单相双闭环PWM整流器仿真模型

资 源 简 介

本项目在MATLAB/Simulink环境下搭建了单相双闭环PWM整流器的完整仿真模型。该系统主要用于将交流电转换为稳定的直流电，并实现输入侧的高功率因数运行。系统的主电路部分采用单相全桥拓扑结构，包含交流电源、升压电感、全控型电力电子开关器件以及直流侧滤波电容。控制部分由电压外环和电流内环组成：电压外环通过采样直流母线电压并与参考电压对比，经过PI调节器输出电流内环的参考幅值，以此维持输出电压的稳定；电流内环则通过PLL锁相环技术获取电网电压相位，结合电压外环的指令值生成电流参考信号，利用PI或比例控制

详 情 说 明

单相双闭环PWM整流器控制系统仿真项目

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB环境开发的单相双闭环PWM整流器数学仿真系统。该系统通过编写底层的物理方程和控制算法，模拟了从交流电（220V/50Hz）到直流电（400V）的变换过程。系统核心目标是在维持直流输出电压稳定的同时，确保网侧输入电流与电压同相位（高功率因数）并具有较低的谐波畸变率（THD）。

功能特性

1. 物理架构仿真：完整实现了包含升压电感、全桥开关管、直流滤波电容及负载电阻的单相全桥整流电路。
2. 软件化锁相环：利用正交变换技术（dq变换）实现对电网电压相位的精准跟踪。
3. 双闭环控制架构：电压外环保证输出直流电压的稳定性，电流内环负责实时跟踪电流指令。
4. 离散控制模拟：电压环采用较低的采样频率（1kHz）以模拟实际数字控制器的运行特性。
5. 调制技术：采用双极性PWM调制逻辑，结合模拟生成的20kHz三角载波。
6. 性能评估：系统自动计算稳态下的功率因数（PF）和电流总谐波畸变率（THD）。
7. 数据可视化：提供网侧波形对比图、电压动态响应图、电流跟踪图以及电流频谱分析图。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016b 及以上版本。
2. 工具箱需求：仅需基础MATLAB功能，无需额外的Simulink模块库，因为所有底层逻辑均由代码实现。

使用方法

1. 打开MATLAB软件。
2. 将工作路径切换至当前仿真脚本所在的文件夹。
3. 在命令行窗口输入主函数名称并回车，或直接点击运行按钮。
4. 仿真结束后，系统将弹出两个结果窗口，并在命令行打印性能指标。

核心逻辑与算法实现

1. 环境与参数定义

系统首先定义了完整的物理参数，包括网侧电压有效值220V、频率50Hz、3mH升压电感、2200uF大电容及50Ω负载。仿真采用固定步长（1微秒），总时长0.5秒，能够涵盖从启动暂态到稳态的全过程。

2. 精简锁相环（PLL）算法

算法通过“延时法”构造正交信号：将当前采样电压作为alpha分量，将延迟5ms（即1/4周期）的电压信号作为beta分量。通过alpha-beta到dq坐标系的旋转变换，提取出反映相位误差的q轴电压。利用PI调节器控制q轴电压为零，从而实时输出电网电压的相位角。

3. 双闭环控制逻辑

• 电压外环：采样频率设定为1kHz。计算给定电压（400V）与反馈电压的偏差，通过PI调节器输出电流指令的幅值参考。为防止启动电流过大，对输出结果进行了50A的限幅处理。
• 电流内环：根据PLL提供的相位信息和电压环给出的幅值，合成正弦电流参考信号。利用电流PI调节器对电感电流进行快速实时校正，并结合电网电压前馈补偿，生成归一化调制信号。

4. 脉宽调制（PWM）与计算模型

系统在内部模拟了一个幅值为[-1, 1]、频率为20kHz的三角载波。将控制环路生成的调制信号与该载波对比，产生双极性PWM开关指令（1或-1）。 主电路的求解采用一阶欧拉法（Euler Method）：

• 根据电感电压方程（L*di/dt = Us - Rs*Is - u_ab）迭代求解网侧电流。
• 根据功率平衡和电容电流方程（C*dVdc/dt = i_rect - Vdc/R_load）迭代求解直流母线电压。

5. 性能指标分析

系统截取0.3秒至0.5秒的稳态数据进行自动分析：

• 功率因数（PF）：通过有功功率与视在功率的比值计算。
• 谐波分析（THD）：利用快速傅里叶变换（FFT）分析电流频谱，提取基波与各次谐波分量，计算总畸变率。

6. 结果可视化展示

仿真生成的图形包含：

• 时域波形：直观展示由于升压作用导致直流电压从311V上升到400V的过程，以及输入电流如何迅速跟踪并调整为与电压同相的正弦波。
• 频谱特性：以柱状图形式展示输入电流在0-1000Hz范围内的谐波分布情况，验证PWM调制对高次谐波的抑制能力。