三相电压型svpwm整流器控制策略研究_毕业设计论文(编辑修改稿)

三相电压型svpwm整流器控制策略研究_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

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 (l~3kHz)条件下，使交流电动机获得比 SPWM 控制策略更好的性能。 将 SVPWM 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。 贾佳： 三相电压型 SVPWM 整流器控制策略研究 2 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。 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 IEC555—2 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 IEC1000—3—2 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/TI4549—93)，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。 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 ； 安徽工程大学毕业设计（论文） 3 (3) 造成电网与补偿电容器之间发生并联谐振或串联谐振。 谐振使谐波电流放大数倍甚至数十倍，引起电容器过热而烧毁 ； (4) 导致继电保护和自动装置误动作，使电气测量仪表计量不准确 ； (5) 对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量 ； 严重者还会导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 解决电网谐波污染的途径主要有两种 ： 一是在电力系统中加入补偿器来补偿电网中的谐波，如无源 LC 滤波器，有源电力滤波器。 二是对电力电子装置本身进行改造，使其不产 生谐波，且功率因数可控制为 1。 前者是产生谐波后进行补偿，而后者是消除了谐波源，是解决谐波问题的根本措施。 把 PWM 技术应用于由 MOSFET、 IGBT 等全控器件组成的整流电路，可运行于高功率因数，甚至能量可以双向流动，真正实现绿色电能转换，因而备受关注。 这种整流器称为 PWM 整流器，又称为脉冲整流器，或者称高功率因数变流器。 功率因数校正技术 不管是民用的还是工业用的产品都对电源的要求越来越高 ： 体积小、重量更轻、供电容量更高、供电品质更好、可靠性更高、效率更高、不间断供电等等，提高功率因数是实现这些要 求的关键所在。 传统的方法是采用多重化技术增加变流器的相数或脉动数，多重化技术就是将多个方波进行叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波。 可以想象，重数越多，阶梯波就越接近正弦波，不过电路结构也越复杂。 从几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用 PWM 整流技术。 PWM 整流就是将逆变电路 PWM 技术应用于由 MOSFET、 IGBT 等全控型器件组成的整流电路。 而采用 PWM整流技术可获得单位功率因数和正弦化输入电流，实现交流侧电流的正弦化，且运行于单位功率因数，同时谐波含量很小。 由于 PWM 整流器可以实现 能量的双向流动，不但能实现由交流侧电网向负载传送能量的整流特性，而且能实现由直流侧向交流侧回馈能量的逆变特性，有效地节约和利用了能源，因而是一种真正意义上的“绿色环保”电力电子装置。 由此可见， PWM 整流技术代表着当今解决谐波污染问题、实现高功率因数和新能源利用的发展方向，是当今电力电子技术中最具基础和前景的技术之一。 PWM 整流器国内外研究现状 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。 当前主要的研究 领域主要有以下几个方面 ： 1. 整流器的分析与建模 贾佳： 三相电压型 SVPWM 整流器控制策略研究 4 PWM 整流器数学模型的研究是 PWM 整流器及其控制技术研究的基础。 自从出现基于坐标变换的 PWM 整流器的数学模型之后，各国学者对 PWM 整流器的数学模型进行了仔细的研究，其中最具代表性的就有 ： 等较为系统地建立了 PWM 整流器的时域模型，并将时域模型分解成高频、 低频模型，且给出了相应的时域解 ； 和 DongYHu 等则利用局部电路的 dq 坐标变换建立了 PWM 整流器基于变压器的低频等效模型电路，并 给出了稳态、动态特性分析。 2. 电压型 PWM 整流器的电流控制策略研究 为了使电压型 PWM 整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的研究显得十分重要。 在 PWM 整流器技术发展过程中，电压型 PWM 整流器网侧电流控制策略主要分成两类 ： 一类是由 提出的间接电流控制策略 ； 另一类就是目前占主导地位的直接电流控制策略。 间接电流控制也称为相位和幅值控制，即通过控制电压型整流器的交流侧电压基波幅值、相位，进而间接控制网侧电流，但它对系统参数变化灵敏，因此这种控制策略己逐步被直接电流控制策略取代。 直接电流 控制通过快速计算出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值，具有快速的电流响应和良好的鲁棒性。 直接电流控制控制方案主要包括以固定开关频率且采用电网电动势前馈的 SPWM 控制，以及滞环电流控制。 为了提高电压利用率并降低损耗，基于空间矢量的 PWM 控制在电压型 PWM 整流器中取得了广泛的应用，并提出了多种方案。 3. PWM 整流器拓扑结构的研究 PWM 整流器拓扑结构可分为电流型和电压型两大类。 在小功率场合， PWM 整流器拓扑结构的研究集中在减少功率开关和改进直流输出性能上。 对 于大功率 PWM整流器，其拓扑结构的研究主要集中在多电平、变流器组合以及软开关技术上。 多电平拓扑结构的 PWM 整流器主要应用于高压大容量场合，而在大电流应用场合，常采用变流器组合拓扑结构，即将独立的电流型 PWM 整流器进行并联组合。 4. PWM 整流器系统控制策略的研究 随着人们对 PWM 整流器及其控制策略的深入研究，国内学者针对整个 PWM 整流器系统的控制策略问题也提出了一些比较新颖的系统控制策略，其研究主要可以包括以下几个方面： (1) 基于 Lyapunov 稳定性理论的 PWM 整流器控制。 针对 PWM 整流器的非线性多变量强耦 合的特点，常规的控制策略和控制器的设计一般采用稳态工作点小信号扰动线性化处理方法，这种方法的不足是无法保证控制系统大范围扰动的稳定性。 为此，有学者提出了基于 LyaPunov 稳定性理论的控制策略。 这一新颖的控制方案以电感、电容储能的定量关系建立了 Lyapunov 函数，并由三相 PWM 整流器的 dq 模型以及相应的空间矢量 PWM 约束条件，推导出相关的控制算法。 (2) 无电网电动势传感器和无网侧电流传感器控制。 为简化信号的检测， 等学者提出了一种无电网电动势传感器 PWM 整流器控制策。 这一研究主 要包括两类电网电动势重构方案 ： 一种是通过功率估计，另一种是通过电流的偏差求导重构电动势。 (3) PWM 整流器的时间最优控制。 有学者提出了直流电压时间最优控制，其基本方法是根据时间最优控制算法求解出跟踪指令电流所需的最优控制电压，并在动态过程中降低无功分量的响应速度，提高有功分量的响应速度，实现了时间最优控制。 (4) 电网不平衡条件下的 PWM 整流器控制。 由于实际电网是变化的，为了使整流器在电网不平衡条件下仍能正常运行，有人提出了在不平衡条件下，网侧电流和直流电压的时域表达式。 电网负序分量被认为是导致网侧电 流畸变的原因。 在电网不平衡条件安徽工程大学毕业设计（论文） 5 下，常规的控制方法会使直流电压产生偶次谐波分量，交流侧会有奇次谐波电流。 等人较为系统地提出了正序坐标系中的前馈控制策略，即通过负序分量的前馈控制来抑制电网负序分量的影响。 但是由于该方法的负序分量在心坐标系下不是直流量，导致调节不能实现无静差控制。 电压型 PWM 整流器的控制技术 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 整流器的控制分成间接电流控制和直接电流控制两大类。 间接电流控制也称幅相控制，即通过控制电压型 PWM 整流器的交流侧电压基波幅值和相位，进而间接控制其网侧电流。 间接电流控制的静态特性很好，控制结构简便。 由于不需要电流传 感器，故成本也比较低。 系统过渡过程按其自然特性完成，而整流器的自然特性又很差。 所以在间接电流控制的电。