基于DSP的有源前端变换器的研究与设计

【摘要】有源前端(AFE)变换器具有网侧电流正弦、功率因数可控、直流电压恒定的优点,且可实现电能回馈电网,因此在有源滤波、无功补偿、新能源并网发电、能量回馈等场合具有广阔应用前景。本文分析了有源前端变换器四象限运行的基本原理及其基本拓扑结构,建立了该变换器在三相静止坐标系(abc)、两相静止坐标系(αβ)、同步旋转坐标系(dq)下的电压电流数学模型,同步旋转坐标系下的功率数学模型,并分析了固定开关频率PWM控制、预测电流控制、基于dq旋转坐标系的双环PI控制三种系统控制策略。研究了直接功率控制,推导了两相静止坐标系、同步旋转坐标系下复功率定义法和矢量乘法定义法的瞬时功率表达式,通过引入SVPWM算法取代开关表,解决了传统基于滞环控制器的直接功率控制无功功率波动大、开关频率不固定等缺点。根据功率数学模型,分析了功率解耦控制、电网电压前馈控制,实现了对有功功率和无功功率的无耦合独立控制,根据系统控制方程,分析了PI调节器的设计要求及其对系统动态性能的影响,分析了启动电流过冲的原因及抑制方法。研究了软件锁相环技术,分析了基于单同步坐标系软件锁相环原理,利用Matlab/Simulink搭建仿真模型,对锁相环和控制系统进行了仿真验证。本文设计了有源前端变换器的硬件和软件。硬件方面,重点介绍了主电路L、C的设计、IGBT驱动保护电路设计、基于线性光耦的传感器设计,在网侧滤波电感的设计中,采用限制网侧电流过零点处电流脉动量的方法,缩小了电感参数的取值范围,其结果更具实际工程应用价值。软件方面,以TI公司的TMS320F2812DSP为控制器,采用模块化编程思想,给出了软件设计流程。搭建了有源前端变换器样机,在某国家级研究院所进行了实验调试及评估,给出了实验波形及数据分析,结果表明：满载时,系统功率因数达98%、效率95%以上、电流总谐波畸变率(THDi)低于3%,能量可双向流动。
【作者】刘锦辉；
【导师】曾岳南；
【作者基本信息】广东工业大学，电气工程（专业学位），2014，硕士
【关键词】有源前端变换器；直接功率控制；锁相环；PI调节器分析；单位功率因数；DSP；

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