三相PWM整流器系统控制及谐波抑制研究

论文摘要

PWM整流器因其具有直流电压可控、网侧电流低谐波、单位功率因数、能量双向流动等优点,完美的解决了整流单元对电网的污染问题,进而成为电力电子技术中的一个重大研究课题。本文在实现15KW的三相电压型PWM整流器的同时,针对控制系统的交流侧电流和直流侧电压谐波问题,提出了两组PWM整流器并联形式的解决方案。在参阅国内外相关文献之后,首先介绍了三相电压型PWM整流器的发展现状和基本工作原理。鉴于三相PWM整流器是一个非线性、强耦合的控制系统,本文完成了在三相静止坐标系和同步旋转坐标系中对电压型PWM整流器的数学建模工作。在此基础之上,设计了15KW三相电压型PWM整流器的双闭环控制系统,搭建了系统的Matlab仿真模型。仿真结果表明了控制系统的有效性和实用性。之后,结合仿真对系统中的直流侧电压下限、交流侧电感、直流侧电容、限流电阻的选取做了详细分析。针对传统正弦脉宽调制方法(SPWM)误差大、不易实现等问题,本文提出了一种易于DSP芯片实现的逐步逼近正弦脉宽调制方法。该方法在程序中采用定时查表的方式来逐渐逼近正弦调制波,进而减少了算法的在线计算量和实际误差。通过仿真和实验验证了逐步逼近SPWM具有很好的实时性,易于工程上的实现。在PWM整流器谐波抑制方面,通过理论分析知道造成谐波的主导因素是三相电压不平衡。为此,针对电网不平衡时采取了三相电压型PWM整流器并联控制方法,以主、辅整流器分别产生正、负序电流的形式来抑制交直流两侧的谐波。仿真结果验证了该控制方法的正确性和有效性。此外,论文还提出了并联三相电压型PWM整流器运行于冗余高频化模式,来提高整套装置的容错性和高频整流效果。在前面工作的基础上,对三相电压型PWM整流器研制了样机,在15KW整流器实验平台上进行了实验研究,对其预充电过程、切入PWM控制运行以及逐步逼近SPWM算法等进行了实验。从实验数据和实验波形来看,三相PWM整流控制系统及其控制策略达到了预期的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景、意义
• 1.1.1 谐波产生原因及危害
• 1.1.2 常见几种整流电路对比与分析
• 1.1.3 功率因数提高措施
• 1.2 PWM整流器研究现状与发展
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 三相VSR控制系统工作模式及谐波分析
• 2.1 三相VSR控制系统的工作模式
• 2.1.1 三相VSR四象限运行原理
• 2.1.2 三相VSR开关状态分析
• 2.2 三相VSR控制系统的数学模型
• 2.3 三相VSR控制系统谐波分析
• 2.3.1 三相VSR控制系统谐波产生原因
• 2.3.2 三相VSR控制系统谐波产生推导
• 2.3.3 谐波对三相VSR控制系统的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 三相VSR控制系统设计
• 3.1 三相VSR控制系统设计
• 3.1.1 三相VSR双闭环控制原理
• 3.1.2 电流内环控制器设计
• 3.1.3 电压外环控制器设计
• 3.2 不平衡条件下并联三相VSR控制系统设计
• 3.2.1 不平衡条件下时三相VSR控制策略概述
• 3.2.2 并联三相VSR正、负序电流求取
• 3.2.3 并联三相VSR系统的环流抑制方法
• 3.2.4 并联三相VSR控制系统设计
• 3.2.5 并联三相VSR控制系统冗余高频化模式
• 3.3 本章小结
• 第4章 三相VSR调制方式与控制系统仿真
• 4.1 逐步逼近正弦脉宽调制法
• 4.1.1 常见的SPWM实现方法
• 4.1.2 逐步逼近SPWM实现原理
• 4.1.3 逐步逼近SPWM误差分析
• 4.1.4 逐步逼近SPWM与传统SPWM的仿真对比
• 4.2 三相VSR控制系统仿真实现
• 4.2.1 系统仿真模型的建立
• 4.2.2 系统仿真结果及分析
• 4.3 三相VSR各参数的分析及选取
• 4.3.1 直流侧电压下限的确定
• 4.3.2 三相VSR限流电阻的讨论
• 4.3.3 三相VSR交流侧电感的选取
• 4.3.4 三相VSR直流侧电容的选取
• 4.4 不平衡条件下三相VSR控制系统仿真问题
• 4.5 不平衡条件下并联三相VSR控制系统仿真实现
• 4.6 本章小结
• 第5章 三相VSR控制系统实现
• 5.1 三相VSR控制系统硬件架构
• 5.2 IGBT功率模块及其驱动设计
• 5.2.1 功率器件IGBT的选择
• 5.2.2 驱动电路和驱动电平转换电路
• 5.3 系统控制电路设计
• 5.3.1 基于锁相环的时钟电路和锁相电路
• 5.3.2 检测电路
• 5.4 控制系统的软件构成
• 5.4.1 控制系统周期时序图
• 5.4.2 控制系统主程序
• 5.4.3 EVA捕获中断模块
• 5.4.4 AD采样中断模块
• 5.4.5 定时器T3下溢中断模块
• 5.4.6 逐步逼近SPWM模块实现
• 5.4.7 数字PID模块
• 5.5 系统软件调试
• 5.6 实验结果与分析
• 5.6.1 过零点检测电路
• 5.6.2 逐步逼近SPWM驱动信号实现
• 5.6.3 不可控整流预充电过程
• 5.6.4 切入PWM控制时的过渡过程
• 5.6.5 稳态运行时的实际波形
• 5.7 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
• 致谢