典型非线性负载模拟装置研究

摘要

电力电子技术的不断发展与应用给人们的生活带来很多便利，但电力电子装置等非线性负载的投运向电网注入了大量的谐波，严重威胁了电网的安全运行，如何在实验室搭建一套测试装置验证非线性负载对电源性能的影响是开展本次研究的主要目的。传统实验室中的测试装置一般由被测电源与普通负载组成。由于普通负载的个体性，并且为了尽可能多的测试不同负载情况下的性能指标，传统测试装置通常所占空间很大，而且负载切换非常不便。传统测试装置中的能量单向传输又会给测试过程带来很多的能量损耗，违背了经济性原则。本文利用电子电子技术的电流截断性能设计的典型非线性负载模拟装置能够完全取代传统负载，其一载多用的优点能大大节省实验室空间资源，能量双向传输的特性能节省实验中的能量损耗。
　　本文选取电压源型变换器，采用直流连接的方式搭建三相背靠背结构的典型非线性负载模拟装置拓扑，并详细介绍了其数学模型的构建方法。采用全控器件IGBT作为基本单元，从电压、电流、散热和开关频率方面介绍了IGBT的选型。根据纹波范围选择合适的储能电容是实现模拟输出的关键，通过对模拟输出滤波性能的分析对比，选择LCL滤波器提高输出波形质量。
　　正确的控制策略直接决定着输出电流精度。本文从宏观角度分析了典型非线性负载模拟装置可能需要用到的控制策略，具体对整机涉及到的PI控制、死区补偿、重复控制以及SVPWM的控制原理及参数设计进行了详细介绍。馈能侧和负载侧实现的功能不一样，具体采用的控制有所区别，其中馈能侧在PI控制、死区补偿以及SVPWM的控制下维持系统功率平衡，负载侧在复合控制以及SVPWM的控制下模拟输出实验人员需要的电流波形。在Matlab/Simulink仿真环境下验证了所设计的控制策略的有效性与实用性。
　　本文选取DSP+FPGA作为主控制器，实现数据采样、控制计算与通信传输。利用设计完整的硬件模块组件典型非线性负载模拟装置，在接通电源的情况下验证整机功能。实验证明了本文设计的合理性，正常运行情况下的整机能够维持功率平衡，并准确模拟出需要的线性负载和非线性负载。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 基于电力电子的负载模拟装置

1．3 发展现状

1．4 本文研究目的及主要内容

第二章 典型非线性负载模拟装置的原理及结构设计

2．1 原理

2．2 主电路拓扑结构设计

2．3 输入、输出变换器

2．3．1 输入、输出变换器的选择

2．3．2 VSR变换器模型构建

2．4 参数选择

2．4．1 开关管元件的选择

2．4．2 直流侧电容型号的选取

2．4．3 LCL滤波器设计

2．5 本章小结

第三章 系统控制策略

3．1 双环PI控制

3．1．1 电流环PI控制的设计

3．1．2 电压环PI控制的设计

3．2 死区补偿

3．3 重复控制

3．3．1 重复控制的基本原理

3．3．2 重复控制器设计

3．4 空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)

3．4．1 SVPWM原理

3．4．1 SVPWM算法设计

3．5 能量回馈侧控制方法及仿真

3．5．1 能量回馈侧控制方法

3．5．2 能量回馈侧仿真分析

3．6 负载模拟侧控制方法及仿真

3．6．1 负载模拟侧控制方法

3．6．2 负载模拟侧仿真分析

3．7 本章小结

第四章 控制系统设计及实验验证

4．1 控制系统的硬件设计

4．1．1 主控制器

4．1．2 采样单元

4．1．3 通讯单元

4．2 控制系统的软件设计

4．2．1 DSP控制程序设计

4．2．2 FPGA程序设计

4．2．3 上位机功能设计

4．3 装置运行实验验证

4．3．1 馈能侧实验验证

4．3．2 模拟负载侧实验验证

4．4 本章小结

第五章 工作总结与展望

5．1 工作总结

5．2 展望

致谢

参考文献

附录