基于内模原理的单相PWM整流器谐波抑制研究

摘要

单相两电平脉冲整流器已被广泛应用于铁路电力牵引、新能源、化工冶金等工业领域。单相脉冲整流器作为高速列车电力牵引系统的网侧变流器，其通过牵引变压器与供电网存在耦合关系。虽然与传统晶闸管相控整流器和二极管整流器相比，脉冲整流器存在网侧电流正弦度高、电流谐波小等优点;但是受各类因素影响，单相脉冲整流器电流仍存在一定程度的谐波畸变，进而导致牵引供电网谐波污染，供电质量恶化。同时，为提高牵引变流系统的功率密度，可取消整流器直流侧LC二次纹波谐振滤波电路，但这将会给整流器网侧谐波电流的抑制带来更大挑战。本文在此背景下进行了如下工作:
　　首先，分析单相脉冲整流器网侧电流谐波产生传导机理，并分别详细分析了直流侧电压纹波、功率开关管死区时间及管压降、电网电压谐波等因素对网侧电流波形畸变的影响关系，得到电流谐波分布规律。并对基于内模原理的波形改善技术进行了介绍。
　　其次，以基于比例积分控制的经典双闭环控制为基础，分析了其对交流信号无法实现零稳态误差控制，导致谐波抑制能力较弱的性能缺陷。然后，研究了基于比例谐振控制的优化双闭环控制策略，利用其对指定频率交流信号的无稳态误差跟踪优势，实现其对网侧电流谐波的抑制能力和抗电网电压谐波畸变干扰性能的提升，并搭建优化双闭环控制模型，对优化控制算法进行仿真验证。
　　再次，分析了基于内模原理的重复控制的物理和数学模型，以及同比例积分控制、比例谐振控制的内在联系。并结合单相脉冲整流器网侧电流谐波分布特征，应用奇数次重复控制器构造控制内模。并对重复控制器控制参数设计与稳定性条件、误差收敛速度、稳态精度之间的联系进行了研究。然后结合重复控制稳态误差小和预测电流控制动态响应快的优点，搭建基于嵌入式奇数次重复控制内模的预测电流控制模型，实现网侧电流谐波的抑制及抗网压谐波畸变性能的提升。
　　最后，基于RT-LAB半实物平台和TMS320F28335控制器的实验系统，对以上三种控制算法进行了对比验证分析。实验结果验证了理论分析的正确性和控制方法的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 电流谐波产生机理

1．2．2 电流谐波抑制技术

1．3 论文主要研究内容

第2章 单相PWM整流器谐波电流产生机理分析及抑制

2．1 单相PWM整流器的拓扑结构及数学模型

2．1．1 工作原理与数学模型

2．1．2 双闭环控制模型

2．2 谐波电流产生原因分析

2．2．1 直流侧电压脉动

2．2．2 电网电压谐波畸变

2．2．3 开关器件管压降

2．2．4 死区效应

2．3 内模原理及波形改善技术

2．3．1 内模原理

2．3．2 基于内模原理的波形改善技术

2．4 本章小结

第3章 基于PR控制内模的整流器谐波抑制

3．1 电压外环控制及设计

3．2 传统电流内环控制设计

3．2．1 控制系统建模

3．2．2 仿真分析

3．3 基于PR控制内模的电流环设计

3．3．1 比例谐振控制基本原理

3．3．2 谐波抑制及抗干扰性能

3．3．3 PR控制器参数设计

3．3．4 基于PR内模的整流器控制建模

3．3．5 仿真结果与分析

3．4 本章小结

第4章 基于重复控制内模的整流器谐波抑制

4．1 重复控制基本原理

4．1．1 重复控制器结构

4．1．2 嵌入式重复控制系统

4．2 基于嵌入式重复控制内模的无差拍预测电流控制

4．2．1 无差拍预测控制

4．2．2 重复控制内模设计

4．2．3 谐波抑制及抗干扰性能

4．3 基于重复控制内模的整流器双闭环建模

4．4 仿真与对比分析

4．4．1 仿真分析

4．4．2 基于内模原理的三种控制技术对比

4．5 本章小结

第5章 基于RT-LAB的硬件在环半实物实验研究

5．1 半实物实验平台

5．1．1 实验平台介绍

5．1．2 控制程序设计

5．2 实验结果与分析

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文及参研的项目