（电力电子与电力传动专业论文）串并联补偿型ups技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a t h r e e - p h a s es e r i e s p a r a l l e lc o m p e n s a t e dl i n e i n t e r a c t i v eu p s s y s t e mi ss t u d i e d i nt h i st h e s i s t h e t h r e e p h a s es e r i e s p a r a l l e lc o m p e n s a t e dl i n e i n t e r a c t i v eu p s s y s t e m i s c o m p o s e d o fa t h r e e - p h a s ev o l t a g e s o u r c e c o n v e r t e r ( v s c ) a n d a t h r e e p h a s ev o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ( v s i ) a n a l y s i s ，s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sa r e c e n t e r e da r o u n dh o wt oc o n t r o lt h es e r i e s t h r e e p h a s ev s c a sas i n u s o i d a lc u r r e n t s o u r c ea n dt oc o n t r o lt h e p a r a l l e lt h r e e p h a s ev s ia sas i n u s o i d a lv o l t a g es o u r c e m a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h r e e p h a s ev s ca n dt h r e e p h a s ev s ii nt h r e e p h a s e s t a n o n a r yc o o r d i n a t e ，t w o p h a s e s t a t i o n a r y c o o r d i n a t ea n d t w o p h a s er o t a t i n g c o o r d i n a t ea r ee s t a b l i s h e di nt h i st h e s i s w i t ht h ei n t r o d u c t i o no ft h e c o n c e p to f 、 o h a g es p a c e v e c t o ra n dc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n s ，a n d e a s yt o l e t t h r e e p h a s e s y s t e mt r a n s f o r mb e t w e e nt h ed i f f e r e n tc o o r d i n a t e s i nt h i s t h e s i s ，f o rt h r e e p h a s ev s c ，d i r e c tc u r r e n tc o n t r o ls c h e m ea n di n d i r e c t c u r r e n tc o n t r o ls c h e m ea r e c o m p a r e d ；w h i l ef o rt h r e e p h a s ev s i ，i n s t a n t a n e o u s t b e d b a c kc o n t r o ls c h e m ea n d r e p e t i t i v ec o n t r o is c h e m e a r ec o m p a r e d i ne x p e r i m e n t s i n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o ls c h e m ea n dc o m b i n e dc o n t r o l s c h e m eo fi n s t a n t a n e o u s f e e d b a c kc o n t r 0 1a n dr e p e t i t i v ec o n t r o la r es e l e c t e ds e p a r a t e l y t h ec o m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dp o w e rf l o wo f t h r e e p h a s es e r i e s p a r a l l e l c o m p e n s a t e dl i n e - i n t e r a c t i v eu p ss y s t e mi sa n a l y z e di nt h i st h e s i s a f t e rt h ew h o l e s y s t e ms t a r t ，i tc a r l w o r ka su p q cw i t h o u ts t o r a g eb a t t e r y a10 k v at h r e e - p h a s e s e r i e s p a r a l l e lc o m p e n s a t e dl i n e - i n t e r a c t i v eu p ss y s t e m b a s e do nd s pc o n t r o l l e ri s d e s i g n e di nt h i st h e s i s d s pc h i pt m s 3 2 0 f 2 4 0h a sv e r y r i c hc o n t r o l l e rp e r i p h e r a l sa n dh e n c et oc r e a t ea ni d e a ls o l u t i o nf o rt h i sk i n do fu p s s ) s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eg i v e nw h e n u t i l i t yv o l t a g eo v e r15 i nt h en o r m a l v a l u ea n du n d e r15 g e n e r a la n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si s g i v e ni nt h i s t h e s i st o o k e y w o r d s ：t h r e e p h a s eu p s ；t h r e e p h a s ev s c ；t h r e e p h a s ev s i ； s e r i e s p a r a l l e l ；c o m p e n s a t e d ；h y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l ； m a g n i t u d e p h a s ec o n t r o l ；i n s t a n t a n e o u sf e e d b a c kc o n t r o l ； r e p e t i t i v ec o n t r o l ； 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 = 1 绪论 1 1 电力电子变换技术概述【1 】- 【2 】 电力电子变换技术就是利用电力电子开关器件作为开关管，按照一定的拓扑结构 连接的电能控制、变换电路所完成的变换功能。电源可分为两类【。】：一种是直流电， 其频率产o ：另一种是交流电，其频率停o 。因此，将两类电源的幅值或频率作适当 变化，就可以实现直流与直流、交流与交流或两者之间的变换，所以，电力电子变换 类型可归纳为五种基本类型，相应的有五种电力电子变换电路： l 、直流一直流电压变换电路或直流斩波器。将频率为 ；o 的直流电压“l 变换为 频率为正= o 的直流电压“2 。 2 、交流一交流电压变换电路或交流电压斩波器。将频率为 的交流电压“l 变换 为频率为五i 的交流电压u 2 。 3 、交流一交流直接变频电路或直接变频器( 又被称为周波变换器) 。将频率为，； 的交流电压“i 变换为频率为正新的交流电压“2 。 4 、直流一交流逆变电路或逆变器。将频率_ ，i = o 的直流电压“l 变换为频率为解0 的交流电压。 5 、交流直流整流电路或整流器。将频率为j ，i 的交流电压“l 变换为频率为f i = o 的直流电压“2 。 利用上述五类基本变换电路，可以组合成许多复杂的、功能强大的各类电力变换 器，如交一直一交间接变换器等。除了可以进行电力变换外，若对电力电子变换器采 用适当的控制，还可以作为各种补偿器等多种用途使用，如有源功率因数校正器等。 然而，目前上述五类基本变换电路在国际国内的研究已经相对成熟，研究热点已 经转移到基本电路的组合及控制策略方面。同样一个电路拓扑结构，对其施加不同的 控制，其既可以工作在整流状态，又可以工作在逆交状态。同样一个电路组合，其既 可以补偿电源电压谐波，又可以补偿负载电流谐波。在以上研究热点中，柔性交流输 电系统技术是一个较有前途且已经有部分产品投入实际使用的方向。 1 2 柔性交流输电系统技术概要【3 1 【9 l l 。2 1f a c t s 产生的背景 柔性交流输电系统( f l e x i b l e a ct r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，简称f a c t s ) 也称为灵活 交流输电系统，作为一个完整的技术概念，其首先是由美国电力研究院( e p r 工) 的电力 专家n g h i n g o r a n i 于1 9 8 6 年提出的。根据国际电气与电子工程协会( i e e e ) 及 国际大电网会议( c ：g r e ) 于1 9 9 5 年的共同认定，f a c t s 的定义是：一类以电力电子 技术为基础并具有其他静止控制器的交流传输设备，它们能够增强电网的可控能力并 增大输电容量。f a c t s 的概念一经提出，关于f a c t s 及其相关技术的研究立即得到 华中科技大学硕士学位论文 迅速发展。目i j ，美国电力科学研究院投入了大量的人力和物力致力于它的研究与丌 发。许多电力公司和电力设备制造厂家也不甘落后，正在投入巨资研究和开发f a c t s 及其相应设备。 输电网是由输电线互联而成的。它担负着可靠而优质的将电能从发电厂送往用户 的任务。由于电网结构日益复杂、运行任务目益繁重、环保要求日益严格等原因，发 达国家中电网运行存在着系列因难【7 j ： i 、由予输电可控性能很差，( 和发电、配用电相比，其可控性能是最差的) ，功率 分布中的自由潮流和负荷变化很大。如在美国东西两个大电网中的环流离达几十万 瓦，前苏联全国统一电力系统中不可控的功率振荡达6 0 0 至7 0 0 兆瓦。大电网运行中 的这一类问题长期困扰着运行调度人员，并且在电网中造成大量电能损耗或被迫降低 输送能力。 2 、由于输电网缺少快速控制手段，在功率输送过程中常造成“功率绕送”f 即走 远道不走近路) 和“功率倒流”( 即在输送方向中又存在着逆向输送) 情况。此外，还有 大量输电受限制的“瓶颈”环节。 3 、交流输电线需要频繁投切，以改变电网结构或断开故障，但目前只能依靠机械 型断路器。而这种断路器速度慢、维修量大，是形成严重暂态稳定问题的重要因素。 这也是输电可控性差的主要原因之一。 4 、由于负荷和电力市场的需求以及环境问题的日益严峻，而想通过新建输电线来 增加电力传输更加困难( 一些发达国家中已无法在城市附近再修建架空线路) ，使已有 输电线的负担曰益加重，输送能力不足的矛盾日益突出。输送能力主要受制于暂态稳 定或动态稳定极限，因此，对提高输送能力的有关技术措施的需求也日益紧迫。 f a c t s 技术的出现正适应和满足了上述情况的需求。柔性交流输电技术增加输 电、配电自动化水平，柔性交流输电系统的主要内容是应用电力电子技术的最新成就 以及现代控制技术实现对交流输电系统参数以至网络结构的快速灵活控制，以期实现 输送功率的合理分配、降低功率损耗和发电成本，大幅度提高系统的稳定性和可靠 陛。同新月异的电力电子技术与电力系统传统的控制元件相结合，从而使电力系统中 影响潮流分市的三个主要电气参数：电压，线路阻抗及功率角可按系统的需要迅速调 整。在不改变网络结构的情况下使网络的功率传输能力以及潮流和电压的可控性大 为提高。f a c t s 设备可影响这些参数中的一个或多个，提高了输电网潮流流向的控制 能力以及输电线输送能力两个方面【8 m 。正因为如此，这项新技术，正受着世界各国 的广泛注意和重视。 1 2 2f a c t s 技术的研究意义【1 1 自f a c t s 概念的提出至今，已有近2 0 年的时间，经过多年的发展，f a c t s 技术 已经显示出了它的重要技术经济怍用和意义。f a c t s 技术的出现突破了单一控制器仅 汉只能进行局部调节的现状，开辞了提高交流输电线和输电网运行整体控制能力和水 华中科技大学硕士学位论文 平的技术渠道，为高压和超高压交流输电性能的革新改造指出了方向。有助于在电力 网中建立输送通道，为电力市场创造电力定向输送的条件，有助于提高现有输电网的 稳定性、可靠性和供电质量，可以保证更合理的最小网损并可减少系统热备用容量( 对 美国电网而言，热备用容量估计可由1 8 减到1 5 ) ，还有助于防止连锁性事故扩大， 减少事故恢复时间及停电损失等。所以f a c t s 控制器在输电网中的广泛应用，将会 使输电系统的面貌焕然一新。 应当承认，以上仅仅是f a c t s 技术在短短几年内所呈现的技术潜力，将来必定会 有更多的技术和装置应用于工程实际。本文的研究对象“串并联补偿型u p s 系统”， 从严格意义上讲，其可以作为u p q c 运行，故也属于一种f a c t s 产品，其控制策略 等各方面的技术，也可以归类于f a c t s 技术的范畴。 i 3u p s 基础技术概述 1 3 1 使用u p s 的必要性 我们所使用的交流市电，不仅会偶尔发生断电事故，而且在平时其电压质量也不 是十分良好，会产生诸如电压过高、过低及频率漂移等不良现象。这是因为随着电力 电子技术的发展，负载已经不仅仅限于纯阻性、感性或容性等线性负载，出现了许多 非线性负载如相控整流器等等。而市电系统作为公共电网，上面连接了成千上万各种 各样的线性的和非线性的负载，其中一些线性负载( 感性、容性负载等) 和非线性负 载( 开关电源等负载) 不仅从电网中获得电能，还会反过来对电网本身造成影响，恶 化电网或局部电网的供电品质，造成市电电压波形畸变或频率漂移。严重的电压波形 的畸变和频率漂移对一些脆弱负载如计算机等会产生致命性的打击，造成此类负载不 能正常工作。当然，意外的自然或人为事故，如地震、雷击、输变电系统断路或短路， 部会造成市电的供应中断，若无及时的后备电源，负载就会停止工作。此类重要负载 不能正常工作或停止工作，都会给企业或个人造成不便或经济损失，甚至威胁到人的 生命安全( 如医疗设备若供电中断，对病人无疑是致命的打击) 。 目前，我国仅有少数地区刚刚解决了电力紧张的问题，大部分地区和大城市还面 临着电力供应紧张的迫切问题，供电质量更是不能得到保证。但即使是在早已实现电 气化的美国和其它西方国家，电网的质重也远非可靠。 根据电力专家的测试，由于电网本身的质量有问题与各种偶然因素的作用，电网 中经常发生弗且对电脑和精密仪器产生干扰或破坏的问题主要有以下几种： l 、电涌( p o w e rs u r g e s ) ：指输出电压有效值高于额定值1 0 ，而且持续时间达一 个或数个周期。电涌主要是由于在电网上连接的大型电气设备关机时，电网因突然卸 载而产生的高压。 ! 、高压尖脉冲( h i g l lv o l t a g es p i k e s ) ：指峰值达6 0 0 0 v ，持续时间从万分之一秒 至二分之一周期( 1 0 m s ) 的电压。这主要由于雷击、电弧放电、静态放电或大型电气 3 华中科技大学硕士学位论文 设备的开关操作而产生。 3 、暂态过电压( s w i t c h i n g t r a n s i e n t s ) ：指峰值电压高达2 0 0 0 0 v ，但持续时间界 于百万分之秒至万分之一秒的脉冲电压。其主要原因及可能造成的破坏类似于高压 尖脉冲，只是在解决方法上会有区别。 4 、电压下陷( p o w e rs a g s ) ：指市电电压有效值介于额定值的8 0 至8 5 之间的低 压状态，并且持续时间达一个到数个周期。大型设备开机，大型电动机启动，或大型 电力变压器接入都可能造成这种问题。 5 、电线噪声( e l e c t r i c a ll i n e n o i s e ) ：系指射频干扰( r f i ) 和电磁干扰( e f i ) 以及 其它各种高频干扰。马达的运行、继电器的动作、马达控制器的工作、广播发射、微 波辐射、以及电气风暴等，都会引起线噪声干扰。 6 、频率偏移( f r e q u e n c yv a r i a t i o n ) ：系指市电频率的变化超过3 h z 以上。这主要 由应急发电机的不稳定运行，或由频率不稳定的电源供电所致。 7 、持续低电压( b r o w n o u t ) 指市电电压有效值低于额定值，并且持续较长时间。 其产生原因包括：大型设备启动和应用、主电力线切换、启动大型电动机、线路过载。 8 、市电中断( p o w e rf a i l ) ：指市电中断并且持续至少两个周期到数小时的情况。其 产生原因有：线路上的断路器跳闸、市电供应中断、电网故障。 以上一切对于高精度的敏感仪器和电源不能中断的用电设备来说是非常严重的。 例如：计算机在工作时停电或者是有一个比较大的电压低落，就可能造成内存上的信 息被冲掉及硬盘数据丢失的后果。在医院里，电子医疗设备如果因为停电而停止工作， 对病人的影响是致命的。事实上，在造成数据丢失的各种因素中，电源故障以4 5 3 的机率居首位，其它几种主要的因素分别是：暴风雨9 4 、火灾8 2 、硬软件故障 8 2 、洪水6 7 、地震5 5 。 综上所述，防止电源故障的产生，就显得相当重要了。而不间断电源系统( u p s ) 刚好就是一种有效抑制电源故障( 断电或电力质量下降) 的设备。 1 3 2u p s 基础技术 不间断电源( u n i n t e r r u p t e d p o w e r s u p p l y ，简称u p s ) 为重要设备的正常安全工作 提供了强有力的保障。从其发展历史来说，u p s 经历了两个阶段：旋转式u p s 和静 态变换式u p s 。 旋转式u p s 由直流电动机、柴( 汽) 油机、飞轮和发电机组成。在市电供电情况 下，电动机带动飞轮和发电机给负载供电；当断电后，由于飞轮的惯性作用，会继续 带动发电机的转子旋转，从而使发电机能持续给负载提供电源，起到缓冲、延时的作 用，同时启动柴( 汽) 油机。当油机转速与发电机转速相同时，油机离合器与发电机 相连，完成从市电到油机的转换。这是u p s 的较早形式，尽管其维护简单，也比较稳 定，但系统庞大，操作不便，而且效率低，噪声大，电力质量不高。 静态变换式u p s 是一种由变换器、储能装置及开关等组成的电力电子系统。下文 华中科技大学硕士学位论文 中所论述的u p s 如不加特殊说明，均指静态变换式u p s 。当市电输入正常时，u p s 将市电电源作适当变换和调节，输出干净、稳定的交流供给负载使用( 或处于后备状 态，由市电直接给负载供电) ，同时对储能装置如蓄电池或超导线圈等充电；当市电 故障时( 过压、欠压或断电等) ，u p s 系统即将储能装置的能量经逆变器变换为负载 所需交流电继续供负载使用，使负载维持正常工作状态。 关于u p s 的分类，有许多不同的说法，为了统一起见，本文采用i e e e 曾引用的 定义，即i e c6 2 0 4 0 3 和e n v5 0 0 9 1 3 的定义”u j ：u p s 分为三种，即后备式( p a s s i v e s t a n d b y ) 、在线互动式( l i n ei n t e r a c t i v e ) 和双变换式( d o u b l ec o n v e r s i o n ) 。 图1 1 示出了后备式、在线互动式及双变换式三种u p s 的拓扑结构【l o 】。 充电器t逆变嚣 在线互动式u p s 市电kk 二二= j上k 2 ：一 至负t 蔓潍擘 t 逆麦鼍 图卜l 后备式、在线互动式及双变换式u p s 的拓扑结构 后备式u p s 的工作原理为：当市电供电正常时，市电通过串接有交流稳压电路的 交流旁路通道再经转换开关直接向负载供电，此时，逆变器不工作，充电器给电池浮 充电，这种工作状态的u p s 电源实质上相当于一台性能较差的稳压器，它除了对市 电电压的幅度波动有所改善外，对电压的频率不稳、波形畸变以及从电网浸入的干扰 等不良影响基本上没有改善，不能在市电和负载之间实现有效的隔离：当市电故障时， 蓄电池的直流电能经逆变器逆变后给负载供电，此时逆变器的输出电压为恒频恒压的 正弦电压。由于后备式u p s 一般只具有电网掉电之后的后备支持功能，而且在转入 后备支持时产生切换间断，需要切换时间( 一般小于1 0 m s ) ，因此，对于一些十分重 要的负载，后备式u p s 并不是其首选方案。但是，后备式u p s 电路结构简单，且只 需要个变流器( 逆变器) ，成本较低，技术成熟，故在很多领域仍然应用很广。 在线互动式u p s 的工怍原理为：当市电供电正常时，市电通过交流稳压器稳压后 给负载供电，此时，变换器工作在整流器( 作充电器使用) 状态，给电池浮充电；当 s 华中科技大学硕士学位论文 市电出现故障时，变换器工作在逆变器状态，蓄电池的直流电能经逆变器逆变后给负 载供电。在线互动式u p s 相比于后备式u p s ，其变流器处于热备用，转换时间较后 备式要小，一般小于4 m s 。系统的主要缺点与后备式相仿，常态运行时除对市电电压 的幅度波动有所改善外，对市电电压的频率不稳、波形畸变以及从电网浸入的干扰等 不良影响基本上没有改善，不能在市电和负载之间实现有效的隔离。系统的主要优点 在于：常念运行时的效率高、过载能力强。常态运行时不通过整流器对负载提供能量， 所以，对电网的谐波干扰很小。常态运行时也不通过逆变器提供负载电能，所以，输 出电压的谐波成分低。实现的技术相对简单成熟，制造成本较低等。所以在线互动式 结构在现代u p s 中也得到了广泛的应用。 双变换式u p s 的工作原理为：当市电供电正常或适当过压( 或欠压) 时，市电经 整流a c d c 模块后，给电池浮充电，同时给逆变d c a c 模块供电，d c a c 模块输 出的交流电再给负载供电。当市电断路或过于高压( 或低压) 而使a c 仍c 模块不能 有效工作时，a c ，d c 模块停止工作，负载由电池经d c a c 模块后供电。传统的整流 逆变双变换式采用六脉波相控整流器，网侧功率因数不高，谐波含量较大造成电网污 染严重，通过加入网侧有源无源滤波器可以使这两项指标得到提高，通过采用高频 整流技术可以不需要输入滤波器也能使输入性能指标达到要求，但是高频整流技术难 度高，目前的输出容量太小，且开关损耗较大，能量转换效率不高，因此，只能应用 于小功率场合。对于输出性能指标，双变换式u p s 的中间直流环节隔离缓冲了来自 电网的各种干扰，于是输出性能指标取决于遭变器的输出控制。双变换式u p s 不论 市电是否正常，负载均由逆变器供电，因此，在线式u p s 能够在任何时刻都能绘负 载提供恒压恒频的干净的正弦电压，且不存在转换时间。但是，由于在市电正常时， 两个变流器也处于满功率工作状态，故损耗很大，效率较低。再者，两个变流器的设 计容量都要大于或等于负载容量，单位功率的制造成本非常高。 1 4 本文主要研究内容 随着电力电子变换技术的发展，最近，一种全新的u p s 拓扑被提出j 1 l ，即串 并联补偿型u p s 。这种u p s 由两个变换器掏成，但是，其电路结构及工作原理与双 变换是u p s 有很大不同，性能上也有许多突出的优点。其拓扑如图i 一2 。 串并联补偿型u p s 翠联变流器 t 并联变流器 图1 2串并联补偿型u p s 的拓扑结构 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 串并联补偿型u p s 主要由一个与输入市电串联的变流器和一个与供电负载并联的 变流器组成，这种双四象限p w m 变流器的串、并联组合结构在电力系统中的输电、 配电和用电各个环节均可得到应用。 串并联补偿型u p s 的主要工作原理：当市电供电正常时( 正常状态) ，市电直接 给负载供电，此时，两变换器工作在热备用状态，若有需要，并联变流器作充电器使 用，给电池浮充电；当市电出现故障时，两变换器立即切换到工作状态。若市电电压 过高( 过压状态) ，并联变流器作为恒频恒压逆变器工作，将负载输入电压钳位在额 定值，市电电压与输出额定电压的差值降落在串联变压器上，此时，串联变流器作为 整流器工作，给并联变流器提供能量并给电池充电：若市电电压过低( 欠压状态) ， 并联交流器作为恒频恒压整流器工作，将负载输入电压钳位在额定值，给串联变流器 提供能量并给电池充电，市电电压与输出额定电压的差值降落在串联变压器上，此时， 串联变流器作为逆变器工作，以补偿电压差：若市电电压很高或很低甚至彻底掉电时， 蓄电池的直流电能经并联交流器逆变后给负载供电，串联变流器不工作。 爿奇i o n如 二、y 、l 一 鱼仃 负t 二、r 、 l j n l 叩= i ， 11 22 o 鱼一鱼 r 2 2 5 ) 用上述矩阵( 通常称其为等模长变换矩阵) 求得的ab 轴的变量为： f r 。= x 。s i n 甜 k ：轴i 一争 。2 6 对式【! 一2 5 ) 所示的矩阵求广义逆，得到从qb 坐标系变换到a b c 坐标系的等模长 变换矩阵： 以以以 kjoiij且 一j ：笪： ，：打一： 华中科技大学硕士学位论文 乙口c = 1o 13 22 13 22 f 2 - 2 7 ) 除了等模长变换外，还有一种常用的变换映射，即等功率变换。等功率变换需要 保证变换前后的功率不变，其变换矩阵及其反变换矩阵如下： r 8 2 7 玉。= 11 22 5 5 22 10 13 13 9 ， r 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 2 2 3d q 坐标变换”1 在上两小节中分别论述了空间合成矢量及qb 变换。b 变换只是将静止的相关 联的3 个基减少到静止的相互独立的2 个基，各变量在坐标轴上的映射还都是交流量， 这显然不利于控制。若定义一个以角速度为。旋转的“n1 3 坐标轴”，则可以推得各 变量中频率为u 的分量在坐标轴上的映射为直流量。其他频率成分则反映为交流。这 非常有利于控制，因为在直流控制领域，一些控制技术相对成熟，控制效果好，动静 态特性都不错。而且，通过这种变换，还可以实时的分离出变量的各个频率成分( 对 其他频率分量，只要定义“o1 3 坐标轴”的旋转频率与之相等即可将相应分量变换为 直流) ，从而能够实现一些实时检测、补偿技术如谐波电压电流检测等。 这种旋转的“a0 坐标轴”一般被称为d q 坐标轴。将三相变量映射到d q 坐标轴 的变换被称为d q 变换。d q 坐标轴在空间上是旋转的，那么，其初始位置将十分重要， 因为这直接关系到d q 变换矩阵的表达形式。为了简单起见，本文定义d 轴在2 7 0 0 电 角度处，q 轴超前d 轴9 0 0 ，这样，d 轴初始位置与合成矢量x 同相。如图2 - 6 。 由图2 6 知， x 。= c o s 0 一。+ c o s ( 臼一三_ 7 r ) x 6 + c o s ( e + 三刀) x 。 x q = 一s i n 0 x 。一s i n ( e 一专厅) 一s i n ( o + 亏z ) x c 2 - 3 0 i二 () 一 一一 一 一一 压恬压仃 华中科技大学硕士学位论文 若令上式中。为零，则上变换式就是ob 变换式。在d q 变换中，d 轴初始位置于 2 7 0 0 电角度，故0 = c o t + 2 7 0 。代入上式得： l x u = s i n 酬z + s i n ( 鲫一扣x b + s i n ( 耐+ 以 x ：c 。s 鲥x 。+ c 。s ( 叫一z ) x 6 + c o s ( o x + ：2 丌) z 。 = c 。s 鲥x 。+ c 。s 汹一 i 丌) z 。 鼢 将式( 2 9 ) 代入式( 2 3 0 ) ，化简得到 f3 m2 j z 一， 一。20 此时： = j 。+ 2 。= 3 ，x 。p j 1 f 2 3 3 ) f 2 3 4 ) 转两相 ( 2 - 3 1 ) f 2 3 2 ) 与式【2 1 2 ) 相同，完全等价。 与q b 变换相类似，将式( 二3 2 ) 中的变换矩阵乘以系数2 3 ，得到d q 变换的等模长 矩阵 m ，由2 ： s i n c o t s i n ( c 拼一三万) s i n ( c o t + 丌) jj ， c o s 0 , 0 ， c o s ( c 拼一厅)c o s ( 甜+ 三石) 其反变换矩阵为 l “ = s l y l 甜 s i n ( c a 一三万) s m ( o x + ：厅) c o s 肼 c o s ( c o t 一三石) c o s ( c o t + ；厅) f 2 - 3 5 ) ( 2 3 6 ) 同样的，d q 变换也有等模长及等功率变换之分，等功率变换的变换矩阵及其反变 换矩阵分别如式( 2 3 7 ) 受式( 2 - 3 8 ) ： x x 力 力 2323 + 啦 蛔 力 力 2一，j2一，j 啦 凇 叫 叫 出 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一一 s i n 甜s i n ( c 甜一；z ) s i n ( c 甜+ ；万) c o s 甜c o s c 删一扣c o s c 肼+ 和 r由一，。=据u手lfi：s!i：n：co季t三；l：ic：o：s：ro季t：； ( 2 3 7 ) ( 2 - 3 8 ) 由式( 2 2 5 ) 、式( 2 - 2 7 ) 、式( 2 - 3 5 ) 及式( 2 3 7 ) 可以推得，从db 坐标系变换到d q 坐标 系下的变换矩阵及反变换矩阵分别如式( 2 3 9 ) 及式( 2 4 0 ) ： ，s i n 纠一c o s 0 3 1 白一圹ic o s 耐s i n o xi(2-39) ，s i n c o tc o s o , v 由一印。j c o s ( o rsin耐1(2-40) 2 3 三相v s c 及三相v s i 在两相坐标系下的数学模型 2 3 1 三相v s c 在两相坐标系下的数学模型 2 4 j 三相v s c 在静止三相坐标系下的数学模型如式( 2 4 ) 所示，若将式( 2 4 ) 中各变量从 静止三相变换到静止两相，则可以求得三相v s c 在qb 坐标系下的数学模型： 卜鲁一。r m 。吨吒 扛等= - i a r + u , a - 知h | c 等吨。蝎铲t ( 2 - 4 1 ) 1 9 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一一 。，卵嘲 巴卜卅目 z ， s 。 ， bj 刊“。叩 e 一墅粤堡 沪坠学 p 趾学 在nb 坐标系下，输入电感电流在ab 轴上没有相互耦合，故不需要解耦。因此， 基于qb 变换，可以将三相v s c 当成两个单相v s c 来控制。 虽然输入电感电流在a 轴上没有相互耦合，但是电压电流等物理量在ab 坐标 系下均体现为交流量，这给控制造成一定的麻烦。若对式( 2 4 ) 采用d q 变换，将其变 换到d q 坐标系下，则可以成功解决这个问题： 卜警叫私心+ 啦。喝 扛鲁一。胁圹啦。q l c 警呱”邓。“ ；：=r。战一，由ii 阱k 也 s 。 一， l s 。j 一1 a b c - d q 卧墅粤堡 沪墅粤堡 s c 一墅尝笪 j r 2 4 3 ) ( 2 _ 4 4 ) 华中科技大学硕士学位论文 经过d q 变换后， i s d ，l s q “耐u s q 均为直流量，但是，从( 2 4 3 ) 中还可以看出，此时 输入电感电流在d q 轴上相互耦合，需要解耦。且d 、q 轴上的耦合量分别为砒。和 一c a l l 。d 。 2 3 2 三相v s i 在两相坐标系下的数学模型 与三相v s c 相似，可以得到三相v s i 在ab 坐标系及d q 坐标系下的数学模型， 如式( 2 4 5 ) 及式( 2 4 6 ) ： 等= 扣。吐。， 百d i g s # = 嘉( 钿吐，) 警：圭( - u , o - + & ) 口4 5 等= i 1 ( 飞p 一一叩。) 百d l g s d = 嘉c ( i , a - i m + 0 0 3 c ) 可d i g s q 5 扮1 一k 一3 c ) ( 2 _ 。) 警= i 1 ( 飞吨r + 砒i s q + 蹦。) 。 鲁= i ( - i g s q - - i s q r - - 嘁心“) 2 4 本章小结 本章首先建立了三相v s c 及三相v s i 在的数学模型三相静止a b c 坐标系下的数 学模型。上述模型的推导完全是基于基尔霍夫电压电流方程的，故推导很简单，物理 意义明确，哩结构复杂。 然后详细论述了坐标变换的基本知识。坐标变换和空间矢量之间有着密切的联系， 因此，本章也顺带简略的介绍了空间电压矢量技术。 基于坐标变换理论，将上述在三相静止a b c 坐标系下的数学模型坐标变换，就得 到了在两相静止ab 坐标系下的数学模型及两相旋转d q 坐标系下的数学模型。 根据推得的数学模型，可以容易的在m a t l a b 环境下建立其仿真模型，在下面的章 节中将会使用三相v s c 及三相v s i 的数学模型来提出控制方案，使用仿真模型来 睑验控制方案的特性。 2 l 华中科技大学硕士学位论文 3 串并联补偿型u p s 的控制方案 在绪论中提到，即使在市电存在着电压谐波时，串并联补偿型u p s 也能够控制市 电电流为正弦，且输入功率因数接近1 ；同时，即使负载存在着无功电流和谐波电流， 负载输入电压也能够控制为正弦。为了实现上述目的，有两种方案： 1 ) 串联变流器控制为非正弦电压源，并联变流器控制为非正弦电流源。串联变流 器补偿市电部分基波电压和全部谐波电压，这样，在负载端就可以得到不含谐波电压， 且幅值恒定的正弦电压：并联变流器补偿负载无功电流及谐波电流，这样市电端就只 需输出正弦有功电流。 2 ) 串联变流器控制为正弦电流源，并联变流器控制为正弦电压源。按照这种控制 方案，市电的部分基波电压和全部谐波电压都降在串联变压器上，负载无功电流和谐 波电流由并联变流器提供 15 】。【”1 。 上述两种方案最终的控制结果都一样，即都需要串联变流器提供市电部分基波电 压和全部谐波电压，并联变流器提供载无功电流和谐波电流。但是，第一种方案的控 制指令为非正弦值，而第二种方案的控制指令为正弦值。非正弦指令值需要实时检测 及计算，随着负载特性和市电电压的变换，指令值得幅值和相位都是变化的，但是， 若采用第二种控制方案，负载和市电的变化只会引起电流源电流指令幅值的变化，电 流相位保持不变，且电压源的电压指令不需作任何变化。所以第二种控制方案更为简 单：另外，采用第二种控制方案更有利于u p s 的切换，故本文采用第二种控制方案。 此时，作为正弦电流源运行的串联变流器主要能实现三个功能： ( 1 ) ：控制输入电流( 同时控制了功率因数) ； f ! ) ：控制电池充放电； ( 3 ) ：补偿输入电压与输出电压之差； 作为正弦电压源运行的并联变流器主要能实现四个功能： ( 1 ) ：控制输出电压； ( ! ) ：给电池充放电； ( 3 1 ：补偿市电电流与负载电流之差： ( 4 ) ：市电故障时，由电池电能经并联变流器逆变后，给负载供电： 3 1 串联变流器的可选控制方案 为了将串联变流器控制成为一个相位和幅值均可调的电流源，只需将串联变流器 当成三相v s c 来控制，此时关键是控制三相v s c 输入电感电流，使其为与输入电 压基波同相的正弦电流【25 1 。对于三相v s c 来说，有两种控制方法可以实现上述控制 目的：直接电流控制和间接电流控制【4 5 1 。 3 1 1 直接电流控制【2 6 】。【3 2 l 华中科技大学硕士学位论文 凡是直接依据电流误差而给出开关驱动信号的控制方式本文称为直接电流控制方 式：而依据桥臂中点电压矢量的幅值和相位给出开关驱动信号的控制方式称为间接电 流控制方式。直接电流控制具有非常优良的动态性能。从系统控制器的结构形式划分， 直接电流控制又可以分为多种类型。由于在本文的研究过程中，只做了有关“电流滞 环控制”的实验，故本文在此只论述这一种直接电流控制类型。 滞环控制的基本原理是1 2 ”：被控制量与其给定指令值的误差作为控制信号，确定 电力变换器开关元件的开关状态，以使输入的误差在给定范围内波动。这样，可以近 似认为被控制量跟踪了其给定指令值。其示意图如图3 1 。 当滞环宽度h 很小，极限情况下。即日趋于零时， 破控制量与其给定值之间的误差被控制到近似为零，可 以近似认为被控制量与其给定值相等。当然，在实际的 应用中，为了降低开关管的开关频率，不能将h 取得 过小，控制对象不变时，h 越小，相应的开关频率就越 高，但是被控制量的纹波也就越小。一般地，在满足被 控制量的纹波要求情况下，日越大越好。 对于三相v s c 来说，按照上述滞环控制原理，很容易实现输入电流的滞环控制。 由于a b c 三相对称，故a b c 三相的三个桥臂的控制方法是相同的。在此只讨论一个 桥臂。如图3 2 。 三相v s c 的交流输入电压u s 不可控；桥臂中点电压珥可以通过开关管硒和岛 控制为m 点电压蛳或点电压u n ；m 点电压啪 高于点电压u v ，且u m - - u n = 魄；若不考虑死区， 足f 和互补开通或关断。电感上电流的正方向如 图所示，其给定指令值为k ，实际值为如，误差量 为4i s = i s s - 。 当电流误差量a 驴o ，则说明实际值小于给定指 令值，需要通过控制k ，和恐的动作来增大电流。 那么k ，和怎样动作会增大电感上的电流呢? 电 感电流和其端电压满足如下关系式 图3 - 2 单桥臂滞环控制示意图 兰上= “。一， ( 3 - 1 ) 出 可见，若电感端电压为正，则电感电流增大，且电感端电压越大，电感电流增加 越快。此时，需要增大电感电流，就必须控制u ，处于一个较低的电位，即k 关断， 局闭合，坼= “符”，。 相反若4 f 。 “。 以上分析时，取图3 一l 中4 = 0 ，为了降低开关频率，可以找到一个合适的h ，此 时，只有当4 0 h 2 或4 0 + 日2 k i2 1 1 当，： 0 ( 其中k e o ，0 5 】，k = k i 划，k 为调制强度系数)( 3 - 3 ) 二+ k 当f 0 一般的，供调制用的载波可以选择为三角波或正弦波。采用三角载波时，调制强 度系数k 不变，为一常数：采用正弦载波时，调制强度系数k 为变量，随着误差量的 变化而变化，但最大不超过同载波频率的三角载波调制时的调制强度系数。 比较式( 3 2 ) 和式( 3 3 ) ，发现二者之间相通。只不过按照式( 3 2 ) 设计的控制系统调 节速度快，调节强度大；而按照式( 3 3 ) 设计的控制系统则相对来说调节的较温和。但 是，后者却解决了开关频率的问题。 若载波周期为l 载波峰峰值为川滞环宽度) ，则设计的控制系统的最大理想可控 调节范围是 d l a g i m t l 2 m t 。按照前述设定，弘l 5 k h z = 2 1 0 。，贝u l d l z x i , i d t l 2 h ( 2 1 0 4 、= 1 0 4 , a d s 。若i d l a g ! d t l 至2 h t ，控制系统处于过调制状态，此时k 值为其最大 值o 5 ，控制系统不一定收敛，但是，随着载波频率的提高，就可以增大控制范围。 仔细分析，发现采用正弦波作为载波时，当误差较小时，由于比较点在正弦波过 零点处，此时调制强度系数k 较小，因此调制强度较三角波载波时要小，当误差较大 时，随着比较点的上移，调制强度系数k 逐