（控制理论与控制工程专业论文）基于矢量控制的三相pwm可逆整流器的研究与开发.pdf

基于矢量控制的三相p w m 可逆整流器的研究与开发 李浩光( 控制理论与控制工程) 指导教师：张加胜( 教授) 摘要 本文对电压型三相p w m 可逆整流器从工作原理、系统控制理论、 系统设计、仿真与实现等方面进行了较为系统、全面和深入的研究。 本文在总结和比较p w m 可逆整流器三个主要控制环节各种控制方 法的基础上确定了本课题的控制方案，即基于电压空问矢量p w m 的小 惯性电流跟踪( s i c t ) 控制方法。 基于三相p w m 可逆整流器在三相静止坐标系中的模型，本文推导出 了系统的控制方程，论述了系统的构成原理、参数选择和硬件方案。介 绍了电压空问矢量p w m ( s v p w m ) 的原理及实现方法。 研制了一套完整的三相p w m 可逆整流器实验系统，该系统以f 2 4 0 高性能d s p 为控制核心，适用于矢量控制及复杂运算，通过定标计算及 标么化有效的提高了系统的运算速度。 对三相p w m 可逆整流系统进行了m a t l a b 仿真以及大量实验研 究，在此基础上，实现了系统的四象限运行，交流和直流侧都达到了预 期的波形和静动态响应指标，证明了本系统方案的正确性和可行性。 关键词：p w m 可逆整流器，电压空间矢量，小惯性电流跟踪，功率因数 i i r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h r e e - p h a s ep w m r e v e r s i b l er e c t i f i e rb a s e do nv e c t o rc o n t r o l l ih a o g u a n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gj i a - s h e n g a b s t r a c t t h e p a p e ra n a l y z e st h eo p e r a t i o np r i n c i p l e ，c o n t r o lt h e o r y , s y s t e md e s i g n ， s i m u l a t i o na n dr e a l i z a t i o no ft h ev o l t a g es o u r c et h r e e p h a s ep w mr e v e r s i b l e r e c t i f i e r si 1 3 d e t a i l o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n ga n dc o m p a r i n gt h r e e - p h a s ep w m r e v e r s i b l er e c t i f i e r sc o n t r o lm e t h o d so ft h r e el o o p s s m a l l i n e r t i ac u r r e n t t r a c k i n g ( s m t ) c o n t r o lb a s e d o ns p a c ev e c t o rp w mi su s e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt o t h es y s t e mc o n t r o ls c h e m e ，t h ep a p e rp r e s e n t st h es m a l l i n e r t i ac u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o le l e m e n t s ，s y s t e mc o n f i g u r a t i o n ，p a r a m e t e r c h o i c ea n dt h eh a r d w a r e p r i n c i p l ea n dr e a l i z i n gm e t h o do fv o l t a g es p a c e v e c t o rp w m ( s v p w m ) i se x p e l l e di nt h ep a p e r t h ew h o l es i m u l a t i o n m o d u l eo fc o n t r o ls y s t e mi sb u i l tu pu n d e rt h ep o w e rm a t l a b s i m u l i n k p l a t f o r m a tl a s tav o l t a g es o u r c et h r e e p h a s ep w mr e v e r s i b l e r e c t i f i e ri s d e v e l o p e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h e s i sr e c t i f i e rr e a l i z e st h e f u n c t i o no fb i d i r e c t i o n a le n e r g yf l o w , h i g hp o w e rf a c t o r a n da l m o s t u n d i s t o r t e ds i n u s o i d a lc u r r e n t ，w h i c hp r o v e st h a tt h es c h e m ei s v a l i da n d f e a s i b l e k e yw o r d s ：p w mr e v e r s i b l er e c t i f i e gv o l t a g es p a c ev e c t o ls m a l li n e r t i a c u r r e n tt r a c k i n g ，p o w e rf a c t o r i i i 独创性声明 本人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过的研究成果，也不包含为获得石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名：左堑整抛年岁月) 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，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。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 扇髟 髯炉 2 6 年 伽6 年 岁月 ； 窍 ”目 f 3日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 第1 章前言 1 1 电网谐波的产生及其危害 在正常的电力系统中，电压和电流应是工频下的正弦波。但是在实 际的电力系统运行中，由于非线性负载的影响，实际的电网电压和电流 波形总是存在不同程度的非正弦畸变，对电力输配系统及附近其它的电 气设备带来许多问题，因而目前在许多国家都己制定了相应的管理规范， 以限制波形失真的大小1 1 】。 1 1 1 谐波的产生【3 】【4 】 产生谐波的原因，主要在于电力系统中存在着大量非线性元件。因 此，即使电力系统中电源的电压为正弦波，但由于电力系统中非线性元 件的存在，系统中和用户处的线路总有高次谐波的电流和电压产生。 产生高次谐波的元件很多，如交流电动机、电焊机、电石炉、变压 器和感应电炉等，化工行业的高频炉、电解设备，钢铁行业的大型轧钢 机、铁道部门的电力机车、电车公司的整流站等，家用电器如电视机、 录像机等，其中谐波污染最为严重的是大型的整流装置。 整流装置是电力系统中最主要的谐波源。电力系统中使用的整流设 备很多，如化工、冶金行业的整流设备和各种调速、调压设备以及电力 机车。传统的整流装置通常采用二极管整流或者相控整流方式。采用二 极管整流方式的整流器从电网吸收畸变电流，造成电网的谐波污染，而 且直流侧的能量无法回馈到电网中去。而采用相控整流方式虽然可以回 馈能量，但是在深度相控下，交流侧的功率因数很低，因换流引起电网 电压波形畸变等缺点。这些整流装置从电网汲取电流的非线性特性，给 周围用电设备和公用电网都会带来不利的影响。 三相六脉动整流负荷电路在理想情况下( 整流阻抗为0 ，控制角为 o ) ，整流变压器初级电流为阶梯方波，傅立叶级数展开式为： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 f = 2 4 31 ( s i n 研一三s i n 5 f + 一1s i n 7 研一2 s i n l l 甜+ 一1s i n 棚f + ) 万 一 57l l1 3 在式中，。指的是直流输出电流。从上式可以看出，除向电网吸收基波 电流外，尚有5 、7 、1 1 、1 3 等次的谐波。负号表示与基波电流方向相反， 即该次谐波电流由装置向电网注入。 1 1 2 谐波的危害【1 l 谐波是电网的公害，它使电气设备的用电环境恶化，其影响波及到 电网的各个角落，主要表现如下： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、 输电及用电设备的效率，在三相四线制系统中，大量的3 次谐波形成的零 序电流，在中性线上相互叠加，导致中性线电流过大会使线路过热甚至 发生火灾。 ( 2 ) 谐波使电动机产生附加损耗、温升增高、输出功率下降，谐波力 矩引起电动机振动与噪声，造成过载能力、效率及功率因数等指标全面 下降。 ( 3 ) 谐波容易引起电网及用于无功功率补偿的并联电容器发生并联或 串联谐振。谐振会使谐波电流放大几倍甚至几十倍，导致电容器和与之 串联的电抗器烧毁，还会危害附近的其他电气设备。 ( 4 ) 谐波电压与谐波磁通引起变压器损耗增大、温升增高，还会引起 局部严重过热。 ( 5 ) 谐波使电力电容器、电力电缆的介质损耗急剧增加，不但加速绝 缘老化，也可发生过电压击穿及短路过热烧毁。 ( 6 ) 谐波可引起保护继电器或控制继电器误动或滞动，引起计量仪表 与检测仪表误差增大，影响自动化仪表与自动调节系统不能正常工作， 甚至造成系统失控。 ( 7 ) 谐波会对邻近的通信系统产生静电干扰和电磁干扰，轻者产生噪 声，降低通话的清晰度，严重时会引起信号丢失，使通信系统无法工作。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 1 3 谐波的抑制 抑制电子电子装置产生的谐波主要有两种方法，一种是进行谐波补 偿，即设置谐波补偿装置，使输入电流变成正弦波。另一种方法就是对整流 器本身进行改进，使其尽量不产生谐波，且电流和电压同相位。 传统的谐波补偿装置是采用l c 调谐滤波器，它既可以补偿谐波，又 可以补偿无功功率。其缺点是，补偿特性易受电网阻抗和运行状态影响， 易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使l c 滤波器过载甚至烧毁。 此外，它只能补偿固定频率的谐波，效果也不够理想。电力电子器件普 及以后，运用有源电力滤波器进行谐波补偿成为重要方向。其原理是， 从补偿对象中检测出谐波电流，然后产生一个与谐波电流大小相等而极 性相反的补偿电流，从而使电网电流只含有基波分量。这种滤波器能对 频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影 响。它已得到人们的重视，并将逐步推广应用。 另一种方法就是通过改变装置主电路的拓扑结构和控制来改变非线 性或时变负载的特性，使之只从电网吸收正弦电流，或者说从电网侧看 负载侧可以等效为线性负载。对于作为主要谐波怨的电力电子装置来说， 需要开发新型的变流器，使其不产生谐波，且功率因数为l 。大容量变 流器提高功率因数和减少谐波的主要方法是采用多重化技术。多重化技 术就是通过方波电压的叠加使交流器在交流侧产生的电压接近正弦的阶 梯波，且与电源电压保持适当的相位关系，从而使输入电流为与电网电 压同相位的正弦波，从而消除次数较低的谐波。 几千瓦到几百千瓦的中等容量的单位功率因数变流器主要采用 p w m 整流技术，一般需要自关断器件。对电流型整流器，可以直接对各 个电力半导体器件的通断进行p w m 调制，使输入电流为接近正弦且与 电网电压同相的p w m 波形，从而使功率因数接近1 ：对于电压型整流器， 需要将电抗器与电源相连，通过对所采集的电压进行处理得到一定的数 据，然后对电力半导体进行p w m 调制，从而实现对整流器网侧的电流 波形和相位的控制，这样使输入的电流接近正弦波，相位与电压相位一 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 致。这两种控制方式都可以实现能量的双向流动，使功率因数接近1 或 一l 。 小容量的整流器为实现单位功率因数，除采用p w m 整流外，还可 以采用二极管加p w m 斩波的方式，常被称为功率因数矫正。 1 2p w m 可逆整流器的应用 p w m 可逆整流器作为一种高功率因数整流器，与其他类型的交一直 整流装置相比，具有如下优点： 1 对于电网侧来说，通过p w m 可逆整流器的控制，可以使电网电 流波形接近于正弦，电网功率因数接近1 ，提高电网电能的利用率，减 少电网的谐波污染。 2 在直流侧，当电网的电压或者负荷发生改变的时候，可以保持直 流中间电压的稳定，而且p w m 可逆整流器可以实现能量的双向流动， 将直流侧的再生能量回馈至电网，节约电能。 p w m 可逆整流器的典型应用是与三相逆变器级联，构成三相异步电 动机交一直一交变频调速系统。为实现电动机的四象限运行，必须在逆变 器直流侧加装耗能或馈能装置，这主要是由于常规的电压型逆变器交流 电动机驱动系统采用了交一直一交拓扑结构，而整流环节大都采用了二 极管整流器，因而无法实现电能回馈，并且将给电网造成一定的谐波污染， 若将p w m 整流器取代二极管整流器，不仅可以实现交流电动机的四象限 运行，以及网侧单位功率因数正弦波电流控制，还可使直流侧获得足够高 且稳定的直流电压，从而改善了电动机的驱动性能。另一方面通过引入适 当的控制方法，还可以大大减小直流侧电容的电容量，提高装置运行的可 靠性。 p w m 可逆整流器还可以与无源l c 环节并联构成并联型有源电力滤 波器。这种混合的并联型电力滤波器利用l c 滤波器以及p w m 可逆整流 器共同起到电网的谐波抑制及无功补偿的作用，从而有利于提高系统的 性价比。一般而言，希望l c 滤波器承担大部分谐波和无功补偿的任务， 而利用p w m 可逆整流器的作用改善系统性能，这样可在满足补偿要求 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 的同时，大大降低有源滤波器的容量，从而降低系统造价。 并联型有源电力滤波器网侧实质上可以看成一个等效的可控电流 源，它产生一个与被补偿量的数值相等，且相位相反的补偿电流，并注 入电网，这样电网电流即获得所需功率因数角的正弦波电流，以达到有 源滤波及无功补偿的目的。此时系统既实现了对电网的有源滤波同时也 补偿了无功。 p w m 可逆整流器不仅可以使用在电气传动及有源电力滤波上，还可 以用在统一潮流控制、超导储能、高压直流输电、新型u p s 及太阳能、 风能等可再生能源的并网发电方面【3 】o 1 3p w m 可逆整流器的研究概况 p w m 可逆整流器的研究始于2 0 世纪8 0 年代，这一时期由于自关断 器件的日趋成熟及应用，推动了p w m 技术的应用和研究。1 9 8 2 年b u s s e a l f r e d 、h o l t zj o a n c h i m 首先提出了基于可关断器件的三相全桥p w m 整 流器拓扑结构及其网侧电流幅相控制策略，并实现了电流型p w m 整流 器网侧单位功率因数正弦波电流控制。1 9 8 4 年a k a g ih i r o f u m i 等提出了 基于p w m 可逆整流器拓扑结构的无功补偿控制策略，这实际上就是电 压型p w m 可逆整流器早期的设计思想。到了2 0 世纪8 0 年代末，随着 基于坐标变换的p w m 整流器连续、离散动态数学模型及控制策略，p w m 整流器的研究发展到了一个新的高度。 自2 0 世纪9 0 年代以来，p w m 可逆整流器一直是学术界关注和研究 的热点。随着研究的深入，基于p w m 整流器拓扑结构及控制的拓展， 相关的应用研究也发展起来，如有源滤波器、超导储能、交流传动、高 压直流输电以及统一潮流控制等。这些应用技术的研究，又促进了p w m 可逆整流器及其控制技术的进步和完善。 i 3 1p w m 可逆整流器的拓扑结构 p w m 可逆整流器的主电路拓扑结构根据其输出特性可划分为电压 源型变流器与电流源型变流器两种： 1 电压型p w m 可逆整流器电路拓扑结构p 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 电压型p w m 可逆整流器电路最显著的拓扑特征就是直流侧采用电 容进行直流储能，从而使整流器的直流侧呈现出低阻抗的电压源特性。 图1 1 单相全桥p w m 可逆整流器图1 - 2 三相p w m 可逆整流器 图1 1 所示为双半桥构成的单相p w m 可逆整流器，也可以由三相半 桥构成三相可逆整流器，见图1 2 ，每个桥臂上的可关断开关管都有反并 联二极管，每只开关管的导通作用，一般都是使交流侧滤波电感。蓄积 磁能，而在开关管关断时，迫使电感产生较高的自感电压l 。d i d t ，通过 另一桥臂的续流二极管向直流侧释放磁能。因此，从广义上讲，这种桥 式p w m 可逆整流电路拓扑，仍属于升压式结构。其启动运行的先决条 件是直流侧滤波电容须预先充电到接近交流输入电压峰值，而且欲使电 感电流能按照给定的波形和相位得到控制，必须保证p w m 可逆整流器 在运行过程中，直流侧电压不低予交流输入电压峰值，否则，续流二极 管将以传统的整流方式运行，电感电流不完全可控【2 1 。 电压型p w m 可逆整流器的特点是结构简单而且易于实现有源逆变， 因而是目前应用和研究最为活跃的一种类型。随着高频可关断功率器件 的技术进步和自动控制系统的不断完善，交流侧滤波电感和直流侧滤波 电容参数都可望大幅减小。 2 三点式p w m 可逆整流器【3 】 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 上述的电压型p w m 可逆整流电路拓扑结构属于两电平拓扑结构， 这样它们的交流侧输出电压总是在两电平切换，电压不能太高，而且当 开关频率不太高时，导致谐波含量较大。为了解决这个问题，设计了具 有中点嵌位的三电平p w m 可逆整流器，常采用的拓扑结构是图1 3 所 示的三点式电路。 图1 - 3 三点式p w m 可逆整流电路拓扑结构 在这种拓扑结构中，由多个功率开关管串联使用，并采用二极管嵌 位，以获得交流输出电压的三电平调制。三点式p w m 可逆整流器的主 要优点，一是对于同样的基波和谐波要求而言，开关频率低的多，从而 可以大幅度降低开关损耗：二是每个开关管关断时所承受的电压仅为直 流侧电压的一半，因此这种电路所需要的功率开关管特别适合于高电压 大容量的应用场合，从图1 3 中可以看出，三电平电路所需的功率开关 管与两电平电路相比成倍增加，而且控制也相对复杂，这是这种电路的 不足。 3 电流型p w m 可逆整流器电路l z l 电流型p w m 可逆整流器实际上是降压式( b u c k ) p w m 可逆整流器 电路，它的一个突出优点是可以克服升压式p w m 可逆整流电路直流侧 电压要求较高的缺点，适合于低直流电压的应用场合，其常见的拓扑结 构有单相、三相两种，分别如图1 4 和图1 5 所示。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 图1 - 4 电流型单相桥式图1 5电流型三相桥式 p w m 整流器电路p w m 整流电路 1 3 2p w m 整流控制技术的发展趋势 p w m 整流器的发展与电力电子技术、控制理论、微处理器等技术的 发展紧密相关，根据国内外研究的现状可以归纳出以下几个发展趋势： ( 1 ) 高频化，提高变流器的开关频率可以显著降低交流输入电流的谐波畸 变率，由此降低对电网谐波的影响，同时提高开关频率，还可以减少装 置中无源元件的体积和容量，有利于提高系统动态响应速度，从而提高 系统的整体性能和可靠性。 ( 2 ) 降低开关损耗，伴随着高频化的趋势，系统开关损耗随之增加。开关 损耗的增加导致系统效率降低、散热器体积增大和系统可靠性降低。为 此，除了提高器件开关速度以降低开关损耗，还必须寻找新的控制方法 以降低系统的开关损耗。 ( 3 ) 减小电网电压不平衡和谐波畸变对p w m 整流器性能的影响。目前对 p w m 变流器的设计多数是将电网电压假设为完全理想的，即电网电压为 三相对称平衡的正弦电压，实际上由于电网中非线性负载的影响，p w m 整流器的输入电压可能是畸变的和不对称的，如何减小电网电压非理想 对变流器造成的影响，及如何在这种非理想的电压情况下，对p w m 变 流器进行设计是今后值得研究的一个重要方面。 ( 4 ) 多电平p w m 变流器的研究，在大功率场合采用三电平或多电平变流 器结构可以在保证电源电流控制精度的前提下显著降低器件开关频率。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 4 本论文的主要内容 通过深入了解p w m 可逆变流器的应用、发展和研究现状，本论文 就三相p w m 可逆整流器提出了一种以t m s 3 2 0 f 2 4 0 高性能d s p 为控制 核心的方案。论文主要从以下几个方面对p w m 可逆整流器进行研究： 1 p w m 可逆整流器的理论基础 论文首先分析了p w m 可逆整流器半桥单元电路的工作原理。进而建 立三相p w m 可逆整流器的在三相两相静止坐标系下的数学模型，并以此 为基础，介绍了p w m 整流电路控制的三个主要环节及其实现方法，从中选 择一种适合本课题的控制策略，并且对其进行详细的理论分析，为控制系 统设计和仿真等奠定了理论基础。 2 p w m 可逆整流器的系统实现 三相p w m 可逆整流器控制系统主要由电压控制器、电流控制和开 关逻辑控制三个环节组成，以t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 控制器为控制核心。本 文分析了d s p 控制系统的硬件构成原理及特点，其中着重介绍了空间矢 量p w m ( s v p w m ) 的原理及s v p w m 的实现方法。并且以理论为基础， 对课题所需要的设备进行了参数计算。介绍了三相p w m 可逆整流器系 统外围的交、直流电压、输入电流和同步信号的检测与调理电路，同时 说明了电路原理和工作特点。 3 电压控制器的设计及系统仿真 在三相p w m 可逆整流器理论分析的基础上，对电压控制器进行了 设计。并且以三相p w m 可逆整流器为对象，运用m a t l a b s i m u l i n k 搭建系统的仿真模型，对系统的控制方案进行了仿真，证明了控制方案 的可行性。 4 系统软件的设计、调试及实验结果 本文选用t i 公司生产的1 6 位定点型d s p 控制器t m s 3 2 0 f 2 4 0 为控 制核心( 简称f 2 4 0 ) ，讨论了系统数字化实现的方法，其中涉及了d s p 控制器如何进行定点运算、标么化处理、s v p w m 算法以及软件流程等 内容。介绍了实验系统的组成，给出并分析了实验结果。最后总结全文 得出结论，并对后续的内容做了展望。 9 中国石油- 人学( 华东) 硕士论文第2 章p w l l 【可逆整流器的建模理论及控制方法 第2 章p w m 可逆整流器的建模理论及控制方法 2 1p w m 可逆整流器的工作原理嘲4 1 p w m 可逆整流电路可分为电压型和电流型两大类，目前研究和应用 最多的是电压型p w m 整流电路，因此这里主要介绍电压型p w m 整流 电路的工作原理。 a ) 单相半桥电路b ) 单相全挢电路 图2 1 单相p w m 可逆整流电路 2 1 1 单相p w 8 可逆整流电路 图2 1 a 和b 分别为单相半桥和单相全桥p w m 整流电路。对于半桥 来说，直流侧电容必须由两个电容串联，其中点和交流电源相连接，对 于单相全桥电路，直流侧只要一个电容就可以了，在图2 1 b 中，使用的 是两个电容。交流侧电感l 。包括外接电抗器和交流电源内部的电感，这 是电路正常工作所必需的。电阻r s 包括外接电抗器中的电阻和交流电源 的内阻。 下面我们通过一个单相桥式电路来说明可逆整流器的工作原理。由 s p w m 逆变电路的工作原理可知，按照正弦信号和三角波相比较的方法 对图2 1 中单相全桥电路中的四个开关管v 1 v 2 v 3 v 4 进行s p w m 控制， 就可以在桥的输入端a b 产生一个s p w m 波g a b ，n a b 中含有和正弦信号 波同频率且幅值成比例的基波分量，以及和三角载波有关的频率很高的 谐波，而不含有低次谐波。由于电感l 。的滤波作用，高次谐波电压只会 o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章p w m 可逆整流器的建模理论及控制方法 使交流电流厶也为与电源频率相同的正弦波。这样，可逆整流器可以等 效为一个交流电源，其等效电路如图2 2 所示，对应的向量图如图2 - 3 所示【2 】【17 1 。 图2 - 2 基波等效电路图2 - 3 相量关系图 由向量图2 3 可知： e l = i | ( r i + j w l | ) + u 一般在系统中的风值都较小，因此可以忽 略不计，上式可写为 e i = j w l 。j i + u 忽略心后的向量图如图2 4 所示。当j ，工作于 第一、二象限时，c o s 口 0 ，p w m 可逆整流器 工作于整流状态，此时d a b 滞后于t ，若当j ， 工作于第三、四象限，c o s o 时，由v 2 ，d 。，d ，l ，和v 3 ，d ”d 。，l ，分别组成两 个升压斩波电路。以包括v ，的升压斩波电路为例，当v ，导通时，e s 通过 v ：、d 。向l ，储能，当v 2 关断时，l ，中的储存的能量通过d 。，d 。向直流 测电容c 充电。当e ， 0 时类似。因为电路按升压斩波电路工作， 所以如果控制不当，直流侧电压可能比交流电压峰值高出许多倍，对电 力半导体形成威胁。另一方面，如果直流侧电压过低，例如低于e s 峰值， 贝1 j u a b 就得不到图2 - 3 中所需要的足够高的基波电压幅值，或者甜a b 中含 有较大的低次谐波，这样就不能按照需要控制f 。，i s 波形发生畸变。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章p t n 可逆整流器的建摸理论及控制方法 从上面的分析可以看出，电压型p w m 整流电路是升压型整流电路， 其输出直流电压可以从交流电源电压峰值附近向高调节，如果向低调节 就会使电路性能恶化，以致不能工作。因此，为使p w l v l 可逆整流器正 常工作，其直流侧电压必须控制在一定的范围内，否则p w l v l 整流电路 不能正常工作。 2 1 2 三相p w m 可逆整流器 图2 6 是三相桥式p w m 可逆 整流电路，这是最基本的p w l v l 整 流电路之一，其应用也最为广泛。 在图中，矗。的含义和单相全桥 p w m 整流电路中符号的含义完全图2 - 6 三相p w m 可逆整流电路 相同，电路的工作原理也和单相全桥p w m 整流电路相同，只是从单相 扩展到三相。对电路进s v p w m 控制，在桥的a 、b 、c 点可得到s v p w m 电压，对各相电压按照图2 5 的相量图进行控制，就可以使各相电流为 正弦波且和电压相位相同，功率因数近似为l 。和单相电路相同，该电 路也可以运行在逆变运行状态，将能量从直流侧回馈到交流侧。 2 2 电压型p w m 可逆整流器的数学模型o 图2 7 所示为三相 p w m 可逆整流器的主电路 拓扑结构图。图中p 。，p 。为 电网电动势，i 。，i o 为交流 输入电流，u 。，u ，u 。为整 流器桥臂中点对0 点的电 压，玑。为直流母线电压，d 。 n 直流侧负载电流，图中n图2 - 7 电压型p w m 可逆整流器电路拓扑结构 点对0 点的电压为u 。，l 。为交流侧电感，r 。为回路等效电阻，c d 为 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章p 踟可逆整流器的建模理论及控制方法 直流侧滤波电容，z 。为直流侧负载等效阻抗。各电压电流量均为瞬时值， 正方向如图所示。 为简化起见先做如下假设： ( 1 ) 交流三相电网为三相平稳的纯正弦的理想电压源，即三相电 网电压对称、稳定、内阻为零： ( 2 ) 三相回路等效电阻相等，均为r ，各相电感相等，均为l 。： ( 3 ) 忽略开关器件的导通压降和开关损耗； ( 4 ) 忽略分布参数的影响 2 2 1 三相静止坐标系( a b c 坐标系) 下的数学模型 定义三相可逆整流器桥臂开关函数墨，s 。，& 为： 最= ：圭纂喜喜耋：；霎喜羹錾c 七= a ，b 瑚 c z ，、 i o 上桥臂导通，下桥臂关断“” ” 取电网的中点为零电位，根据基尔霍夫电压定律，对a , b ，c 三相有如 下方程： jp 。= r ，a + l ，p f 。+ s a u d c + u n o e b = r 5 i b + l i p i b + s b u d 。+ 【，n o( 2 - 2 ) 【e 。= r ，+ l 。p i 。- i - - 叉u d 。+ u n o 其中p 代表微分算子卅斫。又根据基尔霍夫定律，可得 c d + p ( ，d c = s 。i a + s b i b + 疋i o i d 。( 2 - 3 ) 在三相平衡无中线系统中，有 弦- b e b + e c 。0 ( 2 - 4 ) 0 【+ 乇+ 乇= 将方程组( 2 3 ) 中的三式相加，可得： u 。= 一半s k ( 2 5 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章p 树可逆整流器的建模理论及控制方法 将式( 2 - 5 ) 代入式( 2 2 ) 中，并结合式( 2 4 ) ，可得到三相静止坐标系下 p w m 可逆整流器的数学模型表达式。 e 。= r 。f 。+ l ，p i 。+ s 。u 扩o _ d e s t o k = a ，b ，c = r ，f b + l ，p i b + s b u d c 一_ ( jd e s i ( 2 7 ) o k = a b o p 。= r 。i 。+ l ，p i 。+ s 。u d c 一_ ud e s c d p u d c = s 。i 4 + s b i b + s c i 。一i d c 用矩阵形式表示为 z p x = a x + z f 其中z = l 。0 00 0 l ，0 0 00 l 。0 000 c d d p 。石 x = 【f a i bi 。u 。1 t a = 一r ， 0 0 s 。 甜= k 0 一r ， 0 s b e 。 。一( s a - 喜。娶， o 一( s b i 1z s t ) ok = a b c - r s 一( 瓯一奄z s t ) 瓯0 一厶。】7 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 t o ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 一1 3 ) 当变流器的开关频率远大于电网频率时，式( 2 1 2 ) 中的开关函数毋 可以用上桥臂的p w m 脉冲在一个控制周期内的占空比以( 七= a ，b ，c ) 代 替，则式( 2 8 ) 中的系数矩阵爿变为： 1 5 主堕互垫奎堂! 竺垄! 堡主鲨奎 笙! 兰! 翌里垄墼鎏墨竺垄堡里笙垦丝型查查 a = 一r 。0 0 0 一r ：0 00 一r 。 s 。 s b 一( d 。一 d 。) j k = a 。b c 一( d b - 以) o i t ab j 一喊一寻疵) j z 1 b ，c 0 ( 2 - 1 4 ) 从而得到一个p w m 控制周期内的平均数学模型，当p w m 控制周期趋 于零，即变流器开关器件的开关频率趋向于无穷时，得到变流器的连续 数学模型。 2 ，2 2 两相静止坐标系( n 一0 坐标系) 下的数学模型 采用坐标变换，可以得到三相p w m 可逆整流器在两相静止坐标系 ( a b ) 下的数学模型，采用等效功率变换方式，变换矩阵。为： ， m c5 亏 - 一三一丢 。粤一了4 5 ( 2 1 5 ) 7 易，。称为3 2 变换【5 1 矩阵。对式( 2 - 8 ) 进行3 2 变换，可得到p 坐标 系下的数学模型表达式。 z p x = 似+ “ ( 2 - 1 6 ) 其中， z = d i a g l l ，l ，c d ( 2 1 7 ) x = i 。，珞，u 。j f r 。0 一d 。1 爿= l o r ；一叱i l d 。办0 j ( 2 - 1 9 ) ( 2 1 9 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章p w m 可逆整流器的建模理论及控制方法 “= ke 口一i d 。】 k 。r = 。p 。e be 。i t k r = 似 f ai 。f c r k ：d 囊= t 邛恤ad bd 0 在d 坐标系下定义如下合成矢量： 电网电压空间矢量巨： e l = e 口+ j e 8 电网输入电流空间矢量，。： i s = i 。+ j i b 开关函数矢量五： d = d ，+ j d8 ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 s ) ( 2 2 6 ) 整流器桥臂中点电压矢量： - 4 *+ u i = d u kp 2 7 ) 以上各式中，为虚数单位。在n p 坐标系下矢量表示的整流器数学模型 表达式为： - 呻呻- l t p l , + r s l j 二u + 巨( 2 - 2 8 )- 【c d p u d o = d ，s i d 。 用口，轴分量表示为： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章p 硼可逆整流器的建模理论及控制方法 l 。p + r ，f 。= 一u a 。以+ p 。 l 。p + r ，1 o = - u d c d 卢+ p 口 ( 2 - 2 9 ) c a p = 吾( 屯丸+ i p d p ) 。 根据式( 2 2 9 ) 画出p w m 可逆整流器的数学模型如图2 8 所示。 图2 - 8 两相静止坐标系下p w m 可逆整流器的数学模型 2 3p w m 可逆整流器的控制 目前，对三相p w m 可逆整流器的控制问题，主要集中于三个方面， 即直流侧电压的控制，交流侧电流的控制以及p w m 控制信号的产生。 2 3 1 直流电压控制 将采样反馈的直流电压与给定参考电压比较，差值作为电压调节器 的输入，输出作为交流电流的幅值给定，这是直流电压控制的基本结构。 为了改善电压控制器的响应特性，有些文献加入了电流前馈控制。电压 控制器的调节算法，目前还是以传统的p i 居多，少数文献提出了神经元 预测控制算法和采用d s p 快速实时处理，但系统过于复杂，与它所换取 的控制效果改善程度很不相称。采用p i 调节器的直流侧电压控制框图如 图2 9 所示。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章p 啊可逆整流器的建摸理论及控制方法 图2 9 采用p i 调节器的直流侧电压控制框图 2 3 2 交流电流控制 常规的电压型p w m 可逆整流器控制系统一般采用双闭环控制，即 电压外环控制和电流内环控制，电流控制动态性能直接影响变流器电压 外环控制性能，根据是否选取输入电流作为反馈电流和控制电流，目前 p w m 可逆整流器交流电流控制技术主要分为两大类，即间接电流控制和 直接电流控制。 1 问接电流控制【1 1 】 间接电流控制又称为幅相控制，它通过调节整流器桥臂中点电压的 幅值和楣位以达到控制输入电流的目的，其电流控制依据整流器稳态空 间矢量图或向量图，根据稳态电流向量的给定、整流器桥臂中点电压向 量的幅值和相位，分别进行闭环控制。间接电流控制的控制系统结构如 图2 1 0 所示。控制系统的闭环是整流器直流侧的电压调节器，p i 调节器 的输出为直流电流指令信号，。，。的大小和整流器交流输入电流的幅值 成正比。稳态时，砜。= u 孟，p i 调节器输入为零，p i 调节器输出。和整 流器负载电流大小相对应，也和整流器交流输入电流的幅值相对应。当 负载电流增大时，直流测电容c 放电，此时直流侧电压u 。下降，p i 调节 器的输入端出现正偏差，使其输出，。增大，。的增大会使整流器的交流 输入电流增大，也使直流侧电压瓯。回升。重新回到稳态时，乩。= u ；o 。 p i 调节器输入仍为零，而，。稳定在一个新的较大值。当负载电流减小时， 调节过程与上述过程相反。若整流器要从整流运行状态变为逆变运行状 态，首先是负载电流反向并向直流侧电容充电，使u 。抬高，p i 调节器出 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章p w m 可逆整流器的建模理论及控制方法 现负偏差，其输出，。减小后变为负稳态时，u 。= u 二，p i 调节器输入恢 复到零，其输出，。为负值，并与逆变电流的大小相对应。 图2 1 0 间接电流控制框图 下面分析控制系统中其余部分的工作原理。图中的两个乘法器均为 三相乘法器的简单表示，实际上两者均由三个单相乘法器组成。上面的 乘法器是，。分别乘以和三相电源相电压同相位的单位正弦信号，再乘以 电阻r 就可以得到各相电流在r ，上的压降“r a ，i 。，u 。：下面的乘法器是 ，。分别乘以超前三相相电压相位9 0 。的余弦信号，再乘以电感的感抗上， 就可以得到各相电流在电感l 。上的压降钆，“。，甜。各相电源相电压 e ae 。，p 。分别减去前面求得的在电阻r ，和电感l ；上的压降，就可以得到 所需要的桥臂中点的三相输入电压的给定信号u a ，u 二，u ：，用该信号对 三角载波进行调制，得到p w m 开关信号去控制整流桥，就可以得到所需 要的控制效果。 间接电流控制的主要优点是不需要电流互感器，控制成本低，电路 简单，易实现，静态特性好。但它也存在几个方面的缺陷：一是对交流 器桥臂中点电压向量的幅值与相位以两个闭环分别控制，加之通常出于 系统稳定性的考虑，两个闭环的响应速度差别较大，幅值和相位响应速 度不同步，难以保证系统具有良好的动态特性；二是从稳态向量关系出 发进行电流控制，其前提条件是电网电压不发生畸变，而实际上由于电 2 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章p 硼可逆整流器的建模理论及控制方法 网内阻的存在，负载的变化及各种非线性负载等扰动，尤其是在瞬态过 程中，电网波形的畸变，会直接影响控制系统的效果：三是由于不检测 交流电流，自身无限流功能，需要有过流保护电路，而且输入电流在动 态过程中可能有直流偏置。 2 直接电流控制【3 3 i 相对于间接电流控制，直接电流控制以快速电流反馈控制为特征， 使系统动态性能明显改善。比较常见的有电流滞环控制和固定频率型电 流追踪控制两种方式。这类直接电流控制可以获得较高品质的电流响应， 但控制结构和算法较间接电流控制复杂。滞环电流控制框图如图2 i l 所 示，这是一个双闭环结构，其外环是直流电压反馈控制环，工作原理与 间接电流控制相同。内环是交流电流反馈控制环，将电压p i 调节器输出 电流幅值指令，。乘以与电源电压的同相位的正弦信号后，得到交流的电 流指令，将它与实际检测到的电流信号，i o 进行比较，当电流 图2 1 1 滞环电流控制框图 误差大于指定的环宽时，滞环比较器产生相应的开关信号来控制整流器 增大或减小输入电流，使其重新回到滞环内。这样，使实际电流围绕着 指令电流曲线上下变化，并且始终保持在一个滞环带中。滞环宽度越小， 交流电流波形越接近正弦，其p w m 脉冲的频率也会越高。 采用滞环电流控制的优点是：交流电流的畸变可以始终保持在一个 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章p w m 可逆整流器的建模理论及控制方法 给定的容差范围内，而不受电网电压波动和负载变化的影响。由于直接 调节交流电流，系统具有快速的响应特性：控制运算中没有使用电路参 数，对电路参数的变化不敏感。系统的鲁棒性好；控制系统结构简单， 用模拟器件很容易实现。 滞环电流控制的主要问题在于，由于这种方法的滞环宽度一般不固 定，p w m 整流器开关状态的转换时刻是由交流电流决定的，因此平均开 关频率随直流侧负载电流的变化而变化。重载时，开关频率显著增加， 瞬间开关频率可能更高，使得开关器件的应力过大。人们提出了不少改 进方法，如采用滞环宽度变化或自适应调节来得到大致固定的开关频率。 此外还有同步p i 解耦控制，状态反馈控制，小惯性电流跟踪控制 ( s i c t ) ，变结构控制等控制方式，三相电压源变流器的控制是研究的一 个热点问题之一，相信以后会有更好的控制方式被提出。 2 3 3 开关逻辑控制 从开关逻辑形成的角度讲，这里主要介绍两种方法，即正弦脉宽调 常t j ( s p w m ) 和空间矢量脉宽调带i ( s v p w m ) 。 1 正弦脉宽调带i ( s p w m ) 法 这是一种最基本的调制方法，这种方法脉冲宽度按正弦规律变化， 概念较清晰。当载频足够高时具有很好的谐波抑制特性，适用于i g b t 、 m o s f e t 等快速器件构成的电路。早期的s p w m 使用模拟器件系统的元 件过多，控制电路复杂，精度也难以保证。随着微处理器的快速发展， 数字化s p w m 发展迅速，典型的有自然采样法和规则采样法，自然采样 法可以反映控制规律，但是脉冲宽度是一个超越方程，需要计算机迭代 求解，在线计算比较困难，规则采样法是自