整流器的直接功率控制

毕业论文说明书三相PWM整流器的直接功率控制仿真研究学生姓名：学号：学院：专业：指导教师：2016年6月计算机与控制工程学院1205044222何子奕电气工程及其自动化赵俊梅三相PWM整流器直接控制摘要随着现代工业的发展，越来越多的目光落在了变流装置上，如逆变电源和高频开关等等，这些变流装置大多都需要整流装置的配合。传统整流器中不论是使用二极管的不控整流，还是使用晶闸管的相控整流都会在电网侧产生大量的谐波电流和电压，造成低功率因数、电网运行不经济等缺点。本文在此基础上，研究一种基于PWM波的整流控制技术，它可以使得交流侧输入的电压电流实现同相位，减小网侧中的谐波成分。这种控制的实现是基于电路有功和无功功率的分析，这种技术就是直接功率控制，简称DPC。本文以电压型PWM整流器为模板，通过分析其拓扑图结构，建立了三相整流器在两相αβ坐标系下的数学模型。通过学习和研究瞬时功率理论，在模型中加入了瞬时功率计算模块。设计两相电压uα、uβ比较得到输入电压的相位。根据这些模块算法建立了PWM整流系统的控制模型。最后在MATLAB的simulink中建立了PWM整流器直接功率控制的仿真模型，整个控制系统采用双闭环系统反馈控制电流相位。原理是根据所采集的瞬时功率和电压相位信号推算出此时所需的输出电压，由开关表不同开关量对应的不同输出电压来选取整流器功率开关的通断顺序。关键词：PWM，整流器，直接功率控制DirectcontrolofthreephasePWMrectifierABSTRACTWiththedevelopmentofmodernindustry,moreandmoreattentionhasbeenontheconverter,suchasinverterpowerandhighfrequencyswitch.Traditionalrectifier,whetherusingdioderectifiers,ortheuseofthyristortubeofphasecontrolledrectifierwillatthegridsideproducedalotofharmoniccurrentandvoltage,resultinginlowpowerfactor,powergridoperationwithouteconomicdisadvantage.Onthebasisofthis,thispaperstudiesakindofrectifiercontroltechnologybasedonPWMwave,whichcanmaketheinputvoltageandcurrentoftheACsidetoachievethesamephase,andreducetheharmoniccomponentinthenetworkside.Thistechnologyisthedirectpowercontrol,referredtoasDPC.Inthispaper,avoltagetypePWMrectifierisusedasthetemplate.Byanalyzingthestructureofthetopology,themathematicalmodelofthree-phaserectifierinthetwo-phase.Bystudyingandstudyinginstantaneouspowertheory,instantaneouspowercalculationmoduleisaddedinthemodel.Thephaseoftheinputvoltageiscomparedwiththedesignofthetwophasevoltageuaandub.Accordingtothesemodules,thecontrolmodelofPWMrectifiersystemisestablished.Finally,thesimulationmodelofdirectpowercontrolofPWMrectifierisestablishedinMATLAB/Simulink.Thewholecontrolsystemadoptsdoubleclosedloopsystemtocontrolcurrentphase.Theprincipleisaccordingtotheacquisitionoftheinstantaneouspowerandphasevoltagesignaliscalculatedattherequiredoutputvoltage,bytheswitchingtablecorrespondingtodifferentswitchquantityoutputdifferentvoltagetoselectrectifierpowerswitchoftheswitchingsequence.Keywords:PWM,rectifier,directpowercontrol中北大学2016届毕业设计说明书第Ⅰ页共Ⅱ页目录1绪论............................................................11.1研究的背景及意义...............................................11.2PWM整流器的研究概况...........................................21.3直接功率控制技术的发展现状.....................................21.4毕业设计课题的任务和要求.......................................32PWM整流器的分析设计.............................................52.1三相PWM整流器的工作原理.......................................52.1.1整流器主电路拓扑选择.........................................52.1.2整流器的开关工作状态.........................................52.2PWM整流器的数学模型...........................................62.2.1三相电压在𝛂𝛃两相静止坐标系下的数学模型......................82.3本章小结......................................................103三相电压型PWM整流器直接功率控制策略...........................113.1三相PWM整流器直接功率控制理论................................113.2直接功率控制系统的基本组成....................................113.3直接功率控制系统的工作原理....................................123.3.1电压、电流和功率的测量......................................133.3.2输入空间扇形区划分..........................................133.3.3功率滞环比较器..............................................143.3.4开关状态表..................................................153.4本章小结......................................................174系统仿真及实验结果.............................................184.1整流电路参数的设计............................................184.1.1直流侧电压选取..............................................184.1.2交流侧电感选取..............................................194.1.3直流侧电容选取..............................................224.2仿真模型......................................................23中北大学2016届毕业设计说明书第Ⅱ页共Ⅱ页4.2仿真波形......................................................304.3本章小结......................................................34参考文献..........................................................35致谢..............................................................37中北大学2016届毕业设计说明书第1页共37页1绪论1.1研究的背景及意义伴随着半导体科技的快速成长，电力电子装置在交通、工业、能源、运输等领域发挥了越来越重要的应用，其中整流电路可以把交变电压转换为直流电压或可调电压的一种设备[1]。整流电路一般由主电路、滤波器件和变压器件构成。1970年以后，整流装置通常采用含有硅的整流二极管以及晶闸管组成。滤波器接在整流电路后面，但要在负载之前，用作滤出直流电压中的交流谐波。变压器的设置与否要根据实际情况的不同做出改变。变压器的作用是电隔离。它可以减小电路两侧电压和电流之间的影响，使得整个系统运行在更稳定的状态，在一定程度上保证整流供电的可靠性。整流电路通过对晶闸管触发相位的控制，从而达到控制输出直流电压的目的，所以这种电路又称之为相控整流电路。这种整流电路的工作机理是当电压到达自然换相点时自然换相，不需要专门设置驱动电路，所以其的使用起来简单方便、稳定可靠，是以在直流电机的转速调节、同步电机的励磁调节、工业制炼、电镀等范围得到广泛的使用。当相控角α较大时，电压电流的相位偏差很大，无法实现单位功率因数运行，网测电流中谐波成分较大。此外，一般的整流环节通常采用二极管搭建的不控整流电路或是使用晶闸管的相控整流电路，这样做的好处是可以简单方便的实现整流，但是单纯的使用二极管或晶体管会在电网中产生大量的谐波电流和无功功率损失，造成严重的电网“污染”。如何提高整流电路的功率因数（实现单位化）、消弭谐波电流已经成为电力电子这门技术中的重要目的，伴随着以PWM整流设备的出现防治这种电网“污染”最有效的解决途径就是，使得变流装置不产生谐波电流，使得电网内电流的正弦化并且实现较高的功率因数。因为PWM整流器可以使电网内电流处于正弦波输入，并且运行于单位功率因数从而减小电网中的感性无功，最终实现能量的两向流动[2]，做到电源绿色无污染，因此开发PWM整流器实现单位功率控制成为解决问题的关键。风能的大量应用是人类社会迈向新纪元的一个重要标志，其原理是利用风力带动迎风的叶片旋转，再利用提速装置将旋转的速度提升，来促进发电机发电。中北大学2016届毕业设计说明书第2页共37页由于风力发电机得到的风力是非恒定的，因此其输出的电压是一个变化值，需要经过整流设备整流，再对蓄电瓶充电，把风电能变为化学能。然后经过有源逆变将化学能变为220V的交流市电，保证稳定的使用。我国风能资源丰富，如不加以利用会造成极大的资源浪费，因此将PWM整流技术运用到风