基于三维空间矢量调制的四桥臂逆变器控制系统研究

摘要

三相逆变器输出电压波形对称是对电能质量最基本的要求。传统的三相三桥臂逆变器能在对称负载下输出谐波含量低且电压对称的波形。但是在不对称负载下无法解决输出电压不对称的问题。为了解决这一问题，本文选取了三相四桥臂逆变器的电路拓扑结构进行研究，通过增加一个桥臂，为零序电流提供通路来实现负载端输出三相对称电压。
　　为便于理解，本文在详细阐述二维空间矢量调制的基础上引出了三维空间矢量调制(3D-SVPWM)，并重点比较了abc和αβγ两种不同坐标系下的三维空间矢量调制算法。最后选取了abc坐标系下的三维空间矢量调制作为本文仿真的实现。实现算法采用基于S函数编程来完成，该方法简便，易于数字化实现。
　　在闭环控制策略方面，本文采用了应用广泛的PI控制器。结合对称分量法，旋转dq坐标变换，dq轴电压电流前馈解耦的瞬时控制策略，在直流下将负载的负序和零序电压调节为零，正序电压调节为参考值。经PI调节后再进行dq逆变换转变成交流量，利用序分量的合成获得三维空间矢量调制的三相指令电压。最后给出了PI控制器参数的整定计算原则并将PI控制器进行了改进，将其与重复控制相结合，设计了重复控制器。
　　本文选取了Matlab/Simulink作为仿真软件，对四桥臂逆变器进行了不同负载下的开环和闭环仿真验证。结果表明按照本文提出的设计方案，逆变器带不平衡负载时能够获得比较理想的三相对称负载电压。

目录

声明

摘要

1．1 前言

1．2 本课题的研究背景与意义

1．2．1 逆变器的发展概况

1．2．2 常见逆变器的拓扑结构介绍

1．2．3 逆变器的不平衡负载抑制机理分析

1．2．4 四桥臂逆变器的研究现状

1．3 本文研究的主要内容及结构安排

第2章 三相四桥臂逆变器的空间矢量调制

2．1 二维空间矢量调制

2．1．1 SVPWM调制的基本原理

2．1．2 扇区的选择

2．1．3 时间计算

2．1．4 矢量合成方法与时间匹配

2．2 基于αβγ坐标系下的三维空间矢量调制

2．2．1 三维空间矢量调制概述

2．2．2 四桥臂逆变器静止电压矢量选择

2．2．3 矢量电压的占空比计算

2．2．4 开关矢量组合

2．3 基于abc坐标系下的三维空间矢量调制

2．3．1 开关矢量的定义

2．3．2 开关矢量的选择

2．3．3 开关矢量占空比的计算及其排列方式

2．3．4 abc坐标系下3D-SVPWM算法的实现流程

2．3．5 abc坐标系与αβγ坐标系下调制方法的比较

2．4 本章小结

第3章 三相四桥臂逆变器的闭环控制系统

3．1 对称分量法原理

3．1．1 对称分量法概述

3．1．2 四桥臂逆变器的稳态平均等效模型

3．1．3 四桥臂逆变器的桥臂输出电压推导

3．2 三相四桥臂逆变器的数学建模

3．2．1 四桥臂逆变器在abc坐标系下的数学模型

3．2．2 四桥臂逆变器在由dq0坐标系下的数学模型

3．3 逆变器的闭环控制系统设计

3．3．1 四桥臂逆变器的整体控制方案

3．3．2 正序分量的控制器设计

3．3．3 负序分量的控制器设计

3．3．4 零序分量的控制器设计

3．3．5 控制系统PI参数的整定

3．4 改进型的闭环控制系统

3．4．1 改进型总体控制方案

3．4．2 重复控制器设计

3．5 本章小结

第4章 三相四桥臂逆变器的仿真分析

4．1 四桥臂逆变器仿真模型的建立与滤波器参数设计

4．1．1 仿真软件简介

4．1．2 开环系统模型的建立

4．1．3 仿真模型中LC滤波器参数的设计

4．2 开环系统仿真结果分析

4．3 闭环系统仿真结果分析

4．3．1 PI调节仿真结果分析

4．3．2 PI调节并联重复控制仿真结果分析

4．4 本章小结

5．1 全文工作总结

5．2 后续工作展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

致谢