论文总字数：18354字

摘 要

因为高频整流器可以工作在整流和逆变两个状态，并且可以控制功率因数，因此得到广泛应用。但是整流器自身存在谐波问题，需要深入研究，但是使用单滤波，需要大的电感值，这样增大电感的体积和成本，并且效果不是很理想，所以本文采用了滤波的整流器，减小了电感大小和体积，提高性能，但是电路自身存在谐振问题，参数的设计需要合理。本文最开始介绍整流器的工作原理，并给出了滤波的和滤波的整流器的数学模型，从坐标系转换到坐标系，然后经过后转换至同步旋转的坐标下；然后进行谐波的抑制，采用两种方法，一种是无源阻尼法，另一种是有源阻尼法；详细的设计了滤波器的各相参数，给出了详细的步骤，设计了控制方式，采用双闭环的控制系统；最后使用搭建仿真模型，进行仿真分析，得出基于滤波的整流器的优越性。

关键词： 滤波器 坐标系变换 谐波抑制 双闭环控制 仿真

Design and Simulation of Three-phase Voltage Source PWM Rectifier Based on LCL Filtering

Abstract

Because the high frequency rectifier can work in two states of rectification and inversion, and can control the power factor, it is widely used. However, the rectifier itself has harmonic problems and needs further study. However, using a single filter requires a large inductance value, which increases the volume and cost of the inductor, and the effect is not ideal. Therefore, a filter rectifier is used in this paper to reduce the inductance. Size and volume increase performance, but the circuit itself has resonance problems and the design of the parameters needs to be reasonable. This paper first introduces the working principle of the rectifier, and presents the mathematical model of the filtered and filtered rectifier, from the coordinate system to the coordinate system, and then after conversion to the synchronous rotation of the coordinates; then the harmonic suppression, using Two methods, one is the passive damping method and the other is the active damping method; detailed design of the parameters of each phase of the filter, detailed steps, a control method, a double closed-loop control system Finally, the simulation model was used to simulate the analysis and the superiority of the filter-based rectifier was obtained.

Keywords: LCLfilter ;Coordinate system transformation;Double closed-loop control ;simulation

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 PWM整流器概述 1

1.2 LCL滤波的PWM整流器背景 1

1.3 LCL滤波的PWM整流器研究现状 2

1.4 本文主要内容 2

第二章 电压型PWM整流器的工作原理和数学模型 3

2.1 三相电压型PWM整流器工作原理 3

2.2 两种不同滤波器的数学模型 5

2.2.1 基于L滤波器的三相电压型PWM整流器的数学模型 5

2.2.2 基于LCL滤波的三相电压型PWM整流器的数学模型 9

第三章 LCL滤波器的特性分析和参数设计 15

3.1 LCL滤波器与L滤波器相比较 15

3.2 LCL滤波器的谐波抑制 16

3.2.1 无源阻尼法 17

3.2.2 有源阻尼法 18

3.3 滤波器参数设计 19

3.3.1 滤波器限制条件 19

3.3.2 各参数值设计及选取 20

3.4 LCL滤波的PWM整流器控制方法 25

第四章 控制系统设计 29

4.1电流内环控制设计 29

4.2电压外环控制设计 32

第五章 仿真和结果分析 35

5.1 搭建仿真模型 35

5.2 波形分析 36

第六章 总结与展望 40

参考文献 41

致谢 43

第一章 绪论

1.1 整流器概述

电力电子技术如今得到了广泛的发展，但是电网中的大量电力电子元件对电网产生污染。主要是无功和谐波的污染^[1]。电力系统中无功功率不应远距离传输，其一会增加输电线路的网损，其二会增加压降，其三减小功率因数，这些都影响了供电质量，降低利用率，所以无功污染问题对电力网络来说十分严重。谐波问题对电力系统的输电网络来说可能更加严重，首先谐波可使电力系统部分电路产生谐振效应，会使电力系统产生内部过电压，其持续时间较长，对系统危害很大，可能会使电力系统的继电保护装置误动作，导致部分地区断电，严重时会破会绝缘，损害电力设备，对财产和物质生产造成损失，甚至可能会造成人身伤害，另外还会产生电磁干扰，进而干扰通信设备，对经济、社会、人身都会产生不利影响。在上世纪七十年代，有人将技术引入电力电子领域^[2]，使整流器的性能得到很大的提高，并得到推广和应用。上世纪九十年代，半导体元件不断成熟，随着科技的不断进步，其为整流器提供硬件基础，但是仍然存在很多严重的问题，尤其是谐波问题突出，滤波器的设计和谐波的解决迫在眉睫。而抑制谐波的方法有有源和无源两种方法，仍需进一步讨论。

因为整流器可以实现绿色能量变换，且可以四象限运行，所以自上世纪九十年代以来学者的研究越来越深入，在太阳能，风能，直流输电等领域得到广泛的运用。上世纪下半叶有很多学者对此进行研究，得到了丰厚的研究成果，包括三相全桥整流器控制策略^[3]，系统地建立了整流器的时域模型,经过一段时间又有学者实现了整流器网侧的单位功率因数控制，这是一大重要突破，另外还有学者发现了无功补偿器控制策略^[4]等等，这些研究为整流器的进一步改进做出了不可磨灭的贡献，为滤波的整流器打下了基础。

1.2 滤波的整流器背景

虽然整流器有以上的诸多优点，应用领域也很广，但是由于三相整流器使用功率开关器件，其开关频率比较高，一般为^[5]，在运行中，很容易产生高次谐波，由上文我们知道谐波对电网危害很大，主要是在开关频率或者开关频率的整数倍附近。通常情况下我们在电网侧增加电感或者将已有的电感值增大，此种做法可以减少谐波。在功率很小或者功率不大时，此种方法效果很好，但是当整流器功率比较大时，此时电抗器的损耗增加很多，因此在大功率场合不适用。另外，电抗器的体积大，重量大，因此成本较高。经过一段时间的研究与努力，在上世纪九十年代有学者提出用三阶滤波器代替原来的单一电感滤波器来解决上述问题^[6]。通过研究发现在交流侧应用滤波器可以有效的降低电流中高次谐波的含量，并且使用电路结构进行滤波还有许多其他好处，相比较滤波，在相同的谐波要求下，其电感值减小很多，有效的规避了体积大，成本高的问题，并且经过合理的设计，其动态性能良好。但是，滤波器的设计需要合理的取值，因为其电路本身就存在谐振问题。这个问题是滤波器所存在的最大问题之一，因为整流器就是一次谐波源，在正常运行或者非正常运行时，可以会产生某次谐波，进而引起谐振。

1.3 滤波的整流器研究现状

由于滤波器的拥有上述优异性能，得到了广泛的关注与应用，其谐波的抑制问题也是是滤波的整流器应用关键技术之一。 经过许多研究，有很多的学者提出增加阻尼的方法来解决这个问题^[7]，这种方法可靠而且功率损耗小，所以其适用性大大提高，阻尼法有两种，其一是有源阻尼法，其二是无源阻尼法，这些方法可靠而且功率损耗小，有效的抑制了谐波问题^[8]，在很多场合得到运用。整流器控制问题同样是一个十分重要的问题，其主要目的是减少无功，尽量使功率因数为1，另外要减少电压与电流的畸变，提高系统的动态性能，减少成本，目前一些比较好的控制方法有:直接功率法^[9]，电流控制和电流控制^[10]等。

1.4 论文主要工作

第一，系统的阐述了整流器的工作原理，并作出向量图进行详细讨论其各种工作状态；对两种滤波法分别在坐标系和坐标系下建立数学模型。

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