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相三电压型svpwm整流器控制策略研究-学位论文.doc
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1、安徽工程大学毕业设计(论文)毕业设计(论文)三相电压型SVPWM整流器控制策略研究摘要常规整流环节广泛采用的二极管整流电路和晶闸管相控整流电路对电网注入了大量谐波,给电网造成污染。三相电压型PWM整流器具有输出电压恒定、高功率因数、低谐波污染、能量双向流动等优点,在电力系统有源滤波、无功补偿以及交直流传动系统等领域,具有越来越广阔的应用前景。本文详细阐述了PWM整流器的工作原理,建立了基于三相静止坐标系以及两相坐标系的低频和高频数学模型,并选择了三相电压型PWM整流器作为本文主要研究对象。电压空间矢量调制(SVPWM)控制方法能够获得更高的电压利用率,同时可使可有效减小电流谐波。文中对三相电压
2、空间矢量的原理和如何实现作了详细的分析,选择了谐波含量相对小的矢量排序策略。在电流控制方案上,提出了dq坐标系下的固定开关频率的直接电流控制策略,同时在控制中实现电流的解耦控制,以及输入电网电压的前馈,使得系统具有更好的动态性能和稳定性,并通过进行闭环系统的仿真验证了方案的可行性。在进行三相电压型PWM整流器系统的仿真研究中,建立主电路、空间电压矢量PWM控制模块及PI控制调节器的仿真模型,并深入对三相电压型PWM整流器的谐波含量进行分析,研究主电路参数对系统跟随性和稳定性的影响。关键字:PWM整流;SVPWM调制;直接电流控制;仿真研究Research on Control Strategy
3、 of the Three-phase Voltage SVPWMAbstractThe conventional rectifier section widely consists of diode-rectifier circuit and phase-control thyristor rectifier,which injects large amounts of harmonics into the power networks and produces much contamination.The three-phase voltage-source PWM reetifier(V
4、SR) have the characteristics of constant direet voltage,high power factor,small harmonic pollution,bidirectional power flow,so they have more and more application perspective in active filtering,reaetive-load compensation and motor control systems.The principle of single-phase voltage-source PWM rec
5、tifier was introduced in details,constructing the high and low-frequency mathematical model based on the three-phase static coordinate system and the two-phase synchronous rotating coordinate system from the poinit of the topology of the main circuit,and select the three-phase voltage-source PWM rec
6、tifier as this major study.With the voltage space vectors pulsewidth modulation,we can get higher usage of the voltage,at the same time it can effectively reduce the current harmonics.In this paper,the principle of three- phase voltage space vector and the specific implementation were analyzed in de
7、tails,choosing the vector sequencing strategy with relatively small harmonic content.As to the current control scheme,this paper propose a directly current control scheme,which with fixed switching frequency in dq rotation reference frame.And also, we introduce current decoupling input voltage feedb
8、ack,which makes the system more stable and faster response,and through the closed loop system simulation to verify the feasibility of this current control scheme.In the research of the system of the three-phase voltage-source PWM rectifier an, eastblish the main circuit,simulate module of the voltag
9、e space vectors pulsewidth modulation and simulate model of PI contorl conditioner,then analyzed deeply in the vector sequencing strategy of three-phase voltage-source PWM reetifier,deliberate the main circuit parameters on dynamic characteristics and static characteristics in the system.Key words:P
10、WM rectifier;SVPWM modulation;direct current control;simulate research目录引言- 1 -第1章 绪论- 2 -1.1 课题的研究背景与意义- 2 -1.1.1 谐波的危害和抑制- 2 -1.1.2 功率因数校正技术- 3 -1.2 PWM整流器国内外研究现状- 3 -1.3 电压型PWM整流器的控制技术- 5 -1.4 本文的主要研究内容和重点- 5 -第2章 PWM整流器的原理、拓扑和数学模型- 7 -2.1 PWM整流器的基本原理- 7 -2.2 PWM整流器的拓扑结构- 9 -2.2.1 单相全桥PWM整流器拓扑结构-
11、 9 -2.2.2 三相半桥PWM整流器拓扑结构- 10 -2.3 三相电压型PWM整流器的数学模型- 11 -2.3.1 ABC静止坐标系下的低频数学模型- 12 -2.3.2 两相坐标系下的低频数学模型- 13 -2.3.3 基于开关函数定义的高频通用数学模型- 15 -2.3.4 两相坐标系的PWM整流器高频数学模型- 18 -2.4 本章小结- 19 -第3章 三相电压型PWM整流器的控制- 20 -3.1 三相电压型PWM整流器的电流控制策略- 20 -3.1.1 间接电流控制- 20 -3.1.2 直接电流控制- 20 -3.2 三相电压型PWM整流器的SVPWM调制方法- 22
12、-3.2.1 三相VSR的电压空间矢量分布- 22 -3.2.2 电压空间矢量的合成和作用时间的分配- 24 -3.3 SVPWM调制算法的实现和仿真- 25 -3.3.1 扇区的判定和作用时间的计算- 27 -3.3.2 电压空间矢量的排序和三相PWM波的生成- 29 -3.3.3 三相VSR的SVPWM调制算法的模型- 31 -3.4 本章小结- 31 -第4章 三相电压型PWM整流器的建模和仿真- 32 -4.1 主电路参数设计- 32 -4.1.1 交流侧电感的设计- 32 -4.1.2 直流侧电容的设计- 34 -4.2 电压空间矢量控制的三相VSR的仿真研究- 36 -4.2.1
13、三相VSR在dq坐标系下的电流解耦控制- 36 -4.2.2 三相VSR整流状态下的仿真研究- 37 -4.3 本章小结- 39 -结论与展望- 40 -致谢- 41 -参考文献- 42 -附录- 43 -附录A- 43 -附录B- 44 -附录C- 52 -插图清单图21 PWM整流器模型电路- 7 -图22 PWM整流器交流侧等效电路- 7 -图23 PWM整流器交流侧电压波形- 8 -图24 (a)整流状态矢量图 (b)逆变状态矢量图- 8 -图25 PWM整流器四象限运行原理图- 9 -图26 单相全桥电压型PWM整流器拓扑结构- 9 -图27 三相半桥电压型PWM整流器拓扑结构- 1
14、0 -图28 PWM整流器输入侧等效电路和向量图- 10 -图29 PWM整流器交流侧矢量方程的空间矢量图- 13 -图210 dp坐标系的变换关系- 15 -图211 三相PWM整流器开关模型简图- 16 -图212 三相PWM整流器高频等效电路- 17 -图213 三相PWM整流器在dq坐标系下的高频等效电路- 18 -图31 三相VSR电压空间矢量分布图- 23 -图32 电压空间矢量的合成- 24 -图33 传统输入相电压的区间划分- 26 -图34 判断电压矢量所在区间的条件- 26 -图35 改进方案的区间划分- 26 -图36 扇区号N实际对应的各扇区情况- 27 -图37 区间
15、I电压空间矢量的合成- 27 -图38 电压空间矢量的排序策略- 29 -图39 电压空间矢量PWM调制方式- 30 -图310 SVPWM调制仿真模型- 31 -图41 系统设计框图- 32 -图42 直流侧电压阶跃突变时的等效电路图- 35 -图43 三相PWM整流器电流内环解耦控制原理图- 37 -图44 三相VSR的直接电流整流仿真模型- 38 -图45 A相电网电压和电流波形输出相位波形- 39 -图46 常规PI控制时的输出直流电压波形- 39 -插表清单表31 不同开关组合时的电压值- 23 -表32 各扇区号对应的电压空间矢量的作用时间- 28 -表33 各切换点赋值时刻- 3
16、1 - 53 -引言在20世纪80年代,这一时期由于自关断器件的日趋成熟及应用,推动了PWM整流技术的应用与研究。在1982年,BusseAlfred等人首先提出了基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑结构及其电网侧电流幅相控制策略,并实现了电流型PWM整流器网侧单位功率因数电流控制。1984年。AkagiHirofulni等人提出了基于PWM整流器拓扑结构的无功补偿器控制策略。随着全控器件的问世,采用全控型器件实现PWM高频整流的研究进入高潮。经过几十年的发展,PWM整流器的主电路已从早期的半控型器件发展到今天的全控型器件,而对PWM整流器相关的应用领域的研究也越来越多,例如有源滤波、超导
17、储能、交流传动、高压直流输电以及统一潮流控制等。这些应用领域的研究,又促进了PWM整流器及其控制技术的进步和完善。控制技术是决定PWM整流器发展的关键因素,在大多数应用场合,PWM整流器有两大控制目标:一是保持直流侧输出电压稳定在给定电压值,且尽量不受电网电压及负载变化的影响;二是使PWM整流器的交流侧电流也根据不同的应用场合,实现相应的功率因数要求和快速精确的电流波形控制。其中,对网侧输入电流的控制是PWM整流器控制的关键,这是由于应用PWM整流器的目的是使输入电流正弦化。其实对输入电流的有效控制实质上是对变换器能量流动的有效控制,也就控制了输出电压。基于这个观点,可以将PWM整流器的控制分
18、成间接电流控制和直接电流控制两大类。三相PWM整流器可分为三相电压型PWM整流器和三相电流型PWM整流器两种。本文主要针对当前应用广泛的三相电压型整流器进行研究。目前,PWM控制技术有许多种,应用较为广泛的主要有正弦波PWM(SPWM)控制策略和电压空间矢量PWM(SVPWM)控制策略。SPWM控制策略虽然控制简单,而且电网低次谐波分量较小,但是其直流电压利用率低。SVPWM控制策略是依据变流器电压空间矢量切换来控制变流器的一种控制策略,其主要思路是采用逆变器电压空间矢量的切换以获得准圆形旋转磁场,从而在不高的开关频率(l3kHz)条件下,使交流电动机获得比SPWM控制策略更好的性能。将SVP
19、WM应用于PWM整流器控制之中,主要继承了SVPWM电压利用率高、动态响应快等优点。正是由于SVPWM控制策略的这些优点,使本课题的研究具有现实意义。本课题要求通过三相PWM整流器的工作原理和数学模型分析,对整流器的空间电压矢量控制策略进行简化,实现单位功率因数整流,课题研究对拓宽整流器在解决电网谐波污染,提高电力整流装置的功率因数等方面具有重要作用。研究了三相电压型PWM整流器基于三相静止坐标系以及两相坐标系的低频和高频数学模型,研究了dq坐标系下的固定开关频率的直接电流控制策略,同时在控制中引入输入电网电压的前馈控制,实现了电流的解耦控制。研究了电压空间矢量调制控制方法,对电压空间矢量进行
20、合理的排序。在进行三相电压型PWM整流器系统的仿真研究中,建立主电路、空间电压矢量PWM控制模块及PI控制调节器的仿真模型。第1章 绪论随着功率半导体技术的不断发展,越来越多的电力电子装置得到广泛的运用,引起的谐波及无功污染问题逐渐引起了人们的日益关注。脉冲整流技术(又叫PWM整流技术)取得了飞速的发展,己经成为电力电子领域中不可缺少的一部分,它对提高电力电子装置的性能,治理电网谐波污染以及推动电力电子技术的发展起着十分重要的作用。1.1 课题的研究背景与意义近20年来电力电子技术得到了飞速的发展,已广泛应用于电力、冶金、化工、煤炭、通讯、家电等领域。多数电力电子装置通过整流器与电力网接口,因
21、此三相整流器的研究得到了人们很大的关注。整流器经历了不可控整流、相控整流和PWM整流三个阶段的发展。虽然传统的二极管不控整流和晶闸管相控整流器的电路简单,控制方便,但它们主要存在以下缺陷:(1) 对公用电网产生大量的谐波;(2) 当整流器工作于深度相控状态时,装置的功率因数极低;(3) 交流侧输入有电流畸变,而且整流器换流时容易引起电网电压波形畸变;(4) 侧需要较大的平波电抗器和滤波电容以滤除纹波。这导致装置的体积、重量增大,增加了系统的成本;(5) 相控导致调节周期长,加之输出滤波时间常数又较大,所以系统动态响应慢。无论是二极管不控整流还是晶闸管相控整流,其产生的低功率因数高谐波含量都将导
22、致电网正弦电压畸变,增加配电导线与变压器的损耗,增大中线谐波电流,造成电网上其他用电装置严重的电磁干扰;同时,低功率因数还将降低电源系统的负载能力和可靠性。因此不少国家和国际学术组织制定了限制电力系统和用电设备谐波的标准和规定,有国际电工委员会(IEC)制定的IEC5552标准,它对用电装置的功率因数和波形失真度作了具体的限制,且又于1988年对谐波标准进行了修正,欧洲也制定了相应的 IEC100032标准。我国国家技术监督局在1994年颁布了电能质量公用电网谐波标准(GB/TI454993),传统整流器已经不符合这些新的规定。目前解决电网污染的方法主要有两种:一是采用补偿装置在电网侧对已经产
23、生的谐波和无功功率进行补偿;二是通过对产生谐波的电力电子装置本身进行改造,使装置的输入正弦电压和电流同相位,不产生谐波也不消耗无功功率。两者相比较,采用改进电力电子装置的方法改善功率因数和实现谐波抑制更为有效,也就是开发输入电流为正弦波,谐波含量低,且功率因数接近为1的新型三相整流器,因此高功率因数三相整流器的研究得到了广泛的关注。1.1.1 谐波的危害和抑制谐波对电网和其它系统的危害主要有以下几方面:(1) 增加了公用电网的附加输电损耗,降低了发电、输电设备的利用率;(2) 引起用电设备发热,使它们的绝缘部分老化,降低用电设备的寿命;(3) 造成电网与补偿电容器之间发生并联谐振或串联谐振。谐
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