（电力电子与电力传动专业论文）新型柴油发电机组试验用能量反馈系统的研究.pdf

亘童童适盔堂亟圭亟塞塞堂焦迨塞璺! ! 夏 a b s t r a c t n o we n e r g ys o u r c e sw a s t eh a sb e e nap r o b l e mb e y o n dn e g l e c ti n a l lk i n dt r a c t i o nd y n a m i c a la n dd i e s e le n g i n ep e r f o r m a n c et e s t s t h ee n e r g ys o u r c e sc a nb es a v e da n d t h ec o s tc a nb er e d u c e dif e l e c t r i ce n e r g yf e e d b a c kt e c h n o l o g yw i t hh i g hq u a li t ya n dg o o d e f f i c i e n c yw i i lb ed e v e l o p e d ，a n dc o n v e r te n g i n ee n e r g yt oe l e c t r i c e n e r g ya n dt r a n s m i tt or o l eo fp o w e r i na d d i t i o n ，c o n v e n t i o n a ls c r r e c t i f i e rh a sb e e np r i m a r yh a r m o n i cs o u r c e sb e c a u s eo fi t sh i g h h a r m o n i c ，l o wi n p u tp o w e rf a c t o ra n da b e r r a n c eo fa cs i d e i no r d e r t os o l v et h i sp r o b l e m i nt h i sp a p e rt h ep 榭r e c t i f i e ri sa p p l i e d t oc o n t r o ls y s t e mo ft h en e wt y p ed i e s e l d y n a m os e t sb ye n e r g y f e e d b a c ks y s t e m i tc a nm a k eo u t p u tc u r r e n ts h a p es i n ew a v ea n dc a n a p p l yp w mt e c h n o l o g yt ou n i tp o w e rf a c t o ra l s oi tc a nm a k ee n e r g y r e g e n e r a t ei n t or e a l i t yb e c a u s eo fb i d i r e c t i o n a lf l o w o fp w m r e c t i f i e r f i r s t l yt h ep a p e rd r a wc o m p a r i s o n sb e t w e e nv o l t a g et y p ep w m r e c t i f i e ra n dc u r r e n tr e c t i f i e ra n df i n a l l ys e l e c tv o l t a g et y p ep w m r e c t i f i e ra st h em a i nc i r c u i to ft h es y s t e m t h e np u tk e y s t o n eo n e s t a b l i s ho fp w mr e c t i f i e rm o d e la n da n a l y z e dp a r t i c u l a r l ys t a r i c s t a t eo ft h es y s t e mv i a p w mr e c t i f i e r sc o m m o n l ym a t h e m a t i c sm o d e l d q m o d e la n d e q u i v a l e n tt r a n s f o r m e rm o d e l ，a l s ot h ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mh a sb e e nc o n s t r u e dp a r t i c u l a r l yv i a d i f f e r e n t i a l c o e f f i c i e n td e f l e c t i o n 1 i n e a r i z a t i o nm o d e l a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m , t h ep a r a m e t e r so fm a i n c i r c u i th a v eb e e ne d u c e d s ot h ep r o b l e mo fp e r f o r m a n c ec a r lb e r e s o l v e d k e y w o r d s ：a c t i v ei n v e r t ；e n e r g yf e e d b a c k ：p 刚r e c t i f i e r 耍壶窑通太堂甄班褒生堂僮迨室簋! i 卫 第一章绪论 1 1 有源逆变能量反馈系统的研究背景 1 1 1 有源逆变能量反馈系统的发展历史 近2 0 年来电力电子技术得到了飞速发展，已广泛应用到电力、冶龠、 化工、煤炭、通讯、家电等领域。多数电力电子装置采用整流器与电力网 接口。典型的整流嚣是晶阐管( s c r ) 组成的一个非线性电路。以s c r 为 核心的晶闸管整流器的整流电路沿用了过去汞弧整流器所以的相控式整 流电路。传统的晶闸管相控式整流电路存在如下缺点： ( 1 ) 输入电流谐波含量高； ( 2 ) 从电网吸取无功功率，输入功率因数低； ( 3 ) 吸取的无功功率使得整流器输入电流额定值增大，整流器的效率 降低； ( 4 ) 交流侧电网电压产生畸变。 所以，传统整流器污染了电网，成为电力公害。我国国家技术监督局 在1 9 9 4 年颁布了电能质量公用电网谐波标准( 6 b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 国际 电工学会也于1 9 8 8 年对谐波标难t f _ , c5 5 5 2 进行了修正，欧洲制定e e c 1 0 0 0 3 - 2 标准。传统整流器己不符合这些新的规定。抑制电力电子装置 谐波的方法有两种：一是被动式，即采用无源滤波或有源滤波电路来旁路 或补偿谐波：另一种方法是主动式，即设计新一代高性能整流器，具有输 入电流为正弦、谐波含量低、功率因数高等优点。由于后一种方法具有成 本低、效率高、性能好等优点，并且符合新的谐波管理规定，成为电力电 子学目前研究的一个重要方向。作为电网主要“污染”源的整流器，首先 受到学术界的关注，并开展了大量的研究工作。其主要思路是将p w m 技术 引入整流器的控制中，使整流器网侧电流正弦化，且可运行于单位功率因 数。p i i u , 整流器经过几十年的研究和发展已e l 趋成熟，其主电路已从旱期 的半控型器件桥路发展到全控型器件桥路；其拓扑结构已从单相、三相发 展到多相组合和多电平拓扑结构；功率等级从千瓦级发展刘兆瓦级，而在 酉直童湮盍堂亟堑宝生堂僮途宝 墓2 嚣 主电路类型上既有电压型整流器，也有电流型整流器，并且两者在工业均 成功地投入了使用。由于p 1 v l 整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而 p 1 】m 整流器及其控制技术获得了进一步的发展和拓宽。 1 1 2 有源逆变能量反馈系统的发展现状 自二十世纪九十年代以来，对p 吼整流器的研究一直成为学术界关 注和研究的焦点。随着研究的深入，基于p v m 整流器拓扑结构及其控制策 略的拓展开来1 。 就拓扑结构而言，电流型和电压型拓扑结构是p w m 整流器拓扑结构 的两大类。对于不同功率等级以及不同的用途，研究了各种不同的p w m 拓扑结构。在小功率应用场合，p w m 整流器拓扑结构的研究主要集中在减 少功率开关和改进直流输出性能上；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拓扑结构、整流器组合以及软开关技术上；对于 大电流应用场合，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啪儿“。与普通并联不同的是，每个并联的p 删整流 器中的p 嘶信号发生移相p w i u t 控制技术，从而以较低的开关频率获得等效 的高开关频率控制，即在降低功率损耗的同对，有效地提高了p w m 整流器 的电流、电压波形品质。与此相似，也可将独立的电压型p w m 整流器进行 串联移相组合，以适应高压大容量的应用场合。此外，在大功率p w m 整流 器设计上，还研究了基于软开关控制的拓扑结构和相应的控制策略。但是 这一技术还有待进一步完善和改进哪m n 。 控制技术是p 跏高频整流器发展的关键。根据是否直接选取瞬态电 感电流作为反馈和被控制量，p 佻高频整流器的控制分为直接电流控制和 间接电流控锘4 两种：引入交流电流反馈的称为直接电流控制：没有引入交 流电流反馈的成为间接电流控制。下面分别对这两种控制加以阐述。 1 直接电流控制 直接电流控制是一种通过对交流电流的直接控制而使其跟踪给定电 流信号的控制方法。其控制方式主要有滞环电流控制( h c c ) 、预测电流直 接控带( p i c c ) 及非线性载波控制( n l c ) 等方式。滞环电流控制滞环电流控 制是一种电流瞬时值反馈控制，常用于对电压型p 删整流器的控制。“”在 此方式中，把给定电流信号与交流电流实际输入信号进行比较，两者的偏 差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的 p 1 】y m 信号，该p w m 信号经驱动电路控制主电路开关的通断，从而控制交流电 直直至逼太堂亟主亟宝垒堂僮迨窒篁i 亟 流信号的变化。采用滞环比较的电流控制系统优点是结构简单，电流响应 速度快，控制运算中未使用电路参数，系统鲁棒性好，应用较广。缺点是开 关频率在一个工频周期内不固定，谐波电流频谱随机分布，因而给滤波器 的设计带来困难。目前，滞环电流控制方式研究的主要问题是改进频率不 恒定的缺点，如将滞环控制与恒频控制相结合，但这又增加了控制的复杂 程度。 预测电流直接控制预测电流控制的思想是从开关的在线优化出发， 使加到开关控制器的输入量是由磁场定向控制系统提供的定子电流矢量 分量，这些输入量用来控制复平面里的电流矢量轨迹，使它相对于参考电 流矢量保持最小的空间误差。换句话说，它根据负载情况和给定的电流矢 量变化率，推导出使电流误差矢量趋于零的电压矢量去控制p w m 整流器的 开关。预测电流控制具有良好的控制效果，但在采样频率不高或受微处理 器运算速度限制的情况下，它的电流误差比滞环电流控制要大，另外。其控 制精度依赖于系统的参数。 非线性载波控制非线性载波控制又称准稳态方法控制，非线性载波 控制方法只需检测开关电流和输出电压。其控制思想是：在开关周期的开 始。用一时钟信号与通过置位触发器开通p w m 开关，同时对所检测的开关 电流进行积分，将积分产生的电压信号和输出电压的误差放大信号与通过 非线性载波发生器产生的非线性载波信号相比较，两者相等时，使触发器 复位，关断p w m 开关。非线性载波控制的优点是不需检测输入电压，不需使 用乘法器和电流误差放大器，并利用连续导通模式( c c m ) 下的有源功率因 数校正( p f c ) 的准稳态工作特性简化控制电路5 1 。 2 间接电流控制 间接电流控制也称相位幅值控制，是一种基于工频稳态的控制方法， 它通过控制整流桥交流输入端的电压，使得交流侧输入电流与电压同相位 从而使功率因数为l ，其控制方式常用的有移相s p w m 控制、电压空间矢量 调制方式等”。 移相s p w m 控制移相控制是一种通过控制开关在输入电源不同相位上 导通，实现输出电能控制的方法移相s p w m 控制的基本方法是将正弦波与 三角波两种信号进行比较，以两者的交点决定开关动作的位置，控制p w m 整流器开关的通断。在这种控锘4 方式中，当采样频率趋于无穷大时，称为自 然采样；当采样频率与三角载波频率相等时或者两者频率均为某些确定规 律的倍数时称为规则采样。移相s p w i u 控制的缺点是：无论自然采样还是规 则采样，交流线电压基波最大值仅为直流电压的8 6 。6 ，直流侧电压利用 酉亩窒运盎兰亟受塞生堂僮途室 蔓堡真 率较低。 电压空间矢量调制方式是在一个开关周期t s 中用两个有效电压开关 矢量的平均值等效给定电压矢量在此开关周期的采样值。电压空间矢量调 制方式的优点是：容易实现交流侧电流正弦化，功率因数为1 ：直流侧输出 纹波小，直流电压利用率高；在同样的交流线电流t h d 的要求下，比其他 控制模式的开关频率大大降低。但这种方法的缺点是计算量庞大，先要做 复杂的坐标变换，进行矢量选择，然后需要分别计算各矢量的持续时间，再 将分区段的时间相加变成三相脉宽调制时间，使得三相p 嘲的实时控制需 要双c p u ，d s p 等高速控制器。另外，过多的运算环节容易产生控制误差甚 至错误嘲。 3 其他新型控制方式 无差拍控制无差拍( d e a d b e a t ) 是指在每一个采样点上系统的输出都 与其指令完全一致，没有任何相位滞后和幅值偏差。它是在控制对象的离 散数学模型的基础上，通过施加精确计算的控制量来使得被调量的偏差在 一个采样周期内得到纠正。无差拍控制最显著的优势是系统的动态响应非 常迅速，缺点是它要求建立精确的数学模型，当理想模型与实际对象有差 异时，剧烈的控制动作会引起输出电压的震荡，不利于整流器的稳定运行。 基于电压空间矢量p 嘲的电流无差拍控制方法代表目前国际上三相p w m 控制技术的先进水平：开关频率恒定，控制简单，调节性能良好m “蚓。 单周期控制单周期控制的概念出自于b u c k 电路，它用于恒频开关控 制。方法是在每个开关周期开始时使开关开通，积分器启动，积分值与参考 值不断地比较，当积分值与参考值相等时，控制器发出命令使开关关断，同 时使积分器复位。如果调整开关开通时间，即调整占空比，使开关变量在开 通时间内的积分值严格等于控制参考值在一个周期内的积分值，由于开关 周期恒定，开关变量在开关周期内的平均值就等于控制参考值。因此，开关 变量平均值可在一个开关周期内控制。按照这一概念控制开关的技术称为 单周期控制技术。单周期控制电路的主要元件包括积分器和复位单元。单 周期控制技术利用脉冲和非线性开关交换器的特点来达到对开关变量( 电 压或电流) 平均值的瞬时控制。其主要优点是动态响应快确切地说动态过 程只需要一个开关周期；抗电源扰动性好；鲁棒性好；具有开关误差自校 正功能，控制电路简单“”“目。 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的 计算机智能控制。模糊控制系统由模糊控制器( 包括模糊化、模糊推理和 去模糊化三部分) 、i o 接口装置( 主要包括a d ，d a 转换器) 、控制对象、 直壶童通太堂亟班宝生堂焦途室 整嚣 反馈环节等部分组成，其核心部分是模糊控制器。模糊控制器的控制规律 由计算机的程序实现。模糊控制系统的优点是不需要建立精确的数学模型 从而避免了精确地估计模型方程中各种参数的过程。它适合于非线性和难 以得到精确模型的系统的控制。目前，随着电力电子和微计算机技术的b 速发展，模糊控制在电力电子领域的应用越来越广泛”“。 1 2 柴油机发电机组用能量反馈系统的必要性和优势 空调客车以及特种用途的公务车、试验车、轨道检查车和单节机械 冷藏车等用电量较大( 4 0 k w ) ，以前一直使用轴驱式发电机供电，但是这 种供电方式必须配备好几十只蓄电池，消耗机车牵引力每辆可达4 0 k w 以 上，而且长期停留时，供电还没有保证，也不便与发电车供电的列车连挂。 所以后来就采用柴油发电机组供电。对于2 0 辆编组的空调旅客列车，用 电量可达8 0 0 k w 左右，则必须采用大功率柴油发电机组集中供电。全部采 用空气调节的旅客列车用这种供电方式是比较合理的，这不仅可以减少供 电设备重量，降低成本，节约有色金属消耗，而且可以减少牵引动力损耗， 适应牵引动力变化的要求。目前，浦镇、唐山、和四方等工厂及郑州局和 部专运处，都先后试制或改装了用柴油发电机组单独供电的软卧车、镁车 和公务车。列车集中供电在电气化铁道上可以从接触网取得电能；而在非 电气化铁道上，由安装的大功率柴油发电机组的发电车供电。 该系统除了在铁路系统有广泛的应用外，还可应用于牵引动力试验、 通讯电源出厂试验、各种整理柜出厂试验、柴油机汽油机出厂试验、汽车 动力性能试验、大功率充电电源试验、电解电镀试验电源出厂试验，以及 不停电电源出厂试验等。另外，人们对能源的要求及试验自动化的要求越 来越高，一方面工业交通等场合需要使用越来越大的功率试验手段，另一 方面由于能源的紧缺使得能耗的费用也越来越高，基于节约能源减少开支 和试验自动化的要求，对柴油机采用有源逆变能量反馈系统的研究就显得 非常必要。 柴油发电机组试验用有源逆变能量反馈系统的优势表现在：( 1 ) 它的 工作方式是利用电力电子变换技术将输出能量再生利用，这样一方面节约 了能源：另一方面，它不产生大量的热量，避免了试验场所环境温度升高 的问题；( 2 ) 静态、动态性能好，工作状况相对比较稳定。( 3 ) 由于有源逆 变能量反馈系统采用的是能量回馈的方式，因而设备的投资因为该设备的 酉直至道盍堂亟研宜篁堂僮途塞要豆 使用所节约的能源费易收回。 1 3 本论文的内容及研究工作 本文从柴油发电机组用有源逆变能量反馈系统的所采用的主电路的 结构和系统的参数分析入手，通过对系统模型的建立，详细地分析了系统 的动、静态性能，最后根据系统性能来确定系统的主电路参数。主要内容 归纳如下： 1 ) 有源逆变能量反馈系统圭电路的分析和选择； 2 ) 三相电压型p 嘲整流器的模型建立； 3 ) 三相电压型p 蹦整流器的特性分析； 4 ) 有源逆变能量反馈系统主电路参数的分析和选择。 一 酉直童通盍雯亟殛显生堂焦迨塞缝2 亟 第二章有源逆变能量反馈系统主电路结构 2 1 有源逆变能量反馈的系统的总体方案 2 1 1 系统的组成 本论文所研究的新型柴油发电机组用有源逆变能量反馈系统采用三 相不可控整流电路将柴油发电机组发出三相的整流成直流，采用i g b t 功 率器件构成三相整流逆变桥，采用8 0 c 1 9 6 单片机作为主控芯片，完成p 1 】| t m 信号和数字控制器的实现。 图2 - 1 新型柴油发电机组用能量反馈系统的系统的拓扑结构图 新型柴油发电枫组用能量反馈系统的拓扑结构如图2 一l 所示。由强 可以看出，本系统分为主电路和控制电路两大部分。主电路又由五部分组 成：柴油发电机组、不控整流桥、滤波器、p w m 整流器瓤变压嚣。柴浊机 发电机组作为发电设备，所发出的三相交流电经过不控整流桥成为脉动的 直流电，然后经过滤波处理后变成直流电，再经p w m 整流器产生系统所要 求频率的正弦波交流电，最后用降压变压器将正弦波交流电变成和电网电 压相同的交流电后逆变到电网，从而实现柴油机输出能量的再生利用。这 里输出变压器采用y 连法，它一方面起电隔离作用，另一方面起到电 平匹配的作用。绕组联结选用y 时，使三次谐波磁通大大削弱，磁通 波形非常接近正弦波，感应电动势也非常接近正弦波，在一次绕组和二次 绕组中都不可能有三次谐波分量。瑚1 。 酉奁窒遵太堂亟瑟宝生堂焦迨童簋夏一 控制电路包括输出电压反馈控制、p b 月v l 脉冲生成部分。8 0 c 1 9 6 m c 控 制器完成所有的检测控制和计算。8 0 c 1 9 6 m c 检测出电压反馈控制指令， 使输出电压与与给定值保持一致，它同时产生p w m 驱动信号，使输出电压 的幅值和频率与设定值保持一致，同时系统运行状态和监控状态也由 8 0 c 1 9 6 m c 完成。 2 1 2 主电路的设计要求 根据实际要求，本装置硬件电路应该在一定使用条件下按要求的技术 指标对柴油发电机组用有源逆变能量反馈系统进行分析： t 交流电网输入波形为正弦波，输入电压为三相5 0 h z ，线电压为 3 8 0 v a c l o ； 2 变压器二次侧输出线电压为三相5 0 h z ，线电压为3 8 0 v a c 1 0 ； 3 功率因数：乏0 9 9 4 纹波系数：墨0 。5 ； 5 输出电压精度：墨o 5 。 2 2 主电路的拓扑选择与分析 2 2 1 三相电压型p w m 整流器 电压型p 吼整流器最显著的拓扑特征就是采用电容进行直流储能， 从而使电压型p w m 整流器呈低阻抗的电源特性。 三相全桥p w m 整流器主电路结构如图2 2 ，其中k 一圪是全控型功率 器件，d 1 一d 。为整流二极管，交流侧每相电路串接的电感l 起储存、传 递能量和平衡电压的作用，o 为滤波器。通过对电路进行正弦波p w m 控 制，使得整流桥的交流输入端产生正弦p w m 电压，对各相电压进行控制， 就可以使各相电流f 。、i 。为正弦波且和电压相位相同，从而使功率因 数为1 。当电路工作在整流状态下，能量从电网侧流向直流侧负载传输； 当电路工作在再生状态下，类似于三相p 刚电压型有源逆变器，可以将直 流侧的能量回馈到交流电网侧。 o 图2 - 2 三相全桥电压型p 删整流器 2 2 2 三相电流型p w m 整流器 电流型p w m 整流器拓扑结构最显著的特征就是直流侧采用电感进行 直流储能，从而使直流侧呈高阻抗的电流源特性”1 。 图2 3 为三相电流型p w m 整流器拓扑结构，利用正弦波调制的方法 控制直流电流在各开关器件的分配，使交流电流波形近似与电源电压同相 位的正弦波，实现功率因数近似为1 。由于整流器的非线性，其交流侧电 流波形中含有较多的谐波成分，需在交流侧加装滤波器来减少交流电流谐 波：直流侧有大的平波电抗，稳态时，直流侧电流纹波很小，类似电流源。 0 图2 3 三相电流型p w m 整流器主电路 酉直童道盔生亟盈塞生鲎僮途奎篁】q 墓 2 2 3 电压型整流器和电流型整流器的比较和分析 从为消减对电网污染的特性来说，电压型整流器和电流型整流器一 样，都能达到很好的效果。即整流时输出的是直流量，可以保证网流和网 压的相位相同。从电路的结构上看，电流型整流器比电压型整流器简单( 其 原理图如2 2 ，2 3 所示) 。电压型主电路中每个功率管反并联的续流二极 管，它不仅为感性负载提供续流通路，而且在逆变运行时，作为电流反向 流通的途径。因在电压型中，中间回路电容两端的直流电压稳定且极性也 不变，所以在逆变时，只能改变电流的方向，这些反并联的二极管为反向 电流提供了通路。而在电流型主电路中，不需要这些反并联二极管，在逆 变时，中间回路的电流方向保持不变。而只要改变电压的方向。用在电流 型主电路中的半导体器件应采用对称式结构，即具有正、反向耐压的特性， 因为在主电路中它们必须承受正、反方向耐压u 剐冽。 从p w m 控制的脉冲频率来讲，电压型的主电路中功率管换流时， 为防止桥臂贯穿，在桥臂上下两个主管换流时应保证先断后道，因而需设 置一个死区时间。而电流型主电路中为防止具有大电感电路电流断开，处 在两桥臂的功率管换流时要确保先通后断，即不需要设置死区时间，否则 大电感电路突然开断时将会产生击穿主管的过电压，所以开关频率相同的 晶闸管用在电流型中比用在电压型中，开关频率要高。 同时，由上述也可看出，电流型整流器中因有大电感l 而不怕短路， 但怕突然开路产生的过电压。但电压型整流器中因有大电容c 而不用担心 过电压，却怕桥臂贯穿造成的短路大电流【2 ”。 电压型和电流型整流器在电路结构、直流侧电源、输出波形等方面 都有着对偶关系。电压婆! 在直流电源侧有大容量的滤波电容，而且，逆变 部分各桥臂的功率器件上都并联有二极管，所以从负载侧看，电压型整流 器的输出阻抗很小。在一般情况下，输出电压波形是不等宽的脉冲列，电 流波形基本为正弦。反之，电流型整流器因为在直流侧有大电感，所以电 源阻抗很大。桥臂结构采用可控阀器件和二极管串联的方式。输出电压、 电流波形与电压型相反，电压基本为正弦波，电流是不等宽脉冲列。各桥 臂的导通时间基本上是电压型为1 8 0 0 ，电流型为1 2 0 0 。电压型整流器的换 相动作仅仅由门极关断型功率器件的门极信号进行，而电流型魁流器的换 相动作由门极信号和输出端电容c 进行；电流型的负载无功功率靠输出 端电容处理，电压型则靠反并联二极管处理：再生功率从负载向电源回馈 亘直窑道盔鲎亟殛宝垒堂焦途室 簋! ! 墓 时，电压型由于直流电源电压的极性是单方向的，必须将电流的极性翻转， 电流型则由于直流电源电流的方向是单方向的，必须将电压极性翻转：从 保护特性上看，电压型由于电源阻抗很小，负载短路时的过电流保护很难， 而过电压保护相对较容易；而电流型由于电源阻抗很大，所以负载短路时 过电流保护很容易，而过电压保护比较困难1 2 m 。 就现状而言，由于电压型p w m 整流器的实现相对容易，并且具有 较简单的拓扑结构和比较快响应速度( 相对电流型p w m 整流器而言) ， 配置简单的输入滤波器即可实现较低的电磁干扰等特点，目前的研究较多 地集中在电压型p w m 整流器方面。 另外，从上一节可以看出，就本系统而言，输出电压变化范围比较 小( 1 0 ) ，而电流变化范围很大，电流型整流器缀难实现，再综合以上 各方面原因，本系统主电路采用电压型整流器。 所以根据以上分析，新型柴油发电机组用有源逆变能量反馈系统的 主电路拓扑结构如图2 - 4 所示。 - l d ：唪碎至瓣疆l - ljlji c d - 一 - 豫ijljl n 图2 4 系统主电路结构羹反馈系统主电路结构 r r r r r 、一 酉亩窑通盔堂亟受盎生堂焦诠塞筮) 2 亟 第三章三相p w m 整流器的模型建立 3 1 三相电压型p w m 整流器模型的一般模型的建立 三相电压型p w m 整流器一般数学模型是根据电压型p w m 主电路 的拓扑结构，并在三相静止坐标系( a , b 。c ) 中，利用基本定律( 基尔霍 夫电压、电流定律) 对整流器建立的一般数学描述，其拓扑结构如图3 - 1 所示， 针对三相电压型p 嘲整流器一般数学模型的建立，我们作以下假设： 1 网电动势为三相平稳的纯正弦波电动势( e 。，e 。，8 ，) ； 网侧滤波电感l 是线性的，且不考虑饱和； 2 率开关损耗以电阻r 。表示，即实际的功率开关管可由理想开关与损 耗电阻r 等效表示； 3 描述三相电压型p w m 整流器能量的双向传输，三相电压型p w m 整流器直流侧负载由电阻r 和直流电动势e z 串联表示。 根据三相电压型p w m 整流器器的特性分析需要，三相电压型p w m 逆变器采用开关函数描述的一般数学模墅。采用开关函数描述的一般数学 模型是对电压型p w m 整流器开关过程的精确描述，比较适合电压型整流 器的波形仿真。这里采用开关函数描述三相电压型p w m 整流器的一般数 学模型1 列。 用开关函数描述的一般数学模型是对电压型p w m 开关过程的精确 描述，比较适合电压型整流器的波形仿真。但是采用开关函数描述的电压 型整流器一般由于包含了其开关过程中的高频分置，因而很难用于指导控 制器的设计。当电压型整流器开关频率远高于电网蒸波频率时，为简 化电压型整流器的一般数学模型，可忽略电压型整流器开关函数描述模型 中酶商频分量，即只考虑其中的低频分量，从而获得采用占空比描述的低 频数学模型。 如图3 一l ，当直流电动势e ，一o 对。直流佻为纯电阻负载，此时三 相电压型p w m 整流器只运行于整流模式；当， 。时，三相电压型p w m 整流器运行于整流模式，又可运行于有源逆变模式。当运行于有源逆变时， 三相电压型p w m 整流器将e ：所发出的电能向电网侧输送；当g 。c 。，时， 三相电压型p w m 整流嚣则运行于整流模式， o r s flr s 【 要 】1 d c r i l i 罐 l v d c s 弋：s b 、c c d = 、_ 一鹭一竖 上星 e c s xs 心 0 r s or s 【】r s l ) n 图3 1 三相电压型p 嘲整流器拓扑结构图 为分析方便，首先定义单极性二值开关函数以为： 一蕞0 圭纂詈羹嚣： 亲善誊要佧- a , b 。, c ) c s 一，。1上桥臂关断，下桥臂导通 怫 一 将三相电压型p 脯整流器功率开关管损耗等效电阻r 。同交流滤波电 感等效电阻r l 合并，即令月一墨+ r ，采用基尔霍夫电压定律建立电压 型p 删整流器a 、b 、c 三相的回路方程为： 当屹导通而叼关断时，s 。一1 ，且v 。；当屹关断而导通时， 开关函数s 。一0 ，且y “- 0 。因此可以得出：v “= v s 。所以式( 3 2 ) 可改写成： 哮删。 三堕+ 舰 d f 9 上生+ r i 出 c 考虑三相对称系统，则： - 气一0 出j + 1 o ) - 一p 出+ o ) ( 3 3 ) 一p 。一o 女s 。+ v o ) z 一3 + + + p o 一 - l 戤 航 雎 + + + 札出吒百啦i l 上 三 酉厦童道盍茔亟瑟宝生堂焦淦塞筵! ! 霆 ；娶0 。娶柚 - 4 联立式( 3 3 ) 、式( 3 4 ) 得： 一等。娶 ( 3 5 ) 在图3 1 中，任何瞬间总是由三个开关导通，其开关模式共有2 3 = 8 种，因此，直流侧电流k 可描述为： i 女一i 。s 。瓦瓦+ 6 瓦屯- c + i f i f i , s 。+ 也+ i b p 。s 6 瓦+ ( f 。+ f 。) s 。毛s 。+ ( 屯+ f 。) l j 6 s 。+ ( f _ + i 6 + f 。) s 。s s 。 一i s - + i6 s6 + i fsc 。娶气( 3 - - 6 ) 另外，对直流侧电容正极点处应用基尔霍夫电流定律，得； c 等- i + s a + i - $ - + i t s , v , 。蚝- e l _ c 3 刊 联立式( 3 - 2 ) 式( 3 - 7 ) ，在三相静止坐标系( a ，b ，c ) 中，令 i ，囊l ! 生，则三相电压型p 嗍整流器般数学模型为 。 只， c 警一。娶”屯 哮城一气一瓴一j 1 ，銎，) ( 3 - - 8 ) 。美”盛卸 式中 单极性二值逻辑开关函数( 七- a , b ，c ) ； 屯一三相电压型尸嘲整流器直流侧负载电流。“” 3 2 三相电压型p w m 整流器d q 模型的建立 三相静止坐标系( a ，b ，c ) 到两相同步旋转坐标系( d ，q ) 变换的突出 优点是将坐标系( a j b ，c ) 中的基波正弦变量变换成坐标系( d ，q ) 中的直 苴直童逗盔堂亟班塞生坐僮途塞筮! 夏 流变量。在三揠电路中，两相同步旋转坐标系( d ，q ) 中的q 轴分量常表 示有功分量，而d 轴分量则常用以表示无功分量。由于三相电压型p w m 整流器低频数学模型是建立于三相静止坐标系( a , b ，c ) 中，三相电压型 p w m 整流器交流侧变量均为交流量，这样就使系统特性分析及设计复杂 化。但若将三相电压型p w m 整流器低频数学模型建立于两相同步旋转坐 标系( d , q ) 中，稳态时整流器交流侧基波变量均转化为直流量，从而使系 统特性分析及设计得以简化。 为使三相静止坐标系( a ，b ，c ) 转换成同步旋转坐标系( d , q ) ，首先可将 三相静止坐标系( a , b ，c ) 转换成两相静止坐标系( d ，q ) ，如图3 2 所示。 考虑通用矢量x ，由坐标变换理论，这里选择“等量”坐标变换，则 陬1 1 0 1r ， 刚：黔_ 西以2 2 州t o j 。_ 9 针对三相电压型p 瓤整流器，式中 ( 七一口，b ，c ) u d ，q ) 图3 2 坐标系( a ，b ，c ) 、坐标系( d ，q ) 及矢量分解 将式( 3 9 ) 代入式( 3 - 8 ) ，化简得两楣静止坐标系( d ，q ) 中的三相电 压型p 删整流器开关模型为： c 鲁一3 ( i 。s q + i d s d ) 一 哮删。- - e q - - p d c s q ( 3 - - 1 0 ， l 鲁删。- - v d c s d 式中、s 。坐标系( d ，q ) 中单极性二值逻辑开关函数。 为了将两相静止坐标系( d ，q ) 进一步换成同步旋转坐标系( d ，q ) 中的数 学模型，可以在复平面上构造一复矢量： z 阳- 一z d 口忙d 。，d 。，s 啦 ( 3 1 1 ) 式中 啦一三相电网相电动势复矢量； j 蚀三相电压型p w m 整流器网侧相电流复矢量； s d o 一开关函数复矢量。 将式( 3 1 0 ) 写成复矢量形式，即得 式中 s 聊一s 印的共轭复矢置。 设初始状态下坐标系( d ，q ) 与坐标系( d ，q ) 重和，即q 轴与d 轴重 和。当坐标系( d ，q ) 以电网基波角频率u 同步旋转时，引入旋转因子e 一。 则同步旋转坐标系q q ) 中的复矢量z 。可表示为： x 蛔e 弘一x d q0 - 础一捌( 3 - - 1 3 ) 将式( 3 1 3 ) 代入( 3 1 2 ) ，即得三相电压型p w l d 整流器坐标系( d ，q ) 复 矢量模型方程为： 另外，式( 3 - 1 4 ) 中： h 心 群 童； 篮出坠出 - 气一弼 i 岫- t q 一滋 s 吨- - $ q j s t 一岛4 j 6 a ( 3 1 5 ) 将式( 3 - 1 5 ) 代入( 3 - 1 4 ) ，并分解d 、q 分最，得三相电压型p w m 整 流器在两相旋转坐标系( d ，q ) 下的数学模型为： c 誓- i 3 心p 和沪屯 哮删。- - e # - - v 。s q ( 3 - - 1 6 ， l 等一峨删。m e d - v d c $ d 式( 3 - 1 6 ) 所示的两相同步旋转坐标系( d ，q ) ，中，三相电压型p w m 整流器开关函数模型表达式存在两个变量豹乘积( i q $ 。、i r i s 。) ，呈现出 两个变量之间的耦合，因而其模型具有典型的非线性。因此，需对三相电 压型p 嘲整流器的d q 模型线性化。忽略三相电压型p 嘲整流器自身的损 耗，则交流侧有功功率p 。应和直流侧功率p 。相等，由此可以得到： d ，2：3 3 夏y 咖2 一面y 么+ 否锚d + 否印q ( 3 一1 7 ) 出尼cc 44 c 92 ”“ 上述分析是忽略了交流侧电感和桥路损耗，当需考虑损耗时，可适 当减小直流侧负载电阻也进行等效。式( 3 一1 7 ) 表明，f 。、i ，与之 间也存在着非线性关系，因而不利予控制系统设计，为此，令 “，v2 女 ( 3 1 8 ) 三相电压型p 霄m 整流器交流侧输出电压d 、q 分量v 。、y 。为： v j ；5 d v 出 v q 一5 q v 出 ( 3 一1 9 ) 为获得线性描述，可定义新变量“。、“。，且令： i t 一k 。勺一 k = 一w qt 气飞 q 将式( 3 - - 1 8 ) 、( 3 - - 2 0 ) 代入式( 3 - - 1 6 ) 、( 3 - - 1 9 ) 得三相电压型 酉亩窒遘太堂煎硒宝生堂僮淦塞 簋! 亟 p 删整流器在坐标系( d ，q ) 中改进的数学模型： d u23 3 一d t r l c 石幻+ 石0 盟一r i d + 珊i 。+ 1 ，“d 2 ) 卫d t ld + 珊口+ 工“d ( 3 - - 2 1 ) 生d tm - - ( 1 ) i q - - 和i 1 。 显然，对于m 、“j 、“。，式( 3 2 1 ) 为一组线性微分方程，各个变 量之间不存在耦含，因而易于三相电压型p w m 整流器控制系统的设计。 3 3 三相电压型p w m 整流器的等效变压器d q 模型 由于三相电压型p 吼整流器采用p 删控制，而这类p 嘲整流器是一 个强非线性、时变的耦合系统，对其动、静态特性的分析难度较大。1 9 7 6 年美国加利福尼亚理工学院r d g i d d l e b r o o k 和s l o b o d a nc u k 在前人基 础上提出了状态空间平均法，较好地解决了p 删d c d c 变换器的稳态和动 态低频小信号的分析问题。此后又相继提出了电流注入法、等效受控源法 等，从而推动了p w m 整流器动、静态分析在三栩电压型p w g 整流器d q 模 型的动、静态分析中，关键在于动态等效电路的建立。这里利用等效变压 器替代p 吼整流器中功率开关管的等效摧述方法嘲h 】。 图3 3 表示出三相电压型p w g 整流器原理电路及子电路的划分。为 获得坐标系( d 、q ) 中三相电压型p 聃整流器等效交压器模型电路，将三 相电压型p 咖整流器原理图电路分成a e 五个子电路进行分析，然后将各 个子电路的d q 等效电路适当地连接起来，就可以建立三相电压型p w m 等 效变压器d q 模型电路。方法的进一步研究，在三相电压型p w m 整流器d q 模型的动、静态分析中，关键在于动态等效电路的建立。下面分别对a 、 b 、c 、o 、e 五个子电路进行等效变压器变换。 i j 。r ： e a l 里口 掣 j j 、 。 足、 i 广- 9 ，y r 、 一 l d 弛l 里口 曲 ，y y n 7 c d o lr 1 i c _ = ，r 1 一 _ 一t e c s ij 巧j ：s i n l l ab c：d e l 设三相电压型p 哪整流器交流电动势e 出、电流，出分别为： e 础”。【l ；】，序m 【l ；萎三i ；塞i ：；】c 。一z z ， l m c | 1 4 王6 l 一尽 c o s ( w t + ) c o s ( t - 1 2 0 0 + 九) c o s ( 6 0 t + 1 2 0 0 + o ) ( 3 2 3 ) 式中 疵三相电压型p 删整流器电网电动势初始相位角。 九一三相电压型p 恻整流器网侧电流初始相位角； 、扣。、悖，e 。、，。峰值。 引入“等功率”坐标变换，从而将三相静止对称坐标系( a ，b ，c ) 变 换成同步旋转坐标系( d ，q o ) 。若旋转坐标系q 轴和静止坐标系a 轴间初 始相位角为妒，则经坐标变换后得到； 。；e q ，白，j r 。 c o s 昭一声) - s i n ( 究一妒) o ( 3 2 4 ) 一 酉亩套通盍堂亟瑟宜生堂僮缝塞 璺垫亟 ，。t i 一，r 。，r 。】- r 。【芋i ：n ：；j - ! ：，】 c 。z s ， 式中气、f ，一e 由o 、i o 峰值； 气、i o 三相电动势、电流零轴分蠡。 三相电动势源子电路d q 变换如图3 - 4 所示： 照幽赋 睡卜唑磐le 二k b 争量 w ( a ) 三相电动势源予电路( b ) 电动势源子电路d q 等效电路 图3 4 三相电动势源子电路d q 等效电路 ( 2 ) 三相电阻子电路- b 予电路d q 变换 设三相静止对称坐标系( a b ，c ) 中的三相对称电路电阻电压为： 6 cz k ，】r ( 3 2 6 ) 经过坐标系变换后，同步旋转坐标系( d ，吼o ) 中的电阻电压为： a ，j 一 ( 3 2 7 ) 式中 v 。三相电阻电压的零轴分量。 三相电阻子电路d q 变换子电路等效电路如图3 - - 5 所示。 黜出。由妒 孥幽辱i ( a ) 三相电阻电路( b ) 电阻子电路d q 等效电路 图3 - 5 三相电阻子电路d q 变换 ( 3 ) 三相电感子电路一子电路c 的d q 变换 设三相静止对称坐标系( a ，b ，c ) 中，三相对称电感电压为： 酉直童通盔堂亟亟塞生堂僮监塞董2 】亟 吃。- v 。，v 。，v 。r ( 3 2 8 ) 经过坐标变换后，同步旋转坐标系( d ，q o ) 中的电感电压为： 。i v l q , v d ，v l 。( 3 - - 2 9 ) v l o io 式中 h 。三相电感电压的零轴分量。 由 ( ，女) i 圪 ( 3 - - 3 0 ) 引入旋转坐标后，写成d 、q 分显形式为： 严i 缸q + v “( 3 - 3 1 ) i l ( i ) - 础f d + v 幻 由于三相电流零轴分量i oi ( f 。+ i 6 + f 。) 3 0 ，所以 l ( i o ) 一v o - 0 ( 3 - - 3 2 ) 根据式( 3 - - 3 2 ) 并对照回转器特性，则可获德三相电感d q 等效电 路，如图3 - 6 所示。 糍 掰 陶争州k 纠 ) ( ( a ) 三相电感电路( b ) 电感子电路d q 等效电路 图3 - 6 三相电感子电路d q 变换 。i f | ； d b - 。难2 dc o s ( ：o j 感