基于SVPWM的三相PWM整流器双闭环控制仿真

资 源 简 介

本项目通过MATLAB/Simulink平台实现了一个完整的三相电压型PWM整流器（VSR）仿真系统。系统核心采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法，旨在实现高性能的交流-直流变换。控制架构采用了经典的定频双闭环控制策略：外环为电压环，通过采样直流输出电压与设定参考值进行对比，经过PI控制器产生内环电流的有功分量参考指令，确保直流母线电压的稳定与快速响应；内环为电流环，在dq同步旋转坐标系下对输入电流进行解耦控制，通过前馈解耦补偿消除d轴与q轴之间的耦合影响，使得输入电流能够严格跟踪电压相位。SVPWM模

详 情 说 明

基于SVPWM的三相电压型PWM整流器（VSR）双闭环控制仿真项目

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB环境开发的三相电压型PWM整流器（VSR）数值仿真系统。该项目不依赖于Simulink图形化模块，而是通过纯代码编写的数学模型和控制算法，精确模拟了VSR从交流电到直流电的变换过程。系统集成了坐标变换、定频双闭环控制、电网同步技术以及空间矢量脉宽调制（SVPWM）核心算法，为电力电子技术研究提供了高性能的仿真基础。

功能特性

1. 双闭环控制架构：实现了电压外环和电流内环的嵌套控制。电压外环维持直流母线稳定，电流内环负责电流跟踪。
2. 单位功率因数控制：通过将q轴电流指令值设为零，确保输入电流与电压同相位，实现PF=1的运行。
3. 前馈解耦技术：在dq同步旋转坐标系下引入电感电压补偿和电网电压前馈，消除了d轴与q轴电流之间的耦合影响。
4. 抗负载扰动能力：系统内置了负载突变模拟（0.2s时电阻由50Ω跳变为25Ω），展示了控制器在稳态恢复过程中的动态响应。
5. 七段式SVPWM调制：通过精细的扇区判断和矢量作用时间计算，实现低谐波的开关指令生成。
6. 完备的可视化分析：自动生成直流电压响应、交流电流波形、功率因数对比、dq电流跟踪、扇区切换以及电流FFT谐波分析图表。

系统要求

• MATLAB R2016b 或更高版本
• 无需额外工具箱（主要使用基础数学运算与绘图功能）

实现逻辑与算法细节

#### 1. 物理系统数学模型 代码通过状态空间方程描述整流器的动态特性：

• 交流侧：基于电感电压方程 $di/dt = (V_{grid} - V_{bridge} - R cdot i) / L$，通过欧拉积分实时计算三相输入电流。
• 直流侧：根据开关状态合成直流侧电流，利用 $dV_{dc}/dt = (I_{dc} - V_{dc}/R_{load}) / C$ 计算母线电压。
• 预充电模拟：初始电压设为线电压峰值（540V），模拟了实际工程中不控整流阶段后的初始状态，避免了从零电压启动带来的冲击。

#### 2. 控制算法流程 仿真主循环以极小的步长（1μs）运行，而控制逻辑严格按照开关频率（10kHz）触发：

• 坐标变换：应用等幅值变换原则，完成自然坐标系（abc）到静止坐标系（αβ）以及同步旋转坐标系（dq）的转换。
• 电压外环（PI）：采样直流电压与600V参考值对比，误差经PI运算输出d轴电流参考指令。
• 电流内环（PI+解耦）：引入公式 $u_d = -(K_p Delta i_d + K_i int Delta i_d) + v_d + omega L i_q$ 及其q轴对应形式，输出控制电压矢量。
• 电网同步：采用简化的软件锁相算法，通过时间积分实时获取电网电压向量的角度 $theta$。

#### 3. SVPWM核心实现 子函数通过以下步骤合成控制电压：

• 扇区检测：利用 $v_{beta}$、$sqrt{3}v_{alpha}-v_{beta}$ 等组合信号识别电压矢量所在的六个扇区之一。
• 时间计算：根据扇区几何关系计算相邻有效矢量 $T_1, T_2$ 和零矢量 $T_0$ 的作用时间，并进行过调制饱和处理。
• 七段式序列生成：计算A、B、C三相的切换点 $t_A, t_B, t_C$，决定在一个开关周期内开关管的导通顺序。

使用方法

1. 由于本项目为单文件架构，只需将 main.m 文件放置于工作路径。
2. 在MATLAB命令行窗口输入 main 并回车。
3. 程序将自动开始循环计算，并在仿真结束后弹出六个子图组成的分析窗口。

结果说明

• 电压响应图：展示了系统从启动到稳态的过程，以及在0.2s负载加倍时电压的跌落与快速回升。
• 电流波形图：稳态下A相电流呈现良好的正弦度。
• FFT频谱图：通过对0.3s-0.4s稳态区间进行快速傅里叶变换，分析总谐波畸变情况，验证SVPWM对谐波的抑制效果。
• dq追踪图：由于采用了前馈解耦，d轴电流（有功）能快速跟随电压环指令，q轴电流始终保持在零附近。