（电力电子与电力传动专业论文）智能可逆充放电装置的研究.pdf

a b s t r a c t a g a i n s tt h e d e f e c t so ft r a d i t i o n a lc h a r g e rw h i c hu s e st h y r i s t o rr e c t i f i e r ( 1 0 wi n p u tp o w e r f a c t o rw h i c hc a nc a u s et h ec u r r e n ta b e r r a n t ，l o ww o r k i n gf r e q u e n c ym a k i n gt h ed e v i c eh u g ea n d o n l yo n e - d i r e c t i o nt r a n s f o r m a t i o no f e n e r g y ) ，m yt h e s i sd e s i g n sah i g he f f i c i e n c y , h i g hp o w e rf a c t o r a n de n e r g ys a v i n gc h a r g ea n dd i s c h a r g es y s t e m t h i ss y s t e mm a i n l yc o m p r i s e sp w mr e c t i f i e r ( v o l t a g es o u r c e ) a n dd c d cc o n v e r t e rt w op a r t s a tt h es a m et i m e ，f o rt h es a k eo fc o n v e n i e n c eo f m a n i p u l a t i n ga n dr e f l e c t i n gt h eq u a l i t yq u i c k l y , t h i ss y s t e ma l s od e s i g n sap a r to fk e ya n dd i s p l a y r e v e r s i b l ep w mc o n v e r t e re a nr e a l i z eu n i tp o w e rf a c t o r ，c o t a n tv o l t a g eo u t p u ta n d b i d i r e c t i o n a lt r a n s f o r m a t i o no f e n e r g y i nt h i sp a p e r , t h ew o r k i n gp r i n c i p l e v e c t o rc o n t r o lw i t h c u r r e n tl o o p , w h i c hi ss u i tt ot h i ss y s t e mo ft h r e e p h a s ev s ra n dm o d u l a t i n gw a yf s p w m ) a r e p r e s e n t e di nd e t a i la n d t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n to fp w mr e c t i f i e rc o n t r o l l e db yv e c t o rw i t h c u r r e n tl o o pi sg i v e ni nt h e6 t hc h a p t e r ar e v e r s i b l ed c d cc o n v e r t e ri su s e dt oc o n t r o lt h em a g n i t u d ea n dd i r e c t i o no ft h ec h a r g ea n d d i s c h a r g ec u r r e n t i nt h ec h a r g ec u u t 翻g ，i ti sw o r k i n g 血b u c kc h o p p e rs t y l e ，a n dc o n v e r t s t h ed c v o l t a g er e c t i f i e db yp w m r e c t i f i e rt ot h en e e d e dv o l t a g ea n dc h a r g e st h ea c c u m u l a t o r w h e ni nt h e d i s c h a r g ec o u r s e ，i ti sw o r k i n gi nb o o s tc h o p p e rs t y l e ，a n ds e n d st h ee n e r g yo ft h ea c c u m u l a t o rt o t h ed cs i d eo ft h ep w mr e c t i f i e rw h i c hw i l ls e n di tt oe l e c t r i cn e t t h i sp a s s a g ed e t a i l l yi n t r o d u c e s t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dc o n t r o lc i r c u i to fd c d cc o n v e r t e r i t ss i m u l a t i o ni sg i v e ni nt h e6 t h c h a p t e ra tl a s l i nt h ek e ya n dd i s p l a yp a r t 。k e yi su s e dt 0m o d i f yt h ep a r a m e t e r so f c h a r g ea n dd i s c h a r g e ，a n d l c dm o d u l a t o ri su s e dt od i s p l a yt h ev a r i a b l ec u r r e n tw a v eo f c h a r g ea n dd i s c h a r g ec o u r s ea n d c o r r e l a t i v ep a r a m e t e r s a c c o r d i n gt ot h ew a v e ，w ec a nj e d g et h eq u a l i t yo ft h ec o u r s eq u i c k l y t h e d e s i g n o f t h ec o n t r o l h a l d w a r e o f s y s t e m b a s e d o n t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 i sa n a l y z e d i n d e t a i l h a r d w a r es c h e m a t i c sa n ds o f m 批f l o w - c h a r ta r ep r e s c n t c di nt h i sp a p e r f i n a l l y , t h es i m u l a t i o no f t h es y s t e ma n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fp w mr e c t i f i e ra r e p r e s e n t e d t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h ei n p u tp o w e rf a c t o ri sc l o s e t o1 ，t h eo u t p u tv o l t a g eo ft h er e c t i f i e ri ss t a b l ea n dt h eh i g hq u a l i t yc h a r g ea n dd i s c h a r g ec u l l c o to f t h ea c c u m u l a t o ri sa c h i e v e d ，c u r r e n tr i p p l ei ss m a l l f i g u r e 9 1 lt a b l e 【1 】1r e f e r e n c e 【5 5 】 k e y w o r d s ：a c c u m u l a t o r , c h a r g ea n dd i s c h a r g e ，p w mr e c t i f i e r , d s p c h i n e s eb o o k s c a t a l o g ：t m 9 1 0 6 l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞微堡王太堂或其他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谢意 学位论文作者签名：智e 万 签字日期：州年明- 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徽堡王太堂有保留，使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于安徽理工大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权塞筮垄王太 生_ 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文( 保密的学 位论文在解密后适用本授权书) 同时本人保证，毕业后结合学位论文 研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学 学位论文作者签名：鄞孑 签字日期：沙叼年月。日 导师张嘈灸 签字日期：刀7 年莎月8 日 ， l 绪论 1 绪论 1 1 蓄电池的分类及发展动态 1 蓄电池的分类 电池一般指将其它形式的能量转变为电能的一种装置电池分为两大类：化 学电源和物理电源。化学电源是将化学能直接转换为电能的储能或换能装置。物 理电源是通过物理变化将其它形式的能量直接转换为电能的装置，例如太阳能电 池、温差发电器、热离子发电器、核电池等均属于物理电源。 化学电源的种类繁多，它是一种通过其内部的氧化还原反应实现化学能与电 能互相转换的装置。根据化学能和电能能否可逆转换，化学电源可分为以下类型： 1 ) 原电池，也称一次电池( p r i m a r y b a t t e r y ) ，其活性物质用尽后不能用充电的 方法使之恢复，只能废弃如锌锰电池、铿锰电池等； 2 ) 蓄电池，也称二次电池( s e c o n d a r yb a t t e r y ) ，其活性物质耗尽后，可用充电 方法使之恢复，即当适当的反向电流通入蓄电池时，则可将电能转化为化学能储 存起来，这种反向充电补充能量的过程即是蓄电池充电过程，而蓄电池将自身的 能量以电能的形式供给外线路的过程即放电过程二次电池为电能储存装置，故 称蓄电池，显然蓄电池相对于一次性的电池有其技术上的优越性。 2 蓄电池的发展动态 1 ) 铅酸蓄电池，铅酸蓄电池根据用途分为启动型、牵引型、固定型、便携式 等，以极板工艺和结构分为涂膏式和管式，再冠以其它特点，如密封、免维护、 胶体等而成名分别用于摩托车、飞机、船舶等启动，搬运和电动车等动力，交 换台、u p s 等备用电源，以及储能、潜艇、便携式仪器、工具、应急照明、微型 收录机等。 铅酸蓄电池是目前世界上产量最大、用途最广的一种电池。销售额占全球电 池销售额的3 0 以上，其所消耗的铅量占世界总耗铅量的8 2 。 2 ) 碱性电池，碱性蓄电池有镉镍、铁镍、氢镍、锌银等系列电池 镉镍蓄电池分开口式、全密封式、液密式；以外壳形状又分为扣式、圆柱式、 矩形；以极板工艺分为有极板盒式( 袋式) 、压成式、烧结式、半烧结式。由于 放电率高、耐恶劣环境、储存和循环寿命长、使用和维护简单、价格适中等优势， 是目前使用面最广的电池系列，以不同的结构、品种用于卫星、有线制导、电站、 火车、搬运车、u p s 、办公设备、摄象机、计算机、电动工具等。 安徽理工人学坝l j 学位论文 氢镍蓄电池包括高压氢镍蓄电池和金属氢化物镍蓄电池。是美国近2 0 年来开 发的新型高能电池。尤其是金属氢化物镍蓄电池，具有高比能量和高比功率、长 循环寿命、快速充电、生产工艺和设备与镉镍电池继承性强等优点，发展异常快。 可用于移动电话、便携式计算机和其它便携式电子设备，也是电动汽车最有竞争 能力的电源之一。但电池容量一致性、充电的热效应、自放电性能、大生产工艺 以及应用推广、开拓市场等碰到不少问题，对它的发展及其是否很快取代镉镍电 池的看法也不尽相同 3 ) 锂离子电池，国际上对锂蓄电池的研究除有机电解质系列外，还有高温熔 融盐锂蓄电池、固态聚合物电解质锂蓄电池等但商品化的只有有机电解质锂蓄 电池。对大功率电池研究虽然开发工作难度很大，如安全、充电等方面的问题， 但因其有高比能量、大功率等特殊优点，作为电动车、电网储能、家庭储能电源 等前景诱人，许多国家仍大力开发【5 引 随着现代科学技术的发展，尤其是汽车工业、电动汽车的发展、电话等通讯 事业的快速发展、计算机的普及等，蓄电池的市场需求量必将保持持续上升的趋 势 1 2 问题的提出及解决方案 1 问题的提出 对于蓄电池生产厂家，生产的蓄电池在出厂前，为了保证产品质量，需要对 蓄电池的性能进行测试，通常是通过三充、两放的充放电过程后，测试每节蓄电 池的性能。通常的工艺要求是恒流充电3 小时，放电2 小时，再充电3 小时，再放电 2 小时，最后再充电3 小时为此，对蓄电池的要求是能充、能放，即要求具有可 逆充放电功能。 目前，能充能放的充电装置，主要有以下几种方案： 1 ) 晶闸管整流器充电，通过电阻放电 晶闸管整流器充电，通过电阻放电的充放电电路如图l 所示。当开关s 合到l 位时，晶闸管整流器对蓄电池充电；当s 合n 3 位时，蓄电池对电阻放电。这种方 案的优点是电路结构简单，造价低，但具有效率低、功率因数低、放电电流大小 难以控制及能源浪费的缺点。 2 l 绪论 ls 图1 晶闸管整流器充电及对电阻放电装置 f i g 1t h ed e v i c eo fc h a r g i n gu s i n gt h y r i s t o r - r e c t i f i e ra n dd i s c h a r g i n gu s i n gr e s i s t a n c e s 动用开关换向的晶闸管可逆充放电装置 主电路如图2 所示当开关s l 、s 2 闭合，s 3 、s 4 断开时，晶闸管整流器v 对蓄 电池e 充电，v 工作在整流状态；当开关s 1 、s 2 断开。s 3 、s 4 闭合时，v t 作在有 源逆变状态，蓄电池向交流电源放电。这种方案的特点是效率高。 l 图2 用开关换向的晶闸管充放电装置 f i g 2t h ed e v i c eo fc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gu s i n gs w i t c h e s 3 ) 反并联晶闸管充放电装置 反并联晶闸管充放电装置电路如图3 所示。当v f t 作在整流状态时，对蓄电 池充电；当v r 工作在逆变状态时，蓄电池对交流电源放电 图3 反并联晶闸管充电装置 f i g 3t h ec h a r g i n gd e v i c eo f p a r a l l e lc o n n e c t i o ni nr e v e l 由上可以看出目前的充放电设备大部分采用充电装置和放电装置两套独立设 备，充电装置主要由晶闸管可控整流器组成，存在装置比较复杂、网侧功率因数 低、谐波污染严重等问题：放电装置主要有纯电阻放电装置和晶闸管有源逆变放 电装置两种。纯电阻放电装置是以纯电阻为负载，对蓄电池放电，该装置虽然结 3 安擞理t 人学硕i ：学位论文 构简单，成本低，但放电电流控制困难，很难满足蓄电池恒流放电的要求，且操 作麻烦、体积大、造成能源的浪费等：若采用晶闸管有源逆变放电装置，该类装 置不但动态响应差，而且效率低、可靠性差，同时这种装置功率因数较低，而且 向电网注入了大量谐波，这样不仅造成了电网的谐波污染，更使电能传输和利用 效率降低。 2 解决方案 采用现代技术来解决以上所提出的问题，已经成为现阶段蓄电池工业技术发 展的当务之急，本论文所选的题目的立足点正是为了在和这些问题有关的领域作 一些试验性的研究工作，为解决以上问题做一些尝试 本文设计的一套集充、放电于一体的基于可逆p w m 整流器的蓄电池智能充、 放电装置：其中p w m 整流器采用了电流闭环矢量控制策略当整流器工作于整流 状态时，它将提供电压恒定的直流电源，为蓄电池充电提供了保障，当整流器工 作于逆变状态时，又为蓄电池向电网反馈能量提供了通道；同时采用一种可逆 d c d c 变换电路，根据充放电指令要求产生的电流指令与检测到的电流反馈信号 和电流调节器构成电流闭环控制，其电路图如图4 所示该装置具有以下特点： 1 ) 可逆p w m 整流器使该装置既能工作于整流状态又能工作于逆变状态、即 实现能量再生； 2 ) 实现了网侧单位功率因数，大大降低了装置对电网的谐波污染： 3 ) 采用馈能放电，将蓄电池电能回馈到电网，大大节省了电能； 4 ) 可逆p w md c j d c 控制使该装置既能充电又能放电； 5 ) 蓄电池工作模式和参数设定非常方便； 6 ) 友好的人机界面； 7 ) 智能充放电。 上v li u 斗 l - l t p w i v l 整液嚣 图4 基于p w m 整流器的充放电系统 f i g 4n es y s t e mo fc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gb a s e do i lp w m r e c t i f i e r 4 e 1 绪论 本装置能够实现单位功率因素对蓄电池充放电，减小对电网的污染；增加智 能控制功能，实现自动控制，可以提高生产效率，因而很好的解决了上述问题。 1 3 选题意义 当前，由于社会生产力的迅速发展，工业制造能力的不断提高，对蓄电池的 技术性能，可靠性、安全性和充电效率的要求越来越高另外，在全世界的范围 内，许多国家政府出于保护环境的需要，都在探询无污染的能源。蓄电池在这一 方面显示了其特有的优越性，例如传统的汽车制造工业，都是以汽油作为其燃料， 但是汽车所排放的尾气一直是大城市最主要的污染源。如果采用可多次充电的大 功率蓄电池，就既可以满足汽车行驶的需要，而且又没有污染。 因此，非常有必要设计出一种快速高效、智能化可逆充电装置来满足现在的 需求。本课题所要设计的是以d s p 为核心的基于p w m 整流器的智能化充放电装 置，这一套装置集充、放电功能于一体，即可作为蓄电池的充电电源，实现对蓄 电池恒流充电，又可作为蓄电池放电的负载，把蓄电池恒流放电时的能量回馈到 电网。且在蓄电池充、放电的过程中，均可以实现网侧电流的正弦化和高功率因 数、低谐波污染，节能效果显著。 同时，d s p 是近年来发展起来的一种性能非常高的微型计算机，它进入我国 虽然仅仅几年的时间，但是因为它所具有的独特优点而获得极为广泛的应用它 的应用涉及控制、数据采集、信号处理、智能仪器仪表、家用电器、国防武器等 众多领域，并且日益扩大，其应用技术也日趋成熟。 采用d s p 控制的大功率充电电源，具有体积小、重量轻、充电效率高，使用 方便、工作稳定、充电时间短、可以实现可逆、节省能源等优点，它的实现必将 大大提高蓄电池的充电效果 因此，以d s p 为控制核心的基于p w m 整流器的充放电装置有着十分美好的 前景 1 4 本文的主要内容及新思路概述 1 4 1 主要内容 本文围绕p w m 蓄电池充放电控制技术中理论和问题展开了深入的讨论和分 析内容安排如下： i 三相电压型p w m 整流器的研究 三相电压型p w m 整流器是本系统研究的基础，担负着为蓄电池充电时提供直 虫徽理工夫学硕1 学位论文 流电源及放电时向电网馈电的功能。本文在第二章给出了三相电压型p w m 整流器 的电路拓扑结构，并对它的工作原理，d q 模型及调制方式进行了介绍。 2 对电压型p w m 整流器控制策略的研究 本文在第三章中首先简要介绍了多种p w m 整流器的控制策略，然后详细介绍 了适合本系统的电流闭环矢量控制策略。并将其解祸及矢量控制原理做了详细的 介绍。 3 d o d c 变换器的研究 d c d c 变换是实现蓄电池恒流充电、放电过程的核心。第四章给出了一种智 能的双向升压降压电路，并分别对降压和升压变换器的工作原理及其控制电路进 行详细地分析研究。 4 系统设计 本文第五章介绍了本系统的硬件总体结构，主回路参数设计硬件电路设计 和电路的软件设计系统地给出了各接口电路图及软件中各个组成模块的功能和 流程图 5 系统实验与仿真 在第六章中首先介绍了m a 兀a b s i m u l i n k 仿真软件的特点，列举了电力电 子系统的建模和仿真工具一s i m p o w e r s y s t e m 特点及功能，接着又给出了系统 各个仿真模型及仿真结果，最后给出了实验实物图及实验结果。 1 4 2 在以下问题的探讨具有新思路 1 给出了基于电流闭环矢量控制的可逆p w m 整流器的原理和实现方法，具 有容易实现，性能优良且经济实用的特点。 2 提出了基于升降压d o d c 变换器的可逆充放电系统的控制策略，具有结构 简单，容易实现的特点，同时对可逆充放电系统进行建模，并给出了电流调节器 的动态设计方法。 3 提出了基于d s p 控制的键盘显示接口，其连接简单，控制方便，不仅使现 场修改蓄电池充放电参数更加方便，而且通过液晶模块显示的充放电过程的相关 参数及电流变化盏线可以快速了解充放电质量。 6 2 三相电艨型p w m 整流嚣 2 三相电压型p w m 整流器 如第一章所述，p w m 整流器是本课题所提出的智能充放电装置与普通充放 电装置相区别的一个重要因素，因此是本课题研究的一个重点p w m 整流器按 其主电路结构分为电流源型p w m 整流器( i s r ) 和电压源型p w m 整流器( v s r ) ， 电压源型整流器与电流源型整流器相比，直流脉动小，输入电流连续且简单易行， 因此本课题选用了电压型p w m 整流器。电压型p w m 整流器的电路结构主要有： 单相半桥、全桥p w m 整流电路，三相半桥式、全桥式p w m 整流电路，三电平 p w m 整流电路以及基于软开关调制的v s r 拓扑结构。本课题采用的是三相半桥 式p w m 整流电路，这是一种最常见的三相p w m 整流器，应用最为广泛。通常 所谓的三相桥式电路即指三相半桥电路 2 1 三相v s r 的电路结构 三相电压型p w m 整流器( v o l t a g e s o u r c e r e c t i f i e r v s r ) 的主电路拓扑结构 如图5 所示。每个桥臂由一个全控型器件( 如g t r 、g t o 、m o s f e t 、i g b t 等) 和反并联整流管组成，图中等效电阻r 包括外接电抗器的电阻和交流电源内阻； 交流侧电感l 包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感，它起传递能量、限制 谐波电流和平衡电网电压与桥臂终端电压的关系等作用；直流侧电容c 为高次谐 波电流提供低阻抗通路直流侧的直流电压c 是为了便于后面分析能量反馈而设 置的。对具有三相桥臂的三相v s r 进行p w m 调制，只需对三相桥臂施加幅值、 频率相等，而相位互差1 2 0 。的三相对称正弦波调制信号。由于采用了升压电路 的基本拓扑，其输出直流电压要大于输入端线电压的峰值。 卫 o 图5 三相电压型p w m 整流电路原理图 f i g 5t h ec i r c u i to ft h r e e - p h a s ev s r 7 立敬理工大学硕：l 学位论文 2 2 三相v s r 工作原理 图5 中，e 髓、c s b 、e 。是网侧输入电源，r 是电感等效电阻和电源内阻之和， 电感在高频时表现为电感特性。而在低频时表现为阻感特性每个i g b t 都反并 联了一个二极管，解决了功率开关的单向导电问题，使电路可以工作在整流和逆 变两种状态，能量可以进行双向流动。交流侧电路中串联的电感l 可以起储存传 递能量和平衡电压的作用，它是保证p w m 整流器正常工作的必要条件。串接电 感后，在某种工作状态下，整流器的能量在交流侧桥臂之间流动。将能量存储在 电感上，当能量达到一定程度，整流器前端电压高于直流电压时。能量就从电感 释放到直流侧，实现整流运行。电感值的大小对交流侧电流影响较大，当电感值 较大时，电流高次谐波明显减小，但是过大将导致系统的动态响应变慢。直流侧 电容c 也称为支撑电容，是电压型交流器的标志它可以滤除输出电压脉动成分， 充放电时保持直流电压于适当值，确保电容电压高于电网电压，保证p w m 整流 器正常工作r l 为负载电阻 对p w m 整流器的控制就是对整流器的六个功率开关管i g b t 施加某种p w m 开关调制信号，使得系统达到功率因素1 ，整流器的前端输入点电压的基波成分 是一个与外加网侧电源电压成一定角度t 的同频率正弦波任意时刻整流器各桥 臂上下开关信号互补，且任何时间都有三个器件工作系统工作矢量原理图如图 6 所示 图6 系统工作矢量原理图 f i g 6s y s t e mw o r k i n gv e c t o rt h e o r yf i g u r e 以a 相为例，其中v i 是整流器a 相前端输入点电压，屯是电感l 两端的 电压。在单位功率因素情况下，相电流k 和相电压同相，则电感电压与a 相 电压矢量垂直，根据矢量图可得： r ? 一 k - ( 气一屯尺) 2 + ( m l 乞) 2 ( 2 - 1 ) 8 2 三相f b 压型p w m 整流器 ，。t a n ：生生l( 2 2 ) 气一只0 由此可见。控制整流器前端输入电压v i 的大小和相位，则可以控制交流侧电 流i 蛆的相位和大小，从而改变功率因素和传输能量的大小，当k 和同相时， 则实现单位功率因素控制。 2 3 三相v s r 的d q 模型 通常的三相静止对称坐标系c a ，b ，c ) 中的v s r 一般数学模型的特点是物理 意义清晰、直观，但是在这种数学模型中，v s r 交流侧均为时变交流量，因此不 利于控制系统的设计为此，可以通过坐标变换将三相对称静止坐标系( a ，b ，c ) 转换成以电网基波频率同步旋转的( d ，q ) 坐标系。这样，经坐标旋转变换后，三相 对称静止坐标系中的基波正弦变量将转化成同步旋转坐标系中的直流变量，从而 简化了控制系统设计三相对称静止坐标系中的三相v s r 一般数学模型经同步旋 转坐标变换后，即转换成三相d ，q 模型。它是后面研究闭环矢量控制的基础。 2 3 1 三相物理量的通用矢量描述 所谓通用矢量描述，是指三相物理量可以用一个空间旋转矢量在三个静止坐 标轴( a b ，c ) 上的投影来表示，这个表示三相对称物理量的矢量即称为通用矢量 在电路系统中，三相物理量既可以是三相电流、三相电压，也可以是三相功率等 我们以三相对称电路系统中的三相电流为例进行说明，图7 为三相电流及其通用 矢量的示意图。 b 图7 三相电流及其通用矢量示惹图 f i g 7t h r e e - p h a s ec u r r e n ta n di t sc o m m o nv e c t o rs k e t c hm a p 设三相电流的瞬时值分别为i l ，i b ，i c ，若三相对称，即i 。+ i b + i c = o ，则总可以 找到一通用电流矢量i 来表示三相电流i 。i b ，j c 当通用矢量i 在a ，b ，c 三相轴上 的投影恰好等于各相坐标轴电流的瞬时值时，则i i ，i h ，i c 可用通用矢量i 描述对 任意三相物理量，均可用一个通用矢量来描述。当用通用矢量来描述三相对称正 9 安散理工大学硕l ：学位论文 弦量时，其相应端点轨迹是一个圆。 2 3 2 三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换 1 三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换1 4 矧 为简化数学模型以便分析，可以使三相静止坐标系变换为两相静止坐标系。 坐标系交换是通用矢量分解等效的结果。我们采用等量变换原则。设两相坐标轴 ( a ，8 ) 的a 轴与三相坐标轴c a 、b 、c ) 的a 轴重合，设通用矢量i ，两坐标系 关系如图8 所示。则该坐标变换为： 计詈 1 一三一三 22 压压 u - - 22卜啦，日 协s ， 式中，c 3 妇为从三相静止坐标系转换为两扫静止坐标系的转换矩阵； i 。，i b ，i c 为矢量i 在( a 、b 、c ) 坐标系各轴上的投影量； i ，i o 为矢量i 在( a ，b ) 坐标系各轴上的投影量。 图8 三相静止坐标系与两相静止坐标系之间的关系 f i g 8r e l a t i o n s h i pb e t w e e n3 - p h a s ea n d2 - p h a s es t a t i cc o o r d i n a t e 由两相静止坐标系到三相静止坐标系的变换为： 黔 io 13 22 1 压 22 卧c 舢瞄】 ( 2 4 ) 式中，c 2 蚰。为从两相静止坐标系转换为三相静止坐标系的转换矩阵。 2 三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的变换 由式( 2 - - 1 6 ) 可见，( a ，b ) 变换只是减少了变量冗余，模型参数仍是时变 的。现以电流空间矢量为例来进行分析，如图9 所示。 1 0 2 三相电压堑p w m 整流器 系： 图9 ( d ，q ) 坐标系与( 0 ，b ) 坐标系之间的关系 f i g 9r e l a t i o n s h i pb e t w e e n ( d ，q ) a n d ( a b ) s t a t i cc o o r d i n a t e d q 轴以角速度同步旋转，设d 轴与a 轴间夹角为0 ，则由图9 可得如下关 【：】。卜。o 纽s o 口。 m 。o j l r f ，oj 1 - c 圳z rf ：】 ( 2 5 ) 其中，o = c o t ，c 2 她为从两相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换矩阵 由式( 2 5 ) 可见，此变换阵是时间t 的函数 联立( 2 3 ) 、( 2 5 ) ，可得： 即 s i n 0 s i n ( e - 1 2 0 ) c o s o c o s ( o - 1 2 0 。) 1l 22 s i n ( 8 + 1 2 0 ) c o s p + 1 2 0 ) 1 2 卜1卜1 | ：j q _ 6 式( 2 6 ) 即从三相静止坐标系到两相同步坐标系的变换式它最突出的优 点是将坐标系( a 、b 、c ) 中基波正弦变量变换到( d 、q ) 坐标系中的直流分量， 为此必须首先确定( d 、q ) 坐标系d 、q 轴的空间位置。众所周知：在三相电路中， 两相同步旋转坐标( d 、q ) 中的d 轴分量常表示有功分量，而q 轴分量则常表示 无功分量。 在三相静止对称坐标系( a 、b 、c ) 中，e 、，分别表示三相电动势矢量和电 流矢量，并且e 、，以电网基波角频率逆时针旋转。根据瞬时无功功率理论，在 描述三相电量时，为简化分析，将两相旋转坐标系( d 、q ) 中d 轴与电网电动势 矢量e 同轴。即d 轴按矢量e 定向，e 矢量d 轴方向的电流分量i j 定义为有功电 流，而比矢量e 滞后9 0 相角的q 轴方向电流分量i a 定义为无功电流另外，初 始条件下，令d 轴与a 轴重合两坐标系的矢量分解如图1 0 所示 安徽理工大学硕士学位论文 图1 0 两坐标系的矢量分解 f i g 1 0v e c t o rd e c o m p o s i n gu n d e rt w ok i n d so f c o o r d i n a t e s 2 3 3 三相v s r d q 模型 1 三相静止坐标系下的数学模型 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 针对三相v s r 一般数学模型的建立，通常作以下假设： ( 1 ) 电网电动势为三相平稳的纯正弦波电动势； ( 2 ) 三相回路等效电阻相等，各相电感均为线性，且不考虑饱和，其值为l ： ( 3 ) 忽略开关器件的导通压降和开关损耗； ( 4 ) 为描述v s r 能量的双向传输，三相v s r 其直流侧负载由电阻r l 和直流 电动势c 串联表示； ( 5 ) 忽略分布参数的影响 1 ) 采用开关函数描述的v s r 数学模型1 4 l 令三相电网基波电动势为： i e h e - o o s a z - q c o s ( o x z 石3 ) ( 2 _ 7 ) l 气- ec o s ( o x + 驯3 ) 式中e 。为相电压幅值，为电网角频率，则整流器输入电流基波为： ft - l c o s ( o x - q 7 ) - ，带c o s ( o x 一2 卅3 一中) ( 2 8 ) i t - ，_ c o s ( o x + 2 州3 一伊) 式中，i 。为每相输入电流幅值，f 为基波电流滞后电源电压的角度，由图2 - 1 可得： 2 三相也压型p w m 整流器 三牟+ 吃 a t 拿+ r a t 工冬+ 兄t d f ( 2 - g ) 式中，p 0 ，为整流器各相输入端对整流输出负极性端n 点电压，吃。 为整流输出负极性端n 对电源中性点0 的电压 由于每相桥臂共有两种开关模式，即上侧桥臂导通或下侧桥臂导通，因此三 相v s r 共有2 3 8 种开关模式，可利用单极性二值逻辑开关函数置( k = a ，b ，c ) 描述，即： & - n 0 二篙翼黑篙 亿 屯。 一- 下桥臂导通，上桥臂断开 u1 u 例如，当开关v l 闭合，v 2 断开时，开关函数为：1 墨- o ，则一吼， 当v 2 闭合，v l 断开时，开关函数为：墨- o e - 1 ，- 0 ，那么上式变为： l d i ，_ 。+ 吃 a t l d i ，_ * + 置 4 f l 等+ 吃t m - e 0 一( 【，2 墨+ 心o ) - 一瓯瓯+ 。) 一一a 7 疋+ 珞o ) ( 2 - 1 1 ) 由式( 2 1 1 ) 及电路参数三相对称关系易推得： ( f ) - 一半- 争。荟，s ( 2 - 1 2 ) 当忽略三相v s r 桥路损耗时，其交、直流侧的功率平衡关系为： 艺t - 毛僻占，c ) ( 2 1 3 ) 可得： - t 置+ 咒+ t ( 2 1 4 ) 对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律，得： c 誓- t + 虢+ 瓯一字 ( 2 _ 1 5 ) 联立式( 2 7 ) “( 2 - 1 5 ) ，则采用开关函数描述的v s r 一般数学模型状态变 量表达式为： 安徽理工人学硕士学位论文 哮一忡一f 置一业u a , 夸讪气一( 墨一半) e 鲁。t 帆一( 疋一鼍学) 吮 c 鲁吨蚍啦一等 上述的数学模型中，由于开关函数的不连续性，使得该数学模型是一组对时 间不连续的微分方程组，称为开关函数描述的数学模型，该数学模型是对v s r 开 关过程的精确描述，较适合于v s r 的波形仿真然而，采用开关函数描述的v s r 一般数学模型由于包括了其开关过程的高频分量，因而很难用于指导控制器的设 计当v s r 开关频率远高于电网基波频率时，为简化v s r 一般数学描述，可忽 略v s r 开关函数描述模型中的高频分量，即只考虑其中的低频分量，从而获得用 占空比描述的低频数学模型 2 ) 采用占空比描述的v s r 一般数学模型 当开关频率远高于电网频率时，此时在一个开关周期内，采用p w m 规则采 样法，开关函数波形如图1 1 所示 图1 1 规则采样法p w m 及开关函数波形 f i g 1 1r e g u l a r - s a m p l i n gp w m a n ds w i t c h i n gf u n c t i o nw a v e f o r m 图中，q 一打正，正为p w m 开关频率，d k 为对应相的p w m 占空比，且以墨1 。 则开关函数在一个p w m 开关周期中的平均值为： ；勃警洲叫- 畋 ( 2 - 1 7 ) 通过傅立时分解可知，为开关函数& 的低频成分，当忽略& 中的高频成分， 则& 可用替代，即s k 可用吐替代。 1 4 2 三相屯压型p w m 整流器 由上式可以看出，采用占空比数学模型实际上是当开关频率很高时，用开关 函数在一个开关周期内的平均值代替歼关函数本身，这样得到对时间连续的占空 比描述的数学模型： 哮- 帆一( t 一半) 夸。讪一( 以一半) 倍 哮。饥一( t 一号睁) c 誓毗+ d a 坝一警 这种采用占空比描述的v s r 低频数学模型忽略了系统中的高频成分，非常适 合于控制系统的设计。但是，由于这种模型略去了开关过程的高频分量。因而不 能进行精确的动态波形仿真总之，采用开关函数描述的以及采用占空比描述的 v s r 一般数学模型，在v s r 控制系统的设计、系统仿真中各自起着重要的作用。 2 三相v s r 的d q 模型 由式( 2 1 6 ) 、( 2 1 8 ) 可知。系统各相电流的变化不仅与本相开关管的状态 相关联，而且与另外两相开关管的状态相关联。也就是说在静止a b c 坐标系下， 各相电流存在着耦合，且很难分离耦合项因此，由于藕合项的存在，在基于静 止a b c 坐标系下，很难对三相v s r 的电流进行准确快速的控制 在基于同步旋转d - q 坐标系中，电流中的有功、无功分量是分离的，很容易 解耦。相比于静止a b c 坐标系，若采用p i 控制，其在稳态时是可以做到实际电 流完全跟踪给定电流，其控制精度高。因此，得到三相v s r 在d q 坐标系下的数 学模型是相当必要的 将式( 2 - 1 6 ) 带入到式( 2 6 ) ，得到三相v s r 在d - q 坐标系下的采用开关函 数描述的数学模型为： l 鲁- 月+ 叱+ 啦一s l 冬。- i , r + u , q u , q 一砒一毛( 2 - 1 9 ) l 云 + 一砒一毛 c 等锄+ s j 一下u d , - e 将式( 2 1 8 ) 带入式( 2 6 ) 得到三相v s r 在d q 坐标系下的采用占空比描 述的数学模型为： 安徽理工人学硕l 学位论文 l 等一喁+ u 。+ 础q d p 。 l 鲁- 一r + 叱一越一( 2 - 2 0 ) c 等毗q 卜t u , , - e 由式( 2 一1 9 ) 、( 2 2 0 ) 可以看出，i j ，i a 之间存在着耦合，耦合项分别为, o l i 和o , l i , s ，出( 或以【k ) 和【0 ( 或d 。u 。) 是d - q 轴桥臂中点电压矢量 2 4v s r 的调制方法 p w m 整流器主电路开关的工作频率、开关的p w m 调制策略都与整流器静态 指标密切相关研究p w m 模式历来是电力电子变流装置的一大课题。调制方式 的选择还与变流器容量及选用的器件有密切关系历年来用于可逆变流器的主要 调制方法可以归纳如下【2 3 l ； 1 s p w m 方式 这是最基本的调制方法，具有概念清晰、易于实现的特点。当载频足够高时， 它有很好的谐波特性，适合于用i g b t 、m o s f e t 等快速器件构成的电路。 2 o p w m 方式 它是着眼于使用较低的工作频率、获得较好的谐波特性的一种调制方法，基 本思想是利用特殊的开关角培植，使影响较大的低次谐波分量为零但它不能消 除高次谐波。这种方式适用于g t o 和晶闸管等慢速器件构成的电路。因此在大功 率装置中经常考虑使用这种方式 3 s v p w m 方式( 空间矢量调制) 它是借用电动机变频调速中形成圆形磁场的一种调制方式，它也能在较低的 工作频率下获得较好的谐波特性，适合于低速器件使用。由于它是以获得综合效 果最好为前提，因此，不能消除低次谐波，但也能获得满意的谐波特性。 本装置的p w m 调制方式选用了s p w m 调制方式，下面将对其作一具体介绍。 2 4 1s p w m 基本原理 s p w m 基本原理主要利用了采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而 形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同冲量即指窄脉冲 的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把 各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。这 1 6 2 三相电璀型p w m 整流嚣 一原理称为面积等效原理，它是p w m 控制技术的重要理论基础。 下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 图1 2 p w m 波代替正弦半波 f i g 1 2p w m w a v ci n s t e a do f s i n ew a v e 把图1 2 a