（检测技术与自动化装置专业论文）pwm整流技术研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 三相电压型脉冲宽度调制( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n p w m ) 整流器具有输出电压可调、 实现单位功率因数运行、谐波抑制能力强等优点，解决了变频器整流单元对电网的污 染问题，因而成为目前电力电子领域中的研究热点。同时它还可以实现电能回馈电网， 从而进行理想的四象限能量流动，是制作励磁电源和可调直流电源的理想方案。 随着大规模集成电路技术及计算机技术的发展，采用微处理器作为硬件控制核心的 微机控制器将成为今后整流器的发展方向。而随着控制方法的不断改进与发展，对微机 整流控制器的运算速度提出了非常高的要求。本文根据这种要求，以d s p ( 数字信号处 理器) 作为控制核心，研究并设计了基于d s p 的p w m 整流器。 本文主要研究了电压源型p w m 整流器的拓扑结构、数学模型、控制策略、主电路 参数的选取与设计，并分别从控制电路、驱动电路、测量电路、整流主电路、s p w m 硬 件实现等几个方面论述了基于d s p 的整流器的硬件设计以及主要实时软件的流程图和 实现方法。 此外，通过在d q 坐标系下建立仿真模型，应用电流内环、电压外环控制策略，对 p w m 整流器和传统的二极管不可控整流在s i m u l i n k 下进行了仿真，两者结果比较，更 加显示了p w m 整流器的优越性。 最后，在研究控制策略和控制算法的基础上，利用汇编语言编制了p w m 可控整流 的相关程序，进而研制了一套实验装置，分析了系统的抗干扰措施和过流、过压保护等 注意事项。 关键词；脉宽调制，励磁电源，谐波，s i m u l i k 仿真 p w m 整流技术研究 r e s e a r c ho n t e c h n i q u e so f p w m r e c 瓶c a t i o n a b s t r a c t 1 1 壕c o n 瑚t i o n a lr e c t i f i c r p r o d u c eh 踟。越cp r o b l 锄i l lp o 、e rs y s t e m w h i l e t l l r 铃一p h a p u l w i d mm o d u l a t i o n ( p w m ) r c c t m e rc 孤p r o v i d ea l t e r a b l ed cb 哪v o l t a g e 、g e t l | i l i t yp o w e rf a c t o ra i l dg e tl o wl l a r n l o n i cd i s 跏i o no fi n p u tc u r r e n t s oi t i sb e c o m i n g i n t i 玳s t e di np o 、e re l e c t r o n i c sf i e l d na l s oh 船l i n ep o w 盯f b c d b a c kc 印a b i l i t y ；a sar e s u hi t c a i lw o r k sa te v e r ) rq l l a d m t ，b e i n g 锄i d e a lc h o i c co fd e s i g m n ge x c i t a t i o np o w e ra i l d 锄u s t a b l ed cp o w e r w i t l lt l l e d “e 1 叩m e n to fl a 唱e - s c a l ei i l t e 斟a i c c i r c u nt e c l l l l o l o g ya i l d c o m p u t e r t c c l l i l o l o g y ，m i c r o c o m p u t e r b a s e dr e c t i f i e rc o n 打o l l e rw i l lb e c o m e t h em a i ns t r e 锄o f r e c t i f i e r c o n t r o l l e r si nt 1 1 e 如t u r e c o n s 协mi m p r o v c m e mi i lr e c t i f i e rc o n 订o lm e t h o ds c ta ne v e nl l i g h e r r 。q u i r e m e n tf o rt l l ec o m p u 诅t i o no fm em i c r o c o m p u t e 卜b a s e dr e c t i f l e rc o m r o l l e r a c c o r d i n gt o t l l i sr e q u i f c m e n t ，t l l ep a p e r 咖d i e sa n dd e s i g l l st h cr e c t i f i e rc o 曲o l l e rb yl l s i n gd s p ( d i g i t a l s i g i l a lp r o c e s s o r ) a st h ec o n 仃o lc c n t e l t i l i st h e s i sm a i n l yi n 仰d u c e sp w m r e c t i f i e r ，i n c l u d i n gi t st o p o l o g ) ，m a m e m a t i c a lm o d e l ， c o n 仃o ls t r a t e g i e s ，t l l ed e s i g na n dc h o i c eo ft h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r sa n di t sh a r d w a r e t h e m a t l l e m a t i c a lm o d e lo fv o l t a g es o l l r c er e c t i f i e ri se s s e n t i a lm e a n st oi n v e s t i g a t ei t i td e a ls w i t hm ed e s 啦o f 龇d s p - b a s e dr c c t i f i e r 。sl l a r d w a r e 锄dm ef l o w c h a na n dr e a l i z a t i o n m e t h o do fi t ss o 丘w a r e 疗o mt h e 嬲p e c t so fc o n t r o lc i r c u i t ，d d v i n gc i r c u i t 、m e 硒u r i n gc i r c u i t ， m a i nc i r c l l i ta n dt h em 甜l o do f r c a l i z i n gs p w m b e s i d e s ，t l l es i m u l a t i o nm o d e lw i t l lc l o s e dl o o pc o n d li ss e tu pi i ld gr o t a r yc o o r d i n a r t e 恤l et l l es i m u l a t i o no fp w mr e c t m e ra n dn l ec o n v e n t i o n a lr e c t 墒c rh a sb e e nd o n ei l lt h e c i r c u m s t a i l c eo fs i m u l i n k v i am ec o m p a r eo fm c s et w om o d e l s ，m ea d v a | 1 t a g eo fm ep w l 嗄 r c c t m e ri sp r o v c d b a s e do ns t u d i e dm ec o m r o ls t r a t e g y 姐dt l l ec o n t r o la r i m m e t i c ，t l l ep m g 啪i sg i v e n a 工l de x p e r i m e mp l a t f o n ni ss e tu pn l l l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a te v e r y 如n c t i o no f m ep w mr e c t i f j e ri sa c c o r d i n g 、i i l ld l e 鲥g i n a ld e s i g i ln e e d k e y w o r d s ：p w m ，m a g n e t i z i n gp o w e r h a r m o n i cw a v e ，s i m u i i n ks i m u l a t i o n 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：l f 刭j 整日期：2 丝z 曼丛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：奎难 导师签名辛潍日期：芝竺互巡 沈阳工业大学硕士学位论文 l 绪论 本课题为辽宁省教育厅资助项目，课题编号0 5 l 2 8 2 。 近2 0 年来，随着电力电子技术的发展以及人们对公用电网谐波污染的月益关注， p w m 整流技术取得了飞速的发展，已经成为电力电子领域不可或缺的一部分l 卜3 】，它对 提高电力电子装置的性能，推动电力电子技术的发展起着重要的作用。本文所要讲述的 便是一种能量可双向流动的整流器，因为在能量双向流动的过程中均采用p w m 控制， 故取名为p w m 整流器。 1 1 课题研究的背景及意义 功率半导体开关器件的进步，促进了电力电子变流技术的迅速发展，出现了各类变 流装置，如变频器、逆变电源、励磁电源、高频开关电源以及各类特种整流器等，它们 在国民经济各领域中取得了广泛应用。但是。这些变流装置很大一部分需要整流环节以 获得直流电压，目前大部分电力电子装置所使用的直流电源是通过不可控整流或相控整 流得到的，这些设备在运行中对电网注入了大量的谐波和无功，造成严重的电网污染， 由此引起的公用电网谐波污染问题逐渐受到了人们的重视，因此作为电网主要”污染”源 的整流器，首先受到了学术界的关注。此外，国际电工委员会( i e c ) 制定的i e e e 5 5 5 2 标准对用电装置的功率因数和波形失真度作了具体的限制，欧洲制定了相应 i e c 一1 0 0 0 3 - 2 标准，我国国家技术监督局也于1 9 9 4 年颁布了电能质量公用电网谐波 标( g b 厂r 1 4 5 4 9 9 3 ) ：常规二极管整流或相控整流存在功率因数低、交流侧输入电流严重 畸变等缺点，给公用电网带来大量谐波污染，已经不符合这些新的规定f 4 ，引。 晶闸管( s c r ) 构成的相控整流电路已经非常成熟，并获得了广泛应用，但存在以下 几个主要弊端【6 】： ( 1 ) 交流输入端电流波形畸变严重； ( 2 ) 整流器工作于深度相控状态下，交流侧功率因数极低； ( 3 ) 换流引起电网电压波形畸变； ( 4 ) 直流侧输出电压纹波大。 传统整流装置在引起谐波的同时，也会造成系统无功功率的大量流动，无功功率的 p w m 整流技术研究 增加不仅增加线路损耗，降低发电和用电设备的利用率，而且冲击性无功负载还会使电 网电压产生剧烈波动，严重影响供电质量。 在改善电能质量方面，传统l c 无源滤波器不仅可以抑制谐波，也能补偿无功，但 是存在易和系统发生并联谐振而导致谐波放大等缺点【“舯。目前，采用有源滤波器( a p f ) 进行谐波补偿成为谐波抑制的一个重要趋势，已在日本及一些欧美国家获得应用，但是 成本比较大，控制过程复杂。近年来，静止无功补偿装置( s v c ) 大量应用于负载无功补 偿，但是在很好补偿无功的同时，却不能抑制谐波，甚至因晶闸管相控工作方式而成为 新的谐波源。 p w m 整流器具有交流输入端电流波形趋于正弦的优点，有效的抑制了谐波污染。 其主要思路就是将p w m 技术引入到整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化且可 运行于单位功率因数、同时能够实现能量的双向流动和直流母线电压的调节，不仅体现 出a c d c 变流特性( 可控整流) ，而且还可呈现出d c a c 变流特性( 有源逆变) ，因此p w m 整流器有着较高的研究和应用价值。 1 2p w m 整流器的研究概况 经过几十年的研究与发展，p w m 整流技术已日趋成熟，p w m 整流器主电路已从早 期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；其拓扑结构已从单相、三相电路发 展到多相组合及多电平拓扑电路；p w m 开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调 制；功率等级从千瓦级发展到兆瓦级，而在主电路类型上既有电压源型整流器，又有电 流源型整流器，两者在工业上均成功地投人了应用，但却多采用模拟芯片作为p w m 波 发生器，在闭环和智能调节比如在风力发电的并网等方面均存在较大问题，尤其是在国 内，基于d s p 等微处理器的p w m 整流器的研究还只是处于初步发展阶段。当前对p w m 整流器的研究主要是以下几个方面【9 】： ( 1 ) 关于p w m 整流器的建模研究 p w m 整流器数学模型的研究是p w m 整流器及其控制技术研究的基础。自从出现 基于坐标变换的p w m 整流器的数学模型之后，各国学者对p w m 整流器的数学模型进 行了详细的研究，其中s k s u l 等较为系统的建立了p w m 整流器的时域模型【1 0 1 ，并将 时域模型分解成高频、低频模型，且给出了相应的时域解。而j o s ee s p i n o z a 等则利用局 2 沈阳工业大学硕士学位论文 部电路的d q 坐标变换建立了p w m 整流器基于变压器的低频等效模型电路，并给出了稳 态、动态特性分析【l l 】。在此基础上，h i d e h i k o 等人又建立了一种新颖的降阶小信号模型， 从而简化了p w m 整流器的数学模型及特性分析f 1 2 】。 ( 2 ) 关于p w m 整流器拓扑结构的研究 p w m 整流器拓扑结构可分为电压型和电流型两大类。其中电压型p w m 整流器最 显著的拓扑特征是直流侧采用电容进行电流储能，从而使整流器直流侧呈低阻抗的电压 源特性。电流型p w m 整流器直流侧则是采用大电感进行电流储能，使得整流器直流侧 呈高阻抗的电流源特性。 在小功率场合，p w m 整流器拓扑结构的研究集中在减少功率开关和改进直流输出 性能上。一般b o o s t 型变换器直流侧电压大于交流侧电压峰值，为了实现降压功能，有 学者对拓扑结构进行了改造，并取得了一定的成果。对于大功率p w m 整流器，其拓扑， 结构的研究主要集中在多电平、整流器组合以及软开关技术上。多电平拓扑结构的p w m 整流器主要应用于高压大容量场合。而对大电流应用场合，则常采用整流器组合拓扑结 构，即将独立的电流型p w m 整流器进行并联组合。 ( 3 ) 关于电压型p w m 整流器的电流控制策略研究 为了使电压型p w m 整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的研究 显得十分重要。在p w m 整流器技术发展过程中，电压型p w m 整流器网侧电流控制策 略主要分成两类：一类是由j o s e e s p i n o z a 提出的间接电流控制策略；另一类就是目前占 主导地位的直接电流控制策略【”】。间接电流控制实际上就是所谓的“幅相”电流控制，即 通过控制电压型p w m 整流器的交流侧电压基波幅值、相位，进而间接控制其网侧电流。 由于问接电流控制的网侧电流动态响应慢，且对系统参数变化灵敏，因此这种控制策略 己经逐步被直接电流控制策略取代。直接电流控制以其快速的电流响应和鲁棒性受到了 重视，出现了不同的控制方案，主要包括以固定开关频率且采用电网电动势前馈的 s p w m 控制，以及滞环电流控制。为了提高电压利用率并降低损耗，基于空间矢量的 p w m 控制在电压型p w m 整流器中取得了广泛的应用，并提出了多种方案。目前电压 型p w m 整流器网侧电流控制己开始将固定开关频率、滞环及空间矢量控制相结合，以 使其在大功率有源滤波等需要快速电流响应的场合获得优越的性能。此外，控制策略上 p w m 整流技术研究 还出现了状态反馈控制。 ( 4 ) p w m 整流器系统控制策略的研究( 1 4 1 5 】 在对p w m 整流器的研究过程中，出现了一些较为新颖的控制策略： 1 1p w m 整流器的时间最优控制 常规的d q 模型的电压型p w m 整流器控制，一般通过前馈解耦控制，并采用两个独 立的p i 调节器，分别控制相应的有功、无功分量【1 “。而有功、无功分量间的动态祸合 和p w m 电压利用率的约束，影响了电压型p w m 整流器有功分量的动态响应。针对这 一问题，有学者提出了直流电压时间最优控制，其基本方法是根据时间最优控制算法求 解出跟踪指令电流所需的最优控制电压，并在动态过程中降低无功分量的响应速度，提 高有功分量的响应速度，实现了时间最优控制，这也是本文所要借鉴和采用的控制策略。 2 ) 无电网电动势传感器和无网侧电流传感器控制 为了简化信号的检测，m i k as a l o 等学者提出了一种无电网电动势传感器p w m 整流 器控制策科1 7 】。这一研究主要包括两类电网电动势重构方案：一种是通过功率估计，另 一种是通过电流的偏差求导重构电动势。j o s ee s p i n o z a 则通过直流侧电流的检测来重构 交流侧电流，进而实现无交流电流传感器控制。 3 ) 电网不平衡条件下的p w m 整流器控制 一般的策略研究总是假设电网是平衡的。实际上，电网经常处于不平衡状态。当电 网出现不平衡时，以三相电网平衡为约束所设计的整流器会出现不正常运行，表现为： p w m 整流器直流侧电压和交流侧的低次谐波幅值增大，且产生非特征波形，同时损耗 相应增大。p w m 整流器的交流侧电流不平衡，严重时可使整流器故障烧毁，于是三电 平整流器和全桥整流器等开始出现。 4 ) 对电流型p w m 整流器的进一步研究 随着超导技术的应用与发展，电流型p w m 整流器克服了自身的一些缺陷，在近些 年里取得了成功应用。由于在超导储能整流环节中应用的电流型p w m 整流器无需另加 直流电感，并且具有良好的电流保护性能，因此与电压型p w m 整流器相比，电流型p w m 整流器显得更有优势。目前，电流型p w m 整流器的研究主要集中在数学建模及特征分 析、网侧电流畸变和谐振抑制及控制策略、网侧滤波参数的优化设计和不平衡电网条件 沈阳工业大学硕士学位论文 下的控制设计上。 1 3 本文研究的主要内容 本论文在进行了大量有关p w m 整流器控制的文献研究和资料分析的基础上，主要 完成了以下工作： ( 1 ) 首先研究了大量关于三相高功率因数整流器方面的文献，对系统有了一定的了 解；对电压型p w m 整流器的工作原理进行了比较详细的分析，建立了整流器的数学模 型，为后面的分析提供了理论基础； ( 2 ) 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数字信号处理器( d s p ) ，设计了系统的控制回路、检测电 路和隔离保护电路；以i g b t 功率模块为硬件基础，设计了p w m 整流器的主回路； ( 3 ) 根据电流、电压的双闭环控制策略，利用s i m u l i l l l 【建立了p w m 整流器的主回 路和控制回路的控制模型，并对其进行了仿真分析； ( 4 ) 编制d s p 控制程序，绘制了其程序流程，结合实验室的条件，讨论了p w m 整 流器试验设计思路，以及过流、过压保护等电路。 p w m 整流技术研究 2p w m 整流器的拓扑结构及数学模型分析 本章首先对p w m 整流器的工组原理进行详细的分析，剖析其改善功率因数、抑制 谐波、实现能量双向流动的原理，在此基础上，阐述了多种p w m 整流器的拓扑结构， 并加以比较说明。接着，文章又建立了p w m 整流器两种基本的数学模型，并在最后简 要介绍了几种p w m 整流器的控制方式。 2 1p w m 整流器的基本原理 p w m 整流器已不是一般传统意义上的a c d c 变换器，由于能量的双向传输，当 p w m 整流器从电网吸取能量时，运行于整流工作状态：而当p w m 整流器向电网传输 电能时，则运行于有源逆变工作状态。单位功率因数指的是：当p w m 整流器运行于整 流状态时，网侧电压、电流同相位( 正阻特性) ；当p w m 整流器运行于有源逆变状态时， 其网侧电压、电流反相( 负阻特性) 。因此，p w m 整流器实际上是一个其交、直流侧可 控的四象限运行的整流装置，因此p w m 整流器具有下列优越性能 1 8 圳】： ( 1 ) 网侧电流为正弦波： ( 2 ) 网侧功率因数可控或为单位功率因数； ( 3 ) 能量可双向流动； ( 4 ) 谐波抑制能力强。 采用全控型的功率开关器件i g b t 、p w m 整流器的主回路如图2 1 所示： 图2 1p w m 整流器主同路 f i g 2 1m a i nl o o po f p w mr e c t 哺e r 沈阳工业大学硕士学位论文 对图2 1 所不p w m 整流器三相桥臂施加幅值、频翠相等而相位互差1 2 0 度的三相对 称正弦波调制信号，由于每相桥臂共有两种开关模式，即上侧桥臂导通或下侧桥臂导通， 因此三相整流器共有2 3 = 8 种开关模式，并可利用单极性二值逻辑开关s ，( = 如，c ) 描述， 即： i l ，吗导通 邑= j = a ，b ，c( 2 1 ) i o 巧，哆导通 其中，巧，阳i ( 2 如，c ) 表示上桥臂功率开关管及续流二极管，巧，阳( ，= 如，c ) 则表 示下桥臂功率开关管及续流二极管。三相整流器的8 种开关模式如表2 1 所示1 2 2 1 。 表2 1 三相p w m 整流器开关模式 t a b 2 1p w ms w i t c hm o d et h r e e p h a s er e c t i n e r 开关模式 1234 5 678 吒( 哦) 圪( 峨) 吒( 吼) 吒( 嘎) ( 咀) k ( 阳。) 圪( 观)圪( 吼) f t tttt 导通器件k ( 阳b ) ( p d b ) k ( p ，d b ) k ( 阳b ) ( 吼) ( p 仇)k ( 阳b ) ( p ，d b ) tftfftft k ( 吼) k ( 嗯) k ( 哦) 圪( 哦) 圪( 吼)k ( 吼) k ( 吸)砭( 吼) 开关函数 0 0 1o i o0 1 11 0 01 0 1l l o1 1 10 0 0 图2 2 示出了三相网侧电流 o ， o 时的p w m 控制对应8 种开关模式的 电流回路。其中当电流流经i g b t 时电感储能，而当电流流经电力二极管时，电感储存 的能量叠加在电网电压上对电容进行充电，从而实现升压整流。具体到图2 7 所示情形， 模式2 、3 、6 为电感储能，模式1 、4 、5 为电容充电，通过电压闭环控制，改变p w m 波 的调制度或调节不同模式下的占空比即可对直流侧电压进行调节或者是当负载变化时 抑制直流输出电压的波动。而对于功率因数的控制，则可结合图2 3 、2 4 ，以及表2 2 来进行调节，由于不同的模式对应交流输入端不同的电压值，进而对应正弦函数不同的 相位角，通过调节不同模式的先后及工作时问即可调节功率因数。 p w m 整流技术研究 幻模式l 小m o d u l e1 c ) 模式3 c 1 m o d u l e3 e ) 模式5 e 、m o d u l e5 0 o b 1 模式2 b 1 m o d u l e 2 d ) 模式4 d 、m o d u l e4 8 一 f ) 模式6 n m o d u l e8 沈阳工业大学硕士学位论文 o 曲模式7 h ) 模式8 g ) m 0 d u l e 7 h ) m o d u i e8 图2 2 三相p w m 整流器不同开关模式时的电流回路( o ，f 6 o ) f 噜2 2 c u r r 朋tr o a do f t h r e e p h 舔e p w m f c c t i f i c r ( o ， 0 ) 由于对三相桥施以s p w m 控制，会在交流端产生一个正弦p w m 波，其基波与调 制波频率相同且相位相同，可见在三相挢的交流输入端到电源中点可看作基波幅值可调 节的交流电源，以a 相整流电路为例可作等效电路如图2 3 所示，并于图2 4 给出了a 相在整流运行时的相量图，图中r 为等效回路电阻。 l r 图2 3a 相等效电路图 f i g 2 3e q u i v a l 朗tc i r c u nd i a g r 姗0 f p h a s ea 由图2 3 可知，在电源电压e 和整流器交流输入端电压玑为正弦波的情况下，流 过电感l 的电流。也必定为正弦波，而只要对桥臂施以s p w m 控制即可使得虬的基波 为正弦波，与传统的相控整流电路相比，这无疑极大的抑制了交流输入端的谐波。电路 的相量图如图2 4 所示；同时从a 相电路的相量图可以很容易地看出，三相电压源型p w m 整流器运行时可以实现功率因数的任意调节，因此，三相电压源型p w m 整流器可以实 现能量的双向流动，当e 。和，。同相位时整流器工作在单位功率因数整流状态，当通过 一9 一 p w m 整流技术研究 检测电网电压的频率、幅值、相位、相序等参数使得e 和j 。反相位时整流器便可工作 在有源逆变工作状态。 u a 图2 4 单位功率因数整流运行 f i g r 2 4r e c 石f i e rn l n n i n ga lq - 1 图2 3 所示的电压型p w m 整流器，可以任意控制其输入电流的变化。以a 相为例， 三相电压型p w m 整流器运行时，若要控制a 相电流正方向流动且幅值增大时，必须要 使得导通，而要使得a 相电流正方向( 即流入整流器) 流动且幅值减小时，必须要关断 以，使电流通过二极管阳。；若要控制a 相电流反方向流动且幅值增大时，必须要使得圪 导通，而要使a 相电流反方向流动且幅值减小时，必须要关断吒，使电流通过续流二极 管，总之，对于三相电压源型p w m 整流器上、下桥臂的通断，由不同的网侧电流瞬 时方向对应不同的电流回路，其中，由于模式7 、模式8 使整流器交流侧三相线电压为 零，因而称为“零模式”，一般以功率开关切换次数最小原则来选择“零模式”。 而图2 1 三相整流器主电路拓扑结构下的部分电流电压的计算公式为： ( 1 ) 交流侧电压v a o ( t ) 针对图2 1 所示的三相整流器主电路拓扑结构，其a 相电压方程为： o ) = ( f ) + ( f ) ( 2 2 ) 由电压型逆变桥三相平衡关系易推得： 圪n 0 ( f ) = 一圪n ( f ) + n ( f ) + k n ( ，) 3 ( 2 3 ) 当采用单极性二值逻辑开关函数描述时： 沈阳工业大学硕士学位论文 巧w ( r ) = q ( ，2 口，6 ，c ) ( 2 4 ) 其中，s 一单极性二值逻辑开关函数。 联立式( 2 1 ) 、式( 2 3 ) ，得a 相交流侧电压v a 0 ( t ) 的开关函数表达式为： ( f ) = ( 2 咒一s b 一疋) 3 ( 2 5 ) 表2 2 绘出了不同开关模式调制时的0 ) 的值。从表中可以看出，三相整流器交流 侧电压在调制过程中只取值士v d c 3 ，士v d c ，o 。 ( 2 ) 网侧a 相电感端电压吃( f ) 由三相整流器交流侧回路易得网侧a 相电感端电压吃( f ) 吃( f ) = 巳( ，) 一o ) ( 2 6 ) 表2 2 三相整流器不同开关模式调制时的交流侧电压 t a b 2 2v o l t a g eo f a cs i d ea td i f r e r e n ts w i t c hm o d eo f t h r e e p h a s e 旭c t i f i e r ( 3 ) 网侧a 相电流屯 当忽略整流器网侧a 相等效电阻时，a 相电流屯( ，) 即为： 屯p ) = l l vl a ( t ) 击= 1 l 吖【e “t ) 一v a o ( t ) 】击 ( 4 ) 直流侧电流缸( f ) 当忽略三相整流器桥路损耗时其交、直流侧的功率平衡关系为： f ( f ) ( f ) = 毛。( f ) 甜d 。 j = a ，b ，o 联立式( 2 7 ) 、式( 2 3 ) 并化简得： ( 2 7 ) ( 2 8 ) p w m 整流技术研究 f d c 0 ) = ( ，) s + 乇( f ) 瓯+ ( ，) ( 2 9 ) 又有f a + 屯+ 屯= 0 ，因此可得，在任意开关模式下，瓦( f ) 复现了不同相的网侧电流 或其相反值。 ( 5 ) 直流侧电压( f ) 由于( r ) 波形为p w m 波形，因而三相整流器直流侧电压必然脉动，其分析过程与 单相时完全相同，即直流侧电流到直流电压的传递环节为一阶惯性环节，且满足： ) = 枇) + 忐 ( 2 1 0 ) 其中，( s ) ，屯( s ) 为( ，) ，k ( ，) 的拉氏变换量。 可见，当惯性时间常数r c 取值越大，其直流电压( f ) 的脉动幅值就越小。 下面以风力发电。中转子励磁的应用为背景说明其基本原理。 匿 铆 靶 i l l 图2 5p w m 整流器在风力发电中的应用 f 晦2 5ap p j i c a t i o no f d i l a lp w mi n v e n e ri nw i n dp o w e rg c n e r a t i n g 图2 5 中网侧整流器便是本文要论述和设计的p w m 整流器，以风力发电机转子励 磁的应用为背景当d s p 通过光电编码器检测到风速低于发电机的同步速时三相电网的 沈阳工业大学硕士学位论文 电能通过网侧整流器整流，再通过转子侧变流器逆变出转子所需的励磁电压；而当风速 高于同步速时，转子发出电能，能量经负载侧变流器整流后，再通过网侧整流器进行逆 变，能量反馈回电网。如此以来即既保护了系统又充分利用了电能。 2 2p w m 整流器电路拓扑 p w m 分类方法很多，但最基本的分类方法是将其分为电压型p w m 整流器和电流 型p w m 整流器两大类【2 3 。2 5 l ，这主要是因为电压型、电流型p w m 整流器，在主电路结 构、p w m 信号发生以及控制策略等方面均有各自的特点，而且两者间存在电路上的对 偶性。 ( 1 ) 电压型p w m 整流器 1 ) 电压型三相三桥臂拓扑结构，如图2 1 ； 2 ) 电压型三相六桥臂拓扑结构。 图2 6 三相六桥臂全桥p w m 整流器电路拓扑 f i g 2 6t h r e e - p h a s ew h o i e - b r i d g em c t 洒c rc i r c u i to f s i xb r i d g e 舢 图2 1 为三相三桥臂全桥电压型p w m 整流器拓扑，这是一种最常见的三相p w m 整流器，其交流侧采用三相对称无中线连接，三桥臂；图2 6 为三相六桥臂全桥整流器 拓扑，其公共直流母线上连接了三个独立控制的单相全桥整流器，并通过变压器连接至 电网，当电网不平衡时，不会严重影响p w m 整流器控制性能，但同时由于六桥臂整流 电路所需的功率开关管是三桥臂整流电路的两倍，所以一般较少采用。 ( 2 ) 电流源型p w m 整流器 如图2 ，7 所示为电流源型p w m 整流器电路结构。 p w m 整流技术研究 可以看出，除了直流储能电感外，与电压源整流器相比，其交流侧还增加了滤波电 容，与网侧电感组成l c 滤波器，滤除网侧谐波电流，并抑制谐波电压。桥臂上顺向串 联二极管，目的是阻断反向电流，并提高功率开关的耐反压能力。 图2 7 电流源型p w m 整流器电路拓扑 f i g 2 7t h et o p o l o g yo f t h r e e - p h 鹊ep w m c s r 2 3 三相p w m 整流器动态数学模型 2 3 1a b c 坐标系的数学模型 在图2 3 所示的三相p w m 整流器主电路中，假设 ( 1 ) 输入电动势三相对称且稳定； ( 2 ) 开关器件为理想开关，没有过渡过程，其通断状态由开关函数描述； ( 3 ) 交流输入侧滤波电感l 是线性的，且不考虑饱和； ( 4 ) l 为输入电感值，r 为开关等效电阻，用电感电阻r l 和反电势气串联等效蓄电 池负载。开关函数表达式定义为： 瓯： 1 上桥臂导通，下桥臂关断( 七：a ，b c ) ( 2 1 1 ) i o ，上桥臂关断，下桥臂导通 则与图2 1 对应的三相电压型p w m 可逆整流器的开关等效电路如图2 8 所示。 显然，在图2 8 中，当a 相上桥臂导通，下桥臂关断时，开关函数踣l ，u 。= u d c ， 当a 相下桥臂导通，上桥臂关断时，开关函数s 乒o ，以。= o 。 沈阳工业大学硕士学位论文 始t 辄、 、 l 参o ， a 【 底飘鞫 l 皂喜 b 三 是、譬 姥一 c w 、w 、 w 、 胃 图2 8 三相电压源型p w m 整流器的开关等效电路 f i g 2 8e q u i v a l e n ts w i t c hc i r c u no f t h r e e 巾h 鹌er e c t m e r 根据图2 8 ，a 点与直流参考点n 间的电压为： u m = s a u k 同理： 则有整流桥输出电流： u b n = 瓯+ u d c ，【，c n = + 【，d c 珀2 屯+ 札k + 札k 采用基尔霍夫电压定律建立三相电压型整流器a 相回路方程为： l 譬+ r f a ：乞一( + ) d ，4 “” 同理可得b ，c 相方程： l 誓+ 瓯：气一( + ) d f 9 “” l 誓+ r f c ：气一( + ) d f 。 对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律，得： ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) p w m 整流技术研究 c 訾鼍+ 若 考虑主电路为同步发电机发出的三相三线平衡系统，故 f e 。+ e b + e 。= o t i 。+ i b + i 。= o ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 联立式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 ，1 4 ) 、( 2 1 5 ) 、( 2 1 7 ) 可得 k 。= 一兰生( 咒+ 瓯+ & ) ( 2 2 0 ) j 将( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 1 8 ) 代入( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 得三相p w m 整流器 在a b c 坐标系中的数学模型： 嗤即聪屯一坠k 哮寸肾( 瓯一坠学) l 鲁一聪咆一坠学k c 訾吨蜥懈嵩+ 去 由上式可知，三相输入电流和直流输出电压均与三相开关函数s 相关。其中，每相 输入电流除了与本相桥臂的开关函数有关，还与其他两相桥臂的开关函数有关，是一个 三相互相耦合的电路系统。 2 3 2a b c 坐标系向a 6 坐标系的转换 在三相a b c 系统中，取a 相轴线与复数坐标系中的实轴重合，然后把三相变量姒， 妇，托看成是三个矢量的模，它们的位置分别位于三相轴线上，则综合矢量可以定义为 这三个矢量的合成矢量的2 3 倍，即【2 6 2 8 】： 牙：昙 牙a + i b p 7 ；“+ i c p 。；“】 ( 2 2 2 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 由于是三相无中线系统，所以有： 牙a + 牙b + i c = 0( 2 2 3 ) 此时三相系统没有零序分量，而综合矢量在a ，b ，c 三相轴线上的投影则恰好分别等 于妇，施，：其电路如图2 9 所示。 b 图2 9 空间坐标系变换 f 塘2 9t r a l l s f o n n a t i o ni ns p a c cc o o r d i n a t e 定义静止两相p 坐标系的a 轴与a 相轴线重合，b 轴超前9 0 度，若要求三相a b c 系统和两相p 系统产生相同的综合矢量，则不难求得此时两组坐标系分量问应满足下 述关系： 拖2 ； i a 一；牙b 一；i c 】 ( 2 2 4 ) 即争孚i b 萼i c ( 2 2 5 ) x 雌2 t 脚 ( 2 2 6 ) 2 3 3d q 坐标系的数学模型 前面对三相、两相静止坐标系中的电压型p w m 整流器一般数学模型进行了研究分 析，这种整流器一般数学模型具有物理意义清楚、直观的优点。但在这种数学模型中， p w m 整流技术研究 整流器交流侧均为时变交流量，因而不利于控制系统设计，为此，可以通过坐标变换将 三相对称静止坐标系转换成以交流侧基波频率，同步旋转的( d q ) 坐标系如图2 1 0 所示。 这样，经坐标旋转变换后，三相对称静止坐标系中的基波正统量将转化成同步旋转 坐标系中的直流变量，从而简化了控制系统设计。 图2 1 0 同步旋转的( d q ) 坐标系 f 谵2 1 0s y n c h r o n i z a t i o nm t a r yd qm f e r e n c e 触m e 为将两相静止坐标系a p 中的数学模型进一步变换成两相同步旋转坐标系d q 中的数 学模型，可以在复平面上构造复矢量，且令： 石坤2 拖一j 邓 ； z 坤 8 邮，- ( 2 2 7 ) 其中， 一同步发电机发出的三相电动势复矢量，一三相整流器交流侧电 流复矢量，一开关函数复矢量。 将式( 2 2 5 ) 写成复矢量形式，即 c 粤：寻r e 葡一f 。 砒2 、”“ l 鲁+ 尺。= 吨 其中，s 邮为的共扼复矢量。 1 8 一 ( 2 2 8 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 应用以下变换，可以将静止坐标系中二相模型变换为旋转坐标系中的复矢量描述的 二相模型： 瓦= 琢一归= 蜀+ 取( 臼= p d f ，珊= 2 矽) ( 2 - 2 9 ) 将式( 2 2 8 ) 代入式( 2 2 7 ) ，得三相整流器d q 坐标系复矢量方程为： 可推导得d q 旋转坐标系数学模型为： ( 2 3 1 ) 吼 图2 1 1 给出了三相电压型p w m 整流器在旋转坐标系中的二相模型的方框图。在式 ( 2 3 1 ) 所述两相同步旋转坐标系( d q ) 中，三相整流器开关函数模型表达式存在两个变量 的乘积( ，毛妁) ，因而模型具有典型的非线性特性，为此，常需对三相整流器d q 模型 线性化。当忽略三相整流器桥路自身损耗时，三相整流器交流侧有功功率p d 。应与桥路 直流侧有功功率凡。相平衡，即： 螂 鼬 屯 哥 蹦 链扣 玑 札 一 m j | 鱼凡 u 跏 即 瞩 瓯 贼 _ _ 瓴 气 3 2 鼍。气瓯一出啦一出咄一出 p w m 整流技术研究 图2 1 lp w m 整流器在旋转坐标系中的d q 模型 f i g 2 11m o d e lo f p w m r e c t 讯e ri nr o t a r yc o o r d i n a t ed q 采用坐标变换有： 由式( 2 3 1 ) ( 2 3 3 ) 可得： 化简得 p 扯= p d c 3 3 p = j 珀+ j 儿巩k = c 等+ 鲁 知+ 知= c 訾+ 鲁j 岛b + 互2 。_ 矿+ 贵 ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) 訾= 一去畦告毛+ 知 亿s s ， 上式表明，f d ，f a ，”。之间也存在非线性关系，不利于控制系统的设计，为此定义新 变量k 令，肛“孟a 另外，三相整流器交流侧输出电压的d q 分量，为 = 氐，= 瓯+ “。为获得线性描述，可定义新变量，_ 且令： 一2 0 沈阳工业大学硕士学位论文 将降”：，式( 2 3 6 ) 代入式( 2 3 1 ) 、式( 2 3 5 ) 得三相整流器坐标系( d q ) 中改迸的数学模 型为： l 警= 一聪+ 砒+ l 誓= 砒f d q + v q ( 2 1 3 8 ) c 詈一丢朋谢，嗽 显然，对新变量y ，圪，圪，上式为一组线性微分方程，因而有利于控制系统的设计。 2 4 三相电压型p w m 整流器控制系统设计 将双闭环控制器设计方法用于p w