论文总字数：24201字

摘 要

PWM整流器能够做到单位功率因数运行，实现能量双向流动，凭借这这些特点，PWM整流器在电力行业各领域都有着良好的应用前景。目前广泛应用的电压型 PWM 整流器主要采用的是电压定向的矢量控制方式，电压定向的准确度是关乎整流器控制性能的重要指标。本文围绕着电网电压快速定向的方法和电压型PWM整流器的双闭环控制方式展开研究，主要研究内容如下：

首先综述了PWM整流器的的建模和控制方法，分析了各种电网电压锁相技术的优缺点。根据三相电压型PWM整流器的拓扑结构，在各坐标系下建立了利用开关函数描述的系统的一般模型，并且对PWM整流器的空间矢量脉宽调制方法进行了简要的分析。在系统模型分析的基础上，继续研究了双闭环控制系统的基本原理，并给出电流调节器和电压外环的设计方案。

其次，通过对基波同步参考坐标系的锁相环结构的研究分析了对三相平衡电压锁相的方法。又对在电压的不平衡的情况下正序基频分量的提取方法进行了探究，详细分析了双同步参考坐标系解耦的锁相环的结构。

最后在Simulink仿真平台上分别搭建基于同步参考坐标系的和基于解耦双同步参考坐标系的锁相环。通过仿真实验，分析和验证了两种锁相环在电压三相不平衡等故障情况下的锁相能力。又同样利用Simulink对搭建的矢量控制下的PWM整流器的系统进行仿真，验证了设计的整流器的整体性能。

关键词：电压型PWM整流器 三相电压不平衡 锁相环 双闭环控制

Research on Vector Control Technology of PWM Rectifier Based on Grid Voltage Orientation

Abstract

The PWM rectifier has the characteristics of unit power factor operation, bidirectional energy flow. The PWM rectifier has good application prospects in various fields of the power industry. At present, the widely used voltage-type PWM rectifier mainly adopts the voltage-oriented vector control method, and the accuracy of voltage orientation is an important index related to the performance of the rectifier. This paper focuses on the methods of fast orientation of the grid voltage and the dual-loop control structure of the voltage PWM rectifier. The main research contents are as follows:

Firstly, the modeling and control methods of PWM rectifier is introduced, and the advantages and disadvantages of several power grid voltage phase-locking technologies are analyzed. According to the topological structure of the three-phase PWM voltage source rectifier, the general models of three-phase VSR described by the switching function is established under each coordinate system, and the space vector pulse width modulation method of PWM rectifier is briefly analyzed. Based on the analysis of the system model, the basic principles of the dual-loop control system are further studied, and the design schemes of the current regulator and the voltage outer loop are given.

Secondly, the method of phase-locking the three-phase balanced voltage is analyzed by studying the structure of the SRF-PLL. In addition, the method of extracting the positive sequence fundamental frequency component in the case of grid-side voltage imbalance is explored, and the structure of DDSRF-PLL is analyzed in detail.

Finally, on the Simulink platform, the simulation mode of SRF-PLL and DDSRF-PLL were built. Through simulation experiments, the phase-locking capabilities of the phase-locked loops under three phase voltage unbalance and other fault conditions are analyzed and verified. Simulink was also used to simulate the system of vector-controlled PWM rectifier to verify the overall performance of the designed rectifier.

Keywords：Three phase voltage unbalance; Phase-locked loop; Three-phase PWM voltage source rectifier; Dual-loop control

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 2

1.1 研究背景及意义 2

1.2 国内外的研究现状 3

1.2.1 PWM整流器建模的研究 3

1.2.2 PWM整流器控制方法的的研究 4

1.2.3 电网电压快速锁相方法的研究 5

1.3 本文主要的研究工作和论文安排 6

第二章 PWM整流器的建模 7

2.1 三相电压型PWM整流器原理 7

2.1.1 电压型PWM整流器的简化模型和基本特性 8

2.1.2 三相电压型PWM整流器的拓扑结构 8

2.2 使用开关函数描述的电压型PWM整流器的模型 9

2.2.1 三相静止坐标系下的系统一般模型 10

2.2.2 两相静止坐标系下的系统一般模型 10

2.2.3 两相旋转坐标系下的系统一般模型 10

2.3 PWM整流器的空间矢量调制方法 11

2.4 本章小结 13

第三章 矢量控制下的双环调节器的设计 14

3.1 电流调节器的设计 14

3.1.1 电流调节器前馈解耦的原理 14

3.1.2 电流调节器的控制分析 15

3.2 母线电压控制器的设计 17

3.3 本章小结 19

第四章 电网电压的快速锁相技术 20

4.1 基波同步参考坐标系的锁相环的设计 20

4.1.1 基波同步参考坐标系的锁相环的工作原理 20

4.1.2 基波同步参考坐标系的锁相环的参数设计 22

4.2 电网不平衡的情况下的锁相环设计 23

4.2.1 正序基频分量的提取方法 23

4.2.2 双同步坐标变换的解耦网络的设计 25

4.2.3 双同步参考坐标系解耦锁相环的参数设计 27

4.3 本章小结 28

第五章 系统仿真 29

5.1 锁相环仿真实验的结果和分析 29

5.1.1 仿真模型和参数设置 29

5.1.2 仿真实验方法 30

5.1.3 基波同步参考坐标系锁相环的仿真实验结果 30

5.1.4 双同步参考坐标系解耦锁相环的仿真实验结果 31

5.2 基于电网电压定向的PWM整流器的矢量控制模型的仿真 34

5.2.1 仿真模型和参数设置 34

5.2.2 仿真结果和分析 34

5.3 本章小结 37

总结与展望 38

参考文献 39

致 谢 41

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着人们对电能种类的要求越来越多，电力电子变流装置，尤其是整流器得到越来越广泛的应用。从交通运输领域直流机车，到电力系统中的高压直流输电，再到通信设备中的程控交换机，都离不开电力电子中的整流技术。然而，不控或是相控整流装置是整流装置中的主流，这些装置的大量使用，无疑是会给电网带来谐波和无功处理的负担^[1]。

如果电网中的谐波超出标准，就会产生用电设备过热震动，电气设备稳定性降低，电容器损坏，动作继电器误动作等危害。不断叠加的谐波污染源不仅仅影响局部地区，甚至会造成大面积隐患。根据国内的一项调查显示，在国内的大型企业中，几乎每家企业都有电网污染的问题。随着电力电子设备在生产生活中的大量应用，世界各地都对谐波问题给予了高度重视。

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