（电力电子与电力传动专业论文）基于三相pwm变换器的蓄电池放电装置研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u r i n g t h e p r o d u c t i n ga n du s i n g o f s t o r a g eb a t t e r y , i ti sn e c e s s a r yt od i s c h a r g es t o r a g e b a t t e r y t oe n s u r eg o o d p e r f o r m a n c eo f t h eb a t t e r ya n ds e c u r i t yo f s y s t e m t h e d e v i c ew h i c h u s e sr e s i s t o r st od e p l e t et h ee n e r g yo f b a t t e r yh a sah i g ht e m p e r a t u r e r i s ea n db a ds e c u r i t y , a n di se n e r g y - w a s t i n ga n dp o n d e r o u s t r a n s f e r r i n gt h ee n e r g yi n t ot h ep u b l i cu t i l i t y , t h e d e v i c eh a sal o wt e m p e r a t u r e r i s ea n dl a j 【g h r e l i a b i l i t y , a n di se n e r g y - s a v i n g ，a n ds m a l l t h e r e f o r ed e t a i l e ds t u d yi sm a d ei nt h i sp a p e ro nt h eb a t t e r y d i s c h a r g i n gd e v i c eb a s e do n t h r e e - p h a s ep w mv o l t a g e s o u r c e c o n v e r t e r r v s c ) 1 1 l em a t h e m a t i cm o d e lo ft h et h r e e p h a s ep w mv s ci ss e tu pb a s e do ns w i t c h i n g f u n c t i o n c o n c e p t ，u s i n g c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nt oc o n v e r t t h r e e - p h a s e b a l a n c ea c v a r i a b l e st ot w o - p h a s ed ev a r i a b l e ss i m p l i f i e st h em a t h e m a t i cm o d e l ，a n du s i n gs t a t e s p a c e a v e r a g i n gm e t h o dt oe l i m i n a t et h ed i s c o n t i n u i t yo ft h es w i t c h i n gf u n c t i o n s ，t h em o d e li s t h e nf u r t h e r s i m p l i f i e d b a s e d o nt h e p o w e rb a l a n c ec o n c e p t ，m a t h e m a t i c m o d e lo f d i s c h a r g i n gc u r r e n ti ss e tu p ，a n dt h el i n e a r i z e ds m a l ls i g n a lm o d e l i st h e no b t a i n e du s i n g s m a l l p e r t u r b a t i o na n a l y s i sm e t h o d n ef u n d a m e n t a la n d i m p l e m e n t a t i o n o fv o l t a g e s p a c e - v e c t o r m o d u l a t i o na r e p r e s e n t e d t h em a t h e m a t i cm o d e lo fp w mv s ci ns y n c h r o n o u sr o t a t i n gf l a m ei s a m u l t i i n p u t m u l t i - o u t p u ts y s t e m ，a n dt h e r ee x i s t si n t e r a c t i o nb e t w e e n d - a n d q - a x i se t a r e n t t h eu s eo f c o m p l e x n o t a t i o ns i m p l i f i e st h em o d e lf r o ma m u l t i - i n p u t m u l t i - o u t p u ts y s t e m t oa n e q u i v a l e n ts i n g l e = i n p u t s i n g l e o u t p u tc o m p l e xs y s t e m b a s e d o n g e n e r a l i z e dz e r o p o l e c a n c e l l a t i o n m e t h o d , c o m p l e x p ic o n t r o l l e r d e c o u p l e st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n d - a n d q - a x i s c u r r e n t a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m p l e xs y s t e m e m p l o y i n gt h ec o m p l e xp ic o n t r o l l e r i se v a l u a t e du s i n gg e n e r a l i z e d f r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o na n ds i m u l a t i o n i nt i m e - d o m a i n t h eu s eo fe f f e c f i v ee r r o ri n t e g r a t i o ns o l v e s p r o b l e m sc a u s e db y l i m i t a t i o no nt h eo u t p u to f p ic o n t r o l l e r ap ic o n t r o l l e ro f d i s c h a r g i n g c u r r e n ti sd e s i g n e d , a n de f f e c t i v e n e s so ft h ep i a n dt h em o d e l o f d i s c h a r g i n g c u r r e n ta r ev e r i f i e d b y s i m u l a t i o n t h r e e p h a s es o f t w a r ep h a s e - l o c k e dl o o pi m p l e m e n t e db yd s p i sd e s i g n e d , a n dt h eu s e o f l a gc o n t r o l l e ri m p r o v e si t sc a p a b i l i t yo fa n t i - n o i s e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nv o l t a g e - e r r o r v e c t o rc a u s e d b yd e a d - t i m ea n dp o l a r i t i e so ft h r e e p h a s ec u r r e n t si sa n a l y z e d ，a n das i m p l e a n d p r a c t i c a lc o m p e n s a t i o nm e t h o d i sp r o p o s e db a s e do nt h i sr e l a t i o n s h i p ，w h i c hc a nr e a c t c o r r e c t l y t ot h ep o l a r i t i e so f c u r r e n t sa f t e rc o m p e n s a t i o nf o rt h e d e l a y e dp h a s e a d i s c h a r g i n gd e v i c ep r o t o t y p ei sc o n s t r u c t e d w h i c hu s e st m s 3 2 0 f 2 4 0d s p a st h e n 华中科技大学硕士学位论文 h e a r to fc o n t r o ls y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ed i s c h a r g i n gd e v i c eb a s e d 0 1 1t h r e e - p h a s ep w mv s cc a l lb o t hd i s c h a r g eb a t t e r ya tah i g h l yp r e c i s ec u r r e n t ，a n dc a r l t r a n s f e rt h ee n e r g yo f b a t t e r yi n t ot h ep u b l i cu t i l i t y 、i t l ll o w t h dc u r r e n t sa n d u n i t yp o w e r f a c t o r k e y w o r d s ：s t o r a g eb a t t e r ye n e r g y r e u s e dd i s c h a r g i n gc o m p l e xp ic o n t r o l l e r t h r e e - p h a s e s o f t w a r e p h a s e l o c k e dl o o p d e a d t i m ec o m p e n s a t i o n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = ；= = = = ；= = = = = # 1 绪论 本文的研究对象为基于三相p w m 电压源变换器的蓄电池放电装置。本章先介绍 了蓄电池放电的重要性，然后介绍了电力电子技术的发展及其在蓄电池放电装置中的 应用现状，最后介绍了本文的研究内容。 i i 蓄电池放电的重要性1 7 1 1 9 1 蓄电池作为备用电源起着极其重要的作用。特别是近几年来，随着蓄电池技术和 电力电子技术的发展，蓄电池已广泛应用于电力、通讯、金融、交通等各行各业中。 然而，由于多种原因会导致蓄电池电池容量减小、早期失效，影响系统安全运行。蓄 电池放电试验是检测蓄电池容量，处理极板活性物质凝结、性能衰退、极板钝化等故 障防止蓄电池早期失效的一种必不可少的手段。另外，蓄电池在出厂前要经过2 3 次充放电老化试验，考验和检测各项技术指标。因此，为了检测蓄电池容量，确保蓄 电池的性能，保证系统长期安全地运行，必须对蓄电池进行放电试验。 根据中国邮电电信总局颁发的电信电源维护规程的要求，所有阀控式铅酸 ( v r l a ) 蓄电池要定期进行核对性放电试验和容量试验。根据中华人民共和国原水 电部( 1 9 6 2 ) 水电计字第2 1 号与东北电管局( 1 9 9 4 ) 颁布的蓄电池运行规程中 有关条文规定为保证发电厂与变电所按浮充电运行的蓄电浊的使用容量和寿命，必须 定期进行核对性容量鉴定放电。 蓄电池放电一般采用恒流放电。传统的蓄电池放电装置大多数采用非常笨重的可 变电阻箱，人工调节变阻箱以改变放电电流，这给现场的测试和维护带来了很大的困 难，而且动态性能差、精度和可靠性都很低。因此，必须研究新的放电技术，使放电 装置具有自动化程度高、精度高、可靠性高、动态性能满意等特点。 1 2电力电子技术的发展b 1 1 5 l 【柚l 电力电子技术是有效地使用电力半导体器件，应用电路理论和设计理论以及分析 开发工具实现对电能的高效变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形 等方面的变换。1 9 5 6 年晶闸管( s c r ) 的问世标志着电力电子技术的开端。电力电子 技术诞生至今5 0 多年，特别是近二十年来取得了迅速的发展。目前，电力电子技术 已广泛应用于电力、工业、交通、航空航天、通讯和家用电器等领域。 1 2 1电力电子器件的发展 电力电子器件是电力电子技术的核心，是电力电子技术发展的强大动力，电力电 华中科技大学硕士学位论文 子技术的发展在很大程度上取决于电力电子器件的发展。自从s c r 问世后，其它器 件如可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶体管( g t r ) 、绝缘门极晶体管( i g b t ) 、功率场 控晶体管( p o w e rm o s f e t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、静电感应晶闸管( s i t h ) 、 m o s 晶闸管( m c t ) 等以及功率集成电路( p i c ) 相继出现，并得到迅速发展。 目前，电力电子器件的发展趋势之一是自关断化，并在此基础上朝着大容量化、 高频率化、易驱动、低导通压降、低开关损耗等方向发展。 1 ) 可关断晶闸管( g a t et u r n o f f t h y r i s t o r , g t o ) g t o 是高电压大电流双极型全控型器件。早在1 9 6 2 年美国就研制出第一个5 a 的g t o ，经过近四十多年的发展，现在大容量g t o 推向实用阶段。目前g t o 最大 容量为6 0 0 0 a 6 0 0 0 v ，工作频率一般在2 k h z 以下。g t o 的主要缺点有两个：一是关 断增益较小，门极反向关断电流较大：二是为限制d v d t 以及关断损耗须设置专门的 缓冲电路。尽管如此，与传统的s c r 相比，g t o 工作频率较高且具有自关断能力， 省去了强迫换流电路，同时g t 0 是四层器件，因此，在高电压、大电流领域g t o 将 取代传统的s c r 。 2 ) 电力晶体管( g i a n t t r a n s i s t o r , g t r ) g t r 是三层结构的双极性全控型器件，它具有控制方便、开关时间短、高频特性 好、通态压降低等优点，近十几年来已得到迅速发展，广泛应用于直流调速、逆变电 源、u p s 电源等领域。目前g t r 的单管容量已达8 0 0 a 1 2 0 0 v ，模块一般在 4 0 0 a - - - 6 0 0 a 1 2 0 0 v ，工作频率可达5 k h z 。由于g t r 的自身结构限制以及存在二次击 穿问题，g t r 的进一步发展受到限制。 3 ) 功率场控晶体管( p o w e rm o s f e t ) 近年来，p o w e rm o s f e t 发展很快，它是一种电压型多数载流子器件，驱动简单 工作频率高达数兆以上。p o w e rm o s f e t 的最高水平为1 0 0 0 w 8 0 1 5 0 a ，其模块生产 水平为5 0 m 1 0 0 0 v 。由于p o w e rm o s f e t 的通态压降随着额定电压的增加而成倍增 加，所以制造高耐压低导通压降的p o w e r m o s f e t 较为困难。目前已研制出能吸收电 压高于稳定额定值雪崩能量的p o w e r m o s f e t ，以满足电子镇流器和汽车电子点火等 需要：同时也研制出在同一硅片上集成反并联二极管和具有检测单元的p o w e r m o s f e t 。现在市场上已有带驱动接口、电流限制器、过流过热和欠压保护的智能 p o w e r m o s f e t 出售。p o w e r m o s f e t 主要应用于高频小功率电力电子装置中，例如 功率因数校正电路、d c d c 开关电源及家电产品。 4 ) 绝缘门极晶体管( i s o l a t e dg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r , i g b t ) i g b t 是八十年代中期问世的一种新型复合型电力半导体器件，由于它兼有 m o s f e t 的快速响应、电压驱动和g t r 的低导通压降、大电流等优点，近十多年来 发展极快，大有发展前途。就其性能而言，它具有通态压降低、开关特性好、开关损 2 华中科技大学硕士学位论文 耗小和封装形式多样化等优点；另一个重要特点是内部集成了电流检测及过流短路保 护功能。现在国外5 0 0 k w 以下的电力电子装置，如机车牵引变流器、_ r 、，、，f 变频器、 p w m 整流器，逆变器系统、u p s 系统中均普遍使用i g b t 器件。国内近年来i g b t 的 应用领域也逐年扩大。 5 ) 静电感应晶体管( s t a t i ci n d u c t i o n t r a n s i s t o r , s i t ) s i t 是由日本人西泽在1 9 7 0 年试制成功的，它是一种非饱和输出特性的多子导电 器件。它通过静电场控制沟道内部的电位分布来实现电流控制，输出功率大、失真小、 输入阻抗高和抗辐射能力强等优点；另一个显著优点是s i t 开关速度极快，目前已有 商品化的s i t 其截止频率一般在3 0 5 0 m h z 左右。由于它的导通压降较高，主要应用 于频率很高的特殊场合，如广播功率放大器和高频感应加热设备等。 6 ) 静电感应晶闸管( s t a t i ci n d u c t i o n t h y r i s t o r , s i t h ) s i t h 是七十年代提出、八十年代发展起来的一种利用电场效应控制器件的导电 能力的新型器件。它与s i t 相比，具有更高的电压、电流耐量，又保持较高的开关频 率等优点。所以，日、美、法等国都致力于其开发和应用。s i t h 按其结构可分为单 极和双极两种，前者的可控功率范围为1 1 0 k w 1 m w ，工作频率可达1 0 0 k h z ；后 者的工作频率可高达1 2 m h z 、目前已有商品化的s i t h 其最大容量为2 5 0 0 a 4 5 0 0 v 。 日本在s i t h 研制和应用方面处于世界领先水平，目前s i t h 正在进入实用化阶 段，如高频逆变器、高频感应加热设备等。可以预见它将进一步应用于高压直流输电、 大电流开关设备、电机驱动、焊接等领域。 7 ) m o s 晶闸管( m o s c o n t r o l l e d 1 l r i s t o r , m c t ) m c t 经美国科学家v a t e m p l e 七年研究于1 9 8 6 年取得成功。它是m o s f e t 与 晶闸管的复合器件，是由电压控制门极的全控型自关断器件。它具有两个m o s 门极， 一个为晶闸管的开通门极，另一个为晶闸管的关断门极。因此，它具有高电压大电流、 低导通压降、高电流密度、低驱动功率和高开关速度等优点，是一种很理想的电力电 子开关器件。 电力电子器件的发展趋势之二是集成化，其标志是高压集成电路( h v i c ) 和智能 功率集成电路( s m a r t p i c ) 的出现。h v i c 是横向高耐压器件与控制电路的单片集成： s m a r tp i c 则是纵向功率器件与驱动、保护、检测、控制等电路的单片集成。智能化 功率器件的应用给电力电子技术广泛应用于家用电器、办公自动化设备开辟了广阔的 前景，并大大改善设备的性能。九十年代以来，i g b t 开始向智能功率模块( i p m ) 发展，现己发展到第三代i p m ，特别适用于小型化紧凑型的三相p w m 整流器，逆变器。 电力电子器件的发展趋势之三是新材料、新工艺的应用。随着现代电力电子技术 的进一步发展，电力电子器件必须具有更高的开关速度、更低的通态压降、更大的大 容量、更小的体积、更好的热稳定性、更好的防辐射能力以及更高的可靠性，传统的 3 华中科技大学硕士学位论文 硅单晶材料很难满足上述要求。因此，具有大带隙、高载流子迁移率和良好电热传导 性的s i c 、g a 2 a s 2 可能得到很好的开发。另一方面，有许多新的工艺如平面工艺、l s i 工艺、多层金属化和高能注入等，可以有效的改善电力电子器件的性能。 新一代器件的闯世使电力电子变换电路及控制系统不断革新，使电力电子技术面 目一新。 1 2 2电力电子电路的发展 电力电子电路按照电能的变换形式可以分为四大类。 1 ) 整流电路：由交流电能到直流电能的变换称为整流( 或称a c d c 变换) ，凡 能实现这一变换的电路泛称为整流电路； 2 ) 逆变电路：由直流到交流的变换称为逆变( 或称d c a c 变换) 凡能实现这一 变换的电路称为逆变电路； 3 ) 直流变换电路：能将一种直流电压( 电流) 的幅值或极性加以改变的电路( 或 称d c d c 变换) ； 4 ) 交流变换电路：能将一种交流电的电压( 电流) 或频率加以改变的电路( 或称 a c a c 变换) 。前者称为交流调压电路，后者称为变频电路。 传统的相控整流电路需要电网提供大量的无功功率，同时也给电网带来严重的谐 波污染；二极管整流虽然输入电流的基波没有滞后，相移因数近似为1 ，但谐波电流 很大，给电网造成了严重的污染。采用自关断器件实现的高频整流电路输入电流为正 弦波、且功率因数为1 ，将取代相控整流和二极管整流。 高频化是电力电子电路发展的重要趋势。提高工作频率有利于改善电压( 电流) 波形，可以减小滤波电抗和电容的体积，节省铜和铁，减轻装置重量。然而，随着开 关频率的提高，开关损耗成比例的增加。开关损耗是制约开关频率提高的重要原因， 同时也成为器件能量损耗的主要部分，使电力电子电路效率降低。另外，随着电力电 子电路的高频化，电磁干扰( e m 【) 问题也日益突出。 8 0 年代后期出现的软开关( s o f ts w i t c h i n g ) 技术利用谐振原理，使开关器件在零 电压或零电流条件下动作。因而在理论上可以把开关损耗降为零，因而可使电路的工 作频率、效率大大提高；同时软开关技术也可以有效地防止电磁干扰。因此，近年来 对软开关技术的研究及其应用非常引人注目，越来越多的电力电子装置采用了软开关 技术。 电力电子电路最基本的拓扑形式如最基本的整流电路、逆变电路及周波变流器电 路等在水银整流器时代就已经确定。晶闸管出现以后，并没有立即产生一些新的电路 拓扑形式，直到8 0 年代以后，随着自关断器件的普遍应用，电力电子电路向高频化 方向发展，有关电力电子电路拓扑的研究又活跃起来。近年来一些新的电路拓扑形式 4 华中科技大学硕士学位论文 如谐振型逆变电路、矩阵式变频电路等不断涌现。 1 2 3电力电子控制技术的发展 电力电子技术是弱电控制强电的技术，控制技术的发展在电力电子技术的发展过 程中起着极其重要的作用。近二十年来，由于p w m 技术、现代控制理论及策略和微 处理器控制等方面的发展，电力电子控制技术向全数字化和智能化方向发展。 a s c h o n u n g 和h s t e m m i e r 在1 9 6 4 年的( b b c 评论上发表文章，提出把通信 系统的调制技术应用于交流传动中，产生了正弦脉宽调制( s p w m ) 技术的思想，从 而为现代p w m 控制技术奠定了理论基础。从最初采用模拟电路产生的p w m 信号到 目前采用全数字化方案实现的多种p w m 信号，以及在此基础上发展起来的p w m 控 制技术，对推动电力电子技术的发展起了历史性的作用。目前p w m 控制技术已经应 用于各种电力电子电路。 坐标变换不再只是一种交流电机变量解耦的手段，已经成为一种通用的三相系统 数学分析工具。在。移和嘶坐标系下，各种p w m 方案特性变得易于理解，三相电压、 电流的综合效应变得很清晰。 随着微电子技术的发展，微处理器性能日益增强，电力电子装置的控制系统逐步 数字化。与模拟控制系统相比，数字控制系统紧凑、通用性强、控制规律灵活、可以 实现复杂的算法、便于实现通讯。目前，基于微处理器的数字控制技术应用范围越来 越广，在许多范围已取代了原有的模拟控制。 在现代控制理论方面，一些新的控制方式如模型参考自适应控制( m r a c ) 、滑模 变结构控制、模糊控制、专家系统控制以及神经网络控制等也逐渐进入电力电子电路的 控制领域。电力电子装置是一个多变量、非线性、时变系统，很难获得其精确的数学模 型。常规控制依赖于模型的准确性，因而其控制效果受到了限制。模型参考自适应控制 实时在线辨识电路参数，滑模变结构对电路参数依赖小，模糊控制不需要电路的精确模 型、在准确与简明之间取得平衡，因而可以克服电路参数时变和估计的不准确性带来的 问题。现代控制理论的应用使电力电子系统的控制技术发展到一个崭新的阶段。 1 3 电力电子技术在蓄电池放电装置中的应用 随着电力电子技术的发展及其应用的普及，近年来，一些厂家和院校纷纷采用电 力电子技术研制新的放电装置，而且部分采用了计算机控制，归纳起来有三种：电阻 耗能式、相控有源逆变式和高频有源逆变式，其中后两者又可统称为能量回馈式。 1 3 1 电阻耗能式放电装置旧删 电阻耗能式放电装置用耗能元件取代了传统可变电阻箱放电装置中的可变电阻 5 华中科技大学硕士学位论文 箱。电阻耗能式放电装置结构简单、技术难度小，而且采用了反馈控制理论，通过闭 环改变开关器件的开关占空比来调节放电电流的大小，因此只要调节器设计合理，就 能够实现对放电电流的高精度自动调节，并且能够获得满意的动态性能。 然而，电阻耗能式放电装置和传统可变电阻箱放电一样，通过电阻将蓄电池能量 转变成热能耗散，因此它具有如下缺点： ( 1 ) 电池能量转换成热能耗散在空气中，造成了能源的浪费； ( 2 ) 热能使装置内部和机箱温升很高，大大降低了装置的可靠性和安全性； ( 3 ) 耗能元件往往体积大、重量重，因而整个放电装置笨重。 在放电装置容量较大时，上述缺点表现得更加明显。作者为海军某舰艇研制了两 种型号的耗能式放电装置z f 2 4 和z f 2 2 0 ，分别适用于2 4 v 和2 2 0 v 蓄电池放电，放 电电流分别为5 4 0 a 、1 0 2 0 a 可整定。两种装置恒流精度高、自动化程度很高，z f 2 4 为便携式，但是上述三个缺点在z f 2 2 0 上表现得非常明显。虽然采用新的耗能元件 材料取代现有的镰铜材料会在一定程度上减小设备重量，但是缺点l 和2 同样不可避 免。 1 3 2 相控有源逆变式放电装置 相控有源逆变式放电不需要耗能元件，它通过相控整流逆变电路将蓄电池能量 回馈至电网，有效的利用了蓄电池的能量，明显降低了设备的温升，大大地减小了设 备的体积。而且，采用全控整流桥的相控整流电路能够实现能量的双向流动，因此既 能够给蓄电池放电也能够给蓄电池充电。能量回馈式放电和单个设备同时具有放电与 充电功能是蓄电池放电装置的发展趋势。 然而，相控整流逆变电路本身存在的缺点： ( 1 ) 交流侧输入端电流畸变严重； ( 2 ) 深度相控下交流侧的功率因数很低； ( 3 ) 由换流引起的电网电压波形畸变； ( 4 ) 电网停电时会产生逆变“颠覆”，降低了系统可靠性。 严重限制了相控有源逆变式放电的应用。采用l c 滤波能在一定程度上补偿交流 侧电流的谐波，但是由于电流谐波丰富、而且低次谐波成分较多，因此l c 滤波器容 量大、体积大。同时，为了实现与电网的隔离和与电网电压的匹配，相控有源逆变式 放电装置一般都需要采用隔离变压器，隔离变压器增加了设备的体积和重量。 1 3 3 高频有源逆变式放电装置 高频有源逆变式放电采用新型的能量回馈型p w m 高频变换器电流替代相控整流 逆变电路。因此也能将蓄电池能量回馈至电网和实现能量的双向流动。但是p w m 高 频整 7 缸逆变电路具有输入侧交流电流正弦、功率因数为l 或可调等特点，因而大大减 6 华中科技大学硕士学位论文 小了对电网的谐波注入，减小了对电网的不利影响。可以预言，高频有源逆变式放电 将逐步取代相控整流式放电。 与相控有源逆变放电一样，高频有源逆变放电一般也需要隔离变压器。与电阻耗 能式放电和相控有源逆变式放电相比，高频有源逆变式放电控制复杂，技术难度较大。 p w m 高频变换器可分为电压源型和电流源型两种。但是，由于下述两方面的原 因，电流源型p w m 高频变换器应用不广泛。一方面电流型p w m 高频变换器通常须 要经过l c 滤波器再和电网联接，且直流侧的平波电感和交流侧l c 滤波器的重量、 体积和损耗都比较大；另一方面常用的现代全控器件都是具有反并联二极管反向自然 导电的开关器件，在电流源型变换器中为防止电流反向流动而必须再串联一个二极 管，因此主电路构成不方便而且通态损耗大【l j 。 1 4 本文主要研究内容 高频有源逆变式放电具有很好的应用前景，对它的研究具有十分重要的意义。目 前，已有一些单位开始研制高频有源逆变式放电装置，但是大多数都是单相电路，只 适用于中小功率场合。在鉴于此，作者对基于三相p w m 电压源变换器的高频有源逆 变萎塑茎童萋( 主电路示意图如图1 1 所示) 魍= 重堕蛋堕，本文是该研究工作的 总结，其主要内容如下： 蓄电 图1 1 放电装置主电路示意图 ( 1 ) 建立了三相p w m 电压型变换器的电流数学模型，并利用坐标变换和状态 空间平均法简化了该数学模型；利用功率平衡关系建立了放电电流的数学模型，并利 用小扰动分析法建立其小信号线性模型；同时分析了系统特性，明确了控制系统设计 的目标。这部分内容详见第二章。 ( 2 ) 介绍了三相p w m 电压型变换器的电流控制技术，叙述了电压空间矢量调 制( s v p w m ) 的基本原理和实现方法，设计了一种同步旋转坐标系下的复数p i 控制 器，设计了直流电流控制环的p i 控制器，并且通过仿真证明了控制策略的有效性。 这部分内容详见第三章。 ( 3 ) 为了获得电网电压的相位，一般采用锁相环，设计了一种适用于三相系统 的锁相环，并针对锁相环系统的特点设计了其调节器；分析了死区效应对系统性能的 1 华中科技大学硕士学位论文 影响及其特点，设计了一种三相系统的死区补偿方法，通过仿真证明了补偿方法的有 效性。这部分内容详见第四章。 ( 4 ) 基于前面章节的分析，设计了一套采用t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 控制的放电装置 样机，并给出了样机实验结果。这部分内容详见第五章。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 放电装置数学模型 建立放电装置的数学模型是研究放电装置的基础。由于本文研究的放电装置基于 三相p w m 电压型变换器f v s c ) ，因此必须建立三相p w m v s c 的数学模型。然而a b c 坐标系下p w mv s c 的数学模型非常复杂，很难用来进行系统分析和设计；为了方便 系统分析和控制系统的设计，一般采用坐标变换建立p w mv s c 在q 芦和矗g 坐标系下 的数学模型，并采用状态空间平均法建立其状态空间平均模型：同时，为了简便起见， 先不考虑隔离变压器。放电电流的控制是放电装置的主要任务，因此必须建立放电电 流的数学模型。 2 1 三相p w mv s c 的数学模型1 3 j 1 2 0 l 三相p w m v s c 的主电路拓扑如图2 1 所示，假设：公共电网无中性线，三相 平衡、刚性且稳定：主电路开关器件为理想开关，其通断由开关函数描述；直流 侧用电流源讧等效。 n 图2 1 三相p w mv s c 主电路简化拓扑 2 1 1a b e 坐标系下数学模型 根据k i r c h h o f f 电压和电流定律，有： 0 厶警+ 足= ( t k + “。) 一 厶警饯铲忆跏卜 ( 2 1 ) 丘号尹+ 足o = ( + ) 一t 位 c 。d 出u 一= k 一( 。+ g + k ) 9 华中科技大学硕士学位论文 式中：蛐、孙敞- 分别表示交流侧三相电网相电压； 函、妇、c 分别表示交流侧每相输出电流； 轨表示直流侧输入电流，即蓄电池放电电流： 。，表示直流母线电流： “出表示直流母线电压： o 表示直流侧滤波电容； 厶表示交流侧每相电感； b 表示交流侧每相等效电阻； 、s ：、s ：为开关函数， = 0 1 霁羹；：篓富三熹，、与类似。j开关s 。掷向n 点。、7 对于三相平衡系统，有： f “叫+ “曲+ “f = 0 l i + i + i ，c = 0 代入式( 2 1 ) 可得，“0 = 一孥( + g + ) j 因此，在a b c 坐标系下p w mv s c 的数学模型可表述为： z p x = a x + b u 式中：p = d d t ，x = c 】， z = d i a g l , 厶tc ： ， = 【”“曲 击k 】1 a = b = d a g - 1 1 1 一r 。一盟 。一r 。一生擎 。一r 一趾擎 一爱一0 1 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 2 1 2 空间矢量与坐标变换 本世纪二十年代末，p a r k 提出了著名的p a r k 方程，为交流电机及电力系统暂态 过程研究奠定了基础。其后，k l - o n 应用矩阵和张量理论使之系统化，形成了“交流 电机统一理论”a 按照交流电机统一理论，常对电机作如下假设：忽略空间谐波， 1 0 华中科技大学硕士学位论文 设三相绕组对称在空间上互差1 2 0 。电角度；磁势沿气隙圆周按正弦规律分布：忽 略磁路饱和、铁芯损耗；忽略频率和温度变化对绕组的影响。虽然三相p w m v s c 中不存在空间对称分布的三个绕组，但仍可以定义纯数学意义上的空间坐标系以及在 此坐标系上三个互差1 2 0 。的坐标轴。这样就可以仿照交流电机统一理论中的空间坐标 系变换的概念，定义三相p w m v s c 系统相应的电压、电流合成矢量甚至开关函数合 成矢量和磁链合成矢量。 设任意三相变量为矗、茸，定义其合成空间矢量为： 9。三。一，三。 牙= - 詈( x o + x b e 。3 + x 。p 。3 ) ( 2 5 ) j 如果有平衡三相变量： 矗= 以c o s ( 珊t 十晶) = 以c o s ( 耐一莩+ o o ) ( 2 6 ) = 以c 。s ( 甜寺+ a o ) 将式( 2 6 ) 代入式( 2 5 ) ，可得： j = a m e “岛( 2 7 ) 式( 2 7 ) 表明，平衡余弦三相变量的合成矢量是一个旋转空间矢量。矢量模长恒定 且等于每相交流量的峰值，矢量旋转的角频率和每 相余弦变量的角频率相同。 如图2 2 所示，在矢量空间中取d 哆坐标系， 其中口轴与a 轴重合，口轴超前口轴9 0 。设 贾= + 豇口，利用矢量合成相等的原则，可得a b c 坐标系到q 序坐标系的变换( c l a r k e 变换) 矩阵为： 卅= 卷；爿 亿s ， 其逆变换( c l a r k e 逆变换1 为： f l0 1 t 咿。= i 一 孚i ( 2 9 ) l 一 一粤l 图2 2 空间坐标系变换 由式( 2 8 ) 可得，式( 2 6 ) 所表示三相变量对应的a 猡坐标系下的变量为： a i i 华中科技大学硕士学位论文 r 2 1 0 ) 可见，a b c 坐标系下的平衡三相余弦变量，其对应的叩坐标系下的变量仍是余 弦变量，且口轴分量与a 轴分量相同，轴分量滞后口轴分量9 0 。 同样地，在矢量空间中取内坐标系，d 轴和g 轴以电网角频率国同步旋转，且g 轴超前d 轴9 0 。设置= 心+ j k ，利用矢量合成相等的原则，可得d 猡坐标系到由坐 标系的变换( p a r k 变换) 矩阵为： 丁a , o 由：l 。：8 乞：1 n ：i (211)i1 。由一i sn 目c 0 s 目i o 。1 1 ， 式中：0 为a 轴到d 轴的角，0 = r o t 。 其逆变换( p a r k 逆变换1 矩阵为： k 卅：巴目一篡i (212)i l 由卅一isn 8 c o s 8i j 由式( 2 1 1 ) 可得，式( 2 1 0 ) 所表示的够坐标系下的变量对应的同步旋转由坐标系 下的变量为： 轳即。警(213)x k = s s i n 岛 ”7 可见，a b c 坐标系下的平衡三相余弦变量，在同步旋转砌坐标系下为直流量， 其值与三相变量的幅值蜀，以及初始角o o 有关。 由式( 2 8 ) 、( 2 1 1 ) 可得，a b c 坐标系到同步旋转砌坐标系的变换为： l 。c 蛐= 鲁 c 。s 目c 。s ( 口一孥) c 。s ( p + 马 jj s i n 0 一s i n ( 8 一2 - g s i n ( 0 + 马 jj 其逆变换为： 乙“w = c o s 8一s i n 口 c 。s ( 口一孥) 一s i n ( 8 一习2 7 t jj c o s c 口+ 争侧口+ 争jj ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 2 1 3 筇坐标系下数学模型 式( 2 4 ) 所示的三相p w mv s c 的三相数学模型中，只有两个电流独立变量，因此 1 2 华中科技大学硕士学位论文 可用c l a r k e 变换将其简化。对式( 2 4 ) 应用c l a r k e 变换，可得三相p w m v s c 在。移坐 z p x = a x + b u ( 2 - 1 6 ) 式中：x ：l 。i 弗i r ，z = a j a g l ；上：c 。j ， “：k 。“妒i i t ，b = d i a g - 1 1 1 ) 一r s 0 1 4 = 1 0 一r ，l ， l 一号一号$ 0j k “， 7 = t a b c + a 1 3 【“。r t 如 2 = l 。印【匕k k 】 爰$ 7 = t a b c + a a - i s ； 7 从式( 2 1 6 ) 可看出，d 夕坐标系中，三相p w m v s c 的各相电流相互独立，不存在 设、玩、砾分别为三相电流合成矢量、电网电压合成矢量和桥臂终端电压合成 悸= i 。+ 琏8 f i s = “。+ j u 。口 ( 2 1 7 ) l 砾= i g r a + j u & s 式中：“m = ，u & o = 。 ( 2 1 8 ) 因此，在。孵坐标系中三相p w m v s c 的电压平衡关系可用合成空间矢量表示为： 厶拿= 一r + 蟊一玩 ( 2 1 9 ) 2 1 4 同步旋转由坐标系下数学模型 由于平衡三相余弦变量在同步旋转由坐标系下为直流量，因此可用p a r k 变换进 在由坐标系下的数学模型： 式中：z = kkz k r ，z = d i a g l ，三，c d ，“= b 。“。么r ， 彳= j - c o l r l ，b = d i a g - 1 一l 1 ， 【一 氍一 0j 华中科技大学硕士学位论文 k 。j r = 砀+ 由1 ，。】r i 。o r = 砀砷i 。r 彤 7 = 呐 殴$ 7 图2 3 是由坐标系下p w i v lv s c 的数学模型框图，图中各符号的意义与式( 2 2 0 ) 相同。 图2 3 由坐标系下p w m v s c 的数学模型框图 比较式( 2 1 6 ) 和式( 2 2 0 ) n - i 看出，与。猡坐标系不同，砌坐标系中三相p w mv s c 的各相电流之阈存在耦合关系，在砌坐标系中设计电流控制器时必须考虑这一耦合 关系。 设 n s = i d + j i q 珐= “d + ，“w ( 2 2 1 ) l 繇= i 。+ 一册 式中：“= g f - d c ，”m = s ；u t 。 ( 2 2 2 ) 因此，在砌坐标系中三相p w m v s c 的电压平衡关系可用合成空间矢量表示为： 厶譬= 一r 一j c a l 乏+ f f s 一喀 ( 2 2 3 ) 为了分析方便，将d 轴取在电网电压合成矢量上，即电网电压初始相位角s o = 0 ， 因此，“。= 0 ，= 【( 电网相电压幅值) 。根据式( 2 2 3 )