合形式。前馈环节能有效抵消电网电压对电流环的扰动，使电流环能够专注于消除误差，提升动态性能。

四、 物理演化迭代 模型不依赖于第三方库，直接编写了电路的状态空间方程：

• 交流侧：根据回路电压定律，计算（电网电压 - 线路电阻压降 - 桥臂点电压）对电感的共同作用，求解电流变化率。
• 直流侧：根据KCL定律，将交流侧流入的整流电流减去负载消耗电流，求解电容电压的变化过程。

关键算法与技术细节

1. SOGI正交信号发生器：相比传统的过零检测，SOGI对高次谐波具有更好的滤波效果，确保了锁相精度。
2. 双极性调制逻辑：开关管在一个周期内由于载波比较逻辑，使桥臂输出在+Vdc和-Vdc之间切换。相比单极性调制，其逻辑更易实现且电流脉动在可控范围内。
3. 数值仿真方法：采用离散化模拟方式，将连续的物理过程转化为差分方程，确保在没有Simulink图形化模块的情况下也能进行高精度电力电子仿真。
4. 频谱处理：内置了FFT（快速傅里叶变换）算法，对稳态后的电流信号进行分析，量化计算高频开关动作对电网产生的谐波影响。

性能指标评估

• 稳态跟踪：直流母线电压能精准稳定在400V（默认参数下误差极小）。
• 功率质量：由于电流内环的作用，输入电流呈现优质正弦度，功率因数（PF）接近1.0。
• 扰动观察：通过可视化波形可以观察到从初始不控整流状态（约311V）到受控整流状态（400V）的启动过渡过程。

系统要求与使用方法

• 环境要求：安装有MATLAB环境（建议2018b及以上版本）。
• 运行步骤：

1. 打开MATLAB并将当前文件夹定位至脚本所在目录。 2. 直接运行仿真主函数。 3. 待仿真结束后，系统将弹出三个统计视图：网侧波形图、直流电压响应图及电流频谱图。 4. 命令行窗口将同步打印仿真分析报告，包含PF值和THD百分比。