三电平pwm整流器双闭环控制系统的设计与实现(附件)【字数：12178】
摘 要随着电力电子技术的快速发展及其设备的广泛应用，所引起对电网的谐波污染也越来越受到人们的重视。传统的整流器由于存在着输入电流谐波含量高、输入功率因数低和能量不可回馈等不足，向电网注入了大量的谐波和无功，造成了严重的电网污染。对此，必须找出有效的解决方案。鉴于有源或无源滤波是对已被污染的电网进行补偿，不是治理电网污染的最根本措施，因此有必要开发一种绿色无污染的新型电力变换装置。由于 PWM 整流器具有网侧电流正弦化，功率因数为1和能量可双向流动等优点，现已在单位功率因数整流、工业直流电源、交流传动等工业领域中广泛应用。可以预见，随着PWM 控制技术的发展以及各种智能控制算法的应用，PWM 整流器的性能会不断提高，从而会得到更广泛的应用。本文采用二极管箝位型三电平拓扑作为电压型 PWM 整流器的主电路，其控制技术较为成熟，在分析其工作原理的基础上，尝试建立了PWM整流器在坐标系下的数学模型。除此之外我们还研究了三电平 PWM 整流器多采用电压控制外环和电流控制内环组成的双闭环控制系统，在了解双闭环控制系统理论的基础上，研究了三电平 PWM 整流器的系统设计，并建立其单相双闭环控制系统的数学模型，同时也进行了仿真。结果表明，设计的双闭环系统具有良好的抗扰动性能，动态响应也得到了明显的改善。
目 录
第一章 绪论 6
1.1研究意义 6
1.2研究现状 7
1.2.1控制算法的研究和优化 7
1.2.2三电平PWM整流器的研究现状 7
1.3.本课题研究内容 7
第二章 单相三电平PWM整流器的数学模型 9
2.1 单相三电平PWM整流器拓扑结构及其工作原理 9
2.2三电平PWM整流器数学模型 10
2.2.1采用开关函数描述的一般数学模型 10
2.3 控制系统分析与设计 13
2.3.1电压外环控制 13
2.3.2电流内环控制 14
2.3.3双闭环控制系统设计 14
第三章 空间矢量脉冲调制(SVPWM)策略 17
3.1 预测电流控制原理 17
3.2 SVPWM原理 18
第四章 系统 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
仿真 20
4.1数字锁相环的设计 21
4.2电流内环PI调节器设计 22
4.3电压外环PI调节器设计 26
4.4双闭环系统仿真实验 27
4.5本章小结 30
第五章 总结与展望 30
5.1 全文总结 31
5.2 工作展望 31
结束语 32
致谢 33
参考文献 34
绪论
1.1研究意义
最近几年，PWM技术除了在整流器中的应用中没有达到成熟外，在其他的很多领域都得到了广泛的应用。在目前的市场上，逆变直流电压大部分使用得还是
二极管整流器。这是因为在我们使用中，还没有感受到PWM整流技术的稳定性与可靠性。因此，为了使技术被更好的使用，我们需要对PWM整流器的可靠性和稳定性相关方面进行深入的探究。
在研究PWM整流器的过程中，我总结出它的一些优点：第一，它具有小谐波分量和高正弦电流。因此，我们可以控制它的功率因数，这样可以很容易的被我们使用。第二，直流侧电压稳定性好并且可以调控，动态性能好;它的能量流是双向的。因此，我们现在对PWM整流器稳定性和可靠性进行研究一定对未来是有用的。
从现在看，两级PWM整流技术在各方面已经成熟，在低压方面可以得到很好的应用。但在高压功率下使用时，就需要更加严格的要求，比如需要电力电子装置具有较高的耐电压和电流的能力,但因为成本和技术两方面原因，因此，在大功率下很难应用。
三电平变换器是指三电平拓扑将两个串联电容的交流相电压整流桥可以分为三个电平，并且每个桥臂由四个开关管串联与飞轮二极管并联，然后每个相位桥臂采用两个空间二极管WIL。在总线电容中点空间上，我们称之为CNPC的电路中点空间型三电平拓扑。然后将三电平技术扩展到N电平，通常为三、四、五等。然而，在中压大功率传输系统中，实际应用[4][5][6]实际上仅仅是三电平NPC逆变器。因此，三电平NPC整流器的研究逐渐引起人们的广泛关注。
现在我们把NPC三电平整流器与两层整流整流器〔7〕相结合，得出以下优点：1）桥臂开关管电压略小于直流母线电压的一半，降低了压力，而且技术和经济方面都是驱动的，除此之外优点是，还可以防止元件的动态压力出现一系列问题，从而保证了系统的稳定性和可靠性；2）当频率相同时，开关管的使用通常是电平开关频率的一半，直流电压柱较少，基本上没有。折衷时，当旋转设备时，也降低了电气设备的振荡，因此，NPC三电平整流器提高了整个系统的性能。
综上所述，三电平PWM整流技术不仅解决了电网侧注入谐波和无功功率的问题，而且解决了功率半导体器件本身的技术局限性问题。因此，是比较被看好的一个电子领域。三层PWM整流技术发展的越来越好，在交流传动和新能源的开发方面也会得到很好应用。
1.2研究现状
1.2.1控制算法的研究和优化
近年来，我们研究了PWM整流器控制的直接和间接方面。间接电流是通过控制交流输入电压来控制输入电流来控制的。该方法通过控制输入电压间接控制输入电流。由于它的直接控制是电压，所以也称为相位幅值控制。它具有响应速度慢、控制精度差、控制方法简单等特点。另一方面，对于直流，它是引入交流输入的反馈信号，因此可以直接从该信号控制输入电流。除了这两种方法，我们还可以根据电流跟踪方法使用滞环PWM优势、固定频率PWM占优、SVPWM控制等技术[1]。
通过上面的分析，我们可以知道，在谐波抑制和电网无功补偿等方面PWM整流技术有一定的优势，比如高功率因数、谐波畸变小、直流母线电压动态性能好等、网侧电流波形正弦度高、能量双向流动。目前，这一领域的研究主要是电压电流双闭环控制策略，以实现电压矢量可调的功率因数的影响。但在使用中，我们对PWM整流器的性能提出了更高的要求，研究人员还需要不断优化控制策略，以满足工业应用的新需求。
1.2.2 三电平PWM整流器的研究现状
中点箱位式三电平的拓扑结构和多电平逆变器(Multilevel inverter)的思想的提出，为高功率变流器的研究开辟了新的思路[8]。多电平逆变器主要是通过提高输出波形的电平接近正弦波、电平、PWM波形的正弦度的数量越多，越好，谐波含量越低，可以降低开关频率，降低开关损耗。按我们一般得思想，电平数越多对于调节效果是越好的，但是当电平数增多的同时，我们的主电路结构就会相当的复杂，也不容易被我们控制，目前在应用中最为常见的应该是三电平逆变电路拓扑。
1.3.本课题研究内容
（1）主要研究了单相三电平PWM整流器的拓扑结构和PWM整流器的数学模型。在建立数学模型之后，我们需要分析它的工作原理是什么、单相整流器控制策略是什么,并且分析当前的内循环控制器及其控制结构和外部电压调节器，之后再进行参数设计。
（2）在本文中，我们研究了一种基于坐标变换的SVPWM调制策略。通过矩阵变换，我们将传统的坐标系旋转60。之后形成一个新的坐标系统，这样可以使多电平变换器的基本矢量落在整点坐标上，落在整点坐标上的矢量就构成三个比较基本的矢量。然后，我们可以根据最新坐标的确定，时间的计算好匹配等等，来实现旋转60。之后新坐标系下的SVPWM调制方法。
目 录
第一章 绪论 6
1.1研究意义 6
1.2研究现状 7
1.2.1控制算法的研究和优化 7
1.2.2三电平PWM整流器的研究现状 7
1.3.本课题研究内容 7
第二章 单相三电平PWM整流器的数学模型 9
2.1 单相三电平PWM整流器拓扑结构及其工作原理 9
2.2三电平PWM整流器数学模型 10
2.2.1采用开关函数描述的一般数学模型 10
2.3 控制系统分析与设计 13
2.3.1电压外环控制 13
2.3.2电流内环控制 14
2.3.3双闭环控制系统设计 14
第三章 空间矢量脉冲调制(SVPWM)策略 17
3.1 预测电流控制原理 17
3.2 SVPWM原理 18
第四章 系统 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
仿真 20
4.1数字锁相环的设计 21
4.2电流内环PI调节器设计 22
4.3电压外环PI调节器设计 26
4.4双闭环系统仿真实验 27
4.5本章小结 30
第五章 总结与展望 30
5.1 全文总结 31
5.2 工作展望 31
结束语 32
致谢 33
参考文献 34
绪论
1.1研究意义
最近几年，PWM技术除了在整流器中的应用中没有达到成熟外，在其他的很多领域都得到了广泛的应用。在目前的市场上，逆变直流电压大部分使用得还是
二极管整流器。这是因为在我们使用中，还没有感受到PWM整流技术的稳定性与可靠性。因此，为了使技术被更好的使用，我们需要对PWM整流器的可靠性和稳定性相关方面进行深入的探究。
在研究PWM整流器的过程中，我总结出它的一些优点：第一，它具有小谐波分量和高正弦电流。因此，我们可以控制它的功率因数，这样可以很容易的被我们使用。第二，直流侧电压稳定性好并且可以调控，动态性能好;它的能量流是双向的。因此，我们现在对PWM整流器稳定性和可靠性进行研究一定对未来是有用的。
从现在看，两级PWM整流技术在各方面已经成熟，在低压方面可以得到很好的应用。但在高压功率下使用时，就需要更加严格的要求，比如需要电力电子装置具有较高的耐电压和电流的能力,但因为成本和技术两方面原因，因此，在大功率下很难应用。
三电平变换器是指三电平拓扑将两个串联电容的交流相电压整流桥可以分为三个电平，并且每个桥臂由四个开关管串联与飞轮二极管并联，然后每个相位桥臂采用两个空间二极管WIL。在总线电容中点空间上，我们称之为CNPC的电路中点空间型三电平拓扑。然后将三电平技术扩展到N电平，通常为三、四、五等。然而，在中压大功率传输系统中，实际应用[4][5][6]实际上仅仅是三电平NPC逆变器。因此，三电平NPC整流器的研究逐渐引起人们的广泛关注。
现在我们把NPC三电平整流器与两层整流整流器〔7〕相结合，得出以下优点：1）桥臂开关管电压略小于直流母线电压的一半，降低了压力，而且技术和经济方面都是驱动的，除此之外优点是，还可以防止元件的动态压力出现一系列问题，从而保证了系统的稳定性和可靠性；2）当频率相同时，开关管的使用通常是电平开关频率的一半，直流电压柱较少，基本上没有。折衷时，当旋转设备时，也降低了电气设备的振荡，因此，NPC三电平整流器提高了整个系统的性能。
综上所述，三电平PWM整流技术不仅解决了电网侧注入谐波和无功功率的问题，而且解决了功率半导体器件本身的技术局限性问题。因此，是比较被看好的一个电子领域。三层PWM整流技术发展的越来越好，在交流传动和新能源的开发方面也会得到很好应用。
1.2研究现状
1.2.1控制算法的研究和优化
近年来，我们研究了PWM整流器控制的直接和间接方面。间接电流是通过控制交流输入电压来控制输入电流来控制的。该方法通过控制输入电压间接控制输入电流。由于它的直接控制是电压，所以也称为相位幅值控制。它具有响应速度慢、控制精度差、控制方法简单等特点。另一方面，对于直流，它是引入交流输入的反馈信号，因此可以直接从该信号控制输入电流。除了这两种方法，我们还可以根据电流跟踪方法使用滞环PWM优势、固定频率PWM占优、SVPWM控制等技术[1]。
通过上面的分析，我们可以知道，在谐波抑制和电网无功补偿等方面PWM整流技术有一定的优势，比如高功率因数、谐波畸变小、直流母线电压动态性能好等、网侧电流波形正弦度高、能量双向流动。目前，这一领域的研究主要是电压电流双闭环控制策略，以实现电压矢量可调的功率因数的影响。但在使用中，我们对PWM整流器的性能提出了更高的要求，研究人员还需要不断优化控制策略，以满足工业应用的新需求。
1.2.2 三电平PWM整流器的研究现状
中点箱位式三电平的拓扑结构和多电平逆变器(Multilevel inverter)的思想的提出，为高功率变流器的研究开辟了新的思路[8]。多电平逆变器主要是通过提高输出波形的电平接近正弦波、电平、PWM波形的正弦度的数量越多，越好，谐波含量越低，可以降低开关频率，降低开关损耗。按我们一般得思想，电平数越多对于调节效果是越好的，但是当电平数增多的同时，我们的主电路结构就会相当的复杂，也不容易被我们控制，目前在应用中最为常见的应该是三电平逆变电路拓扑。
1.3.本课题研究内容
（1）主要研究了单相三电平PWM整流器的拓扑结构和PWM整流器的数学模型。在建立数学模型之后，我们需要分析它的工作原理是什么、单相整流器控制策略是什么,并且分析当前的内循环控制器及其控制结构和外部电压调节器，之后再进行参数设计。
（2）在本文中，我们研究了一种基于坐标变换的SVPWM调制策略。通过矩阵变换，我们将传统的坐标系旋转60。之后形成一个新的坐标系统，这样可以使多电平变换器的基本矢量落在整点坐标上，落在整点坐标上的矢量就构成三个比较基本的矢量。然后，我们可以根据最新坐标的确定，时间的计算好匹配等等，来实现旋转60。之后新坐标系下的SVPWM调制方法。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/323.html
