pwm整流器书籍.pdf

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书资料大小：8.94M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文版权使作授权书

致谢

第1章绪论

1.1 PWM整流器概述

1.2 PWM整流器研究概况

1.3本论文内容概述及创新点

第2章PWM整流器拓扑结构及原理

2.1基本原理及分类

2.1.1 PWM整流器原理概述

2.1.2 PWM整流器分类及拓扑结构

2.2电压型PWM整流器(VSR)PWM分析

2.2.1单相VSR PWM分析

2.2.2三相VSR PWM分析

2.3电流型PWM整流器(CSR)PWM分析

2.3.1单相CSR PWM分析

2.3.2三相CSR PWM分析

第3章电压型PWM整流器(VSR)

3.1三相VSR建模及动、静态分析

3.1.1三相VSR一般数学模型

3.1.2三相VSR dq模型的建立

3.1.3三相VSR dq模型的动、静态分析

3.2三相VSR控制系统设计

3.2.1电流内环控制系统设计

3.2.2电压外环控制系统设计

3.2.3 VSR交流侧电感设计

3.2.4 VSR直流侧电容设计

第4章VSR电流控制技术

4.1 VSR间接电流控制

4.1.1三相VSR静态间接电流控制

4.1.2三相VSR动态间接电流控制

4.2 VSR直接电流控制

4.2.1固定开关频率PWM电流控制

4.2.2滞环PWM电流控制

4.3影响三相VSR电流控制要素分析

4.3.1三相VSR网侧电流的时域描述

4.3.2 PWM“开关死区”效应及影响

4.3.3三相VSR直流电压对网侧电流波形的影响

第5章VSR空间矢量PWM(SVPWM)控制

5.1 SVPWM一般问题讨论

5.1.1三相VSR空间矢量分布

5.1.2空间电压矢量的合成

5.1.3 SVPWM与SPWM控制的比较

5.1.4 VSR空间电压矢量的几何描述

5.2三相VSR空间电压矢量PWM(SVPWM)控制

5.2.1基于不定频滞环的SVPWM电流控制

5.2.2基于定频滞环的SVPWM电流控制

5.2.3跟踪指令电压矢量的SVPWM电流控制

第6章三相VSR的其他控制策略

6.1无交流电动势、电流传感器控制

6.1.1三相VSR无交流电动势传感器控制

6.1.2三相VSR无交流电流传感器控制

6.2电网不平衡时的三相VSR控制

6.2.1电网不平衡时的三相VSR基本问题

6.2.2电网不平衡时的三相VSR控制

第7章电流型PWM整流器(CSR)建模及控制

7.1三相CSR建模

7.1.1三相CSR一般数学模型的建立

7.1.2三相CSR dq模型的建立

7.1.3三相CSR dq模型的改进

7.2三相CSR dq模型的动、静态分析

7.2.1三相CSR dq等值电路描述

7.2.2三相CSR静态特性分析

7.2.3三相CSR动态特性分析

7.3三相CSR PWM信号发生技术

7.3.1三值逻辑PWM信号发生

7.3.2三值逻辑空间矢量PWM信号发生

7.3.3三相CSR PWM电流利用率

7.3.4低电压应力三值逻辑PWM信号发生

7.4电流型PWM整流器(CSR)控制系统设计

7.4.1单相CSR控制系统设计

7.4.2三相CSR控制系统设计

7.4.3三相CSR主电路参数设计

第8章PWM整流器应用

8.1可再生能源并网发电

8.1.1概述

8.1.2光伏并网逆变器及其控制

8.1.3风力发电机并网及其控制

8.2“HT-7U超导托卡马克核聚变实验装置”等离子体位移快控电源(FCPS)的研究

8.2.1概述

8.2.2移相PWM原理

8.2.3控制系统构成及设计

8.2.4主电路参数设计

8.2.5工程样机的初步设计

8.2.6原理样机及实验

8.2.7实验结果与分析

8.2.8结论与建议

第9章总结

9.1论文所做的研究工作

9.2今后研究工作的建议

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参加的科研项目

合肥工业大学博士学位论文PWM整流器及其控制策略的研究姓名：张兴申请学位级别：博士专业：电力电子与电力传动指导教师：张崇巍20030601

舍肥工业大学博士学位论文摘要随着绿色能源技术的快速发展，PWM整流器技术已成为电力电子技术研究的热点和亮点。PWM整流器可成为理想的用电设备或电网与其它电气设备的接口，因为它可以实现无电网污染和可调整的功率因数。论文对电压型PWM整流器(VSR)和电流型PWM整流器(CSR)进行了深入的理论和应用研究．涉及其基本原理、数学建模、特性分析、控制策略、系统设计、参数计算以及应用等方面。作者在如下工作的基础上对PWM整流器的一些关键问题提出了自己的研究思路、观点和方法：·根据PWM整流器网侧矢量关系，直观地描述了其四象限运行的基本原理及特征；·定量分析了VSR、CSR的PWM换相过程及波形特征；’·引入等效变压器模型并详细分析了VSR、CSR基于d—q模型的动、静态特性；·提出了满足四象限有功、无功运行指标时的VSR交流侧电感设计方法；并提出了依据控制系统跟随性和抗扰性性能指标设计VSR、CSR直流侧储能元件(电容、电感)的参数计算方法；·在研究了VSR电流控制策略基础上，提出了影响VSR电流控制的几个要素，并进行了定量分析；·根据VSR空间电压矢量的定义及分布，提出了基于规则控制的不定频滞环空间矢量PWM(SVPWM)电流控制策略，并由此提出了具有双滞环特性的不定频滞环优化SVPWM电流控制策略，有效她改进了滞环PWM电流控制性能。·在研究了两类电网不平衡时的VSR控制策略基础上，提出了一种新型的基于无阻尼振荡控制器的VSR不平衡控制策略，在简化控制结构的同时，有效地改善了电网不平衡时的VSR控制性能；·通过二、三值逻辑开关函数间的转换，系统地描述了三相CSR三值逻辑PWM信号发生中的状态切换；·结合三相CSR三值逻辑PWM信号发生规律，提出了通过调整矢量合成顺序而使功率管获得自然换相的低电压应力SVPwM控制，从而有效地降低了功率管的开关损耗。以新疆自治区科技攻关项目“太阳能光伏并网逆变器的研究”为背景并作为VSR应用实例，论文工作中设计了一种新型的具有单相VSR拓扑结构和最大功率点跟踪(MPPT)控制的光伏并网逆变器，提出了一种加入“零矢量”调制的电流元差拍控制算法，并采用了变速积分PID调节器设计，该方法在并罔逆变器获得良好动态性能的同时，还减少了网侧电流谐波。在国家重大科学工程项目“HT一7u超导托卡马克核聚变实验装置”的支持下，论文工作设计了一种具有新型拓扑结构的“HT一7U”等离子体位移快控电源(FCPS)方案。该方案采用多组交一直一交电流型PWM交流器并联拓扑结构，并采用了移相PWM控制，从而较好地解决了负载线圈大电流快速响应的控制问题。另外．其中的CSR采用了低电压应力空间矢量PWM(SVPWM)控制，以进一步减小开关损耗。论文中给出了初步的工程设计，仿真和实验验证了方案的正确性。关键词；PWM整流器，控制，矢量，滞环，模型，拓扑

台肥工业大学博士学位论文ABSTRACTWiththefastdevelopingtechnologyofgreenenergy，at／ever--enhancedattentionhasbeenfo—cusedtothePWMrectifierinthefieldofpowerelectronics．PWMrectifiermightbecomeanidealelectricapplianceoralinkagebetweengrid--lineandotherelectricfacilities，characterizedofpollu—tion--freeandadjustablepowerfactor．Withthisregards，thedissertationcomprehensivelystudiedthetheoreticalandpracticalaspectsconcerningthevoltage—sourcePWMrectifier(VSR)andthecurrent—sourcePWMrectifier(CaR)，coveringthebasicprinciple，mathematicalmodel。controlstrategy，systemdesign，parametercalculationandengineeringapplicationetc，．Theauthorex—ploredsomekeyproblemsaboutVSR＆CSRanddevelopedhisowncluesofthinkng，viewpoints，andapproachesthatarebasedontheworkdoneinthefollowingaspects．·Adepictionofthebasicprincipleandcharacteristicsofthefour—quadrantsoperationofPWMrectifieraccordingtothegridsidevectorrelation．·AquantitativeanalysisofthePWMVSR＆CSR’acommutationandthecharacte“sticsofthewaveforms．·Theintroductionoftheequivalenttransformermodelandadetailedd—omodelbasedstaticanddynamicperformanceanalysisofVSR＆CSR．·Thedevelopmentofthedesignmethodofgrid——sideinductorofVSRtomeettherequire—mentsonactiveorreactivepowerinfour—quadrantsoperation．aswelIasthecalculationmethodoftheparametersofDC--sideenergystorageelements(inductor＆．capacitor)tomeettherequirementsonsystemcontrolperformancesuchsstrackingabilityandrobustness．·Theselectionandquantitativeanalysisofseveralkeyattributesthataffectthecurrentcon—trolofVSRbasedonastudyonthecurrentcontroIstrategy．·AccordingtothedefinitionandthedistributionofVSR’svoltagespacevector，theintroduc—tionofarule—basedSVPWMcurrentcontrolstrategy，withnon—fixedswitchingfrequencyanddualhysteresisloops，thatobviouslyimprovestheperformanceofcurrentcontr01．·BasedontwokindsofcontrolstrategiesofVSRunderunbalancedgridcondition，theintro—ductionofanewVSRcontrolstrategyfeaturingundamped--oscillationthatsimplifiesthecontrollerstructureandeffectivelyimprovesVSR’sperformanceunderunbalancedgridcondition．’AsystematicdescriptionofthestateswitchingintrilogicPWMsignalgenerationofthree—phaseCSRbyusingtheconversionbetweenbilogicandtrilogicswitchingfunctions．’ReferencedtotheCSR’strilogicPWMsignalgeneration，anapproachtoachierelow—stressnaturalcommutationofswitchingdevicesbyreshufflingthevectorcompositionsequence，re—suhingreducedswitchingloss．WiththebackgroundofandwellinstancedbytheXinjiangAutonomousRegion’sKeySci—TechProject”SolarPhotovohaicgrid--connectedinverterⅣ，thedissertationworkimplementedthenewapproachof8grid--connectedPVinverterthatwasofsingle--phaseVSRtopologyandwithMPPT(MaximumPowerPointTracking)．Analgorithmofdead—beatcurrentcontrolwithintro—ducedzero—vectormodulationwasputforwardandaPIDalgorithmwithvariable—integration—rateyeasadoptedinthecontrolstrategythatnotonlyenhancedthedynamicperformancebutalsoe—

合肥工业大学博士学位论文Iliminatedthegrid--sideharmoniccurrent．withthesupportofNationalkeyScientificEngineeringProject“HT一7USuper--conductiveTokmakNuclearFusionExperimentalSystem”，thedissertationworkalsoimplementedaCSRofnewtopologytofulfillthetaskof”FastControlPowerSupply(FCPS)”tocontroltheplasma’sdis—placement．TheapproachwasofaparalleltopologyofmultiAC——DC——ACcurrent——sotlreePWMconverterandwithphase--shiftingPWMcontrol，achievedsatisfactoryhlgh--currentfastresponseinthefieldcolIloads．Furthermore，thecontrolstrategyofthe10w—stressSVPWMisrealizedtofurtherreducetheswitchinglosses．Tentativeengineeringdesignswerepresented．Theapproachesputforwardinthedissertationwereverifiedasexpectedbybothsimulationsandexperiments．KEYWORDS：PWMRectifier，Control，Vector，Hysterisis，ModelTopology

独创性声明本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特男U加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金壁王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名；氍哆签字日期：Z^，cl，年7月￡F日学位论文版权使作授权书本学位论文作者完全了解金星王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被在阅和借阅。本人授权金照王些塞堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行柱索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：浓z导师签名l艿鼋巍签字日期：枷)年7月15日签字日期：如哆年，月，J’日学位论文作者毕业去向t工作单位；锄粥力职咨碣巍与角：痧幢了彳莹杆艺电话：t足1一乙7。，牛2兮通讯地址：彳希荡耳专翻妇f懈电’无专丁D批2一释污彳之邮编：2J口口。7

Ⅳ舍肥工业大学博士学位论文致谢在近四年的博士研究生学习和课题研究期间，自始至终都得到了导师张崇巍教授无微不至的关怀和悉心的指导。导师各方面所表现出来的宽厚的师长风范和精深的学术造谐使学生受益匪浅。经过导师几年的精心指导和培养，使学生在知识能力和学术水平上都得到了极大的提高，在此谨向导师张崇巍教授表示诚挚的敬意和深深的谢意!同时还要感谢中科院等离子所刘正之教授对学生课题及研究的关怀与指教。刘教授在学术上求异而独立的科研思想以及忘我而执着的工作精神将使学生在今后的科研工作中得到鼓励和鞭策。回顾几年的博士论文研究历程，作者还要特别感谢“HT一7U快控电源”课题组的全体同仁，他们是：马先奎、鞠建永、余勇、季建强、张强、许颇、杨孝志，由于他们的刻苦努力，尤其是在系统仿真和DSP编程上的贡献，方使“HT一7U快控电源”设计方案得以初步验证。另外在“太阳能光伏并网逆变器研究”攻关项目的科研过程中得到了合肥阳光电源有限公司总经理曹仁贤先生、新疆新能源研究所吕绍勤研究员，北京桑普太阳能公司王国华研究员，孙本新副研究员的大力支持和帮助，在此向他们表示衷心的感谢!感谢电气学院余世杰教授、王孝武教授、丁明教授、杜世俊教授、王建平教授、王群京教授、温阳东教授、徐科军教授、高明伦教授对学生的关心与指导。感谢同窗好友李敬兆博士、苏建徽博士，赵为博士对本人的帮助，从他们身上使本人学到了许多宝贵的品质。最后应感谢父母、妻子、女儿的关心与鼓勋，以使本人渡过了紧张而难忘的博士生活。．张兴2003年6月于合肥

台肥工业大学博士学位论文第1章绪论1．1PWM整流器概述随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断提高，已从早期广泛使用的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管(SCR)发展到如今性能各异且类型诸多的全控型功率开关．如双极型晶体管(BJT)、门极关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门扳换向晶闸管(IGcT)、功率场效应晶体管(MOSFET)以及场控晶闸管(McT)等。而20世纪90年代发展起来的智能型功率模块(IPM)则开创了功率半导体开关器件新的发展方向。功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽调制(PWM)控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛应用。但是，目前这些变流装置很大一部分需要整流环节以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路．因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网“污染”。治理这种电网“污染”最根本措施就是。要求变流装置实现网侧电流正弦化且运行于单位功率因数。因此，作为电网主要“枵染”源的整流器，首先受到了学术界的关注，并开展了大量研究工作07p[s”。其主要思路就是将PWM技术引人整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化且可运行于单位功率因数。根据能量是否可双向流动，派生出两类不同拓扑结构的PWM整流器，即可逆PWM整流器和不可逆PWM整流器。本论文只讨论能量可双向流动的可逆PWM整流器及控制策略，以下所称PWM整流器均指可逆PWM整流器。能量可双向流动的PWM整流器不仅体现出AC／DC变流特性(整流)，而且还可呈现出DC／AC变流特性(有源逆变)，因而确切地说，这类PWM整流器实际上是一种新型的可逆PWM变流器。经过几十年的研究与发展，PWM整流器技术已日趋成熟。PWM整流器主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路}其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制}功率等级从千瓦级发展到兆瓦级，而在主电路类型上既有电压型整流器(VoltageSourceRectifier--VSR)，盥有电流源型整流器(CurrentSourceRectifier--CSR)，并且两者在工业上均成功地投人了应用。由于PWM整流器实现了网侧电流正弦化且运行于单位功率因数，甚至能量町双向传输，因而真正实现了“绿色电能变换”。由于PWM整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而这一特性使PWM整流器及其控制技术获得进一步的发展和拓宽，并取得了更为广泛和更为重要的应用，如静止无功补偿(SVG)、有源电力滤波(APF)、统一潮流控制(UPFC)、超导储能(SMES)、高压直流输电(HVDC)、电气传动(ED)、新型UPS以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等，现分别简述如下。1．有源电力滤波(APF)及无功补偿(SVG)图l一1示出了与LC滤波器混合的并联型有源电力滤波器主电路拓扑结构，它主要由无源LC环节和基于PWM整流器拓扑的有源滤波环节组成。图1一I混音并联型有源电力滤波器(APF)拓扑结构这种混合并联型有源电力滤波器利用LC滤渡器以及有源滤波器共同起到电网的谐波抑制及无功补偿作用，从而有利于提高系统性价比。一般而言，希望LC滤波器承担大部分谐波和无功补偿的任务，而利用有源滤波器的作用改善系统性能，这样可在满足补偿要求的同时．大大降低TNNNN装置的容量，从而减少系统造价。

·2·合肥工业大学博士学位论文并联型有源电力滤波器网侧实质上可以看成一个等效的可控电流源，它产生一个与被补偿量(谐波电流及无功)的量值相等，且相位相反的补偿电流，并注入电网，这样电网电流即获得所需功率因数角的正弦波电流，以达到有源滤波及无功补偿的目的。此时，系统既实现了对电网的有源滤波(APF)同时也补偿了无功(SVG)。实际上，当基于PWM整流器拓扑的有源环节只向电网注人无功电流而不补偿谐波电流时，该有源环节相当一个静止无功补偿器(sVG)。2．统一潮流控制器(UPFC)统一潮流控制器(UPFC)是柔性交流输电系统(FAcTs)技术中最引人注目、最有应用前景的一种电力补偿装置。UPFC用于输电网主要起控制有功潮流和吞吐无功的作用，其主电路拓扑结构如图1—2所示。UPFC主电路主要由串联变串联变流器并鞋变漉器图1—2统一潮流控制的(UPFC)拓扑结构流器和并联变流器组合而成，其串联变流器通过变压器向电力网引人一个幅值可变、相位可任意调节的电压源，从而能对线路的有功、无功进行控制I而并联变流器则采用了PWM整流器拓扑结构，它通过变压器向电力网引入一个幅值可变、相位可任意调节的电流源，从而具有快速吞吐无功的能力，并联变流器的另一主要作用是提供一个稳定的直流电压以确保串、并联变流器的正常运行。3．超导磁能储存(SMES)随着超导材料及应用技术的发展，超导磁能储存的研究与应用引起了工程与学术界的关注。超导磁能储存主要用于电力网的调峰控制以及其他需要短时补偿电能的场合。在电力网用电量正常时，电网中的电能通过变流装置的超导线圈储存足够的能量，而当用电量很大(用电高峰)时，超导线圈中的能量则通过变流装置向电力网馈能，从而起到调峰作用。超导磁能储存帅1超导线圈(SMES)系统主电路拓扑结构如图1—3所示。图1—3超导储能系统(SMES)拓扑结构一般而言，SMES主电路常由电流型PWM整流器组成，将损耗极小的超导线圈串人PWM整流器直流侧，使其既是电流型PWM整流器的直流缓冲电感，又是其直流侧的负载线圈，这种设计简化了电流型PWM蹩流器主电路结构，并克服了常规电流型变流器损耗大的不足。SMES中的PWM整流器在使电能双向传输的同时，还可以利用其快速的电流响应解决电力系统中的一些问题，如切换低功率因数负载所引起的电压冲击和短时间的供电失妒尊。4．四象限交流电动机驱动系统在常规的由电压型逆变器组成的交流电动机驱动系统中，为实现电动机的四象限运行，必须在逆变器直流侧加装耗能或馈能装置，这主要是由于常规的电压型逆变器交流电动机驱动系统采用了交一直一交拓扑结构，而整流环节大都采用二极管整流器，因而无法实现电能回馈，并且将给电网造成一定的谐波“污染”。若将PWM整流器取代二极管整流器，不仅可实现交流电动机的四象限运行，以及网侧单位功率因数正弦波电流控制，还可使直流侧获得足够高并且稳定的直流电压，从而改善了电动机的驱动性能。另一方面通过引人适当的控制策略，还可以大大减少直流侧电容的电容量，提高装置运行可靠性。四象限交流电动机驱动系统主电路拓扑结构如图1—4所示。一PWM整流器PWM逆变器图1—4四象限交流电动机驱动系统的拓扑结构

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