基于双闭环控制的三相电压型PWM整流器的设计与研究

发布时间：2020-03-21 01:26

【摘要】：传统的不控整流和相控整流方式存在功率因数低、谐波大等缺点,这给电力系统造成了污染,引起学术界的重视。PWM整流器克服了传统不控整流器和相控整流器的缺点,具有功率因数可控,可实现双向(整流/逆变)单位功率因数运行,交流侧电流波形正弦化,系统具有较快的动态响应,直接电流控制易于控制系统设计,等等优点。因此,在有着较高技术要求的高性能电力电子应用场合和装置中,受到学界的青睐,并有了越来越广泛的应用。本文以三相电压型PWM整流器为研究对象,重点对非线性控制方法在电力电子系统中的应用和实现进行了研究。本文基于三相电压型PWM整流器拓扑结构,分析其工作原理,建立在三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系下的数学模型。对主电路电感和电容的取值范围进行了分析和计算。对传统SVPWM控制算法的实现进行了研究,鉴于该方法的实现复杂性,造成控制器的执行效率低,给出一种新颖差值SVPWM方法,该方法从电压入手,利用电压关系判断扇区,大大简化SVPWM算法过程且计算量小,适合实时高精度控制。基于双闭环控制器结构,对传统的电流闭环PI线性控制方法进行了分析,指出其对非线性系统的局限性,应用非线性控制理论,提出了基于负载电流前馈的滑模变结构电压环和输入/输出线性化的变结构电流环双闭环优化设计方案。为了验证本文提出的混合非线性控制方案对动态响应干扰的优越性,在Simulink中分别建立传统电流闭环PI矢量控制和非线性混合控制的PWM整流系统仿真模型,对比仿真结果,本文提出的非线性方案能够改善系统稳态特性,并能有效减小外部扰动所引起的电压波动,加快网侧电流的响应速度。为实现本文提出的三相电压型PWM整流系统的混合非线性控制策略,设计功率等级为33 k W的实验样机,对主要硬件部分和DSP程序结构进行了详细介绍。在阻性线性负载和逆变器非线性负载下分别进行动稳态实验,结果表明,采用基于双闭环控制结构的非线性控制方法,三相电压型PWM整流器可单位功率因数运行,具有输入电流谐波畸变率低,动态响应快的优点。
【图文】：

波形,实验平台

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第 5 章实验研究5.1 引言在完成电压型PWM 整流器系统设计后，33 kW 实验样机并搭建实验平台，分别在阻性负载和逆变器非线性负载下进行实验研究，对实验波形进行分析，得出实验结论。5.2 实验平台如图 5-1 所示，搭建阻性负载和逆变器负载实验平台，进行动稳态实验，验证本文所用设计思路和方法。本实验所用的实验设备主要有万用表、电流钳、高压差分探头、功率分析仪等，为清晰观察波形，这里示波器均设置为高分辨率模式。

整流器,无功分量,谐波,稳态

ai图 5-8 稳态时交流电流与电压析图 5-9，稳态后PWM 整流器的交流电流有效值为 50.47 A，在有功功率为 35.34 kW，无功功率为 0.08 Kvar，视在功率为 35.38高达 0.999，说明尽管变频器系统中功率存在感性分量，，但是基于环控制的整流器可有效降低无功分量，实现 PWM 整流器行；在网侧电流谐波方面，基波电流占比高达 99.97%，通过进一波畸变率为 2.87%，完全满足谐波标准 5%以下，可知，在动态非入输出变结构电流内环控制可有效降低网侧无功分量，实现率因数运行，电流对电压具有良好的跟踪效果，极大降低网侧谐波
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM461

【参考文献】