基于电压空间矢量的三相电压型PWM整流器控制策略的研究

摘要

在电力系统中，电压和电流应是标准的正弦波。但是在实际的电力系统中，由于非线性负载的影响，实际的电网电压和电流波形总是存在着不同程度的畸变，给电力输配电系统及附近的其他电气设备带来了许多问题，因而就有必要采取措施限制其对电网和其他设备的影响。 三相电压型脉宽调制(PWM)整流器具有输入正弦波形良好、可获得单位功率因数、可实现能量双向流动等优点，它解决了传统意义上整流电路中存在的谐波含量大、功率因数低和能量不能回馈等问题。目前它已被广泛用于消除电网谐波污染和提高电能利用率的场合。 本文比较研究了多种电压型PWM整流器的主电路拓扑结构，以三相电压型PWM整流器为例分析了PWM整流器四象限工作原理，建立了三相电压型PWM整流器在不同情况下的数学模型，为后续的研究工作奠定了基础。论文工作的重点是对PWM整流器在电网电压平衡和电网电压不平衡时的控制策略进行研究与仿真。 当电网电压平衡时，采用基于电网电压定向的矢量控制策略。由于PWM：整流器是一个多变量、强耦合系统。控制结构采用电压外环、电流内环的双闭环结构，其中电压外环采用PI调节器，保证输出电压稳定；而电流内环采用前馈解耦，按电压外环输出的电流指令进行控制，以实现单位功率因数和正弦波电流。为了便于数字化实现，本文采用了一种空间电压矢量的简单算法，可直接利用参考电压来判断扇区和计算作用时间。仿真结果表明，在理想的电网状态下电压空间矢量PWM(SVPWM)控制策略的电压利用率较高，动态响应性能较好。 本文论述了电网电压不平衡时正负序电信号的检测方法和不平衡控制的功率平衡原理，以及电网电压不平衡时PWM整流器的正负序电流独立控制策略。该策略也是采用双闭环控制结构，只是最后将正负序电压信号合成为一个电压信号。 结合SVPWM技术，论文用MATLAB/SIMULINK进行了仿真，并分析了仿真结果。本文还以DSP为核心，进行了系统的主程序、A/D采样程序、坐标变换、PI控制程序及SVPWM算法子程序的软件设计，完善了SVPWM技术的算法实现方案。 仿真实验表明：当电网电压平衡时，矢量控制技术可以使电网电压和电流达到同相位，亦即使PWM整流器达到单位功率因数；电网电压不平衡时，采用功率平衡控制算法，可以使直流侧电压无谐波分量，但电网电流只含有少量的谐波成分。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1 PWM整流器概述

1.2 PWM整流器的分类

1.3 PWM整流器研究现状

1.4三相VSR控制技术展望

1.5课题意义与研究内容

第二章PWM整流器的工作原理、拓扑结构和数学模型

2.1 PWM整流电路的工作原理

2.2高功率因数整流器的拓扑结构

2.2.1 二极管整流Boost斩波器拓扑结构

2.2.2升压型(Boost)电路

2.2.3降压型Buck电路

2.2.4三电平Buck电路

2.3三相电压型PWM整流器的数学模型

2.3.1三相静止坐标系的数学模型

2.3.2两相静止坐标系的数学模型

2.3.3两相同步旋转坐标系的数学模型

2.4本章小结

第三章三相PWM整流器的空间矢量控制

3.1 SVPWM的一般问题

3.2 SVPWM算法的数字实现

3.3本章小结

第四章电网电压平衡时的空间矢量控制

4.1电压定向原理

4.2控制原理及框图

4.3 PI调节器参数设计

4.3.1电流调节器设计

4.3.2电压调节器设计

4.4电压定向控制系统抗负载扰动性能分析

4.5本章小结

第五章电网电压不平衡时的三相电压型PWM整流器(VSR)的设计

5.1不平衡系统的研究方法

5.2基于正负序电流独立控制的功率平衡策略

5.2.1网侧功率平衡控制算法

5.2.2基于正负序电流独立控制的功率平衡控制策略

5.3 PI调节器参数设计

5.3.1电流调节器参数设计

5.3.2电压调节器参数设计

5.4 正负序电流的检测

5.5本章小结

第六章系统仿真与仿真结果

6.1 SVPWM算法仿真

6.2 PWM整流器电网电压定向矢量控制仿真

6.2.1由三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的变换仿真

6.2.2矢量控制策略仿真

6.3三相电网电压不平衡时PWM整流器控制系统的仿真

6.3.1三相电网电动势正负序电压检测

6.3.2指令电流算法仿真

6.3.3 正负序电流独立控制仿真

6.3.4不平衡时功率平衡控制策略仿真

6.4本章小结

第七章基于DSP的SVPWM实现

7.1编程开发平台简介

7.2 SVPWM数字算法

7.2.1五段式SVPWM

7.2.2七段式SVPWM

7.3 SVPWM的算法流程图

7.3.1系统主程序设计

7.3.2 A/D采样子程序

7.3.3坐标变换与PI调节子程序

7.3.4 SVPWM子程序

7.4试验波形

7.5本章小结

第八章总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文