单相电压型四象限整流器控制策略研究与实现

论文摘要

作为交流传动系统重要组成部分的四象限整流器既要实现中间直流环电压的稳定控制,还要实现供电接触网或牵引变压器一次侧的功率因数校正。当牵引电机工作在再生制动工况时,整流器充当逆变器功能,使网侧输入电压电流反相位,将再生能量回馈到电网,从而实现变流器能量的双向流动。四象限整流器控制策略的选择,对于提高电网功率因数、降低网侧电流谐波含量、稳定中间直流电压以及保证电机侧逆变器的正常工作有着重要的影响。本论文首先分析了单相电压型四象限整流器的工作原理,分析了单相电压型四象限整流器主电路拓扑,并根据定义的开关函数建立了数学模型；其次,详细阐述了具有二阶闭环传递函数的I型系统和三阶闭环传递函数的Ⅱ型系统的整定方法,在此基础上对电流内环控制系统和电压外环控制系统以及加入电压前馈环的复合控制系统进行设计；最后,详细阐述了加入输入电压前馈控制的复合控制瞬态直接电流控制和预测电流控制策略,Matlab仿真结果表明,这两种控制策略均可实现四象限整流器高功率因数运行,且具有良好的动态响应和稳态特性。针对无直流侧二次滤波环节的单相电压型四象限整流器,分析了网侧输入电流谐波产生机理及其消除方法。通过采用新型峰值检测算法改进了纹波电压补偿算法,进而改进了瞬态直接电流控制和预测电流控制策略。Matlab仿真结果表明,新型的改进控制策略不仅实现了直流侧电压稳定和能量双向流动,而且能有效地降低输入电流的3、5、7次谐波含量和总谐波畸变率THD,提高功率因数并减少系统对电网的谐波污染。与传统滤波方式相比,新型的改进控制策略具有更好的动态性能。在理论分析的基础上,进行了四象限整流器系统的硬件和软件设计,设计了基于TMS320F2812DSP的信号采样调理电路、保护电路、锁相电路、开关管驱动电路及其缓冲吸收电路；设计了软件控制流程,对其中的数字PI调节器设计进行了详细的阐述。最后,搭建了单相电压型四象限整流器实验平台,设计了单位功率因数整流和单位功率因数回馈实验。对瞬态直接电流控制及其新型的改进控制策略、预测电流控制及其新型的改进控制策略进行了相关实验。实验结果验证了上述控制策略及其新型的改进控制策略的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 四象限整流器概述
• 1.2.1 四象限整流器发展历程
• 1.2.2 电压型四象限整流器的控制策略研究概况
• 1.2.3 单相电压型四象限整流器输入电流谐波的抑制
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 单相电压型四象限整流器工作原理及其控制系统分析
• 2.1 单相电压型四象限整流器工作原理
• 2.2 单相电压型四象限整流器SPWM调制
• 2.3 单相电压型四象限整流器双闭环控制系统分析
• 2.3.1 电流内环控制系统分析
• 2.3.2 电压外环控制系统分析
• 2.4 单相电压型四象限整流器复合控制系统分析
• 2.4.1 复合控制系统
• 2.4.2 瞬态直接电流控制研究
• 2.4.3 预测电流控制研究
• 2.4.4 瞬态直接电流控制与预测电流控制的仿真结果对比研究
• 2.5 本章小节
• 第3章 单相电压型四象限整流器改进控制策略
• 3.1 单相电压型四象限整流器输入电流谐波产生机理及其消除方法
• 3.2 基于纹波电压补偿的改进瞬态直接电流控制算法
• 3.2.1 改进瞬态直接电流控制
• 3.2.2 新型的改进瞬态直接电流控制Matlab仿真及对比研究
• 3.3 新型的改进预测电流控制算法
• 3.3.1 新型的改进预测电流控制
• 3.3.2 新型的改进预测电流控制Matlab仿真及对比研究
• 3.4 本章小节
• 第4章 单相电压型两电平四象限整流器的实验系统设计
• 4.1 单相电压型两电平四象限整流器的实验系统结构
• 4.2 实验系统的硬件设计
• N设计'>4.2.1 网侧电感L_N设计
• 4.2.2 直流侧二次滤波器的选择
• dc设计'>4.2.3 直流侧支撑电容C_dc设计
• 4.2.4 数字信号处理器（DSP）简介
• 4.2.5 交流信号调理电路设计
• 4.2.6 硬件锁相环设计
• 4.2.7 硬件保护电路设计（过压、过流）
• 4.2.8 IGBT驱动电路设计
• 4.2.9 缓冲吸收电路设计
• 4.3 实验系统的软件设计
• 4.3.1 控制算法程序设计
• 4.3.2 中断子程序设计
• 4.3.3 A/D采样的软件设计
• 4.3.4 软件锁相环设计
• 4.3.5 数字PI控制器的设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 单相电压型四象限整流器实验
• 5.1 实验系统概述
• 5.1.1 功率因数模拟实验
• 5.1.2 单位功率因数回馈实验
• 5.2 瞬态直接电流控制及其新型的改进控制策略实验
• 5.2.1 瞬态直接电流控制
• 5.2.2 新型的改进瞬态直接电流控制
• 5.3 预测电流控制及其新型的改进控制策略实验
• 5.3.1 预测电流控制
• 5.3.2 新型的改进预测电流控制
• 5.4 本章小结
• 全文总结
• 本文工作总结
• 今后工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文和科研情况
• 发表论文
• 参与科研项目