基于无差拍控制的PWM整流器研究

论文摘要

PWM整流器实现了网侧电流正弦化、功率因数可调、能量可双向传输,因而真正实现了“绿色电能变换”。PWM整流器通常采用电压、电流双闭环的控制策略,其中电流环是决定控制性能的关键。本文针对传统双闭环PI控制策略存在的缺陷,提出了一种无差拍电流控制策略。首先,本文分析了常规双闭环PI控制策略存在的缺陷：PI控制对系统参数变化敏感,抗扰动性能差,动态响应慢。针对三相电压型PWM整流器使用常规PI控制对系统参数变化较为敏感的弊端,提出了一种无差拍电流控制方案。该方案具有电流跟踪快速、抗扰动性能好、算法易于数字实现等特点。其次,对无差拍控制的原理进行了分析,并建立了三相电压型PWM整流器的数学模型,进而推导出了无差拍控制的PWM整流器离散化数学模型。基于相位锁相功能,提出了一种内环预测电流方法,来实现电流的无差拍控制。在此基础上,设计了无差拍控制的双闭环控制系统,即直流侧电压外环采用PI控制,电流内环采用了无差拍控制算法。分析了空间矢量脉宽调制原理,采用了一种简化的SVPWM算法。在MATLAB/Simulink环境下建立了无差拍控制的PWM整流器仿真模型,并对整流状态和逆变状态进行了仿真,得出了系统在稳态和动态下的相关波形。实现了直流侧电压稳定控制和交流侧电流单位功率因数正弦化控制,能量实现了双向流动。仿真结果验证了本设计理论分析的正确性和控制系统设计的可行性。最后,针对PWM整流器易于数字化实现的特点,以DSP芯片TMS320F2812为控制器对无差拍控制的PWM整流器进行了硬件和软件的研究和设计。绘制了各部分设计的原理图和PCB图。在CCS集成编译环境下对软件进行了设计和调试。搭建了控制系统实验平台,对无差拍控制策略进行了实验研究。实验结果进一步验证了无差拍电流控制策略的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 PWM整流器的研究现状和发展趋势
• 1.2.1 PWM整流器拓扑结构研究
• 1.2.2 电压型PWM整流器的电流控制策略研究
• 1.2.3 PWM整流器的系统控制策略研究
• 1.3 本文的主要内容
• 第2章 三相VSR工作原理分析及控制策略
• 2.1 电压型PWM整流器的工作原理及控制策略
• 2.1.1 原理概述
• 2.1.2 工作模式分析
• 2.1.3 直接电流控制策略
• 2.2 双闭环PI控制存在的缺陷
• 2.2.1 突加负载时动态性能分析
• 2.2.2 电网不平衡时的性能分析
• 2.2.3 电网电压有谐波时的性能分析
• 2.3 无差拍电流控制策略的提出
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于无差拍控制的系统建模与设计
• 3.1 无差拍控制的PWM整流器数学建模
• 3.1.1 三相VSR的一般数学模型
• 3.1.2 无差拍控制的离散化数学模型
• 3.2 无差拍控制的PWM整流器双闭环控制系统设计
• 3.2.1 预测电流控制
• 3.2.2 电流内环控制系统设计
• 3.2.3 电压外环控制系统设计
• 3.2.4 VSR的电压空间矢量控制
• 3.3 本章小结
• 第4章 无差拍控制的PWM整流器仿真
• 4.1 系统仿真模型的建立
• 4.2 系统参数整定
• 4.2.1 电感、电容的设计
• 4.2.2 确定PI参数
• 4.2.3 功率因数校核
• 4.3 仿真结果分析
• 4.3.1 系统的稳态性能分析
• 4.3.2 系统加负载扰动的动态性能分析
• 4.3.3 系统由PWM整流变为二极管整流的动态性能分析
• 4.3.4 电网不平衡时的性能分析
• 4.3.5 电网电压有谐波时的性能分析
• 4.3.6 逆变模式时的仿真波形
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统软硬件设计与实现
• 5.1 整流器硬件总体结构
• 5.2 主电路设计
• 5.2.1 交流侧电感的设计
• 5.2.2 直流侧电容的设计
• 5.2.3 功率开关器件的选择
• 5.2.4 驱动电路的设计
• 5.3 控制电路的设计
• 5.3.1 DSP最小控制系统
• 5.3.2 检测电路设计
• 5.3.3 PWM驱动电平转换电路设计
• 5.3.4 通讯电路设计
• 5.4 系统的软件设计
• 5.4.1 主程序设计
• 5.4.2 中断服务子程序设计
• 5.5 实验结果分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 致谢