基于双闭环控制的三相PWM整流器VSR仿真系统

资 源 简 介

该项目利用MATLAB/Simulink环境构建了一个完整的三相电压型PWM整流器模型，旨在实现电能的高质量转换与直流母线电压的精确控制。系统核心采用电压外环与电流内环的双闭环控制架构。电压外环通过对直流侧电压的实时检测并与给定参考值对比，利用PI调节器计算出所需的有功电流指令，从而确保在不同负载条件下直流侧电压的稳定。电流内环则通过Park变换将三相交流电流解耦为d轴和q轴分量，实现对有功功率和无功功率的独立控制，其中d轴控制有功功率以维持电压稳定，q轴控制无功功率以实现单位功率因数运行。系统集成了空间

详 情 说 明

三相电压型PWM整流器（VSR）双闭环控制仿真系统

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB脚本编写的纯代码级仿真系统，模拟了三相电压型PWM整流器（VSR）的高性能控制过程。系统通过数学建模和迭代计算，还原了从电网交流电到稳定直流电的能量变换过程。该仿真不依赖于Simulink模块库，完全由底层数学逻辑驱动，适用于电力电子控制算法研究。

功能特性

1. 双闭环控制架构：实现了直流母线电压外环与dq轴电流内环的串级控制。
2. 解耦控制技术：利用坐标变换技术，将耦合的三相交流电流解耦为独立控制的有功（d轴）与无功（q轴）分量。
3. 空间矢量脉宽调制（SVPWM）：内置完整的七段式SVPWM算法，旨在优化开关动作并提高直流侧电压利用率。
4. 动态载荷模拟：在仿真进程中设置了负载突变环节，用以验证控制器在复杂工况下的鲁棒性。
5. 综合数据评估：集成FFT频谱分析、THD谐波计算、功率因数（PF）评估以及全方位的可视化监控。

系统要求

1. MATLAB R2018a 或更高版本（需支持基本的信号处理与绘图函数）。
2. 无需专用工具箱，纯脚本可移植运行。

使用方法

1. 在MATLAB编辑器中打开项目主程序脚本。
2. 直接运行脚本，系统将根据预设的2us步长进行时长为0.4秒的时域动态仿真。
3. 仿真完成后，程序将自动弹出综合结果界面，展示电压、电流、频谱、功率因数等六项关键指标。

实现逻辑与功能细节

1. 系统建模与参数初始化

程序初始化了电网（220V/50Hz）、交流电感（5mH）、直流电解电容（2200uF）及10kHz开关频率等硬件参数。仿真采用固定步长迭代，保证了对高频开关信号捕捉的精度。

2. 坐标变换与同步

仿真利用数学方法实时合成电网角度theta。通过Clark变换将三相静止坐标系下的电流投影至alpha-beta平面，再利用Park变换将其旋转至与电网电压同步的dq坐标系。这一步是实现有功、无功独立控制的基础。

3. 双闭环控制算法

电压外环：以直流母线参考电压（600V）为目标，通过PI调节器计算出所需的d轴电流指令，从而控制电能从交流侧向直流侧的流动。 电流内环：采用前馈解耦控制逻辑。通过PI调节器消除d轴和q轴电流的跟踪误差，并引入旋转电动势补偿项（omega*L）来抵消轴间耦合。为了实现单位功率因数运行，q轴电流给定值始终保持为0。

4. SVPWM调制实现

算法严格执行以下步骤：

• 扇区判定：根据alpha-beta轴电压指令确定空间电压矢量所在的六个扇区之一。
• 时间分配：计算相邻两个基本矢量及零矢量的作用时间，并执行过调制限制，确保系统运行在物理极限范围内。
• 七段式发波：根据扇区逻辑生成对称的开关状态序列（Ta, Tb, Tc），通过对开关状态的积分模拟电力电子器件的导通与关断。

5. 变流器物理演化模拟

程序采用离散时间步更新物理状态：

• 电感电流更新：根据当前三相电压差（电网电压减去变流器输出电压）及电感参数，利用欧拉法更新电流矢量。
• 直流电压更新：根据桥臂开关状态计算直流母线电流，结合电容特性和负载消耗计算电压变化。程序在0.25秒处将负载电阻减半，模拟负载突然增加的情况。

关键算法与性能分析指标

• 频谱分析（FFT）：程序对稳态后的交流电流进行快速傅里叶变换，分析谐波成分，并自动计算THD值（通常可降至极低水平）。
• 功率因数监测：通过计算瞬时有功功率与视在功率的比值，验证系统是否达到甚至接近单位功率因数（PF≈1.0000）。
• 波形对比：界面直观对比了给定信号与反馈信号的跟踪误差，特别是在0.25s扰动发生后，观察直流电压的恢复斜率与超调量。
• 相位验证：通过归一化处理展示A相电压与电流的相位关系，清晰反映系统对无功功率的控制精度。