一种基于新控制策略的三电平PWM整流器的研究与设计

论文摘要

随着电力电子技术的发展,功率半导体开关器件性能不断提高,促进了电力电子变流装置技术的迅速发展。由于三电平中点箝位PWM整流器能够实现高压大容量的电能变换,并且输入电流正弦性良好、直流输出电压和网侧功率因数可调节、动态响应快,与PWM电压型逆变器构成的双PWM变频器可实现电机的四象限运行,因此三电平PWM整流器得到越来越广泛地应用。依据三电平中点箝位PWM整流器在不同时刻开关函数的拓扑连接关系,本文建立了三电平PWM整流器在三相静止abc坐标系和同步旋转dq坐标系下的数学模型,为控制策略的研究提供了理论依据。基于整流器的数学模型推导,计算了系统的稳态解,得到系统在稳态条件下的控制量,为控制系统的实验验证奠定了理论基础。本文设计了一种软件锁相环(Phase Locked Loop, PLL),省去了传统锁相的过零检测锁相电路。给出一种60。坐标系SVPWM调制方法,简化了算法,使得系统更易于数字化实现。深入研究了三电平整流器电压电流双闭环控制原理,并进行了电流调节器和电压调节器的参数设计。传统电压定向矢量控制使用了较多的传感器,这不仅增加了系统成本,而且也带来了相应的附加电路和检测误差等问题。本文将虚拟磁链定向矢量控制策略应用于三电平PWM整流器中,将虚拟磁链与双闭环控制策略结合来实现系统控制,提出了一种新的无网侧电压传感器三电平PWM整流器的双闭环控制策略。引入了一种改进的虚拟电网磁链观测方法和电网电压重构方法,解决了虚拟磁链计算过程中存在因积分初始值选取不当造成的直流偏移问题。在MATLAB/Simulink环境下搭建了基于虚拟磁链定向三电平PWM整流器的系统模型,做了大量的仿真实验,验证了本文设计方案的正确性和有效性,为实际电路参数的设计提供了理论依据。基于上述工作,设计了一套用TMS320F28335DSP控制的三电平PWM整流器实验样机。给出了控制系统的软、硬件设计。运行实验结果表明本文所设计的PWM整流器控制系统可以稳定工作,具有良好的动态性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 三电平PWM整流器研究现状
• 1.2.1 PWM整流器拓扑结构
• 1.2.2 PWM整流器数学模型
• 1.2.3 PWM整流器系统控制策略
• 1.3 本文研究内容及主要工作
• 第2章 三电平PWM整流器的拓扑结构
• 2.1 PWM整流器原理
• 2.2 三电平电压型PWM整流器的数学建模
• 2.3 三电平PWM整流器稳态分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于电压矢量定向三电平PWM整流器控制策略
• 3.1 软件锁相环
• 3.2 60°坐标系电压矢量脉宽调制算法
• 3.2.1 三电平SVPWM的基本原理
• 3.2.2 坐标变换及区域判断
• 3.2.3 矢量作用时间计算
• 3.2.4 矢量作用顺序
• 3.3 PWM整流器的双闭环控制
• 3.3.1 电流内环控制系统设计
• 3.3.2 电压外环控制系统设计
• 3.4 控制策略仿真实验
• 3.4.1 电感L参数对系统的影响
• 3.4.2 电压定向双闭环控制系统仿真结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于虚拟磁链定向三电平PWM整流器新控制策略
• 4.1 交流侧电压重构
• 4.2 虚拟电网磁链
• 4.2.1 虚拟磁链的引入
• 4.2.2 改进的虚拟磁链观测器及其工作原理
• 4.2.3 软启动过程
• 4.3 基于虚拟磁链定向的PWM整流器的双闭环控制系统
• 4.4 控制系统仿真结果及分析
• 4.4.1 重构交流侧电压
• 4.4.2 虚拟磁链计算
• 4.4.3 系统整体仿真结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 三电平PWM整流器的系统设计
• 5.1 控制电路结构
• 5.2 控制系统硬件电路
• 5.3 控制系统软件设计
• 5.4 上位机监控平台设计
• 5.5 实验结果分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文