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目 录
摘 要 .................................................................................................................. Abstract .............................................................................................................. 1 绪论
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1.1 课题来源与背景 ...................................................................................... (1) 1.2 电子电力变压器基本原理 ...................................................................... (2) 1.3 电压型 PWM 整流器控制策略研究现状 .............................................. (3) 1.4 本文主要工作 .......................................................................................... (4) 2 单相 PWM 整流器建模及系统分析
2.1 单相 PWM 整流器基本原理 .................................................................. (6) 2.2 单相 PWM 整流器数学模型 .................................................................. (8) 2.3 单相 PWM 整流器双闭环控制系统设计 ............................................ (12) 2.4 单相 PWM 整流器谐波分析 ................................................................ (15) 2.5 锁相环设计 ........................................................................................... (18) 3 单相 PWM 整流器重复控制器设计
3.1 重复控制介绍 ....................................................................................... (22) 3.2 重复控制器的结构 ............................................................................... (25) 3.3 PWM 整流器重复控制器设计和仿真 .................................................. (27) 4 单相 PWM 整流器反馈线性化控制器设计
4.1 微分几何理论简介 ............................................................................... (32) 4.2 单相 PWM 整流器控制器设计 ............................................................ (37) 4.3 系统仿真 ............................................................................................... (39) 5 单相 PWM 整流器试验结果
5.1 试验系统主电路 ................................................................................... (40) 5.2 试验系统控制电路 ............................................................................... (41)
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5.3 控制系统软件设计 ............................................................................... (44) 5.4 试验结果 ............................................................................................... (48) 6 全文总结
6.1 工作总结 ................................................................................................ (52) 6.2 未来工作展望 ....................................................................................... (52)
致 谢 ........................................................................................................... (54) 参考文献 ....................................................................................................... (55) 附录 1 实验装置实物图 .............................................................................. (59)
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1 绪论
1.1 课题来源与背景
随着科学技的发展，越来越多的自动化设备被使用到工业生产之中，如高精度测
量仪器、自动化生产线、机器人、精密数控机床等，这些设备对供电可靠性和供电质 量的要求很高，对供电质量非常敏感，任何电能质量问题都可能导致生产的产品质量 下降或管理秩序混乱，甚至可能损坏生产设备，造成巨大的经济损失和不良的社会影 响。
电力系统中的电能质量问题不可避免的。一方面电力系统是庞大的非线性系统，
电力系统中很多元件都是非线性的，由于多种原因，发电机的输出电压并不是标准的 正弦波，其中含有少量的谐波成分；由于变压器励磁回路的非线性特性，变压器也会 产生少量的谐波电流；电力系统中存在大量的非线性负荷，如笔记本电脑、电视机、 电弧炉等，这些非线性负荷会向电力系统中注入谐波电流，从而影响电能质量；另一 方面电力系统改变运行方式或系统故障时也会造成电能质量问题，大容量发电机并网 或切除大容量负荷，继电保护装置动作等，会引起电力系统的动态调节过程，在这个 动态调节过程中，电力系统的电压、频率会出现波动，从而引起电能质量问题。
随着人们对电能质量要求的提高科学技术的发展，很多面向用户的电力设备
[1]
[2]
（custom power devices）被使用到电力系统中以改善电能质量，如动态电压恢复器 DVR
（Dynamic Voltage Restorer），静止同步补偿器 STATCOM
[3]
（Static Synchronous
Compensator），统一能量调节器 UPQC（Unified Power Quality Conditioner）等。DVR
可以消除系统电压波动、限制故障电流、减少电压谐波等；STATCOM 可以抑制电压
波动与闪变、补偿负荷不平衡、提高功率因数等；UPQC 兼有 STATCOM 和 DVR 的
功能，可以快速补偿供电电压的突升或突降、波动和闪变，减少谐波电压、补偿各相
电压的不平衡、补偿故障时的短时电压中断以及补偿负载谐波电流、无功电流等，是
一种具有综合调节功能的电能质量控制器。
作为电力系统的重要组成部分，传统的电力变压器具有结构简单，可靠性高，制
造成本低等优点，但是，随着人们对供电可靠性和电能质量要求的不断提高，传统变
压器的不足之处表现的越来越明显，主要有：功能单一，体积、重量大；负荷大范围
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变化的时候不能维持负荷侧电压的恒定；变压器的某一侧发生故障的时候，会影响到
另一侧；系统中的谐波电压、谐波电流会通过一侧传递到另外一侧；变压器励磁回路 产生的谐波电流会对系统造成谐波污染
[4]
。很显然传统电力变压器没有改善电能质量
的功能。
随着大功率电力电子器件及控制技术的发展，一种新型的变压器，电子电力变压
器 EPT（Electronic Power Transformer）得到了越来越多的关注，与传统变压器相比电 子电力变压器具有以下优点：无环境污染；负荷变化时可以维持负荷侧电压的恒定； 可以保证原方电流和副方电压为正弦波；原方功率因数和副方电压可调；可以抑制三 相系统不平衡
[5]
。因此，电子电力变压器不仅具有普通变压器的功能，而且具有改善
电能质量的能力。
本文受到国家自然科学基金（青年）项目资助，编号：50807020，题目：基于电
子电力变压器的输电系统功率振荡抑制与潮流控制。本文主要对 EPT 输入级整流器控
制策略进行研究。
1.2 电子电力变压器基本原理
输入(工频交流)
电子电力变压器的基本原理于图 1.1 所示，输入的工频电压经输入侧电力电子变
换器变换成高频电压，高频电压经过高频变压器的变压作用后输出高频电压，输出侧 电力电子变换器将变压器输出的高频电压变换成工频交流电压。选择适当的控制方 式，电子电力变压器可以控制输入侧无功功率和输出侧的电压频率和相位。
高频 高频 输出(工频交流) 电力电子 信号 高频 信号 电力电子 变换器 变压器 变换器
控制
图 1. 1 EPT 工作原理图
电子电力变压器的具体实现方案有两种形式：一种形式是在电子电力变压器的
输入侧和输出侧变换器中不含直流环节，输入侧电力电子变换器将输入的工频电压直
[6]
接变换成高频电压，输出侧电力电子变换器将变压器输出的高频电压变换成工频交流 电压，其工作原理于图 1.2 所示；另外一种是在电子电力变压器的输入侧和输出侧变
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