三相逆变器输出电压不平衡的控制研究

论文摘要

PWM逆变器同整流器一样是电力电子装置的重要组成部分,在各种电能变换中,逆变器有着非常重要的作用。随着新能源的开发,分布式发电系统得到了广泛的研究与应用,各种发电装置发出的电能需要通过一系列的电能变换,将发电设备发出的电能转换为可以接入无穷大电网的电能,或者如果不接入电网,也需要将电能变换为一般的用电器可以直接使用的电能,这中间需要大量的电力变换装置,而其中逆变器起着举足轻重的作用。而随着科技的发展,负载呈现出多样性,在生产生活中,对供电设备能够带不平衡负载及非线性负载的能力要求也越来越高。因此,本文主要针对三相负载不平衡条件下的逆变器特性进行深入研究。本文以三相三线制PWM逆变器为研究对象,分析了逆变器带不平衡负载时的输出特性,介绍了逆变器输出电压不平衡的抑制方法。为了使系统的性能达到要求,通常要引入反馈控制,而反馈控制的设计大多数依赖于被控对象的数学模型,为了便于逆变器控制系统的设计,需要首先建立逆变器的数学模型,逆变器含功率器件,是非线性电路,因此本文采用开关周期平均法,建立了三相逆变器在两相旋转坐标系及两相静止坐标系下的数学模型,在两相静止坐标系下对逆变器进行了模型解耦及电压、电流双环控制器设计,在两相静止坐标系下对逆变器的数学模型进行了分析,并设计了两坐标轴下的重复控制器。三相不平衡输出电压可分解为对称的正序分量、负序分量和零序分量,在两相旋转坐标系下,正序分量表现为直流量,而负序分量表现为基波的2次谐波分量,旋转坐标系下的的电压、电流双环PI控制具有较快的动态响应速率,但是却不能完全消除由负序分量带来的周期性扰动；而重复控制却能够消除周期性扰动,但是它对被控对象模型的准确性要求较高,且动态响应速率较慢。为此,本文提出了分别在两相旋转坐标系与两相静止坐标系下进行电压、电流双环控制及重复控制的复合控制算法。在逆变器数学模型建立及控制器设计的基础上,基于Simulink对逆变器控制系统进行了模型的搭建与仿真。仿真比较了电压、电流双环控制、重复控制及双环控制与重复控制结合控制下逆变器带不平衡负载的能力。在以上研究的基础上搭建了三相逆变器负载不平衡控制实验平台。本文采用TI公司的TMS320F28335型号的DSP作为逆变器控制芯片,在DSP中编程实现控制策略。实验结果证明了本文提出的方法的正确性及有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 不平衡负载介绍
• 1.2.1 输出电压不平衡产生的原因
• 1.2.2 电压不平衡的危害与标准
• 1.3 逆变器控制策略
• 1.4 逆变器负载不平衡抑制方法
• 1.5 本课题的选题意义与主要研究内容
• 第2章 逆变器的建模与分析
• 2.1 三相三线制逆变器的数学模型
• 2.1.1 三相三线制逆变器在abc坐标系下的数学模型
• 2.1.2 三相三线制逆变器在dq坐标系下的数学模型
• 2.1.3 三相三线制逆变器在αβ坐标系下的数学模型
• 2.2 三相三线制逆变器波形畸变原因分析
• 2.2.1 负载不平衡引起的输出电压不平衡
• 2.2.2 调制过程产生的谐波
• 2.2.3 非线性负载产生的谐波
• 2.3 本章小结
• 第3章 逆变器系统控制器设计及仿真
• 3.1 引言
• 3.2 PI双闭环控制器设计
• 3.2.1 电流内环设计
• 3.2.2 电压外环设计
• 3.3 重复控制器介绍及设计
• 3.3.1 重复控制器的基本思想
• 3.3.2 重复控制器系统结构
• 3.3.3 重复控制器的性能分析
• 3.3.4 重复控制器的分析与设计
• 3.4 系统仿真
• 3.4.1 基于PI双环控制的仿真
• 3.4.2 基于重复控制系统的仿真
• 3.4.3 基于PI双环控制与重复控制的复合控制系统仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 逆变器系统软硬件设计及实验
• 4.1 主电路设计
• 4.1.1 主要性能指标
• 4.1.2 IGBT选择
• 4.2 控制电路设计
• 4.2.1 TMS320F28335简介
• 4.2.2 DSP外围电路设计
• 4.2.3 模拟信号采样电路
• 4.2.4 过流过压保护电路
• 4.2.5 IGBT驱动及保护电路设计
• 4.3 系统软件设计与实现
• 4.3.1 SVPWM软件设计
• 4.3.2 重复控制器软件设计
• 4.3.3 电压、电流双环控制软件设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验结果及分析
• 5.1 不平衡负载
• 5.2 系统调试
• 5.3 实验结果及分析
• 5.4 实验中遇到的问题及总结
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢