基于单位功率因数控制的三相IGBT整流系统仿真

资 源 简 介

该项目旨在设计并实现一个基于单位功率因数控制策略的三相桥式全控整流电路。系统采用IGBT作为主要的功率开关器件，通过先进的PWM调制技术对输出直流电压进行调节。系统的核心目标是使输入侧的三相电流波形跟踪输入电压相位，从而实现单位功率因数运行，有效降低谐波污染并提高电能利用效率。 在PWM脉冲产生控制电路中，系统专门设计并应用了饱和限制模块。该模块的核心作用是严格限制调制波形的幅度范围，防止控制信号超出预设阈值。由于调制波的幅值与最终生成的PWM占空比直接相关，因此饱和限制模块对输出直流电压的幅值具有显著的

详 情 说 明

基于单位功率因数控制策略的IGBT三相全控整流系统仿真研究

项目介绍

本项目致力于设计并实现一套基于单位功率因数控制策略的三相桥式全控整流电路。系统采用IGBT作为核心功率半导体器件，结合先进的脉宽调制（PWM）技术，实现对直流侧输出电压的精确调节。该系统的设计核心在于确保输入侧三相电流能够实时跟踪输入电压的相位，从而在实现单位功率因数运行的同时，大幅降低电网端的谐波污染，提升电能转化效率。

主要功能特性

1. 单位功率因数控制：通过将无功电流分量（iq）的参考值设为零，确保交流侧电流与电压同相位。
2. 电压电流双闭环结构：外环为电压环，负责稳定输出直流电压；内环为电流环，负责动态跟踪电流指令，保证系统响应速度。
3. 坐标变换技术：应用等幅值Clarke变换与Park变换，将三相静止坐标系下的交流信号转换为旋转坐标系下的直流信号，简化PI控制器的设计。
4. 带有解耦与前馈的控制算法：在电流内环中加入了电感交叉耦合补偿项和电网电压前馈补偿，显著提升了系统的动态解耦性能。
5. 饱和限制保护机制：专门设计了调制波矢量的幅度限制模块，防止PWM调制信号过冲，确保系统在过载或扰动情况下的稳定性。
6. 综合仿真与性能分析：内置物理模型迭代逻辑（一阶欧拉法），并包含快速傅里叶变换（FFT）功能，用于自动计算电流总谐波失真（THD）。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将仿真脚本文件放置于当前工作路径。
3. 在命令行窗口直接调用主仿真函数。
4. 仿真结束后，系统将自动弹出包含六个子图的可视化窗口，展示电压相位分布、直流电压稳定性、PWM信号、饱和状态、三相电流波形及频谱分析结果。
5. 查看控制台输出的仿真报告，获取平均输出电压和THD等核心指标。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
2. 工具箱：基础MATLAB环境即可运行，无需额外的Simulink或特定的Toolbox。

仿真脚本实现逻辑说明

1. 初始化与参数配置 脚本首先定义了完整的物理环境参数。采样频率设定为20kHz，电网频率为50Hz，输入电压为工业级380V相间电压。硬件参数包括3mH的滤波电感、2200uF的大容量滤波电容以及50欧姆的负载电阻。同时，预设了700V的直流目标输出电压。

2. 核心控制循环 仿真采用了基于步长的迭代计算（0s至0.4s），每一时刻的逻辑如下：

• 相位与采样：模拟相位的线性增长，构造三相平衡电网电压。
• 坐标变换：采集当前的AC电流，通过Clarke变换映射至alpha-beta坐标系，再利用Park变换将其投影至同步旋转的dq坐标系，得到id（有功）和iq（无功）分量。
• 双闭环调解：

* 电压外环：计算直流电压误差，通过PI控制器输出有功电流参考值id_ref。 * 电流内环：将id与iq的实测值与参考值对比，结合电感压降补偿和电压预测，计算出dq坐标系下的控制电压矢量。

• 饱和限制逻辑（核心模块）：系统会实时计算控制矢量的模值（幅度）。如果模值超过设定的上限（1.0），则利用矢量等比例缩放算法将模值约束在1.0以内。这一步模拟了实际电路中PWM发生器的占空比限制，防止逻辑溢出导致系统崩溃，并记录饱和状态。
• 逆变换与调制：将受限后的dq控制量反变换回abc三相调制信号。

3. 物理系统更新 系统未直接使用黑盒模型，而是基于差分方程（一阶欧拉法）对电路动态进行迭代：

• 交流侧：根据电网电压与整流桥等效输出电压的压差，计算电流的变化率，进而更新下一时刻的三相电流。
• 直流侧：根据交流侧流入电容的功率与负载消耗功率的平衡关系，更新直流电容电压。

4. 后处理与分析 仿真结束后，脚本提取稳态阶段（最后4个周期）的电流数据进行FFT分析。通过提取基波和各次谐波幅值，计算总谐波畸变率（THD），并生成一系列图形化报表。

关键算法与实现细节分析

• 解耦控制算法：在计算ud_ctrl和uq_ctrl时，代码引入了 omega * L * i(dq) 的交叉项。这是由于dq坐标系下d轴和q轴电流存在电磁耦合，通过这种数学补偿，可以实现两个通道的独立控制，提高控制精度。
• 软启动优化处理：为了避免仿真初期因电容电压为零而产生极大的冲击电流，代码将直流电压的初始值设置为输入电压的峰值，模拟了整流桥在未触发控制前的自然充电状态。
• 矢量饱和算法：与简单的通道限幅不同，这里的饱和逻辑是基于矢量模值的。当复合矢量超出单位圆时，按比例缩小d轴和q轴分量，而非直接切断，这有助于保持控制矢量的方向一致性，减小相位失真。
• 数值积分与仿真精度：采用20kHz的采样率与一阶欧拉法（Ts * derivative）相结合，能够较好地平衡计算速度与仿真精度，足以捕捉电力电子开关动作对系统动态的影响。