单相PWM整流器的研究--优秀毕业论文.pdf

分分 类类 号号 学号学号 M200971884 学校代码学校代码 10487 密级密级 硕士学位论文硕士学位论文 单相单相 PWM 整流器的研究整流器的研究 学 位 申 请 人学 位 申 请 人 ： 贺博贺博 学科专业学科专业 ： 控制理论与控制工程控制理论与控制工程 指导教师指导教师 ： 程善美程善美 教授教授 答辩日期答辩日期 ： 2012 年年 2 月月 10 日日 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Research on the Single-Phase PWM Rectifier Candidate : He Bo Major : Control Theory and Control Engineering Supervisor : Prof. Cheng Shanmei Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P. R. China February, 2012 独创性声明独创性声明 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，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集 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： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书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： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 I 摘摘 要要 随着电力电子装置的应用日益广泛，电网谐波和无功问题日益严重，各国相继 制定了严格的谐波和无功治理标准。传统的整流装置如不控整流或半控整流都会产 生大量的电流谐波和无功功率，而 PWM 整流器具有输入电流谐波小、功率因数可 控等优点，因而具有广泛的应用前景。 本文主要对电压型单相 PWM 整流器的相关问题进行研究。 在研究单相 PWM 整 流器的拓扑结构基础上，深入分析了单极性和双极性 PWM 调制原理。通过引入开 关函数建立了单相 PWM 整流器的时域和频域数学模型，在此基础上研究了其直流 电压控制策略以及输入电流的直接控制策略。 针对输入电流直接控制的正弦量跟踪问题，设计了一种比例谐振控制器，通过 在输入电流基波频率处产生谐振，获得较大的增益，从而大大提升输入电流跟踪的 动态性能。针对单相 PWM 整流器直流输出电压存在的二倍基频波动问题，为消除 了其对输入电流控制的影响设计了一种陷波滤波器。 在理论研究的基础上， 本文运用 MATLAB/SIMULINK 仿真软件对单相 PWM 整 流器进行了系统仿真，并对主电路参数的选择和设计以及硬件电路的实现进行了研 究，并以 TMS320F28335 为控制核心搭建了实验平台。仿真和实验结果验证了理论 研究的正确性。 关键词关键词：单相 PWM 整流器，比例谐振控制，直流电压纹波抑制，电力锁相环 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 II Abstract As the wide use of power electronics device, the current harmonics and inactive power problem in power grid has become more and more severe. So some strict standards were published by many countries. Traditional rectifiers such as uncontrolled or half-controlled ones will generate a mass of harmonics and inactive power. On the other hand, PWM rectifier, with the advantage of low harmonics and controllable power factor, has a good prospect for application. The research was focused on voltage source single-phase PWM rectifier (VSSR). At first, topology was studied, based on which, the principles of unipolar and bipolar PWM modulation was investigated and compared. Then, through introducing switch function, time-domain and frequency-domain models of VSSR were established, based on which, DC voltage control strategy and indirect & direct control strategy for input current were discoursed upon. To improve tracking performance of sinusoidal input current, a proportional- resonant (PR) controller was proposed, which resonates at fundamental frequency of input current to obtain a high gain. There was a 2nd ripple in DC voltage of VSSR, to eliminate its influence to current control, a notch filter was designed. On the basic of theoretical study, simulation research was developed based on MATLAB/SIMULINK. And through designing power and control circuits, a experimental platform with a TMS320F28335 chip as control kernel was established. Both simulation and experimental results verified the theoretical research. Key Words: Single-phase PWM rectifier, Proportional-Resonant Control, DC voltage ripple suppression, Power PLL 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 III 目目 录录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪 论 1.1 研究背景. (1) 1.2 单相 PWM 整流器的发展及研究现状 . (2) 1.3 主要研究问题 . (12) 2 单相 PWM 整流器的原理及数学模型 2.1 单相 PWM 整流器的工作原理 . (14) 2.2 单相 PWM 整流器的数学模型 . (18) 3 单相 PWM 整流器的控制策略 3.1 前馈型直接电流控制 . (21) 3.2 比例谐振控制 . (23) 3.3 直流母线电压纹波的抑制 . (30) 3.4 网侧电压锁相 . (32) 4 系统设计 4.1 主电路设计 . (35) 4.2 控制系统设计 . (39) 5 系统仿真研究及物理实验 5.1 系统仿真研究 . (47) 5.2 物理实验结果及其分析 . (52) 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 IV 6 总结与展望 6.1 总结 . (57) 6.2 展望 . (57) 致 谢 . (59) 参考文献 . (60) 附录 攻读学位期间发表的学术论文 . (63) 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 1 绪绪 论论 1.1 研究研究背景背景 随着电力电子技术的飞速发展，电力电子变流装置如变频器、逆变电源、高频 开关电源等已经广泛的应用于电力系统、化工、石油天然气、轨道交通、矿业、冶 金、港口机械、新能源、通讯、家电等行业。目前，这些变流装置大都通过整流环 节来获得稳定的直流母线电压。传统的整流技术一般采用不控整流或相控整流方式， 会给电网带来大量的电流谐波和无功功率，造成严重的电网污染。电流谐波会降低 电能生产、传输以及利用的效率，大量的电流三次谐波流过中性线时会使电路过热 甚至引发火灾；谐波电流还会影响各种电气设备的正常工作，会产生震动、噪声和 过电压，使变压器局部过热，导致绝缘老化，降低电气设备寿命；谐波有可能使电 网局部产生并联谐振和串联谐振，使谐波危害加大；谐波导致继电保护以及自动装 置的误动作，另外还会对临近的通信系统产生干扰。无功功率的增加会导致电流增 大，从而迫使电气设备和导线的功率容量增加；同时电路总电流的增加会导致设备 及线路的损耗增加；无功电流会使线路及变压器的压降增大，冲击性的无功功率负 载还会使电压产生剧烈波动，使供电质量下降。因此电流谐波和无功功率对电力系 统危害巨大，国外很早就制定了谐波抑制和无功补偿的相关标准，如： 1) 1992 颁布的 IEEE 519 标准对电力系统谐波控制进行了规定； 2) IEC1000-3-2 标准从电磁兼容的角度对谐波电流的产生进行了限制； 3) IEC 555-3 标准对接入公用低电压电网系统的设备进行了谐波抑制规定。 我国从 1994 年开始实施电能质量公用电网谐波标准。 为了满足谐波及无功的标准，需要对电网谐波进行治理。目前谐波和无功功率 治理的方法主要有以下几种： 1) 无源电力滤波器(Passive Filter，简称 PF) 无源电力滤波器是指安装在电力电子装置与电网之间的，由电感、电容、电阻 等无源器件构成的滤波装置，它具有结构简单、成本低、运行和维护方便等优点， 可以同时补偿谐波和无功功率。 但由于其结构原理上的缺点，在应用中也存在难以 克服的缺点，如 PF 的谐波补偿频带窄，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波 会起到放大作用；当系统阻抗和频率变化时，可能会与电网阻抗之间发生串、并联 谐振现象；装置笨重，体积大，损耗大等。 2) 有源电力滤波器(Active Power FilterAPF) 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 有源电力滤波器是上世纪70年代出现的一种应用电力电子装置进行谐波和无功 补偿的方法1，根据与电网连接方式的不同，APF 分为并联型和串联型两大类，并联 型 APF 通过向电网注入与谐波电流和无功电流等幅反相的补偿电流达到消除谐波电 流和无功功率的目的；串联型 APF 主要用于消除电压谐波2。不论是并联型还是串 联型，APF 是一种用于动态消除谐波和补偿无功功率的先进电力电子装置，能对大 小和频率都变化的谐波及无功功率进行补偿。 3) 静止无功补偿装置(Static Var CompensatorSVC) SVC 是指采用晶闸管控制的静止无功补偿装置，具体实现方案主要有晶闸管控 制电抗器(TCR)补偿装置、晶闸管投切电容器(TSC)补偿装置、以及这两者的混合补 偿装置。TCR 无功补偿装置可以进行连续的无功补偿，但是在补偿过程中会产生谐 波；TSC 补偿装置在运行时，无谐波产生，但是不能连续补偿无功功率。 4) 静止无功发生器(Static Var GeneratorSVG) SVG 是一种基于 PWM 整流电路的新型静止无功补偿装置，它采用 PWM 调制 技术，通过控制网侧电流幅值和相位达到来补偿无功功率的目的。SVG 可以在较宽 的输入电压范围和频带下工作，体积重量小。但是其电路比较复杂、成本高、同时 电磁干扰比较大。 5) PWM 整流器 PWM(Pulse Width Modulation)即脉冲宽度调制技术，它基于面积等效原理3。 PWM 技术最开始应用于直流变换电路，随着研究的深入，PWM 技术也应用于整流 电路。PWM 整流器的主要特点是在满足整流器直流输出响应指标的同时，实现整流 器网侧高功率因数和正弦波控制，甚至可使电能双向传输。当功率因数为1 时，称 这种整流器为单位功率因数整流器。与其他谐波抑制和无功补偿装置相比，PWM 整 流器是从源头上减少电网污染，因而是一种更好的谐波抑制和无功补偿方法。 目前， 各国学者和研究人员对PWM整流技术的研究多集中于三相PWM整流器， 而对单相 PWM 整流器的研究相对较少。 但是单相 PWM 整流器也具有广阔的应用领 域，如单相 UPS 电源、变频器4、电力机车牵引5以及辅助变流器6等，因此对单相 PWM 整流器的研究具有重要意义。 1.2 单相单相 PWM 整流器的发展及研究现状整流器的发展及研究现状 PWM 技术出现于 20 世纪 60 年代，它拥有固定的开关频率，通过改变功率开关 器件的开通占空比调节输出量的大小，最初应用于直流变换电路。后来，日本学者 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 B.Mokrytski 将 PWM 技术与频率控制相结合应用于交流电机控制的逆变电路中7， 这种变革性的方法使逆变电路同时具备电压控制和频率控制的功能，而且大大降低 了输出电压中的谐波含量。从此，PWM 技术得到了深入的研究，但由于功率开关器 件的制约，该技术的应用有限。 20 世纪 70 年代开始，PWM 技术开始应用于采用半控功率开关器件的单相整流 电路中8。从 80 年代开始，随着半导体产业的发展，可关断功率开关器件产品日趋 完善，对单相 PWM 整流器有了更加深入的研究，其应用也更加广泛。随着连续及 离散数学模型的提出、拓扑结构的多样化、控制策略的完善、功率半导体技术以及 传感器技术的持续发展，单相 PWM 整流器的研究发展进入一个新的阶段。同时单 相 PWM 整流器的应用也成为一个研究热点，如交流传动、UPS 电源、柔性交流电 传输、光伏及风能并网发电等，同时，这些应用的研究对单相 PWM 整流器的研究 起到促进作用。 总的来说，对单相 PWM 整流器的研究主要集中在数学模型、拓扑结构以及控 制策略三个方面。 1.2.1 单相单相 PWM 整流器数学模型整流器数学模型的研究的研究 数学模型是研究一个控制系统的基础。 对数学模型的研究贯穿着整个单相 PWM 整流器的研究历史。根据单相 PWM 整流器一个开关周期内电压电流平均状态方程， 文献9提出了半桥型单相 PWM 整流器的连续数学模型， 文献10提出了全桥型单相 PWM 整流器的连续数学模型。在此基础上，各国研究人员对其数学模型进行了更加 深入的研究，文献11通过对高频情况下的平均状态方程进行等效简化，建立了单相 PWM 整流器的高频时域模型。文献12在平均状态方程的基础上，通过线性化以及 时变量的消除，建立了单相 PWM 整流器的线性时不变稳态及线性小信号数学模型， 该数学模型可以同时适用两电平和三电平两种拓扑结构。 1.2.2 单相单相 PWM 整流器拓扑结构的整流器拓扑结构的研究研究 各国学者和研究人员根据实际应用需求，设计出多种单相 PWM 整流器。根据 直流储能形式的差别可分为电压型和电流型两种；根据桥路结构可分为半桥电路和 全桥电路；根据调制电平的数量可分为两电平结构和多电平结构；根据 PWM 开关 调制方式可分为硬开关调制和软开关调制。另外还有多种上述拓扑结构组合变种。 对于拓扑结构的研究是从小功率、结构简单的电压型单相 PWM 整流器(Voltage 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 4 Source Single-Phase Rectifier-VSSR)开始的。 半桥型 VSSR 上世纪八十年代末期，A.W. Green 提出了电压型单相半桥 PWM 整流器拓扑结 构及其相应的控制策略9，其拓扑结构如图 1-1 所示，可以看出，半桥型 VSSR 一个 桥臂由功率开关器件组成，每个功率开关器件反并联一个续流二极管，另一个桥臂 通过两个电容串联，同时起到直流储能的作用。半桥型 VSSR 具有比较简单的主电 路结构，只需要用两个功率开关管，因此成本比较低，常用于低成本、小功率的应 用场合13。但是在相同控制性能指标下，半桥型 VSSR 的功率开关管的耐压要求应 为全桥型 VSSR 的两倍。同时半桥型 VSSR 的直流侧有两个电容，需要进行中点电 压平衡控制，这增加了半桥型 VSSR 的控制复杂度。 负 载 L s i dc i a b dc u 2 C 1 S 2 S R 1 C s u 图 1-1 半桥型单相 PWM 整流器拓扑结构 全桥型 VSSR 1988 年，Boon-teck. Ooi 提出了电压型单相全桥 PWM 整流器拓扑结构及相应 控制策略10。其拓扑结构如图 1-2 所示，它由 4 个功率开关器件组成，每个功率开 关器件反并联了一个续流二极管。与半桥型 VSSR 相比，全桥型 VSSR 所需的功率 开关管加倍，但是其直流侧只用到一个电容作为储能电容，控制相对简单，是目前 应用比较广泛的一种拓扑结构。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 5 负 载 L s i dc i a b dc u C 1 S 2 S 3 S R 4 S s u 图 1-2 全桥型单相 PWM 整流器拓扑结构 三电平 VSSR 在大功率、高电压应用场合，功率开关管所承受的电压应力增大，为了确保电 路安全， 同时降低输入电流谐波， Bor-ren Lin 提出了多种单相 PWM 整流器的三电平 拓扑结构14，三电平 VSSR 中最常见的中点箝位型三电平 VSSR15的拓扑结构如图 1-3 所示。在这种结构中，每个桥臂上 4 个功率开关管串联使用，每个功率开关管反 并联一个续流二极管，每个桥臂采用 2 个二极管进行电压箝位，从而可以获得整流 桥交流侧电压的三电平调制。因此，与两电平相比，三电平 VSSR 输入侧电流波形 更接近于正弦波形，从而具有更小的总谐波畸变(THD)，每个功率开关管的承受的电 压应力是两电平结构的一半，因此三电平常应用于大功率、高电压的场合。另一方 面，三电平拓扑结构所需功率开关器件是两电平结构的两倍，控制算法更加复杂， 同时直流侧电容电压不平衡问题是三电平 VSSR 的一个内在问题，电容电压不平衡 会导致某些开关器件因承受过高的电压应力而损坏，故需要额外加入中点电压平衡 控制16。这些都是三电平 VSSR 的不足之处。 混合三电平 VSSR 传统三电平 VSSR 总共所需的功率开关管为 8 个开关器件和 4 个箝位二极管， 每个开关器件所承受的电压应力为直流侧电压的一半。为了减少功率开关器件的数 量，降低成本，Bor-ren Lin 提出了一种混合三电平 VSSR17，其拓扑结构如图 1-4 所示，这种结构由 6 个开关器件、2 个箝位二极管以及直流侧的两个电容组成。其中 左桥臂开关管承受的电压应力为直流侧电压的一半，右桥臂开关管所承受的电压应 力等于直流侧电压，故把这种结构称为混合三电平结构。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 6 负 载 L 1 u 2 u R i o a b dc u 1 C 2 C 1 S 2 S 3 S 1 S 2 S 3 S 4 S 4 S s i R s u 图 1-3 三电平单相 PWM 整流器拓扑结构 负 载 L o a b 1 C 2 C R s u 1 u 2 u dc u 1 S 3 S 2 S 1 S 2 S 3 S 1 D 2 D dc i s i 图 1-4 混合三电平单相 PWM 整流器拓扑结构 另外，在一些对于开关损耗要求比较严格的应用场合中，采用 PWM 调制技术 时，开关损耗比较大，因此，不少学者设计了基于软开关技术的单相 PWM 整流器 拓扑结构及其相应控制方法18。 电流型单相 PWM 整流器(Current Source Single-Phase Rectifier-CSSR) 由于常用的供电电源都是电压源，同时电流型单相 PWM 整流器的应用受制于 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 7 其直流储能电感成本及技术的限制，因此电压型单相 PWM 整流器一直是研究的热 点。随着超导磁能存储(SMES)材料及其技术的发展，电流型 PWM 整流器的储能效 率显著提升，同时电力系统储能线圈呈现电流源特性，电流型单相 PWM 整流器逐 渐成为研究热点19。 CSSR 的直流侧采用电感进行直流储能， 因此其直流侧等效于一个高阻抗的电流 源。CSSR 的拓扑结构如图 1-5 所示。与 VSSR 相比，除了直流侧储能元件不同外， 交流输入侧增加一个滤波电容，用于滤除 CSSR 交流侧的电流谐波。同时在功率开 关管上串联一个同向二极管，用于截断反向电流。电流型 PWM 整流器对电流的控 制更加直接简单，具有更快的动态响应速度。 负 载 L s i dc i a b dc u 1 S 2 S 3 S R 4 S dc L C s u 图 1-5 电流型单相 PWM 整流器拓扑结构 1.2.3 单相单相 PWM 整流器控制策略的研究整流器控制策略的研究 单相 PWM 整流器有两个主要的控制目标：一是得到稳定的直流母线电压；二 是在交流输入侧得到单位功率因数，同时确保交流输入电流谐波含量较小。通过控 制输入电流可以控制输出直流电流， 进而可以控制直流侧输出电压。 因此， 单相 PWM 整流器的控制核心部分是对交流输入电流的控制。根据输入电流是否直接参与到控 制中，可将单相 PWM 整流器交流输入电流的控制分为间接控制和直接控制两种。 间接电流控制策略最先由 Boon-teck. Ooi 提出10， 其基本原理是通过控制整流桥 交流侧电压来控制输入电流，以得到单位输入功率因数20。输入电流间接控制的理 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 8 论基础是单相 PWM 整流器的静态数学模型，其控制的框图如图 1-6 所示。 SPWM s uPLL SIN dc u - + - + - dcref u ab u RPI * L u * s I sin COS L cos * R u 图 1-6 输入电流间接控制框图 采用间接控制方法的单相 PWM 整流器控制系统有一个控制闭环直流母线 控制闭环，其输出作为交流输入电流的幅值分别与锁相得到的网侧电压相角正弦值 和余弦值相乘后得到交流输入侧电阻电压期望值 * R u和电感电压期望值 * L u，继而得到 调制波 * ab u，再通过 SPWM 获得期望的交流输入电流。 可以看出，在间接控制方法中，交流输入电流并没有参与到闭环计算中，因此 采用该方法的单相 PWM 整流器不需要采样交流输入电流，可以节省电流传感器， 从而降低系统成本，同时该方法具有结构简单、便于硬件实现以及静态特性好等优 点。另一方面，输入电流间接控制也存在以下三个突出的缺点： 1) 交流输入电流没有直接参与闭环控制，系统动态响应速度慢，当出现突加负 载等情况时，系统性能变差； 2) 调制波 * ab u的产生与交流侧电感、线路内阻、网侧电压有关，因此对系统主 电路参数变化敏感； 3) 由于不检测交流输入电流，控制系统无法提供输入电流过流保护，增加系统 安全隐患。 另一类控制方法是直接电流控制。它实时计算出输入电流的参考值，再引入实 际输入电流反馈量，形成闭环控制，达到期望控制性能指标。直接电流控制动态响 应速度快，系统稳定性高，整体性能优于间接电流控制方法，因此是当前单相 PWM 整流器研究的主流控制方法21。本论文采用的也是直接电流控制方法，将在第 3.1 节中对其进行详细的研究和分析。直接电流控制方法的闭环指令值是正弦量，而传 统的 PI 控制器对于正弦量的跟踪存在稳态误差22。为了提升控制效果，不少学者致 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 9 力于研究先进控制算法在单相 PWM 整流器电流控制中的应用。文献23采用变步长 自适应算法对交流输入电流进行预测控制，消除了数字控制系统中延时的影响，提 高控制系统稳定裕度。文献24采用数字重复控制，消除正弦输入电流跟踪的误差， 极大的提升了系统稳定性能和动态性能。文献25提出一种预测电流控制方法，在获 得高质量输入电流波形的同时，使开关频率最小化，有效降低开关损耗。此外，遗 传算法26、滑模变结构控制、模糊控制等先进控制算法先后被应用于单相 PWM 整 流器的输入电流控制中。 此外，滞环控制及其改进方法27也被应用于单相 PWM 整流器的输入电流控制 中。 1.2.4 PWM 调制策略的研究调制策略的研究 除输入电流控制策略外，PWM 调制方法也是一个研究热点。单相 PWM 整流器 常用的调制方法有单极性 SPWM 调制和双极性 SPWM 调制21，这两种方法各有优 缺点，适用不同的应用场合。 采用单极性 PWM 调制时， 单相 PWM 整流器的四个功率开关管通过四个不同的 开关信号控制， 图1-2中 1 S和 2 S的控制信号由SPWM调制波 r u与载波 c u相比较产生， 3 S和 4 S的控制信号由与调制波相位相差 180的参考波 r u与载波 c u相比较产生， 如 图 1-7 所示。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 10 t ( )u t r u c u r u a u b u ab u dc u dc u dc u dc u t t t (a) (b) (c) (d) 图 1-7 单极性 SPWM 调制原理 如图 1-7 所示，当 rc uu时， 1 S开通， 2 S关断，则图 1-2 中 a 点电压 adc uu， 当 rc uu时， 1 S关断， 2 S开通，a 点电压0 a u ；对于另一桥臂，当 rc uu时， 3 S开 通， 4 S关断，则图 1-2 中 b 点电压 bdc uu，当 rc uu时， 3 S关断， 4 S开通，b 点电 压0 b u ；由此可得整流桥交流侧电压 ab u的波形如图 1-7(d)所示。 采用双极性 PWM 调制方法时， 单相 PWM 整流器的四个功率开关管通过两个不 同的控制信号控制，图 1-2 中开关管 1 S和 4 S同时开通或关断，而 2 S和 3 S同时开通或 关断，如图 1-8 所示。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 11 t t ( )u t r u c u ab u (a) (b) dc u dc u 图 1-8 双极性 SPWM 调制原理 如图 1-8 所示，当 rc uu时， 1 S和 4 S开通， 2 S和 3 S关断，则整流桥交流侧电压 abdc uu；当 rc uu时， 1 S和 4 S关断， 2 S和 3 S开通，则整流桥交流侧电压 abdc uu 。 通过两种调制方法的对比可以看出，单极性 PWM 调制策略决定了在控制时有 两个调制波，控制策略相对复杂一点。而采用双极性 PWM 调制策略时，只有两种 开关模式，控制相对简单。但是单极性 PWM 调制策略的相对复杂带来的好处在于， 采用单极性 PWM 调制方法时，主电路有四种开关模式，对应三种不同的整流桥交 流侧电压；而采用双极性 PWM 调制方法时，主电路只有两种开关模式，对应两种 不同的整流桥交流侧电压。通过对比图 1-7(d)和图 1-8(b)的可以明显看出采用单极性 PWM 调制时，整流器中等效开关频率是双极性 PWM 调制下的两倍，在降低功率损 耗的同时，使整流桥交流侧电压的谐波含量更少，从而使得输入电流的脉动更小， 因此可以选择更小的交流侧电感，而输入电流的脉动范围是直流侧电容参数选择的 重要依据，当输入电流脉动比较小时，相应的直流侧电容也可以取小一点的。 在以上两种经典 PWM 调制策略的基础上， 一些适用于单相 PWM 整流器特殊拓 扑结构的 PWM 调制策略相继被提出。针对如 图 1-3 所示的中点箝位型三电平单相 PWM 整流器，Joong-Ho Song 提出一种新 颖的单相 SVPWM 调制策略28，如图 1-9 所示。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 12 t ( )u t r u 区间1 区间2 区间3 区间4 0 dc u 12 uu或 12 uu或 dc u 图 1-9 单相 SVPWM 调制策略 该调制方法以三电平单相 PWM 整流器 9 种开关状态对应的 6 个非零整流桥交 流侧电压值和 3 个零值电压作为基础矢量，并以此为依据将调制波划分为四个区间， 再根据 PWM 控制技术的面积等效原理，在每个区间内，使用相邻的两个基础矢量 合成所需的调制波 r u。该方法在实现电压调制的同时，还可以解决三电平拓扑结构 的中点电压不平衡问题。 1.3 主要研究问题主要研究问题 本论文主要对单相 PWM 整流器的相关问题进行了研究。首先，论文在阐明了 课题研究背景及意义的基础上研究了单相 PWM 整流器的单极性调制和双极性调制 的基本原理，并建立了单相 PWM 整流器的数学模型。 接下来对 PWM 整流器总体控 制方案和前馈型直接电流控制策略进行了研究，针对 PI 控制对正弦输入电流跟踪控 制的局限性，研究了比例谐振控制在单相 PWM 整流器中的应用；针对单相 PWM 整 流器的直流母线电压存在二倍基频波动的问题，研究了相应的解决方案。由于单相 PWM 整流器对网侧电压相位比较敏感，本文研究了一种先进的单相电力锁相环。在 理论分析的基础上，通过计算机仿真和物理实验两种方法验证了理论研究的正确性 以及方案的可行性。 本文的具体章节安排如下：第一章是绪论，叙述了论文研究的背景及研究意义， 阐述国内外相关研究的发展情况及现状，说明要解决的问题。第二章主要介绍单相 PWM 整流器的单极性和双极性调制的基本原理，并建立数学模型。第三章主要对单 相 PWM 整流器控制策略进行研究，包括总体控制方案、优化输入电流控制的比例 谐振控制策略、直流母线电压纹波抑制策略以及单相电力锁相环的设计。第四章介 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 13 绍实验平台的设计方案，包括主电路参数设计、控制电路硬件设计以及控制电路软 件设计。第五章在分析仿真和物理实验结果的基础上得出相应结论。第六章对单相 PWM 整流器的研究进行总结和展望。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 14 2 单相单相 PWM 整流器的整流器的原理及数学模型原理及数学模型 2.1 单相单相 PWM 整流器的工作原理整流器的工作原理 单相 PWM 整流器拓扑结构多种多样， 其中全桥型单相 PWM 整流器具有结构简 单、控制方便，同时是单相三电平 PWM 整流器的拓扑结构原型。因此，本文主要 研究如图 2-1 所示的全桥型单相 PWM 整流器，它有两个关键性能指标：一是获得稳 定的输出直流母线电压，二是使得输入功率因数为 1。要达到这两个目标，需要对输 入电流和直流母线电压进行控制，其中输入电流的控制是输出电压控制的基础，而 输入电流控制可以通过控制整流桥交流侧的基波电压幅值和相位来实现。电压型单 相 PWM 整流桥的交流侧基波电压控制有两种 PWM 调制方法单极性PWM 调制 和双极性 PWM 调制。 负 载 L s i dc i a b dc u C 1 S 2 S 3 S R 4 S s u 图 2-1 全桥型单相 PWM 整流器拓扑结构 2.1.1 单极性单极性 PWM 调制调制 对于如图 2-1 所示的单相全桥 PWM 整流器主电路拓扑结构，如果采用单极性 PWM 调制策略，PWM 整流桥交流侧电压( ) ab ut将出现三个值，即 dc u、0、 dc u。其 中， 在输入交流电压基波正半周，( ) ab ut在 dc u和 0 间切换， 当网侧电压处于负半周时， ( ) ab ut在 dc u和 0 间切换。故采用单极性 PWM 调制时，VSSR 电路存在四种工作模 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 15 式，如表 2-1 所示。 表 2-1 单极性 PWM 调制的工作模式 开关模式 1 2 3 4 导通器件 1 S ( 1 D) 4 S ( 4 D) 2 S ( 2 D) 3 S ( 3 D) 1 S ( 1 D) 3 D ( 3 S) 2 S ( 2 D) 4 D ( 4 S) ( ) ab ut的值 dc u dc u 0 0 其中，模式 3 和模式 4 将使单相整流桥交流侧电压( )0 ab ut 。值得注意的是， 当输入电流方向不同时，每个工作模式有不同的电流回路。故单极性 PWM 调制总 共存在六种电流回路，如图 2-2 所示，图中的电压和电流方向表示参考方向。 负 载 L a b dc u C 2 S R 4 D 负 载 L a b dc u C 1 S 4 D R 负 载 L a b dc u C 1 S R 4 S 负 载 L a b dc u C 1 S 3 D R 负 载 L a b dc u C R 负 载 L a b dc u C 2 S 3 S R+ + + 3 D 2 D +- + - +- + - +- + - +- + - +- + - +- + - a)b) d)c) e)f) s i s i s i s i s i s i s u s u s u s u s u s u 图 2-2 单极性 PWM 调制等效电路 图 2-2 a)所示电路中 VSSR 工作在模式 2，同时输入电流0 s i 。此时电流流经 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 16 23s LRSCSu， s i继续增加，电感电压大于零，其储能增大，电容给负载供 电，并与电源共同向电感充电。 图 2-2 b)所示电路中，VSSR 工作在模式 4，同时输入电流0 s i 。此时电流流经 24s LRSDu， s i继续增加，电感电压大于零，其储能增大，电容给负载供电， 电源向电感充电。 图 2-2 c)所示电路中，VSSR 工作在模式 1，同时输入电流0 s i 。此时电流流经 14s LRDCDu， s i减小，电感电压小于零，其储能减小，电源和电感共同向 电容充电，并给负载供电。 图 2-2 d)所示电路中，VSSR 工作在模式 1，同时输入电流0 s i 。此时电流流经 41s uSCSRL， s i增加，电感电压小于零，其储能增大，电容给负载供电， 并与电源共同向电感充电。 图 2-2 e)所示电路中，VSSR 工作在模式 3，同时输入电流0 s i 。此时电流流经 31s uDSRL， s i增加，电感电压小于零，其储能增大，电容给负载供电，电源 向电感充电。 图 2-2 f)所示电路中，VSSR 工作在模式 2，同时输入电流0 s i 。此时电流流经 32s uDCDRL， s i继续减小，电感电压大于零，其储能减小，电源和电感共 同向电容充电，并给负载供电。 根据以上分析， 单相 PWM 整流器进行单极性 PWM 调制时等效于一个 Boost 型 电路，通过其交流侧电感储能以及直流侧电容稳压得到比网侧电压幅值更高的输出 母线电压。 2.1.2 双极性双极性 PWM 调制调制 与单极性 PWM 调制策略不同，进行双极性 PWM 调制时，单相整流桥交流侧 ( ) ab ut将出现两个不同的值： dc u和 dc u。此时，VSSR 电路只有两种工作模式，如表 2-2 所示。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 17 表 2-2 双极性 PWM 调制的开关模式 开关模式 1 2 导通器件 1 S ( 1 D) 4 S ( 4 D) 2 S ( 2 D) 3 S ( 3 D) ( ) ab ut的值 dc u dc u 与单极性 PWM 调制方法类似，当输入电流方向不同时，每个工作模式有不同 的电流回路。因此，双极性 PWM 调制总共存在四种电流回路，如图 2-3 所示，图中 的电压电流方向表示参考方向。 负 载 L a b dc u C 2 S 3 S R+ +- + - a) s i 负 载 L a b dc u C 1 S 4 D R+ +- + - b) s i 负 载 L a b dc u C 1 S R 4 S + +- + - c) s i 负 载 L a b dc u C R+ 3 D 2 D +- + - d) s i s u s u s u s u 图 2-3 双极性 PWM 调制等效电路 图 2-3a)所示电路中 VSSR 工作在模式 2，同时输入电流0 s i 。此时电流流经 23s LRSCSu，