三相电压型PWM整流器的控制策略研究与硬件设计

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随着电力电子技术的发展,传统的变流方式由于谐波大、功率因数低等缺点已经逐渐被脉宽调制(PWM)整流技术所取代。PWM整流器具有单位功率因数、网侧电流无畸变、四象限运行和直流母线电压稳定等优点,符合国家对绿色节能型社会发展的需求,被广泛应用于高性能交流传动和柔性交流输电等高性能变流领域。目前PWM整流器控制技术的研究仍着眼于传统控制策略,而对于PWM整流器采样过程中存在的电压电流测量误差等问题的研究仍存在局限性。本文在详细研究了PWM整流器的工作原理和拓扑结的基础上,分别搭建了开关函数描述和占空比描述的数学模型,在分析了两种数学模型的优劣之后,建立了PWM整流器在两相旋转(dq)坐标系下的数学模型,并分析了系统采用的空间脉宽矢量调制(SVPWM)的数学原理和输出开关信号的推导过程。简要的介绍了整流器的双闭环控制,分别给出了电压外环和电流内环的设计过程和参数设计方案。在PWM整流器实际运行过程中,电压和电流经过采样调理环节之后,传感器的非线性、调理电路的漂移、A-D转换器的量化误差以及三相电源电压的不平衡都会导致电流和电压测量值存在增益误差和偏移误差。传统的控制方法显然无法对正弦输入量实现无静差跟踪,也无法抑制直流母线侧电压纹波,从而造成网侧电流畸变,严重影响电网质量。针对电压、电流测量误差带来的交流侧电流畸变谐波与直流母线电压纹波的问题,本文给出了一种简单有效方案来处理三相电压型PWM整流器的电压和电流测量误差,利用带通滤波器和低通滤波器来估算电流测量中的偏移误差和增益误差;电流内环将PI控制器与两个准谐振滤波器并联,来减少电压测量中直流偏置和增益误差,该方法无需额外的硬件配置,不受传感器和系统参数的影响,能有效的抑制测量误差引起的直流纹波和网侧电流畸变。最后,在Matlab/Simulink平台上,搭建了三相PWM整流器的仿真模型,对传统PI控制策略与本文设计的电压电流策略误差补偿策略进行了仿真与实验研究,对比分析了PI控制与PI-QR控制在网侧电压纹波抑制的效果,同时对负载突变以及直流给定电压突变情况下的仿真结果进行了详细的研究分析,实验结果和仿真波形验证了所提出的控制策略的有效性和正确性。
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