三相电压型PWM整流器控制技术研究

论文摘要

众所周知,随着电机、变压器、传统电力电子变换器等非线性负载的大量使用,电网中的非“绿色”负荷越来越多,为电网注入了大量的谐波和无功功率,严重影响了电网品质。这已经引起人们的普遍关注。随着“绿色电网”概念的提出,三相电压型PWM整流器逐渐成为人们关注的热点之一。PWM整流器具有功率因数高、网侧电流谐波小、输出电压可调、能量可双向流动等特点,能够取代传统不控或相控方式的整流器,从而可有效减小电网污染。本文研究了三相电压型PWM整流器的系统结构及控制目标,基于基尔霍夫电压、电流定律建立了其分别在三相ABC和两相DQ坐标系下用开关函数描述的数学模型,并从能量守恒的角度对所建模型的正确性进行了必要性验证。根据定义证明了三相电压型PWM整流器所具有的三种典型特性——非最小相位特性、欠驱动特性和双线性特性。并通过深入分析这三种典型特性,得到了能够用于控制器设计的指导性结论。利用PWM整流器的双线性特性,并结合其欠驱动特性和非最小相位特性,通过选取不同的等效控制变量,对整流器非线性模型进行了三种等效线性化处理,并采用状态反馈方法设计了相应的非线性控制策略。在Matlab/Simpower平台上进行了仿真验证,并对所设计的三种非线性控制策略及其控制效果进行了比较分析。结果表明,本文所设计的三种非线性控制策略均具有良好的控制效果。最后本文设计了一台PWM整流器实验样机,对主要硬件部分和DSP程序结构进行了详细介绍。利用此样机,分别对本文设计的三种非线性控制策略进行了验证。实验结果证明,本文所设计的三种非线性控制策略能够控制整流器达到功率因数0.994以上。且三种非线性控制算法的设计过程均不需要进行坐标变换,具有实时计算量小、硬件实现方便、对电网电压相位依赖性小、算法可靠性高等优点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 PWM整流器应用研究现状
• 1.2.2 PWM整流器建模研究现状
• 1.2.3 PWM整流器分析理论的研究现状
• 1.2.4 PWM整流器综合理论的研究现状
• 1.2.5 国内外研究现状分析
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 三相电压型PWM整流器建模
• 2.1 三相电压型PWM整流器
• 2.2 三相ABC坐标系下的数学模型
• 2.3 两相DQ坐标系下的数学模型
• 2.3.1 坐标变换
• 2.3.2 DQ坐标系下的数学模型
• 2.4 模型验证
• 2.5 本章小结
• 第3章 三相电压型PWM整流器模型分析
• 3.1 非最小相位特性
• 3.1.1 非最小相位系统
• 3.1.2 PWM整流器的非最小相位特性
• 3.1.3 整流器非最小相位特性的物理意义
• 3.2 欠驱动特性
• 3.2.1 欠驱动系统
• 3.2.2 PWM整流器的欠驱动特性
• 3.3 双线性特性
• 3.4 本章小结
• 第4章 PWM整流器非线性控制算法研究
• 4.1 广义逆矩阵
• 4.2 非线性控制策略（一）
• 4.2.1 模型变换
• 4.2.2 控制算法设计
• 4.2.3 仿真实验
• 4.3 非线性控制策略（二）
• 4.3.1 控制算法设计
• 4.3.2 仿真实验
• 4.4 非线性控制策略（三）
• 4.4.1 控制算法设计
• 4.4.2 仿真实验
• 4.5 三种非线性控制策略分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 PWM整流器实验样机设计及实现
• 5.1 硬件系统设计
• 5.2 软件系统设计
• 5.3 PWM整流器实物实验
• 5.3.1 实物实验条件及结果
• 5.3.2 实物实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 组合系数的计算方法
• 附录2 非线性控制算法一的DSP程序
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢