毕业设计基于LCL滤波器的三电平整流器仿真研究.docx

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毕业设计基于LCL滤波器的三电平整流器仿真研究

编号：

（）字号

本科生毕业设计

题目：

基于LCL滤波器的三电平整流器仿真研究

姓名：

学号：

班级：

二〇一四年六月

本科生毕业设计

姓名：

学号：

学院：

专业：

电气工程与自动化

设计题目：

基于LCL滤波器的三电平整流器仿真研究

指导教师：

职称：

二〇一四年六月

学院专业年级2010学生姓名

任务下达日期：

2013年12月30日

毕业设计日期：

2013年12月30日至2014年6月10日

毕业设计题目：

基于LCL滤波器的三电平整流器仿真研究

毕业设计专题题目：

毕业设计主要内容和要求：

1.学习MATLAB/Simulink以及simpowerblokset的相关知识；

2.掌握基于LCL滤波器的三电平整流器及其控制方式；

3.完成基于LCL滤波器的三电平整流器MATLAB仿真；

4．完成不少于4000汉字的基于LCL滤波器的三电平整流器相关英文文献翻译（根据学院对毕业设计的具体要求）。

院长签字：

指导教师签字：

年月日

大学毕业设计指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

指导教师签字：

年月日

大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

评阅教师签字：

年月日

毕业设计答辩及综合成绩

答辩 情 况

提 出 问 题

回答问题

正确

基本正确

有一般性错误

有原则性错误

没有回答

答辩委员会评语及建议成绩：

答辩委员会主任签字：

年月日

学院领导小组综合评定成绩：

学院领导小组负责人：

年月日

摘要

三电平整流器具有器件所受应力小，输入谐波少，控制算法灵活等优点，已经逐渐的开始取代以往的两电平整流器。

中点箝位型（NPC）拓扑结构的三电平整流器同时还具有四象限运行的特性，可以实现能量的双向流通。

为了进一步减小整流器产生的谐波对电网的影响，同时也为了克服单L滤波器的一些不足，基于LCL滤波的整流器应运而生。

本文以基于LCL滤波的二极管箝位三电平整流器为研究对象，首先分析了二极管箝位型三电平整流器的拓扑结构，建立了开关函数与输入电压的函数关系。

针对LCL滤波器的三阶性质，推导出了其简化数学模型，并在此基础上，研究了LCL滤波器的参数设计方法，给出了滤波器中各器件的参数范围。

对于整流器的控制方面，本文主要研究了电压电流双闭环控制，仿真分析表明，这种控制方法能够实现良好的整流器控制，达到较高的性能指标。

此外，对于三电平变流器中不可避免的中点电位不平衡现象，本文通过分析表明造成中点电位不平衡的根本原因是中线电流的存在，而通过零序电压的注入可以消除中线电流，以减少中点电位波动。

文章的第六章利用MATLAB/Simulink建立了使用SPWM调制的基于LCL滤波的三电平整流器，通过对整流输出结果分析表明，本文搭建的整流器模型具有良好的稳态和动态性能，并且在减小输入谐波的同时达到了输入的高功率因数。

关键词：

整流器；三电平；LCL滤波器；中点电位平衡控制

ABSTRACT

Three-levelrectifierhavemanyadvantages,suchaslittlevoltagestressaffordbypowerdevices,lowinputharmoniccomponents,andflexiblecontrolmethod.Accordingtothosereasons,three-levelrectifierisgoingtoreplacetheoldtwo-levelrectifier.Atthesametime,neutral-pointclamped（NPC）three-levelrectifiercanrunatfourquadrant,allowtheenergytoflowonthetwoway.Inordertoreducetheinfluenceofharmonics,aswellasovercomethedisadvantagesofL-filter,LCL-filteremerged.

Thepaperstudythethree-levelrectifierwithaLCL-filter.Atthefirst,thepaperanalyzethetopologyoftheNPC,establishedafunctionoftheinputvoltageandtheswitchingfunction.Forthethird-ordernatureoftheLCLfilter,thepaperdeducedasimplerelationshipbetweenthem.Thenonthisbasis,thepaperstudythedesignmethodoftheLCL-filterandobtaintherangeoftheimplements.Forthecontroloftherectifier,thepapermainlystudythedoubleclosed-loopofvoltageandcurrent,andthesimulationshowthatthismethodisabletorealizeahighperformance.Besides,Three-levelrectifiercannotavoidtheunbalanceofneutralpotential.Inresponsetothisphenomenon,thepapersuccesstofindthattheunbalanceofcenterlinecurrentcausethephenomenonandthemethodoftheinjectionofthezerovoltagecanreducetheunbalance.

ThepaperproposesasimulationwithMATLAB/Simulinkintheend.Theanalysisoftheresultsshowsthattherectifierisprovidedwithgooddynamicperformanceandsteady-stateperformance.Inaddition,therectifierhavelowinputharmoniccomponentsandhighpowerfactor.

Keywords:

rectifier,three-level,LCL-filter,unbalanceofneutralpotential

1绪论

1.1三电平整流器研究背景与意义

通常来讲，整流器的输出电平越多，得到的波形就越好，谐波成分也更少[1]。

但由于受到硬件条件和控制复杂性的影响，三电平整流是目前可以实现的最经济可行的整流方式。

1981年，日本的A.Nabae等学者率先提出了中点箝位型三电平逆变器拓扑结构，经过许多学者的研究工作，三电平也逐渐应用于整流器上。

三电平整流器中每个桥臂上输出的电压有三种电平状态，以往常用的整流器只有两种电平状态。

在三种电平输出状态下，整流器可以得到具有五个平台的阶梯波，与两电平整流器三个平台的阶梯波相比，波形更接近于正弦波。

三电平整流电路具有以下优点：

（1）降低了主开关器件的耐压等级。

三电平整流器中每个桥臂有四个IGBT开关管，每个开关管所承受的电压为整流输出侧电压的一半，这一方面使开关管的耐压等级可以降低为同等功率两电平整流电路的一半，另一方面又可以有效降低器件的损耗。

（2）应力du/dt更小。

由于开关器件承受的电压仅为两电平整流器中的一半，使得其承受的应力du/dt也大幅度的减少。

（3）输入电流谐波少。

利用PWM进行控制时，三电平整流器的输入电流谐波要少于两电平整理器。

（4）控制算法更加灵活。

相对于两电平电路，三电平电路的控制算法复杂，这一方面增加了设计的难度，另一方面也使得对控制设计具有更多的选择。

由于具有以上优点，国内外学者对三电平整流电路的研究也是越来越多[2]。

国外的三电平变流技术比较成熟，理论工作已经做得比较完善，相关产品也进入了实用阶段。

国内对于三电平变流技术的研究起步较晚，大多数的产品仍停留在两电平阶段，三电平技术的研究仍有待加强。

但随着国内市场需求的不断增加，三电平整流技术必将得到更好的发展。

1.2三电平整流器的主要拓扑结构

三电平整流器的主要拓扑结构有：

（1）二极管箝位型

二极管箝位型的拓扑结构是最早出现的三电平拓扑结构。

这种拓扑结构采用二极管进行箝位，与使用其他器件相比，减小了体积，简化了电路结构，也使得控制容易实现。

同时，这种拓扑结构的整流器能够在四象限运行，实现能量的双向流通。

二极管箝位型整流器目前需要解决的问题是中点电位的不平衡。

（2）飞跨电容电容型

飞跨电容型的三电平整流器较二极管箝位型出现的晚，其主要的优点是合成电压矢量的方式灵活，能够同时控制有功与无功；存在的问题是控制系统复杂，且电路中使用了较多的电容，不仅增加了整流的成本，更降低了系统的可靠性。

（3）Vienna型

Vienna型拓扑结构是在二极管箝位型的拓扑结构上发展起来的，它的主要特点有：

一

相驱动电路的失效不会引起输出线路的短路，可靠性高；对中点电位的平衡控制简单；效率高，成本低。

Vienna型整流器的缺点是使用了较多的二极管，整个系统的器件数量较多，此外，这种拓扑结构的整理器中能量只能单向传递，因而不可以在四象限运行。

1.3LCL滤波器概述

三电平整流器具有比传统的两电平整流器更多的优点，但同时也具有一些整流器所共有的缺点[3]。

整流器主电路的开关频率约为2~15kHz，在整流的过程中会产生频率与开关频率相同或是开关频率倍数的谐波，这些谐波进入交流侧电网后不可避免的会对电网造成污染。

传统的滤波方式是使用单L滤波，通过在网侧线路上串联电感器滤除谐波，为了滤除高频谐波分量，就必须增加L的值，而L的增加却又会影响系统的动态的性能，滤波性能的提升与系统动态性能的增加就成了单L滤波器的一对矛盾。

此外，单L滤波器所使用的电感器件电感值大，功率高，价格也昂贵，增大了整流器的成本。

1995年，M.Lindgren和J.Svensson提出了用LCL滤波器代替单L滤波器。

与单L滤波器或有源滤波器相比，LCL滤波器不光可以有效滤除电流高次谐波，同时，能够大幅度降低网侧所需要的电感值，提高系统的动态响应速度。

此外，由于LCL滤波器使用了较小的电感电容，也降低了整流器的滤波成本。

LCL滤波器目前还存在一些问题，主要是电容支路的引入可能会使系统发生谐振，降低系统的稳定性。

目前解决这一问题的主要方法是增加滤波器阻尼，减少谐振峰值以降低谐振的危害。

1.3基于LCL滤波的三电平整流器的研究现状

当前基于LCL滤波的整流器的热点问题之一是系统的谐振抑制问题，目前有两种比较可行的方法，即无源阻尼法和有源阻尼法[4]。

（1）无源阻尼法：

该方法不改变原有的整流器控制策略，只是在滤波电容上串联或并联阻尼电阻以增加系统阻尼。

无源阻尼法简单易行，稳定可靠，本文即采用这种方法。

无源阻尼法在工业上已经被广泛应用，它存在的最大问题就是电阻的引入增加了系统的损耗，降低了系统的效率，在发热量比较大的情况下，还需要增加冷却措施。

（2）有源阻尼法：

该方法不需要增加实际的阻尼电阻，因而也就不存在附加损耗和冷却的问题。

有源阻尼法通过修正系统的控制策略、模拟出阻尼电阻、从而达到与实际阻尼电阻相同的作用。

目前的有源阻尼控制策略主要有超前滞后有源阻尼法、基于双带通滤波器有源阻尼法、引入变流器侧电感电压高频分量有源阻尼法、以及基于遗传算法的有源阻尼法等。

有源阻尼法存在的主要问题是增加了控制策略的复杂性，不适合于工程需要。

1.4本文主要内容

本文以基于LCL滤波的二极管箝位型三电平整流器为基础，主要进行了以下内容的工作：

（1）分析了二极管箝位三电平PWM整流器的电路拓扑，推导了参考电压与开关函数

的数学关系，并介绍了三相旋转坐标系到两相旋转坐标系的变换方法，为控制器的设计奠

定基础。

（2）分析了三电平PWM整流器的电压外环，电流内环设计方法，给出了基于载波调制的调制策略。

（3）分析了LCL滤波器的数学模型，通过推导得到LCL滤波器各参数的设计范围。

（4）分析了产生中点电位不平衡的原因，介绍了用于控制中点电位平衡的常用的方法。

（5）利用MATLAB/Simulink搭建了基于LCL滤波的三电平整流器模型，实现了整流器的仿真，完成了任务的要求。

2带LCL滤波器的三电平整流器原理及数学模型

2.1二极管箝位三电平整流器的拓扑结构

二极管箝位型三电平整流器电路拓扑结构如图2-1所示。

图2-1二极管箝位型三电平整流电路拓扑结构

在该拓扑结构中，每个桥臂上有四个IGBT模块（包含一个IGBT及每个IGBT上反并联的一个二极管）以及两个箝位二极管，三条箝位二极管支路的中点均与直流侧分压电容C1、C2的中点串接起来，起到电压箝位作用。

交流侧A、B、C三相相对于直流侧中间点O有三个电平：

+Ud/2，0，-Ud/2，因而称为三电平。

三电平电路的三个桥臂的结构完全相同，工作状态也完全相同。

以A相桥臂为例，分析每相桥臂的三种工作状态。

（a）P工作状态（b）O工作状态（c）N工作状态

图2-2每一相桥臂三种不同工作状态

工作状态一（P状态）：

当T1和T2开通，T3和T4关断，A相桥臂被箝位在+Ud/2时，称此时桥臂工作在P状态。

假设网侧电流IL流向直流侧时的符号为正，电流从中点a经续流二极管D1、D2流向直流侧；若电流符号为负，电流将从直流侧经T1、T2流向中点a。

如上图2-2

（1）所示。

工作状态二（O状态）：

当T2和T3开通，T1和T4关断，a点被箝位在O点时，若电流IL为正，则电流经T3、D6到达直流端；若电流为负，则电流经D5、T2到达a点。

如上图2-2

（2）所示。

工作状态三（N状态）：

当T3和T4开通，T1和T2关断，a点被钳位在-Ud/2时，假设电流IL为正，则电流经T3、T4到达直流端；若电流为负，则电流从经D3、D4到达a点。

如上图2-2（3）所示。

由上述三种工作状态开关器件的工作情况可知，在这三种工作状态中，T1管和T3管互补开通，T2管和T4管互补开通，并且相邻的开关管T1和T2、T2和T3、T3和T4必定同时开通，因而无论处于P、O、N中的何种状态，T2和T3这两个开关管必有一个处于开通状态，使得输出电压在+Ud/2，0，-Ud/2这三个电平之间变化，也即所谓的三电平整流器。

2.2输入参考电压与开关函数的关系

三电平整流器输入参考电压与开关函数的关系是进行PWM控制设计的基础，它能够反映出输出电压与各开关器件的工作状态之间的关系。

为方便数学模型分析，现做出以下假设：

（1）开关器件均为理想器件，不存在开关损耗、导通压降；

（2）直流侧电容足够大；

（3）网侧电源为理想电源，不含有谐波及负序分量。

用理想开关代替开关管，得到整流器理想开关结构图，如图2-3所示。

图2-3三电平整流器简化等效结构图

理想开关的开关状态定义如下（k=a，b，c）：

（1）Sk=1：

S1k闭合，S2k、S3k断开，与桥臂P状态相对应。

（2）Sk=0：

S2k闭合，S1k、S3k断开，与桥臂O状态相对应。

（3）Sk=-1：

S3k闭合，S1k、S2k断开，与桥臂N状态相对应。

设整流器桥臂中点相对两个电容中点的电压为Uao，Ubo，Uco，根据图2-3，可以得到电压与开关函数的数学关系为：

（2.1）

其中，Udc为直流侧输出的直流电压值，Udc1、Udc2为直流侧电容上的电压值，并且Udc1的值与Udc2的值相等。

记整流器交流侧桥臂的输入点电压相对于三相电源中点的电压分别为Uan、Ubn、Ucn，三相电源中点相对于两电容中点的电压为Uno，那么这两者之间的关系为：

（2.2）

又已知在三相系统中，有

（2.3）

则

（2.4）

综合上面四个公式可以得到

（2.5）

2.3三相静止abc坐标系到两相旋转αβ坐标系的变换

三相三电平整流器的输入电压为三相正弦电压，在abc坐标系下，三相电压的波形为正弦交流波，这不利于控制器的设计。

由对三相交流电机的控制设计可以知道，当把输入的三相电压变换为对应的αβ坐标系下的电压之后，三相交流电压就会转变成为对应的两相静止电压，从而简化控制器的设计。

同样，通过类似的坐标变换，可以实现对三相整流器的精确控制，因而有必要对整流器输入的三相电压进行坐标变换[5]。

设电网输入的三相电压为Ua、Ub、Uc，由于这三相电压abc坐标系下对称，因而可

以用一个旋转矢量V来表示其合成矢量，V的初始相位角为θ，旋转角速度为ω0。

图2-4abc坐标系与αβ坐标系

为了简化坐标变换，可以先进行abc坐标系到αβ坐标系的变换，其关系如图2-4所示。

将矢量V投射到两相静止坐标系的α、β坐标轴上上，得到在轴上的投影为

（2.6）

又在三相静止坐标系下有

（2.7）

由式2.6和式2.7可以得到

（2.8）

由式2.8得到的两个电压αβ坐标系下的对应电压值，利用式2.8就能够实现电压从abc

坐标系到αβ坐标系的变换。

在αβ坐标系下，Uα、Uβ同样为交流电压，其旋转角速度与矢量V的旋转角速度相同。

在得到Uα、Uβ之后，利用αβ坐标系与两相旋转dq坐标系之间的变换关系，可以得到dq坐标系下对应的输入电压，这两个坐标系的关系如图2-5所示。

图2-5αβ坐标系与dq坐标系

设某一时刻旋转坐标系的相位角为ωt，可以得到

（2.9）

将式2.8代入式2.9中，即可得到Ua、Ub、Uc与Ud、Uq的关系，实现abc坐标系到dq坐标系的变换。

2.4LCL滤波器的数学模型

在图2-3中，以A相为例，由基尔霍夫电压定律和电流定律可以得到：

（2.10）

从式（2.6）不难看出，由于引入了LCL滤波器，交流侧的数学模型变成了三阶系统，加大了控制的复杂程度。

在不考虑阻尼电阻时，可以画出a相交流侧的等效电路如下：

图2-6整流器交流侧一相等效电路图

建立图2-6桥臂电压和网侧电流的传递函数

（2.11）

由式2.11可以看出，系统存在谐振点，其谐振频率为

（2.12）

利用式2.11，得到表现LCL滤波器频率特性的Bode图为

图2-7LCL滤波器频率特性图

由频率特性图也可以清晰的看到，LCL滤波器存在谐振点。

谐振点的存在会导致系统的不稳定。

LCL滤波器位于整流器的交流侧，而交流侧的电流以基波运行，故LCL滤波器运行于低频状态下，由参考资料可知，此时可以忽略电容C的影响，得到

（2.13）

其中，L=Ls+Lt。

将式2.13变换到两相旋转坐标系下可以得到

（2.14）

式2.14常被用于进行闭环控制的设计，通过式2.14，可以实现网侧输入电流的解耦，具体解耦方式将在第四章讨论。

2.5本章小结

本章在建立了三电平整流器拓扑结构的基础上，重点分析了每一相桥臂的三种工作状态，以及桥臂上各开关管在各种工作状态时的作用，同时，利用三电平整流器简化等效结构图，得到了参考电压与开关函数的数学关系，为PWM控制建立了数学基础。

为了便于整流器控制器的设计，本章又推导了输入线电压在abc坐标系与dq坐标下的关系。

此外，通过对LCL滤波器数学模型的分析，进一步简化了控制器设计。

同时由LCL滤波器的数学模型可以知道，LCL滤波器存在谐振问题，这是LCL滤波器与单L滤波器相比的缺点所在。

3网侧LCL滤波器的设计

3.1无源阻尼法

由LCL滤波器的结构可知，其阻抗值应与流过的电流频率有关。

当流过高频电流时，滤波器的阻抗值很小，以此实现对高频谐波的滤除。

又由2.4节可知，由于滤波电容的存在，滤波器变成了三阶系统，控制起来更为复杂。

同时，在某些频率下，LCL滤波器的存在还会引起系统的谐振效应，影响系统的稳定性，因而，必须增加阻尼来解决这个问题。

无源阻尼法有两种，一种是在电容上串联阻尼电阻Rd，本文采用这种方法，如图3-1所示；另一种是在电容支路上并联阻尼电阻。

这两种方法的效果是一样的。

图3-1电容串电阻电路图

当没有添加阻尼电阻时，图3-1中输入端电压ur与输出电流it之间的关系为

（3.1）

考虑串联电阻Rd时，则两者之间的关系变为

（3.2）

将传递函数3.1、3.2所反映的频率特性画在同一副图上，可以得到没有串联阻尼电阻和串联阻尼电阻后的滤波器的频率特性比较图，如图3-2所示。

图3-2电容支路未串电阻和串电阻时的频率波形图

由图3-2可以看出，当在电容支路串上阻尼电阻Rd之后，谐振峰值显著减少，有效地抑制了谐振效应。

同时也可以看出，有源阻尼法并不能完全消除谐振，只是可以有效降低谐振带来的危害。

随着阻尼电阻的增加，虽然衰减程度变大，但同时系统的低频特性也会受到较大程度的影响，可见阻尼电阻并不是越大越好。

3.2LCL滤波器的参数设计

整流器主电路中的IGBT的开关频率一般在5kHz以上，产生的谐波通常是高频谐波，因而LCL滤波器属于低通滤波器，以消除高频谐波。

又由上文可知，LCL滤波存在谐振现象，如果设计不好，会导致滤波效果不好，甚至会导致谐振频率的谐波被放大，增大注入电网的谐波含量。

因此，LCL滤波器的合理设计十分重要。

对于LCL滤波器的参数设计问题，不少学者都提出了自己的解决方案，现简要介绍下文中的一种方案[7]。

LCL滤波器的参数设计主要包括设计网侧电感Ls，滤波电容Cf，整流器侧电感Lt，以及阻尼电阻Rd。

LCL滤波器设计考虑的主要因素有：

（1）滤波器应能够有效滤除网侧电流中的高次谐波，使其满足相应的标准规范。