VIENNA整流器的控制及调制策略研究

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随着电力电子技术的飞速发展,整流器对提升工业生产效率和降低能源损耗起到了关键作用。其中VIENNA整流器以其功率开关器件少、可靠性高、成本低等优点,被广泛应用于功率因数校正、UPS、通信电源、新能源发电及电动汽车直流充电桩等场景中。控制和调制作为VIENNA整流器的关键技术,对其稳定运行和改善输入/输出电能质量起到关键性作用。因此,本文针对VIENNA整流器的控制与调制策略进行研究,分析输入电流过零点畸变和直流侧中点电位不平衡问题的产生机理,并给出相应的解决方案,主要包括以下几方面内容:首先,以VIENNA整流器作为研究对象,分析其在不同开关状态下的工作模态,得到开关状态函数,并建立其在abc坐标系和dq坐标系下的数学模型。根据数学模型,提出一种具有抑制电网三相不平衡和高次谐波干扰的锁相环,分析其设计思路和工作原理,并给出控制器的设计方案。之后对VIENNA整流器的双闭环控制策略进行分析,对于电流内环,采用基于前馈解耦PI和复系数矢量PI(Complex coefficient vector PI,c PI)的控制方法,对比两者的电路参数敏感性,再根据根轨迹图和Bode图计算其电流环最优控制器参数。对于电压环,采用PI控制器,并通过数学建模分析设计了控制器参数。其次,通过分析空间矢量调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)的矢量合成方式,阐明了电流过零点畸变的原因。为了解决这一问题,提出了一种基于双载波脉宽调制(Carrier Based-Pulse Width Modulation,CB-PWM)的三次零序分量补偿法。为了提高了CB-PWM的调制效率,对参考电压注入零序分量,再分别从网侧滤波电感、功率因数变化和电流采样三方面分析,计算出电流过零点畸变区间,并在所得区间内加入三次零序补偿分量,使调制电压在过零点处箝位置零,以确保VIENNA整流器的正确调制。所得调制电压可以很好地解决电流过零点畸变问题。此外,针对VIENNA整流器直流侧中点电位不平衡和中点电位低频振荡的问题,提出了一种基于变箝位区间CB-DSVPWM的中点平衡控制策略。为满足VIENNA整流器的限制条件,并降低开关损耗,从两电平断续脉宽调制(Discontinuous Pulse Width Modulation,DPWM)推导出可用于VIENNA整流的三电平DPWM。并结合等效SVPWM的零序分量注入法,得到变箝位区间CB-DSVPWM的计算方法,因此可利用SVPWM的冗余小矢量对中点电位进行调节。之后利用广义平均法对VIENNA整流器中点电位进行建模,得到直流侧的动态模型。根据该数学数学模型,计算出补偿占空比大小,并加入到调制占空比中,实现了中点电位的调节并消除了低频振荡。最后,通过Matlab/Simulink仿真分析,验证了所提控制及调制策略的可行性,并对比CB-PWM零序分量补偿法和基于CB-DSVPWM中点平衡控制策略,观察二者对VIENNA整流器的输入/输出端电能质量的改善情况,分析两种方法的优缺点。并根据仿真模型搭建了实验平台,对上述理论进行实验,最终验证了理论研究的正确性。
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