基于空间电压矢量控制的三相电压型PWM整流器的研究精Word文档下载推荐.docx
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学位论文作者签名:
韩啸一导师再P签孙●●
签字日期:
加Jf年6月力易日签字日j期曩}~钟∥惕叩矗一髫月
中图分类号:
TM461
UDC:
621.3学校代码:
10004密级:
公开
一
l
≯北京交通大学
基于空间电压矢量控制的三相电压型PWM整流器的研究ResearchOfThree.phaseVoltageSourcePWMRectifierBasedOn
VoltageSpaceVectorControl
作者姓名:
韩啸一学号:
09122048导师姓名:
邱瑞昌职称:
副教授学位类别:
工学学位级别:
硕士学科专业:
电气工程研究方向:
电能变换与控制
致谢
本论文的工作是在我的导师邱瑞昌副教授的悉心指导下完成的,邱瑞昌副教授严谨的治学态度、科学的工作方法和以身作则的风格给了我极大的帮助和影响。
邱瑞昌副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作,在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助,在此向邱老师表示衷心的谢意。
姜学东副教授为我的毕设工作提供了许多帮助和便利,对于姜老师两年以来的支持表示由衷的感谢。
在实验室工作及撰写论文期间,张钢博士对于我的仿真工作提供了很大的帮助,实验室的闻超、刘洋和苏超等同学对我论文中的编程和调试工作给予了热情帮助,在与他们的探讨中,我得到了很好的启发,拓宽了思路。
在此向他们表达我的感激之情。
另外也感谢家人,特别是我的父母,他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。
一I;
中文摘要
摘要:
传统的二极管不控整流和晶闸管相控整流会对电网产生谐波污染,降低整流器的功率因数。
PWM整流器采用全控型功率开关管,如MOSFET和IGBT替代半控型和不控型功率开关管,通过PWM脉宽调制技术实现功率开关管的开通和关断。
PWM整流器能够实现网侧电流的正弦波控制和四象限运行,真正实现了“绿色电能变换’’。
本文首先分析了三相电压型PWM整流器的工作原理,通过坐标变换推导出了三相VSR在同步旋转坐标系(d,q)下的数学模型。
通过对不同控制策略的对比并结合系统性能的要求,采用电网电压矢量定向和基于瞬时无功功率理论的有功、无功电流双闭环控制策略。
给出了数字PI调节器的设计方法,根据动稳态特性对三相VSR的交流侧电感和直流侧电容进行了设计。
文中分析了空间矢量脉宽调制原理,并在此基础上提出了一种简化的SVPWM算法,该算法根据参考电压矢量在两相静止坐标系上的分量直接计算出其位置和空间电压矢量在各个扇区内的作用时间。
在MATL嗵/SIMULINK环境下搭建了系统的仿真模型,对系统的动稳态性能进行了仿真和分析。
仿真结果显示系统能够实现在动稳态下的单位功率因数运行和能量双向流动,验证了理论分析的正确性和可行性。
针对PWM整流器易于数字化实现的特点,以DSP芯片TMS320F2812为控制器对三相电压型PWM整流器进行了硬、软件的研究和设计。
深入分析了整流器的主电路、控制电路和驱动保护电路的原理和设计方法,对相关元器件进行了选型和工作原理介绍,在PROTEL中设计了硬件电路,在CCS集成编译环境下对软件进行了设计和调试。
本文搭建了基于DSP的控制系统实验平台,进行了相关实验验证,实验结果进一步验证了所提出控制算法的可行性。
关键词:
三相电压型PWM整流器;
坐标变换;
数字PI;
SVPWM;
DSP分类号:
ABSTRACT
ABSTRACT:
TraditionaldiodesuncontrollablerectifiersandSCRphase-controlledrectifierscouldbringharmoniccurrentpollutionintothegrid,anddeterioratethepowerfactorofsystem.PWMrectifiersreplacethesemi-controlledandnon-controlledswitcheswithfull-controlledonessuchasMOSFETandIGBT,whichalecontrolledbypulsewidthmodulation(PWM)technology.PWMrectifierscouldruninfourquadrant,andmakethegrid—sidecurrentsinusoidal,accordinglyrealize“greenpowerconversion'’.
Atfirst,theworkingprinciplesofthreephasevoltagesourcerectifierWasanalyzed,andthenitsmathematicalmodelinsynchronousrotatingd-qcoordinatesystemWassetupbycoordinatetransformation.Throughthecomparisonofseveraldifferentcontrolstrategies,concerningtheperformancerequirementsofthesystem,activeandreactivecurrentdoubleclosedloopcontrolstrategybasedoninstantaneousreactivepowertheorywasselectedwimthegridvoltageorientation.DigitalPIadjustorWasdesigned.InductoronACsideandcapacitoronDCsidewerealsodesignedaccordingtothedynamicandstableperformanceofthethreephasevoltagesourcerectifier.
Inthethesis,theprincipleofspacevectorpulsewidthmodulationWasdescribed.AsimplifiedSVPWMalgorithmWasproposed,whichdirectlycalculatedthepositionofreferencevoltagevectorandoperationtimeofspacevoltagevectorsinvarioussectorsaccordingtothecomponentsofreferencevoltagevectorinthetwo-phasestationarycoordinatesystem.ThesimulationmodelWasestablishedinN队TLAB/SIMULINKenvironment,bywhichthedynamicandstableperformanceofthesystemwereemulatedandanalyzed.SimulationresultsindicatedthatthesystemcouldFununderunitypowerfactorandtheenergycouldflowbilaterally,whichverifiedthecorrectnessandfeasibilityofthetheoreticalanalysis.
ForthecharacteristicsofPWMrectifiers,whichareeasyfordigitalrealization,thehardwareandsoftwareofthethreephasevoltagesourcerectifierwerestudiedanddesigned.DSPTMS320F2812Wasusedasthecontroller.Themaincircuit,controlcircuit,driverandprotectioncircuitoftherectifierweredeeplyanalyzed,includingtlleirprinciplesanddesignmethods.Relevantcomponentswereselectedandtllcirworkingprincipleswereintroduced.HardwarecircuitsweredesignedinPROTEL.InCCSintegratedenvironment,SoftwareWasdesignedanddebugged.ExperimentalIII
———————————j墅坠盟pl晌衄ofcontrolsystem硎。
dout,exp嘶mentalreSultsV砸fiedtlle龟嬲ibilit)rofthecon们lalgorithm觚h既ⅫYwoRDs:
Three-phasevoltage
DigitalsourcebasedonDSPwasbuiltupandrelevantexp舐m饥tswerePWMrectifier;
coordinate仃觚s南衄ation;
PI;
DSP
CLASSNO:
TM461IV
目录
中文摘要……………………………………………………………………………IABSTRACT………………………………………………………………………………………………III目录…………………………………………………………………………………V第1章绪论…………………………………………………………………………l
1.1本文的选题背景……………………………………………………………l1.2PWM整流器概述…………………………………………………………2
1.2.1PWM整流器的发展………………………………………………21.2.2PWM整流器拓扑结构……………………………………………31.2.3PWM整流器控制技术……………………………………………51.3本文研究内容……………………………………………………………6第2章三相VSR的原理分析及建模…………………………………………..9
2.1三相VSR的原理分析…………………………………………………..9
2.1.1PWM整流器的工作原理………………………………………….92.1.2三相VSR的拓扑及分析……………………………………….112.2三相VSR的数学模型…………………………………………………12
2.2.1三相VSR在静止坐标系下的数学模型………………………。
132.2.2三相VSR的dq数学模型……………………………………..14第3章三相VSR控制系统设计………………………………………………19
3.1系统双闭环设计…………………………………………………………19
3.1.1电流内环控制系统设计………………………………………..203.1.2电压外环控制系统设计………………………………………一213.2数字PI调节器设计…………………………………………………….223.3三相VSR交流侧电感的设计…………………………………………..24
3.3.1稳态条件下电感的设计…………………………………………253.3.2动态跟踪条件下的电感设计……………………………………263.4三相VSR直流侧电容设计……………………………………………29第4章三相VSR的SVPWM控制和仿真研究………………………………31
4.1三相VSR的SVPWM控制……………………………………………31
4.1.1SVPWM的基本原理……………………………………………314.1.2V’所在扇区判断…………………………………………………334.1.3各矢量作用时间的计算…………………………………………34
V7
4.1.4空间电压矢量过调制处理…………………………………………35
4.1.5空间电压矢量的合成……………………………………………。
35
4.2三相VSR的仿真………………………………………………………….37
4.2.1MATLAB简介……………………………………………………………………38
4.2.2三相VSR仿真模型…………………………………………………38
4.2.3三相VSR仿真结果分析…………………………………………。
4l
第5章系统的硬件设计………………………………………………………………49
5.1系统总体设计………………………………………………………………。
495.2主电路设计………………………………………………………………50
5.2.1功率开关器件的选择……………………………………………505.2.2缓冲电路……………………………………………………………51
5.2.3电感电容设计……………………………………………………535.3控制电路设计……………………………………………………………..54
5.3.1DSP及其外围电路……………………………………………….54
5.3.2信号采样及调理电路设计………………………………………605.3.3电网电压同步锁相电路设计……………………………………61
5.4驱动电路设计…………………………………………………………..65
5.4.1IGBT驱动器输出功率和输出电流计算……………………….655.4.2驱动模块设计…………………………………………………….66
5.5保护电路………………………………………………………………..67第6章系统的软件设计………………………………………………………….69
6.1系统软件总体设计……………………………………………………。
696.2主程序设计……………………………………………………………………696.3中断服务子程序设计…………………………………………………….70
6.3.1捕获单元中断服务子程序………………………………………706.3.2ADC中断服务子程序……………………………………………72
6.3.3SVPWM子程序…………………………………………………726.3.4保护程序……………………………………………………………。
73第7章实验结果与分析………………………………………………………….75第8章结论与展望………………………………………………………………….81参考文献……………………………………………………………………………….83附萄乏A………………………………………………………………………………………………………85附录B………………………………………………………………………………………………………87作者简历…………………………………………………………………………….89VI
独创性声明………………………………………………………………………一91学位论文数据集…………………………………………………………………93
绪论
第1章绪论
1.1本文的选题背景
电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术,是指使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。
电力电子技术主要包括整流(AC/DC)、逆变(DC/AC)以及直直变换(DC/DC)。
随着科技的发展和社会不断进步,电力电子技术也得到了极大发展。
有关研究表明,经过电力电子学处理的电能已达到总电能的百分之九十以上【2】。
整流技术已经广泛地应用到了高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程,它是一种将交流电变换为直流电的电路。
随着功率半导体开关器件性能不断提高和实际应用的需求,整流电路发展先后经历了从传统整流方式到现在主流的PWM整流方式。
传统整流方式主要有二极管不控整流和晶闸管相控整流。
二极管整流电路由不可控器件二级管组成,因此也叫不可控整流电路,特点为电路最简单,成本低且运行可靠系数高,应用十分广泛,但采用二极管整流由于自身产生的谐波污染,会使整流器交流侧电流与电网电压相位不同步,产生大量无功,降低了系统功率因数,同时交流侧电流会严重畸变,对电网产生污染。
在牵引传动系统中,由于二极管的单向导电性,再生能量无法回馈给电网,这部分多余的能量只能采用制动单元予以消耗,这样就会造成能量的大量浪费,降低系统效率。
晶闸管相控整流电路可通过控制导通角来控制输出直流电压大小和实现有源逆变,但由于存在换相重叠角,则在晶闸管换流瞬间会使相电压波形出现一个很深的缺口,造成电网波形畸变,降低了系统的可靠性,另外晶闸管整流不适用于高频电路中。
PWM整流电路采用的是脉宽调制(PWM)技术,因此PWM整流电路也叫做脉冲整流电路,电路采用绝缘栅双极型晶体管器件IGBT作为开关,通过PWM脉冲波实现IGBT的开通和关断,PWM整流电路可用于大功率和高开关频率场合。
由于驱动采用高低电平的脉冲,因此PWM整流电路易于数字化控制,这样就可以减小系统装置的体积,增强了其通用性。
采用数字化控制的PWM整流电路用途很广,它的直流侧电压纹波小,电压可调,网侧电流实现了正弦波控制,且可实现四象限运行,在单位功率因数运行时,能量可双向传输,实现了“绿色电能变换’’。
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北京交通大学硕士论文
1.2PWM整流器概述
1.2.1PWM整流器的发展
PWM整流器的研究始于上世纪80年代,一经提出便成为了电力电子技术研究领域的一个热点,随着功率器件的不断发展和相关控制技术的日新月异,PWM整流器技术得到了飞速的发展,对其研究也不断深入。
1982年BuseeAl丘ed、HoltzJoachim首先提出了基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑结构及其网侧电流幅相控制策略,实现了电流型PWM整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制;
1984年AkagiHirofumi等提出了基于PWM整流器拓扑结构的无功补偿器控制策略,开创了电压型PWM整流器早期的设计思想;
到20世纪80年代末,A.W.Green等人提出了基于坐标变换的PWM整流器连续、离散动态数学模型及控制策略,PWM整流器的研究发展到了新的高度【l】。
从90年代以来,随着电力电子技术进一步发展,基于PWM整流器的应用研究也发展起来,如电网中的有源滤波器、风力发电并网系统、太阳能光伏并网系统、交流传动、高压直流输电等方面。
伴随着IGBT的普遍应用,PWM整流器正朝着高频化方向发展,可以使交流侧波形的正弦度可以得到更大提高,同时也可以减少直流侧纹波,在减轻系统体积和重量的同时增强系统的整体性能。
PWM整流器在发展历程呈现了各式各样的不同类型,大体上,PWM整流器可按图1.1分类如下:
f单相电路
根据电网相数{三相电路
I多相电路
根据直流储能形式{耄蒙萎
PWM整流器根据桥路结构{薹纂霎
f两电平电路
根据调制电平{三电平电路
l多电平电路
卜删…制{蓑黧裂
图1.1PWM整流器分类
Fig.1-1ClassificationofPWMrectifiers
下面从PWM整流器的拓扑结构和其控制技术两个方面进行简单介绍。
2
1.2.2PWM整流器拓扑结构
研究PWM整流器拓扑结构是分析其工作原理、建立相应的数学模型以及对其采用相关控制策略等必不可少的环节。
通常从电压型PWM整流器和电流型PWM整流器来展开分析。
电压型PWM整流器也PqVSR(VoltageSourceRectifer),其直流侧采用电容储能,因此直流侧呈现电压源特性。
VSR有半桥式和全桥式两种。
1.单相VSR拓扑结构
单相半桥式VSR拓扑结构如图1.2所示。
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图1.2单相半桥式VSR拓扑结构
Fig.1-2Sin#e-phasehalf-bridgeVSRtopology
单相全桥式VSR拓扑结构如图1.3所示。
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图1.3单相全桥式VSR拓扑结构
Fig.1-3Single-phasefull-bridgeVSRtopology
单相半桥式VSR与单相全桥式VSR相比,少用了2个功率开关管,从成本角度来讲,单相半桥式VSR更经济,但其直流侧存在电容均压问题,控制起来比较复杂,另外半桥式VSR对功率开关管的耐压要求比全桥式的要高。
2.三相VSR拓扑结构三相半桥式VSR拓扑结构如图1.4所示。
0
图14三相半桥VSR拓扑结构
Fig.1-4Three-phasehalf-bridgeVSRtopology
三相全桥式VSR拓扑结构如图1.5所示。
图1-5三相全桥VSR拓扑结构
Fig.1-5Three-phasefull-bridgeVSRtopology
三相半桥VSR使用与三相电网平衡系统,三相全桥在不平衡系统中性能更好一些,但三相全桥VSR使用了2倍于三相半桥的功率开关管,会使成本上升,控制系统也相应复杂很多。
电流型PWM整流器也叫做CSR(CurrentSourceRectifier),其直流侧采用电感储能,因此直流侧呈现电流源特性。
CSR也分为半桥式和全桥式两类。
与VSR相比,CSR交流侧增加了滤波电容,与网侧电感一起组成LC滤波器,在功率开关管支路上顺向串联二极管,其主要目的是阻断反向电流,并提高功率开关管的耐反压能力II】。
单相CSR和三相CSR拓扑结构分别入如图1-6和图1.7所示。
4
图1-6单相CSR拓扑结构
Fig.1石Single-phaseCSRtopology
图1.7三相CSR拓扑结构
Fig.1-7Thrcv-phaseCSRtopology
1.2.3PWM整流器控制技术
由于PWM整流器网侧呈现出受控电流源特性,因此其控制策略研究主要集中在网侧电流控制上。
电压型PWM整流器网侧电流控制策略按照有无交流电流闭环控制可分成两类:
一类是直接电流控制(DirectCurrentContr01);
另一类是间接电流控制(IndirectCurrentContr01)。
直接电流控制系统中,需要检测交流电流反馈值,并与给定信号比较,通过误差调节来决定开关器件的开关状态,从而达到对交流电流的直接控制,且使其跟踪电流给定值。
间接电流控制是通过控制PWM整流器的交流侧电压,使其与电网电压保持一定的幅值和相位关系,进而间接控制其网侧电流,使得输入电流呈现正弦波,并和电网电压同相位或反相位,实现单位功率因数运行。
由于问接电流控制其网侧5
态响应慢,且对系统参数变化灵敏,因此这种控制策略已逐步被直接电
略所取代。
电流控制策略具有快速的电流响应和鲁棒性。
主要包括滞环电流控制、
值比较法、三角波比较法、预测电流控制法和瞬时有功无功电流控制法【31。
时有功无功电流控制法是指将电网交流电流变换到(d-q)同步旋转坐标系
量,分别为
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- 基于 空间 电压 矢量 控制 三相 PWM 整流器 研究