（电力电子与电力传动专业论文）三相电压型pwm整流器（vsr）及其控制策略的研究.pdf

较，阐明了论文的意义。 关键词：p w m 整流器，功率因数，滞环控制，仿真，电压空问矢量 l l r e s e a r c ho nt h r e e - p h a s ev o l t a g ep w mr e c t i f i e ra n dt h e c o n t r o ls t r a t e g i e s a b s t r a c t w i t ht h es e r i o u sp r o b l e mo fh a r m o n i c sp o l l u t i o nt ot h ep o w e rs y s t e m ，a s w e l l 勰t h en e e do fh i g hp e r f o r m a n c eo fa cd r i v ea p p l i c a t i o n ，t h r e e - p h a s ep w m r e c t i f i e r sh a v eb e e n 弱a c t i v er e s e a r c ht o p i ci np o w e re l e c t r o n i c sr e c e n t l y d u et o t h ev i r t u e s ，s u c ha ss i n u s o i d a li n p u tc u r r e n t s ，u n i t yp o w e rf a c t o r , s t e a d yo u t p u t v o l t a g e ，g o o dd y n a m i c sa n db i n - d i r e c t i o n a le n e r g yf l o w 劢ec o n d i t i o n a lr e c t i f i e r , d i o d e - b r i d g er e c t i f i e ro rp h a s e c o n t r o l l e dr e c t i f i e r , w h i c ha r el a r g e l yu s e dt op r o v i d ed os o u r c ef o rt h ei n v e r t e r s ，c a u s et h es e r i o u s h a r m o n i cp r o b l e mo fp o w e rq u a l i t y , l o wp o w e rf a c t o r , a n dc a n tf e e db a c kp o w e r t oi n p u ts i d e ，e v e ni fr e s i s t a n c el o a d s ，i n p u tc u r r e n ti s n ts i n u s o i d a lw a v e f o r ma n d t h ep o w e rf a c t o ri s n tu pt ou n i t yp o w e rf a c t o r i nt h e l i g h to ft h ed i s a d v a n t a g e sw h a th a sb e e nm e n t i o n e d p u l s e w i d t h t e c h n i q u e sh a sb e e na d o p t e df o rt h e s er e c t i f i c a t i o nd e v i c e st oi m p r o v et h ei n p u t p o w e rf a c t o ra n ds h a p et h ei n p u tc u r r e n to ft h er e c t i f i e ri n t os i n u s o i d a lw a v e f o r m i nt h i sp a p e r p w mr e c t i f i e rn o to n l yc a nb eu s e da su n i t yp o w e rf a c t o rd os o u r c e b u ta l s oc a nc o m p e n s a t er e a c t i v ec u r r e n tt oi m p r o v es y s t e m sp o w e rf a c t o r f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l eo ft h ep 、 mr e v e r s i b l er e c t i f i e ri n d e t a i l ，e x p l o r e ss p a c ev e c t o rm e t h o dt oi n v e s t i g a t ei t si n v e r s i o n , a n de s t a b l i s h e s t h em a t h e m a t i c sm o d e li na b cc o o r d i n a t e 。口8c o o r d i n a t ea n dd qc o o r d i n a t e r e s p e c t i v e l y t h e n ，t h e o r e t i c a l r e s e a r c ho nt h e p a r a m e t e r so ft h e c i r c u i ti s a c c o m p l i s h e d s e c o n d l y , t h e d i r e c tc u r r e n tc o n t r o la n di n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o la r e i n t r o d u c e d c o m p a r i n gi n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o l ，t h eh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l h a sc h a r a c t e r i s t i c so ff a s td y n a m i cr e s p o n s e ，c i r c u i ts i m p l e ，g o o da c c u r a c ya n d h i 曲r o b u s t n e s s ，s ot h eh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o li ss i m u l a t e d ，a n dt h ec o n c l u s i o n ， w h i c ha d j u s t i n gp o w e rf a c t o ri sf e a s i b l e ，i so b t a i n e d t h e n ，t h ec o n t r o lo fv o l t a g es p a c ev e c t o rm e t h o di se x p l o r e db a s e do n i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e ra n da cm o t o rd r i v et h e o r y t h es i m u l a t i o ni sd o n e w i t hs i m u l i n ki nm a t l a ba n dt h er e s u l t sv e r i f i e dt h ec o r r e c t i o no fc o n t r o l l i n g i i i s o l u t i o n f i n a l l y , t h i sp a p e ri sp u tu pt oc o m p a r et h es p a c e v e c t o rc o n t r o la n dt h e h y s t e r e t i cc u r r e n tc o n t r o l ，c l a r i f i e st h em e a n i n go f t h i sp a p e r k e yw o r d s ：p w mr e c t i f i e r , p o w e rf a c t o r , s i m u l a t i o n ，h y s t e r e s i sc o n t r o l ， v o l t a g es p a c ev e c t o rc o n t r o l i v 陕西科技大学硕士学位论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名： 华瞥日期：一 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位 论文同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论 文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 三相电压型p w m 整流器( v s r ) 及其控制策略的研究 1 绪论 1 1 课题的研究背景与意义 一 在现代工业、交通、国防、生活等领域中，很多场合需要大量其他各种类型的变流 装置将一种频率、幄值、耀位酶电戆交换为另一种频率、幅筐、褶位的电能，使褥用电 设备处于理想工作状态，或者满足用电负载某些特殊要求，从而获得最大的技术经济效 益。当今，经过变换处理后再供用户使用的电能在全国总发电量孛所占的酉分比值，已 经成为衡量一个国家技术进步的主要标准之一。二十世纪束期，美囡发电站生产的电能 4 0 以上都是经过变换和处理后才可以供负载使用的，预计到2 l 世纪二、三十年代，美 国发电站生产的全部电能都将经过交换和处理后供负载使用l l 】。 控制芯片的飞速发展和新的控制算法引入使得电力电子变流技术越来越受到全世界 莳重视，它的应震已经深入到了电力、冶金、化工、通讯、铁路以及家电等领域。晶阐 管( s c r ) 在美国的问世标志了电力电子技术的开端，我国上世纪7 0 年代将其列为节能 技术在全国推广。晶阐管是一种只能控制导逶焉不麓控制关断麓半控型开关器件，其在 交流传动和变频电源领域中的应用受到了一定的限制。功率半导体开关器件性能不断提 高，从早期广泛使用的半控型功率半导体开关，发展到如今性能各舞且类型诸多的全控 型功率开关，如双极型晶体管( b j t ) 、门极关断晶闸管( g r o ) 、绝缘栅双极型晶体管 ( i g b t ) 、集成门极换向晶闸管( i g c t ) 、功率场效应晶体管( m o s f e t ) 以及场控制 晶闻管( m c t ) 等。而2 0 世纪9 0 年代发展起来的智能型功率模块( i p m ) 则开创了功 率半导体开关器件的发展方向 2 - 3 | 。功率半导体的进步促进了电力电子变流技术的迅速发 展，如交频器、逆交电澡、高频开关电源等，这些变流装置在国民经济中得到广泛应用。 但是，这些变流器大部分都需要整流环节，以获得直流电压。常规的整流环节一般采用 二极管不控整流或晶阐管相控整流。 1 1 1 无功功率和谐波的危害 电网无功豹负作用主要体现在降低了发电、输电及雳电设备的利用率，增加了线路 的损耗。无功还使线路和变压器的电压降增大。如果是冲击性负载，会使电网电压产生 剧烈的波动，严重影响供电质量。 近三四十年来，各种电力电子装置的迅速发展及普及应用使得公用电网的谐波污染 日趋严重。由谐波引起的各种事故也不断发生，谐波危害的严重性引起了人们的离度重 视。其危害大致有以下几个方面： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生了附加损耗，降低了发电输电及用电设备的效率： 陕西科技大学硕士学位论文 ( 2 谐波影响各种电气设备的正常工作； ( 3 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振； ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确； ( 5 ) 谐波会对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致 信息丢失，使通信系统无法正常工作。 ij - 婚 本 工 l i 图卜1 三相不控整流桥电压型逆变器 f i g l 一1t h r e e - p h a s ev o l t a g ei n v e r t e ra n dn o n - c o n t r o lr e c t i f i e r 在交一直一交变频调速系统中( 图1 - 1 ) ，整流侧一般采用不控整流桥，并假定中 间直流侧的电压是固定不变的，逆变侧采用脉宽调制控制技术去产生变频，变幅的输出 电压以控制交流电动机的转速。这种类型的系统有以下不足之处： ( 1 ) 在不控整流侧，输入电流是非正弦的。因此，电流的高次谐波注入电网，造成 干扰问题，引起公害； ( 2 ) 由于器件结构的单向性，能量只能从整流侧到逆变侧传递，使系统不能在再生 状态下运行，其动态性能受到限制。 卜i 均恸 l 工 图1 - 2 晶闸管反并联电压型逆变器 f i g l - et h y r i s t o ri n v e r s ep a r a l l e lv o l t a g ei n v e r t e r 若需考虑系统的再生制动或快速制动时的能量反馈问题时，通常能解决的办法是整 流侧使用两套六脉冲可控整流桥以反并接的方式( 图1 2 ) ，则可允许功率逆向流动。但 从控制和经济的角度考虑，增加一组变流器，势必增加了系统控制的复杂性，又增加了 投资成本，而且电流畸变和干扰问题依然存在，所以在容量不大的逆变器系统中，大多 数耗散再生电能的方式是将其消耗在电阻上或电动机绕组和逆交器中，而不是反馈到电 源。这样既增加了系统的能量耗费，又降低了整个系统的效率。特别是快速制动时，使 中间直流侧的电压急剧升高，若无很好的保护措施，则易于造成滤波电容的损坏和逆变 器中开关元件的损坏。 2 三相电压型p 删整流器( v s r ) 及其控制策略的研究 i i 2 消除无功和谐波的措施 在我国，一项调查显示：目前的大型企业中，几乎每家企业都有电网污染的现象。 在现代通讯设施使用集中的商务楼内，污染更为严重。电网污染还会随流动的电波而传 染，造成大面积隐患，并有可能引发重大事故。有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世 纪已经奠定了良好的基础，傅利叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系 统的谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起了人们的注意卜廿l 。当时在德国，由 于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的有关变 流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文f i 】。到了5 0 年代和6 0 年代，由于高压 直流输电技术的快速发展，相关学者发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论 文，k i m b a r ke w 在其著作中对此进行了详细的总结 t q 。随着电力电子技术的迅猛发展， 各种电力电子设备在电力系统、工业部门、家庭和民用事业部门得到了日益广泛的应用， 其产生的谐波以及造成的危害日益严重，世界各国对谐波问题都给予了高度重视。 为了保证电网和用电设备的安全经济运行，目前许多工业国家、国际电工组织以及 一些大的电力公司都制定了相应的谐波标准，对用电设备的输入端性能作出严格的限制， 如e c 5 5 5 - 2 ，i e e e 5 1 9 。这些标准对输入端功率因数和输入端电流各次谐波的含量都作出 了具体的限定。我国于1 9 9 3 年完成了国家标准电能质量及公用电网标准的制定。在 这种背景下，人们开始对造成谐波污染的整流装置进行了大量的研究，许多新的整流技 术不断地被提出来，以实现低谐波，高功率因数。 目前解决电网污染的途径主要有两条：1 ) 、对电网来说，采用在电力系统中加入补 偿器来补偿电网中的谐波，如有源滤波( a p f ：a c t i v ep o w e r f i r e r ) ，静止无功补偿( s v c ： s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 等；2 ) 、设计输入电流为正弦、谐波含量低、功率因数高的整流 器。前者是产生谐波后进行补偿，而后者是消除了谐波源，是解决谐波问题的根本措施。 把逆变电路中的p w m 技术应用于有m o s f e t 、i g b t 等全控器件组成的整流电路，工 作时可以使网侧电流正弦化，运行于单位功率因数，甚至能量可以双向流动，真正实现 绿色电能转换，因而备受关注。这种整流器称为p w m 整流器，又称为单位功率因数变 流器。 1 2 高功率p w m 整流器国内外研究的现状 自2 0 世纪9 0 年代以来，p w m 整流器一直是研究的热点。对p w m 整流器相关的应 用领域的研究也越来越多，例如有源滤波1 1 6 、超导储能0 7 1 、交流传动【l l 】、高压直流输电l l g l 以及统一潮流控制【加】等。这些应用领域的研究，又促进了p w m 整流器及其控制技术的 进步和完善。 当前主要的研究领域有如下五个方面： 3 陕聪科技大学硕士学位论文 ( 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 了仔细的研究，其中r w u 、s b d o w a n t 2 q t 2 2 1 等较为系统地建立了p w m 整流器的时域模 型，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。丽c h u r lt r i m 和 d o n g y h u 等则利用局部电路的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 模型电路瑟毪，并给出了稳态、动态特性分析。在此基础上，h c n g c h u nm a 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湖； ( 2 ) 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1 w d i x o n 提出的间接电流控谁g 策略湖。另一类就是目前占 主导地位的直接电流控制策略嗍嘲。间接电流控制实际上就是所谓的“幅相一电流控制， 鞠逶过控翩电压型p w m 整流器的交流铡瞧压基波幅值、相位，进蔼溺接控毒| ；其薅侧巍 流。由于间接电流控制的网侧电流的动态响应慢，且对系统参数变化灵敏，因此这种控 割策略已逐步被直接电流控制策略取代。童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嗍，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，以及滞环电流控制嗍。为了提高电箍利用率并降低损耗，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f 勰删。目前 电压型p w m 整流器网侧电流控制有将固定开关频率、滞环及空间矢量控制相结合的趋 势娜，以使其在大功率有源滤波等需要快速毫流响应场合获得优越的性能。此外，控制 策略上出现了状态反馈控锘l j ( 2 r j ； ( 3 ) 关于p w m 整流器拓拎绪构的研究 p w m 整流器拓扑结构可分为电流型和电压型两大类。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嬲性能上。j j ，s h i e h 等对四开关三楣 电压型p w m 整流器进行了建模与分析恻。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，并取得定的结果【3 3 l 。 对于大功率p w i v i 整流器，其拓扑结构的研究主要集中在多电平湖、交流器组合嘲以及 软开关技术上【埘。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，常采用交流器组合拓棼结构，鄂将独立豹电流型p w m 整流器进行并联 组合。与普通并联不同的是，每个并联的p w m 整流器中的p w m 信号发生采用移相p w i v i 控制技本嘲，从恧以较低的开关频率获得了高效的高频控制，帮降低损耗的固时，提高 了电流、电压波形品质。同样，可以将电压型p w m 整流器串联组合，以适应高压大容 4 三相电压型p w m 整流器( v s r ) 及其控制策略的研究 量的应用场合。此外，在大功率p w m 整流器设计上，还研究了基于软开关( z v s ，z c s ) 控制的拓扑结构和相应的控制策略，然而这一技术有待完善； ( 4 ) p w m 整流器系统控制策略的研究 一些较为新颖的策略简述如下： 1 ) 无电网电动势传感器和无网侧电流传感器控制为简化信号的检测，t n o g u c h i 等 学者提出了一种无电网电动势传感器p w m 整流器控制策略p 町。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。 m r i e s e 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； 2 ) 基于l y a p u n o v 稳定性理论的p w m 整流器控制针对p w m 整流器的非线性多变 量强耦合的特点，常规的控制策略和控制器的设计一般采用稳态工作点小信号扰动线性 化处理方法，这种方法的不足是无法保证控制系统大范围扰动的稳定性。为此，有学者 提出了基于l y a p u n o v 稳定性理论的控制策略。这一新颖的控制方案以电感、电容储能的 定量关系建立了l y a p u n o v 函数，并由三相p w m 整流器的d q 模型以及相应的空间矢量 p w m 约束条件，推导出相关的控制算法。这种方案较好的解决了p w m 整流器的大范围 稳定控制问题； 3 ) p w m 整流器的时间最优控制常规的基于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。 而有功、无功分量间的动态耦合和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例。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； 4 ) 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。不正常的表现：p w m 整流器直流侧电压和交流侧电流 的低次谐波幅值增大，且产生非特征谐波，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。 为使整流器在电网不平衡条件下仍能正常运行，有人提出了不平衡条件下，网傩电 流和直流电压的时域表达式1 4 0 1 。文章认为电网负序分量是导致网侧电流畸变的原因。电 网不平衡条件下，常规的控制方法会使直流电压产生偶次谐波分量，交流侧会产生奇次 谐波电流。d v i n c e n t i 等人较为系统地提出了正序d q 坐标系中的前馈控制策略，即通过 负序分量的前馈控制来抑制电网负序分量的影响【4 l l 。但是由于该方法的负序分量在d q 坐 标下不是直流量，导致p i 调节不能实现无静差控制。因此，有学者提出了正、负序双旋 转坐标系控制，该方法实现了无静差控制，是较完善的理论。但是，双旋转坐标系控制 陕西科技大学硕士学位论文 的结构比较复杂，运算量大； 5 ) 关于电流型p w m 整流器的研究 长期以来，因为电压型整流器的结构简单、损耗较低、控制方便，所以一直是人们 研究的重点。而电流型p w m 整流器由于需要较大的直流储能电感，以及交流侧l c 滤 波问题，制约了电流型p w m 整流器的发展。但是随着超导技术的发展，电流型p w m 整流器在超导储能技术中有更大的优势，因为超导线圈可以直接作为直流储能电感。 1 3 本文研究的主要内容、目标 论文的主要研究内容为三相电压型p w m 整流器的控制策略，重点在于整流器的滞 环电流控制和空间电压矢量控制以及基于重复控制理论的改进型波形控制调节器的研 究。具体如下： ( 1 ) 分析了三相p w m 整流器的工作原理、拓扑结构和静止坐标系( 咖，c ) 和旋转 坐标系( 也q ) 下数学模型； ( 2 ) 针对p w m 整流器直接电流控制的优点，建立基于滞环控制的p w m 整流器模 型。并对其输出电压和谐波进行分析； ( 3 ) 通过对电压空间矢量控制原理的分析，针对数字化实现的要求提出了两种改进 方法： 1 ) 用给定参考电压矢量在a b e 静止坐标系下的分量来判断电压矢量所处扇区，给 出了控制算法； 2 ) 对给定参考矢量的d q 坐标系坐标进行两相非标准正交基分解，避免了复杂的极 坐标变换，只是进行了简单的线性计算；与传统的方法相比，简化了计算量和节约了系 统资源，使得控制系统更易于数字实现。 ( 4 ) 针对滞环电流控制和电压空间矢量控制的仿真结果进行比较，从而得出二者的 优缺点； 1 4 本章小节 本章首先说明了p w m 整流器相对于其他拓补结构的优点以及进行研究的必要性， 然后分别回顾了p w m 整流器国内外研究的发展和控制策略的分类，最后提出了本文所 要进行研究的内容和目标。 6 三相电压型p w m 整流器( v s r ) 及其控制策略的研究 2p w m 整流器原理、拓扑结构和数学模型 本章将结合p w m 整流器的原理，对其改善功率因数以及四象限运行机理进行深入 研究，并对p w m 整流器的各种拓扑结构进行比较分析，对各种坐标系下的数学模型进 行详细的推导及简化，为后续章节打下基础。 2 1 三相p w m 整流器原理1 3 1 4 2 1 显然，p w m 整流器已不是一般传统意义上的a c d c 变换器。由于电能的双向传输， 当p w m 整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态；而当p w m 整流器向电网 传输能量时，其运行于有源逆变工作状态。所谓单位功率因数是指：当p w m 整流器运 行于整流状态时，网侧电压、电流同相( 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) 。忽略交流侧等值电阻，其在理想状态下运行 的电压矢量关系如图2 1 所示。 y o , l ( a ) 整流时理想电压矢量图( b ) 逆变时理想电压矢量图 图2 - 1 理想电压矢量图 f i 9 2 1i d e a lv o l t a g ev e c t o rd i a g r a m 图2 1 中：r 网侧输入交流电源； 卜网侧输入电流； v + - - p w m 整流器的交流侧电压； 秒叫与e 的夹角。 研究表明，由于p w m 整流器其网侧电流及功率因数均可控，因而可被推广应用于 有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合。 而 l 韬 图2 - 2p w l d 整流器模型图 f i 9 2 2p w mr e c t i f i e rm o d e l 7 陕西科技大学硕士学位论文 图2 2 所示为p w m 整流器模型电路。从图可以看出：p w m 整流器模型电路由交流 回路、功率开关桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势e 以及网侧电感 l 等；直流回路包括负载电阻也及负载电势气等；功率开关桥路可由电压型或电流型桥 路组成。 当不计功率桥路损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得： i v = f d 。vd 。 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中：“i 一模型电路交流侧电压、电流； 、i 。一模型电路直流侧电压电流。 由式( 2 1 ) 不难理解：通过模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧、反之亦然。 以下着重从模型电路交流侧入手，分析p w m 整流器的运行状态和控制原理。 为简化分析，对于p w m 整流器模型电路，只考虑基波分量而忽略p w m 谐波分量， 并且忽略交流侧电阻。稳态条件下，p w m 整流器交流侧矢量关系如图2 3 所示。 d b a ) 纯电感特性运行 d i i ，a e一。圪、 b c i c d b l b ) 正阻特性运行 ld b c ) 纯电容特j 生运行d ) 负阻特性运行 图2 - 3p w l t 整流器交流侧稳态矢量关系 f i 9 2 - 3t h er e l a t i o no f p w mr e c t i f i e r sa cs t e a d y - s t a t ev e c t o r 图2 。3 中：e 交流电网电动势矢量； v - 一交流侧电压矢量； 圪交流侧电感电压矢量： 8 c c 三相电压型p w m 整流器( v s r ) 及其控制策略的研究 卜交流侧电流矢量。 为简化分析，对于p w m 整流器模型电路，只考虑基波分量而忽略p w n i 谐波分量， 并且不计交流侧电阻。这样可从图2 2 分析：当以电网电动势矢量为参考时，通过控制 交流电压矢量v 即可实现p w m 整流器的四象限运行。若假设i ，i 不变，因此i kl = 彩三i ，i 也 固定不变，在这种情况下，p w m 整流器交流电压矢量v 端点运动轨迹构成了一个以i 巧i 为半径的圆。当电压矢量v 端点位于圆轨迹a 点时，电流矢量i 比电动势矢量e 滞后9 0 。， 此时p w m 整流器网侧呈现纯电感特性，如图2 3 a 所示：当电压矢量v 端点运动至圆轨 迹b 点时，电流矢量i 与电动势矢量e 平行且同向，此时p w m 整流器网侧呈现正电阻 特性，如图2 3 b 所示：当电压矢量v 端点运动至圆轨迹c 点时，电流矢量i 超前电势 矢量e 9 0 。，此时p w m 整流器网侧呈现纯电容特性，如图2 3 c 所示：当电压矢量v 端 点运动至圆轨迹d 点时，电流矢量i 与电动势矢量e 平行且反向，此时p w m 整流器网 侧呈现负阻特性，如图2 3 d 所示。以上a ，b ，c ，d 四点是p w m 整流器四象限运行的四个 特殊工作状态点；进一步分析，可得p w m 整流器四象限运行规律如下： ( 1 ) 电压矢量v 端点在圆轨迹a b 上运动时，p w i v l 整流器运行于整流状态。此时， p w m 整流器需从电网吸收有功及感性无功功率，电能将通过p w m 整流器由电网传输至 直流负载。值得注意的是，当p w m 整流器运行在b 点时，则实现单位功率因数整流控 制：而在a 点运行时，p w i v l 整流器则不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收感性无 功功率； ( 2 ) 当电压矢量v 端点在圆轨迹b c 上运动时，p w m 整流器运行于整流状态。此 时，p w m 整流器需从电网吸收有功及容性无功功率，电能将通过p w m 整流器由电网传 输至直流负载。当p w m 整流器运行至c 点时，此时，p w m 整流器将不从电网吸收有 功功率，而只从电网呀收容性无功功率： ( 3 ) 当电压矢量v 端点在圆轨迹c d 上运动时，p w m 整流器运行于有源逆变状态。 此时p w m 整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能将从p w m 整流器直流侧传输 至电网，当p w m 整流器运行至d 点时，便可实现单位功率因数有源逆变控制； ( 4 ) 当电压矢量v 端点在圆轨迹d a 上运动时，p w m 整流器运行于有源逆变状态。 此时，p w m 整流器向电网传输有功及感性无功功率，电能将从p w m 整流器直流侧传输 至电网。 显然，要实现p w m 整流器的四象限运行，关键在于网侧电流的控制。一方面，可 以通过控制p w m 整流器交流电压，间接控制其网侧电流；另一方面，也可通过网侧电 流的闭环控制，直接控制p w m 整流器的网侧电流。 9 陕西科技大学硕士学位论文 2 2p w m 整流器的拓扑结构 拓扑结构是进行理论分析的基础，下面介绍几种能量双向流动的p w m 整流器的拓 扑结构。电压型p w m 整流器( v s r ) 最显著拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流储 能，从而使v s r 直流侧呈低阻抗的电压源特性。以下介绍几种常见的拓扑结构： ( 1 ) 单相半桥、全桥v s r 拓扑结构 图2 _ 4 ( a ) 、( b ) 分别示出了v s r 单相半桥和单相全桥主电路拓扑结构。两者交流 侧结构相同，其中交流侧电感主要用以滤除网侧电流谐波。由图2 4 a 可看出，单相半桥 v s r 拓扑只有一个桥臂采用了功率开关，另一桥臂则由两电容串联组成，同时串联电容 又兼作直流侧储能电容；而单相全桥v s r 拓扑结构则如图2 - 4 b 所示，它采用了具有4 个功率开关的“h 桥结构。值得注意的是：电压型p w m 整流器主电路功率开关必须 反并联一个续流二极管以缓冲p w m 过程中的无功电能。比较两者，显然半桥电路具有 较简单的主电路结构，且功率开关数只有全桥电路的一半，因而造价相对较低，常用于 低成本、小功率应用场合。进一步研究表明，在相同的交流侧电路参数条件下，要使单 相半桥v s r 以及单相全桥v s r 获得同样的交流侧电流控制特性，半桥电路直流电压应 是全桥电路直流电压的两倍，因此功率开关耐压要求相对提高。另外，为使半桥电路中 电容中点电位基本不变，还需引人电容均压控制，可见单相半桥v s r 的控制相对复杂。 j k 。，： c i _ 心 l 亿 一k乱 = = c ， a ) 单相半桥拓补结构 b ) 单相全桥拓补结构 图2 - 4 单相v s r 拓补结构 f i 9 2 - 4t h e s 缸u c t i l r eo fs i n g l ep h a s ev s r ( 2 ) 三相半桥、全桥v s r 拓扑 如图2 5 a 为三相半桥电压型p w m 整流器拓扑结构。其交流侧采用三相对称的无中 线连接方式，并采用6 只功率开关，这是一种最常用的三相p w m 整流器，通常所谓的 三相桥式电路即指三相半桥电路。 三相半桥v s r 较适用于三相电网平衡系统。当三相电网不平衡时，其控制性能将恶 1 0 三相电压型p w m 整流器( v s r ) 及其控制策略的研究 化，甚至使其发生故障。为克服这一不足可采用三相全桥v s r 设计，其拓扑结构如图 2 5 b 所示。其特点是：公共直流母线上连接了三个独立控制的单相全桥v s r ，并通过变 压器联接至三相四线制电网。因此，三相全桥v s r 实际上是由三个独立的单相全桥v s r 组合而成的，当电网不平衡时，不会严重影响p w m 整流器控制性能，由于三相全桥电 路所需的功率开管是三相半桥电路的一倍，因而三相全桥电路一般较少采用。 a ) 三相半桥拓补结构 b ) 三相全桥拓补结构 2 - 5 三相半桥、全桥v s r 拓补结构 f i 9 2 5t h es t r u c t u r eo ft h r e ep h a s eh a l f f u l lb r i d g ev s r ( 3 ) 三电平v s r 拓扑结构 以上所述的v s r 拓扑结构属常规的二电平拓扑结构。这种拓扑结构的不足之处在 于，当其应用于高压场合时，需使用高反压的功率开关或将多个功率开关串联使用。此 外，由于v s r 交流侧输出电压总在二电平上切换，当开关频率不高时，将导致谐波含量 陕西科技大学硕士学位论文 相对较大。为解决这些问题，设计了具有中点钳位的三电平v s r 拓扑结构，这种拓扑结 构中以多个功率开关串联使用，并采用二极管钳位以获得交流输出电压的三电平调制。 显然，三电平v s r 在提高耐压等级的同时有效地降低了交流谐波电压、电流，从而改善 了其网侧波形品质。图2 - 6 为三相三电平v s r 电路拓扑结构，可见，三电平电路所需功 率开关与二电平电路相比成倍增加，并且控制也相对复杂，这是这种电路的不足之处。 另外，为了更好地适应高压大功率应用，并降低交流输出电压谐波，近年来还设计出采 用多个二极管钳位的多电平v s r 拓扑结构嗍。 2 - 6 三相三电平v s r 拓补结构 f i 9 2 - 6t h es t r u c t u r eo f t h r e ep h a s ea n dl e v e lv s r ( 4 ) 基于软开关的v s r 拓扑结构 图2 7 为三相软开关v s r 拓扑结构。图中，桥式并联谐振网络由谐振电感l 、谐振 电容c 、功率开关巧、圪以及续流二极管吗、哦组成；巧和v d 9 为直流侧开关，其主 要作用是将直流侧与谐振网络和交流侧隔离。在一定条件下，、c ，产生谐振，并使c ， 两端产生零电压，此时，对三相桥功率开关进行切换，便可实现软开关p w m 控制。 一丑与 o ，毛 o 时p w m 控制对应8 种开关模式的电流回路。 刮 ji i d kj_ - v 一k 1【 v o , c 当l_ 一 (= 气 + 岛= + 厶 嘎 jl 二k 蜊 i 三k v d , i j k 一 】j a ) 1 3 b ) 陕西科技大学硕士学位论文 二i 0 i i ：k i 一 l 啦 二皂 c 一 一 + & 二l 倒 jt 刍k 嘣 c j k 嘣 】 j i c ) “- - - i 0 k_ 三 l 。j 阳 c ：一 一 ：+ 互。- i 一 。- 。一 二 鼍c 二k 嘎 i 乙k 砭 jl j l 易_ 0 l 肋 二一匕当毒 一 ( + 生 一 一 + 玉 二 喇 c 马i 0 ， 0 ) f i 9 2 - 8t h ec u r r e n tc i r c u i to f t h r e ep h a s ev s rw i t hd i f f e r e n ts w i t c hm o d 0 ， 0 ) 其中，由于模式7 、模式8 使v s r 交流侧三相线电压为零，因而称为“零模式 ， 一般以开关切换次数最少原则来选择“零模式 。与此类似可分析不同电流方向组合时的 三相v s r 电流回路。 2 4 三相v s r 的数学模型 建立数学模型是深入分析和研究p w m 整流器的工作机理及动态和静态特性的重要 手段。本节在p w m 整流器拓补结构的基础上分别建立p w i v i 整流器在三相静止坐标系、 两相静止坐标系和两相旋转坐标系的数学模型。 2 4 1 三相v s r 的一般数学模型【2 i 】 三相v s r 一般数学模型就是根据三相v s r 拓扑结构，在三相静止坐标系( a ，b ，c ) 中利用电路基本定律( 基尔霍夫电压、电流定律) 对v s r 所建立的一般数学描述。三相 1 4 三相电压型p 删整流器( v s r ) 及其控制策略的研究 v s r 拓扑结构如图2 - 9 所示。 j k _琢沙 ；k _ z譬 弼 j _心 2 - 1 k z 饿 、_ 醺斟 = 曛搿 ： l ： 1 吨 玺： ；k 嘲 ； ；k 饿 r 已k v d ； _i_ z2z 2 - 9 蠢相v s r 的拓补结构图 戥萨- 9t h es t r u c a 北o f t h r e ep h a s ev s r 图2 - 9 为三相电压型p w m 整流器的主电路拓扑结构，假设主电路的开关元件视为理 想开关，通断可以用开关函数来描述。当直流电动势吃= o 时，直流侧为纯电阻负载，此 时三相v s r 只能运行于整流模式，当e l 时，三褶v s r 既可运行于整流模式，又可运 行于有源逆变模式当运行于有源逆变模式时，三相v s r 将e l 所发电能向电网侧输送，有 时也称这种模式为再生发电模式：当气 时，三辐v s r 也只簏运行予整流模式。 定义单极性二值逻辑开关函数s ，为： 葶，： 量上篓鐾是翌，i 篓璧譬( j ：l ，2 ，3 )1 lo v 桥臂导通，上桥臂关断” 将三相v s r 功率管损耗等值电阻墨同交流滤波电感等值电阻避合并，且令 r = 焉+ 琏，采用基尔霍夫电压定律建立三相v s r 的a 相回路方程 = + 定气= 气一o + o ) ( 2 - 1 ) 当圪导通而圪关断时，文= 1 ，且= ； 盛= q 由于= v , u s o ，式 其中 a = 一r o o & 0 一囊 o l 三00 l z = i o上o | 00 互 | l0 0 0 b = 。吨一 丕。 。喝一i 1 ，委，。薯 一r s c j 1 善于； 刭 looo 0100 0 010 0 0 0 1 匙 1 6 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 。1 2