基于LCL滤波的三相电压型PWM整流器的研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘 要 由于高频 PWM 整流器可以提供正弦化低谐波的输入电流，可控功率因数，及双向能量流动，因此得到越来越广泛的应用网侧单电感滤波会带来一些问题，首先要想得到较好的滤波效果，必须增大电感值，这样系统的动态性能会变差，而且成本增加另外，整流器的功率比较大时，交流侧的滤波的损耗也会增大为了解决上述问题，本文研究了基于 LCL 滤波的高频 PWM 整流器在交流侧应用 LCL 滤波器可以减少电流中的高次谐波含量,并在同样的谐波要求下,相对纯电感型滤波器可以降低电感值的大小，提高系统的动态响应 文章首先对高频 PWM 整流器的工作原理做了详细的介绍，并对基于 L 和 LCL两种不同的滤波器， 分别在 ABC 静止坐标系， αβ 静止坐标系和 dq 旋转坐标系中建立了数学模型文章中将 L 滤波的电压型三相 PWM 整流器的控制方法应用于 LCL 滤波情况基于 dq 轴模型，提出了双闭环的控制策略，电流内环采用前馈解耦控制为了提高电流的跟随性能，按照典型Ⅰ型系统设计电流调节器为了提高电压环的抗干扰性，按照典型Ⅱ型系统设计电压调节器。

文章还详细讨论了 LCL 滤波器带来的谐振问题，以及参数设计方法，列出了实际系统LCL滤波器参数的设计步骤 文章在MATLAB/SIMULINK环境下建立了PWM整流器仿真模型对系统进行了仿真，按照文章提出的理论设计的仿真系统具有良好的动态和稳态性能 文章最后基于 TMS320LF2407A 设计了整流器装置的控制系统硬件和软件，并得到了初步实验结果，能满足控制要求，从而验证了控制方案的正确性 关键词：整流器，LCL 滤波器，双环 PI 控制，DSP 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract The high frequency PWM rectifier can provide nearly sinusoidal and low harmonic distortion current of the utility, controllable power factor and bi-directional power flow. Because of these features, they become more and more popular in practical application. To reduce the current harmonics around the switching frequency a high value of input inductance should be used. However, for applications in high power, it becomes quite expensive to realize higher value filter. Moreover, the system dynamic response may become poorer. This problem could be solved by adopting a LCL-filter configuration, which allows to use reduced values of the inductances and to reduced the switching frequency pollution emitted in the grid. This paper analyzes the high frequency PWM rectifier principle, then presents a three-phase abc coordinates and dq coordinate system on the mathematical model of L-filter and LCL-filter configuration. This paper adopt the parameters of the PI-based controller that is already used for the L-filter-based active rectifier. On the basis of model in the dq coordinate system, the paper proposes a mult-closed-loop control strategy. Decoupling feed forward control is used in the inner loop current. Typical type system Ⅰdesign is used in current controller design, in order to improve the follow-up ability of current. Typical type system design is used in voltage controller desⅡign, in order to improve the anti-jamming ability. This paper describes the resonance problem of LCL-filter, and proposes damping method. A step-by-step procedure for designing the LCL filter of the high frequency PWM rectifier is proposed. The simulation model of PWM rectifier is established in the MATLAB/SIMULINK environment. According to the article’s theory imitation of the real system design with good dynamic and static performance. Keywords: rectifier, LCL-filter, multi-loop control, DSP 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保 密□，在______年解密后适用本授权数 本论文属于 不保密□请在以上方框内打“√”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪 论 1.1 PWM 整流器的产生背景 随着电力电子技术的广泛应用与发展，供电系统中添加了大量的非线性负载，引起电网电压、电流的畸变，导致电力污染其中无功和谐波是最主要的两大污染。

电网无功的负作用主要体现在降低了发电、 输电设备的利用率， 增加了线路损耗无功还使线路和变压器的电压降增大如果是冲击性无功负载，还会使电网电压产生剧烈波动，严重影响供电质量 至于谐波，它对公用电网的影响更为严重尽管人们很早就注意到谐波问题，但只到电力电子设备大泛围普及使用时，它的危害才充分显示出来谐波会增加公用电网的附加输电损耗，降低发电、输电设备的利用率；会对周围的环境产生电磁干扰影响，甚至严重影响用电设备的正常工作；同时，谐波容易使电网产生局部的并联或串联谐振，而谐振导致的谐波放大效应又进一步恶化和加剧了上述问题[2] 可见无功和谐波是对公用电网和其它电气设备的影响十分严重如何抑制和消除谐波已成为一个世界范围内令人关注的课题 为了补偿无功和抑制谐波，直接的方法是采用无功补偿器和消除谐波的滤波器，可以分为无源和有源补偿两种措施 无源滤波的基本原理是利用电容器提供的超前无功电流补偿电网的滞后无功；利用电感、电容构成的滤波器或陷波器，吸收电网的谐波无源滤波器在实际得到了大量的应用，但是存在明显的缺陷，如对负载变化的适应性差，动态响应慢等 随着电力电子技术的发展，一方面产生了谐波问题另一方面，由于电力电子器件对电能控制的方便性、快速性和灵活性，它本身又提供了解决办法。

这就产生了由电力电子器件构成的有源无功、谐波补偿装置 整流装置是谐波主要的来源，因此有必要研制高功率因数，低谐波整流器以消除谐波源在七十年代，有人尝试将 PWM 技术引入整流领域，并取得了良好的效果华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2采用 PWM 整流可获得单位功率因数和非常接近正弦的输入电流和相控整流相比，PWM 整流器动态性能也有了很大提高，对电容、电感类无源滤波或储能元件的需求大大降低高频整流器在以后较常时间没有推广使用，其原因一方面是受全控器件发展水平的制约，更主要是谐波问题还不十分突出，缺乏实际需求的动力进入九十年代，大容量自关断半导体器件的成熟为 PWM 整流器应用提供了硬件基础而谐波问题的突出，各国相继制定了严格的强制性规定则为 PWM 整流器的发展与普及注入了动力 1.2 PWM 整流器的研究状况 自 20 世纪 90 年代以来， PWM 整流器一直是电力电子领域的研究热点 对 PWM整流器相关的应用的研究也越来越多，例如有源滤波、超导储能、交流传动、高压直流输电以及统一潮流控制等这些应用领域的研究又促进了 PWM 整流器及其控制技术的进步和完善。

PWM 整流器数学模型的研究是 PWM 整流器及其控制技术的基础A.W.Green提出了基于坐标变换的 PWM 整流器连续、离散动态数学模型，R.Wu 和 S.B.Dewan[3]等较为系统地建立了 PWM 整流器的时域模型， 并将时域模型分解成高频和低频模型，且给出了相应的时域解而 Chun T.Rim 和 Dong Y.Hu 等则利用局部电路的 dq 坐标变换建立了 PWM 整流器基于变压器的低频振荡等效模型电路[4]，并给出了稳态、动态特性分析在此基础上，Hengchun Mao 等人建立了一种新颖的降解小信号模型，从而简化了 PWM 整流器的数学模型及特性分析[5] 为了使电压型 PWM 整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的研究显得十分重要电压型 PWM 整流器网侧电流控制策略主要分成两类：间接电流控制策略[6]和直接电流控制策略[7][8] 间接电流控制策略通过控制电压型 PWM 整流器的交流侧电压基波幅值、相位，进而间接控制其网侧电流而直接电流控制主要包括固定开关频率的采用电网电动势前馈的 SPWM 控制和滞环电流控制[10]为了进一步提高电压利用率并降低损耗，基于空间矢量的 PWM 控制在电压型 PWM 整流器中取得了广泛的应用。

有学者提出多种方案[9][11]目前电压型 PWM 整流器网侧电流控制有华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3将。