基于谐波消除脉宽调制技术准全硅功率变换的研究

摘要

现代电力电子变换装置的广泛应用推动了灵活供用电及节能技术的深入发展，并已成为电力系统新兴发展用户电力(CustomerPower)概念的技术基础。但是它们普遍采用具有冲击负载特性的大容量储能电容、电感元件与其开关工作方式相互作用给电力系统带来了严重谐波污染和相关电能质量问题。另一方面，随着自动化程度在国民经济各个领域的不断深入，要求高输入电能质量的各类敏感设备占总用电负荷的比例越来越高。这种矛盾局面使电力电子变换器的谐波治理成为当前电力系统迫切需要解决的问题之一，目前的主流解决方案主要是安装各种滤波设备或采用有源前端。和这些被动补偿方法不同，本论文从传统变换器中谐波的产生根源之一—大容量储能元件着手，研究通过采用准全硅功率变换去除它们以改善变换器的输入输出谐波特性、工作可靠性以及对恶劣输入电能质量的适应性，以此实现谐波的综合治理。围绕这个目的，本论文主要进行了以下几个方面研究： 准全硅功率变换系统的谐波消除研究。大容量储能元件在传统PWM变换器中起到平滑滤波的作用，去除大容量储能元件后准全硅功率变换电路的输入势必含有大量不可控整流过程以及交流系统自身畸变引入的谐波成分，继而影响输出电能质量。本文提出了一种适用于多种变换拓扑的新型统一谐波消除脉宽调制技术用于抑制输入畸变对输出波形的不良影响，在多种电网条件下均能保证良好的输出谐波特性。 准全硅功率变换系统的负载适应性研究。由于大容量储能元件具有滤波以及阻塞能量缓冲双重作用，因此在其被去除后变换器仅能满足纯阻性负载的要求。为了增强对不同类型负载的适应性，本文对准全硅变换电路及其工作模式进行了深入分析并在此基础上作出相应改进，同时还研究了输出有效值快速控制方法以满足负载对驱动电源高动态性能的要求。这些研究显著拓宽了准全硅功率变换技术的适用范围。 数字系统的离散采样控制研究。采用傅立叶变换方法建立了自然采样和中心对称规则采样PWM过程的精确数学模型，结果表明有限频率中心对规则采样调制方式给输出开关信号引入了延时和谐波畸变，降低了输入谐波尤其是高频部分的消除效果。为此提出了一种基于调制波预测技术和准自然采样技术的改进数字化PWM方法，它能精确逼近自然采样点且具有较小的计算量，很好地解决了离散控制方式对调制过程的负面影响。 准全硅功率变换系统的设计与实现研究。基于提出的统一谐波消除PWM技术、先进的变换电路控制策略以及改进数字化PWM方法，本文详细论述了准全硅功率变换的实验系统方案。主要研究了功率主电路以及数字控制器的软硬件设计和实现。尤其针对准全硅变换控制任务的特点，提出了采用高性能数字信号处理器主控系统和通用PC监控系统的复合架构，达到了高速实时控制与友好人机界面的统一。最后从实验系统的大量测量结果表明：本文所提出的准全硅功率变换理论分析正确、实用方案可行，为进一步研究奠定了重要的理论和实践基础。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1研究的目的和意义

1.2交流输入变换器拓扑研究现状

1.2.1 AC电压调节器

1.2.2 AC/DC变换拓扑

1.2.3 AC/DC/AC变换拓扑

1.3 PWM技术研究现状

1.3.1 PWM调制方式综述

1.3.2 PWM控制策略综述

1.4准全硅功率变换研究现状

1.4.1小储能元件变换器综述

1.4.2矩阵型变换器

1.5本论文的主要研究内容

第2章PWM变换器的统一谐波消除脉宽调制技术

2.1引言

2.2统一谐波消除脉宽调制技术研究

2.2.1谐波消除技术原理

2.2.2统一谐波消除调制函数的推导

2.2.3统一谐波消除PWM技术的实现

2.3统一谐波消除PWM输出特性仿真结果

2.4统一谐波消除PWM技术输入谐波特性分析

2.4.1 AC电压调节器输入谐波特性

2.4.2 AC/DC与AC/DC/AC变换器输入谐波特性

2.5本章小节

第3章准全硅变换电路分析及控制方法研究

3.1引言

3.2准全硅功率变换电路工作模式研究

3.2.1 PWM AC电压调节器模式分析

3.2.2 AC/DC变换器的模式分析

3.2.3 AC/DC/AC变换器的模式分析

3.2.4准全硅变换电路实验结果

3.3准全硅功率变换的控制研究

3.3.1开关噪音对输入电压测量的影响和解决方案

3.3.2单路交流信号的有效值快速算法

3.3.3基于前馈和反馈联合方式的输出有效值控制

3.4本章小结

第4章离散采样控制的谐波消除精度研究

4.1引言

4.2基于傅立叶变换方法的PWM调制过程分析

4.2.1自然采样PWM方式的数学模型

4.2.2中心对称规则采样PWM方式的数学模型

4.3规则采样方式下的PWM控制误差

4.3.1计及延时和谐波畸变因素的等效控制框图

4.3.2控制误差的仿真分析

4.4改进数字化PWM方法

4.4.1调制波预测技术

4.4.2准自然采样技术

4.4.3仿真结果

4.5本章小结

第5章准全硅功率变换系统的设计与实现

5.1引言

5.2准全硅功率变换的主电路方案

5.2.1功率开关元件选择

5.2.2 IGBT驱动电路设计

5.2.3故障保护电路设计

5.3准全硅功率变换控制系统的硬件设计

5.3.1系统总体设计

5.3.2前端主控系统

5.3.3后台监控系统

5.4准全硅功率变换的控制软件设计

5.4.1主控软件设计

5.4.2监控软件设计

5.5实验结果

5.6本章小结

结论

参考文献

附录1实验系统图片

攻读博士学位期间发表的论文

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致谢

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