基于直接电流控制的三电平整流器设计与研究

论文摘要

目前,在直流电源、有源滤波、无功补偿、变频调速等领域,可控PWM整流器得到了广泛地应用。而在高压大功率场合,多电平整流器以其输出电压正弦度好、网侧电流谐波畸变率小、开关管承受电压小等优点正成为研究热点,其中又尤以二极管箝位式三电平PWM整流器为代表。本文以中点箝位三电平整流器为研究对象,以稳态矢量分析为方法,研究了整流器的基本原理,同时推导了其在三相静止坐标系下的数学模型。引入坐标变换的概念,得到了三电平整流器在同步旋转坐标系下的数学模型。在此过程中设计了一种带有前馈控制结构的、用于获得电网电压相角的数字锁相控制系统。整流器的dq模型简化了控制系统的设计,本文在分析直接电流控制系统原理的基础上,结合最佳工程参数设计方法,给出了三电平整流器控制器参数的设计步骤与方法。同时,在该方法中详细说明了所用各参数的来历与物理意义。三电平PWM算法一直以来都是三电平变换器的研究重点。本文首先对三电平整流器作PWM分析,在网侧电流一定的情况下,研究每个矢量对整流器的影响。其次推导了传统三电平SVPWM算法,在此过程中给出了三电平SVPWM算法的具体实现方法。随后在前人提出的g-h坐标系思想下,设计了一种实用的、基于g-h坐标系的三电平SVPWM简化算法。同时也给出了该算法下的一种中点电位平衡策略。此外,对三电平整流器的软硬件设计进行了详细的研究。在功率电路的设计方面给出了目标电压和网侧电感下限值的设计方法；在软件设计方面,本文采用以中断服务程序为主的设计思路,将系统分为采样处理系统、双闭环控制系统、通信服务系统,主函数只负责简单的任务分配工作。在该设计思想下,设计了系统控制软件的流程图。最后,在Matlab/Simulink环境下进行系统仿真,研究了三电平整流器在额定负载与能量回馈时的性能,验证了锁相环、SVPWM算法和控制系统的正确性。随后搭建了小型样机,进行了二极管整流、开环整流、电流闭环整流、双闭环整流和中点电位平衡控制等试验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 PWM整流器的研究现状
• 1.3 本文的主要内容
• 第2章 三电平整流器原理与数学模型
• 2.1 三电平整流器的拓扑结构
• 2.2 整流器的稳态矢量分析
• 2.3 三电平整流器三相静止坐标系下的数学模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 直接电流控制系统的设计
• 3.1 三电平整流器同步旋转坐标系下的数学模型
• 3.2 电流内环控制系统设计
• 3.3 电压外环控制系统设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 三电平SVPWM算法研究
• 4.1 三电平整流器的PWM分析
• 4.2 三电平SVPWM的研究算法
• 4.2.1 三电平SVPWM的一般算法
• 4.2.2 基于g-h坐标系的简化算法
• 4.2.3 中点电位平衡策略
• 4.3 仿真验证
• 4.4 本章小结
• 第5章 三电平整流器的软硬件设计
• 5.1 系统功率电路设计
• 5.1.1 母线目标电压与IGBT的选取
• 5.1.2 电网侧电感的选取
• 5.1.3 母线电容的选取
• 5.2 系统控制电路设计
• 5.2.1 控制电路的结构
• 5.2.2 DSP最小系统
• 5.2.3 外围控制与辅助电路
• 5.3 系统软件设计
• 5.3.1 软件设计概述
• 5.3.2 主程序设计
• 5.3.3 中断程序设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 系统仿真与样机试验
• 6.1 系统仿真
• 6.1.1 系统仿真模型的搭建
• 6.1.2 系统仿真与结果分析
• 6.2 样机试验
• 6.2.1 样机设计概述
• 6.2.2 样机试验与结果分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢