（电力电子与电力传动专业论文）潮流电站电能转换与并网控制研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a m o n gt h eu s i n go ft h eg e n e r a le n e r g ys u c h 雒p e t r o l e u m a n dc o a l ，t h e s e e n e r g ya r eg e t t i n gl e s sa n dl e s s ，s od e v e l o p i n gn e we n e r g yb e c o m em o r ea n d m o r ei m p o r t a n t t h i sp a p e ri sa b o u to fan e we n e r g ) 。t i d a le n e r g y s e x p l o i t u r e t h e r ei ss o m e t h i n ga b o u tr e s e a r c hi nt i d a lp l a n t sp o w e rt r a n s f o r m i n ga n d g r i d - c o n n e c t e dc o n t r o l l i n gi nt h i sp a p e r , a n dh a sp r e s e n t e di d i o g r a p h i cp r a c t i c a l s c h e m e t h e 鲥d c o n n e c t e dc o n t r o l l i n gs c h e m ei s ac l o s e d - l o o pc o n t r o lw h i c h i sb a s e do nt h et r a c ko fg r i d - c o n n e c t e dc u r r e n ta n ds y n c h r o n a lp l lc o n t r o l l i n g h o w e v e r ，w h e nu s i n gm a t l a b t os i m u l a t et h es c h e m e ，t h er e s u l ti sr i g h ta n d i tt e s t i f i e st h ec o n t r o l l i n gs c h e m ei sv a l i d t h e ni no u rp r a c t i c a lp r o c e s s ，t h i s c o n t r o la r i t h m e t i cc a ng u a r a n t e et h ep o w e ro f t h et i d a lp l a n tw h i c hh a st h es a m e f r e q u e n c ya n dt h es a m ep h a s eo ft h ep o w e rg r i d sv o l t a g e ，c o n n e c t i n gt ot h e p o w e rg r i do rf o rt h eu s i n go fc o n s u m e ra f t e rt h ep r o c e s s i n go fo u rd e v i c e ； m e a n w h i l e ，a f t e rc o n n e c t i n gt ot h ep o w e rg r i dw eu s ea c t i v ee x a m i n em e t h o d t o p r e v e n t “a n t i - i s l a n d i n g ”f a u l tt oa p p e a l ，e s p e c i a l l y ，w h e np o w e rs y s t e m i s p o w e rc u ta b r u p t l y a l ld o n ea b o v ec a ne n h a n c eo u rs y s t e m sr e l i a b i l i t ya n d s e c u r i t y i nt h i sp a p e r ，w eu s ea c - d c - a ct r a n s f o r m i n gm e t h o d ，w i t hu n c o n t r o l l e d r e c t i f i e rt os u p p l yt h ed cg e n e r a t r i x sp o w e r ，c o n s t r u c t i n gt h ei n v e r t e rc i r c u i t w i t hi g b td e v i c e ，a n du s i n gi g b tt om a k eu pb u c ke l e c t r i c i z i n gc i r c u i t t h e c o n t r o lu n i tb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s r a p a r tf r o mw h i c hw eh a v ed e s i g n e da l o to fa s s i s t a n ts i g n a ld e t e c t i v ea n dp r o t e c t i v ec i r c u i tt oe n s u r et h es y s t e mr u n n o r m a l ly t h es h o w p i e c ew h i c hh a v eb e e nd e v e l o p e dc a nt e s t i 匆t h i sp a p e ri s r i g h t k e y w o r d s ：t i d a lp l a n t s 鲥dc o n n e c t i o n ；s y n c h r o n o u sp l l ；a n t i - i s l a n d i n g ； d s p ；i g b t ；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：垒! ! ! 圭 日期：毋，6 年，月1 。日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 潮流能及其国内外开发利用研究现状“钔 1 1 1 潮流能及其特点 在地球、月亮和太阳的相对运动中产生的作用于地球海水的引潮力，使 海水形成周期性的涨落潮现象。这种涨落潮现象包括两种运行形式：一种是 海水的垂直升降，通常称为潮汐；一种是海水的水平运动，通常称为潮流。海 水涨落运动所携带的能量，也由两部分组成，前者为势能，即潮汐能，后者 为动能，即潮流能。利用海水周期性升降的势能发电的方式称为潮汐发电， 与河川水力发电类似，浙江省温岭县江厦潮汐实验站即是。利用海水周期性 水平流动的动能发电的方式称为潮流发电，与风力发电类似。海洋中还有一 种海水流动，它是由于海水的温度、盐度的不同而产生的密度和压力不同， 以及海面上风的作用等原因而形成的，通常称为海流。利用海流发电的方式 称为海流发电。海流发电与潮流发电相同之处是均利用海水的动能发电，不 同之处是海流的流速流向基本上不变化，而潮流的流速流向则均有周期性变 化。另外，强海流一般发生在运洋深水海域，而强潮流多发生在近岸浅水海 域，尤其是海峡，水道和湾口处。 潮流能与常规能源相比有以下特点。1 ) 能量密度低，但总储藏量大，且 可以再生；2 ) 能量随时间、空间变化，但有规律可循，可以提前预报；3 ) 开 发环境严酷，一次性投资大，单位装机造价高。但装置可固定于海底，也可 系泊于水中，或漂浮于海面，既不占用农田，不需迁移人口，也不需建坝， 不会影响交通航道。由于潮流发电不燃烧矿物能源，不会对环境造成三废污 染，不存在常规能源发电因污染环境产生的诸多社会问题和经费开支。因此， 潮流发电是缓解海岛能源供应紧张的途径之一，国内外在进行试验研究。 1 1 2 国内外开发研究现状 海洋潮流是可再生的自然能源，潮流发电是本世纪七十年代才提出的高 新技术，目前该技术在世界上尚处于试验研究阶段。我国属较早开展此项研 究的国家之一。 k 一 国外最早开展海潮流发电研究的国家是美国和日本。首先美国1 9 7 3 年提 哈尔滨工程大学硕士学位论文 采用顺流悬在海水中的伞式巨型水轮机组一科里奥利系统利用佛罗里达海流 能的方案。1 9 8 5 年美国在佛罗里达的墨西哥湾流中进行了小型海流水轮机试 验，悬吊在研究船舷水下5 0 m 处，发出2 k w 电力。同年春季美国u e k 公司 设计制造了一台2 0 k w 装置，在纽约市东河吊桥上进行了涨落潮流驱动透平 发电的试验。日本1 9 7 5 年开始利用黑潮的动能发电的调研工作。1 9 8 8 年日 本又对一种电磁发电原理的装置进行了试验。 加拿大n o v a 能源公司正在开发达克厄型垂直轴潮流发电，曾进行了 5 k w 原型试验。t y s o n 有限公司设计了一种小到中型的模块式海流发电。 9 0 年代中期起英国i t 动力公司开始潮流发电研究，1 9 9 4 年夏季在苏格兰近 海进行了海底固定水平轴水下风车式的潮流发电双叶透平试验，转子直径3 5 m ，当流速2 5 m s 时出力达1 5 k w 。1 9 9 8 年9 月开始研制3 0 0 k w 装置，预 计本世纪初向5 0 0 1 0 0 0 k w 发展。1 9 9 6 年意大利阿基米德桥公司开始进行墨 西拿海峡潮流发电可行性研究，1 9 9 8 年己完成4 0 k w 实验电站初步设计。总 之，潮流发电研究目前处于小型样机研究阶段。 我国潮流发电研究始于7 0 年代末，舟山的何世钧首先进行了潮流发电现 场实体原理性试验，利用装在船尾的两台卧轴螺旋浆水轮机，通过油压传动 发电成功，当流速3 m s 时，机组输出功率达5 7 k w 。 8 0 年代初我校开始潮流发电研究，采用漂浮系泊式立轴自调直叶摆线 运动水轮机方案，获得较高的功率。8 0 年代中期完成的l k w 装置在河流中 进行了试验，并获得国家“八五”、“九五”科技攻关计划支持，目前正在进 行7 5 k w 潮流电站的研建。 1 2 进行潮流发电并网控制研究的意义“小矧 近2 0 多年来，受化石燃料能源危机和环境变化压力的驱动，作为主要 可再生能源之一的海洋能事业取得了很大发展，在相关高技术后援的支持 下，海洋能应用技术日趋成熟，为人类在下个世纪充分利用海洋能展示了美 好前景：能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济发展和提高人民生 活质量都极为重要。在高速增长的经济环境下，我国能源工业面临经济增长 与环境保护的双重压力。 世界上越来越多的国家认识到，一个能够持续发展的社会应该是一个既 能满足社会的需要，而又不危及后代入前途的社会。因此，节约能源，提高 能源利用效率，尽可能多地用洁净能源替代高含碳量的矿物燃料，是我国能源 建设遵循的原则。潮流发电正是一种无污染的洁净能源，同时又是一种可再 生能源，开发潮流发电是减少环境污染的重要措施之一。 在海水潮涨潮落的垂直运动过程中，同时也发生了水平流动，这就是潮 流。用潮流的冲击力，推动水轮机螺旋桨旋转，带动发电机便可发电。目前， 国外常采用一种叫做“花五式海流发电”的形式来发电。电站可设在海里， 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 也可装在河口。还有一种装用锚固定的船形浮体的电站，船两则装有多组水 轮机，发电机发出的电通过电缆送往陆地。 据估算，当潮流速度为2 米秒时，在1 平方米水流断面上，一年可发 出约2 万度电，可见潮流能量是相当可观的。在我国近海一些狭窄的海峡及 岛屿的水道内，潮流速度很大，是潮流能的主要蕴藏场所。据调查，我国有 9 2 条这样的水道，可开发的装机容量为0 1 8 3 xi 0 8 千瓦，年发电2 7 0 i 0 8 度。浙江省的资源点( 水道) 有3 7 外之多，占全国首位，装机容量占全国的 7 0 左右，其次是福建和广东、辽宁、山东、上海。像长江口北港水道、杭 州湾、舟山群岛金塘水道等，都是全国海岸带潮流能源密度较高的地区。 如果从潮流密度及环境条件考虑，开发价值最大的地方是舟山群岛诸水 道及福建北部的港湾，其次是老铁山水道和琼州海峡。舟山群岛岛屿众多， 岛屿之间水道纵横交错，海水穿过岛屿之间狭窄的水道，流速很快，形成了 天然的海上流动电厂，是海上再生能源开发的希望之舟。潮流发电，目前国 内外都处于试验阶段。1 9 7 8 年我国在舟山西侯门水道进行了8 k w 潮流发电机 级原理性发是试验，当流速为3 米秒时，发出电力5 7 k w 。1 9 8 1 年我校研 制出可调直立叶片水轮机潮流发电机组；青岛则研制出柱式水轮机潮流发电 装置，并在白沙口进行了试验，1 9 8 9 年完成了ik w 可调直立叶片摆线式水 轮机的研制，为潮流发电技术的发展奠定了基础。据“九五”计划和远景目 标，我国将在浙江舟山建1 0k w 级、1 0 0k w 级和1 0 0 0k w 级的潮流电站。 目前潮流发电的研究还仅停留在实验阶段，实用化还需要一段路程要走， 主要原因是现在设计的潮流发电系统适应海况能力差，比如水轮机的抗腐蚀 性；外装置必须放于水下，且潮流发电还存在一系列的关键技术问题，包括 安装维护、存储、防腐、海洋环境中的载荷与安全性能以及并入大电网等。 本论文旨在设计开发一种能将潮流能转变成高品质的电能并入大电网的系 统。 1 3 潮流电站的电能并网控制系统概述n 3 水流的速度偏低，从能量的观点看，能量密度不免偏低，使海流的开发 利用有许多困难。研制使用于潮流发电能量转换的高可靠性、高效率、控制 及供电性能良好的发电机系统，是开发潮流发电能源的重点。 当潮流电站与电网并联运行时，要潮流电站发出的电能与电网的电能同 频同相运行。而潮流能在每天的分布密度是不均匀的，发电机输出的电能是 不稳定的交流电，就要求设计一种把潮流电站发出的电能进行处理后能变成 稳频、稳幅的电能并入电网中。本课题提出了基于交直交的变频加补偿电 源的电能处理控制方式，可以很好的解决潮流能不能稳定供应的问题。另外， 采用基于并网电流跟踪的闭环控制与同步锁相控制相结合的并网控制方式可 以让潮流电站的的能量高效率的、可靠的并入电网。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 本文所做的工作 本文根据潮流能的特点，提出了基于交直交电能变换原理的潮流电站电 能转换方法和基于并网电流跟踪的并网控制方案。采用i g b t 作为功率变换 器件，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 作为控制芯片，完成了潮流电站电能转换部分样 机的研制。采用m a t l a b 软件对并网控制算法与“孤岛效应”进行了仿真， 并给出了仿真结果。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章s p m 正弦脉宽调制并网逆变器 s p w i v l 正弦脉宽调制法( s i n u s o i d ap w m ) 是调制波为正弦波、载波为三 角波或锯齿波的一种脉宽调制法，它是1 9 6 4 年由a s c h o n u n g 和 h s t e r m l e r 把通讯系统的调制技术应用到逆变器而产生的，后来由b r i s t o l 大学的s r b o w e r 等于1 9 7 5 年对该技术正式进行了推广应用。这项技术的特 点是原理简单，通用性强，控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定 输出电压的多种作用，是一种比较好的波形改善法。 s p w m 正弦脉宽调制法分为两阶式和三阶式两种。这里所说的“阶”指的 是p 嘲式逆变器输出电压的电平数，亦称为阶数，是在输出电压一个周期内 的电压电平数( 阶数) 。当阶数为3 时，把输出电压基波半个周期内的脉冲数 称为p 硼逆变电路的脉冲数。在三相桥式逆变电路中，此脉冲数就是在基波 一个周期内，同一个逆变开关的开通次数，它等于载波频率与基波频率( 或 调制波频率) 之比。 鉴于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 片内带有的p 聊模块的具体使用，本课题决定采 用两阶式s p 删正弦波脉宽调制法来作为并网逆变算法。 2 1s p w m 正弦波并网逆变器设计参数选择。1 2 1 1 同步式s p 删当正弦调制波起始点位置不同时，二阶s p w m 波的双重傅立叶级数表示式 对于同步式s p v f l v l ，相对于载波三角波来说，正弦调制波起始点的位置共 有四种，即起始点在三角波的正、负峰值处，上升沿与下降沿的零点处，如 表2 1 所示，表中给出了四种位置的相应波形，以及根据波形解出的二阶s p w m 波的双重傅立叶级数表示式。比较这四种方程式可知，正弦调制波起始点位 置的不同对方程中的基波与谐波的幅值是没有影响的，对方程中的谐波次数 也没有影响，而只影响到第二项与第三项前的正、负号，以及是正弦还是余 弦函数。起始点在三角波负峰值处时，方程的第二项、第三项是正的余弦函 数；起始点在三角波正峰值处时，方程的第二项、第三项是负余弦函数；起 始点在三角波下降沿零点处时，方程的第二项、第三项是正的正弦函数：起 表2 1 正弦调制波四种起始点的波形与( r ) 方程式 淤 波形 虬( i ) 方程式 “o 一脓w + 譬。乳。 起始 肿l 薜睬辣。 j o i 亍拼j z。m 警瞄( 讲n 州) + i 4 e 点在 童是掣妇( 争) 詈 负蜂 燧； i ) 的影响 所谓过调制，即调制度肘= 毒 l 的调制常在诸如感应电动机传动一类 图2 2 改变m 的电压控制 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的感性负载，使逆变器运行在过调制区。逆变器采用s p w m 时，其输出电压 的基波幅值与调制度m 的关系曲线如图2 2 所示，基波幅值随着m 的增大而 增加。在m = o l 区间内，基波幅值随着m 的增大而线性地增加；在m = i 3 2 4 区间，基波幅值随着m 的增大呈非线性增加，到m 3 2 4 时曲线呈饱和 状态，基波幅值不再随m 的增大而增大，而是随着m 的增大而保持兰值恒 石 定不变。所以可以把基波幅值与m 的关系曲线分成三个区域：m = 0 i 区间 为线性区域，也称调制区域；m = i 3 2 4 区间为非线性区域，也称过调制区； m 3 2 4 区间称为方波区域。 在m 1 的线性区域( 调制区域) ，是正常使用的s p w m 区。在这一区 域内。基波电压幅值与m 成正比，谐波总含量较小，但个别谐波的幅值较大， 波形畸变率与载波比n 有关，但基波幅值与n 无关( 当n 9 时) 。 在m = i 3 2 4 的非线性区域( 过调制区) 是非正常使用区域，只有在诸 如感应电动机传动一类感性负载时才使用的过调制区。在这一区域内，基波 电压幅值与m 呈非线性增加，谐波总含量较大，但个别谐波的幅值较大的现 象不一定再存在，波形畸变率与载波比n 的关系较小，但基波幅值与n 有关 ( 在n 较大时) 。 在m = 2 5 ，n = 1 5 的过调制区的谐波频谱如图2 3 所示。在m 3 2 4 时， 逆变器输出电压的波形，将从脉宽调制波趋变成方波。 图2 3 过调制时对于m = 2 5 与n = 1 5 时的谐波频谱 线性区域的优点是基波电压幅值与m 是线性关系，因而具有较好的脉 宽调制特性，但其缺点之一是基波分量可利用的最大幅值不高。为了进一步 增加输出电压基波分量的幅值，最直接的方法就是增大m 使之超过1 ，进入 过调制区。如果利用过调制的同时不考虑n 值，则推荐采用同步p w m 运行， 1 0 融懈扣 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以满足n 值最小的场合，在应用时应避免使逆变器进入过调制区域，只有对 于诸如感应电动机传动一类的负载，才可以使逆变器进入过调制区区域运行。 2 2 载波为三角波的三相s p w m 并网逆变器“3 图2 4 载波为三角波的三相s p w m 并网逆变器 ( a ) 电路图；c o ) 波形图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 三相并网逆变器的主要负载是电网，因而三相负载是对称的，且为感性。 如果载波i = g n 的值足够大时，可以省去交流滤波器。为了保证三相输出电压 的对称性，载波比n 应取3 的奇整倍数。这样不仅可以保证三相s p w m 波 形相同，同时载波及载波谐波上下边频中的零序谐波也容易被消除掉。当载 波为共用的三角波，调制波虬为三相正弦波时，三相逆变器各相输出电压 的二阶s p w m 波形及线电压的三阶s p w m 如图2 4 所示。由于三相并网逆 变器中的三个单相半桥逆变器用的是一个共同的直流电源e ，每一个单相半 桥逆变器的直流电源就是e 2 。这样，三相并网逆变器的相电压，二阶s p w m 波形的傅立叶级数表达式为 。，m m r 、 = 等s i n ( 妒卅i 2 e ，奏一竺二m 已s i n 警- c o s ( m n 啪 ，m m z r 、 + 等毒。盖，二尘寻2 s 协卜r e r + r 咖。s 等c 。s 【( 槲圳咏卜例 c z m 。，m m 耳、 + 等薹。羞丛i m ! s j n ( 字咖；n 了1 1 1 s 抽 ( 刎+ 慨，一例 t ，m m 耳、 “。= 下m e s i 峨唧一尹2 z r + 等薹。竺二m 已s i i l 等州槲( 略卜等” -j “卅1 1 j 一 二j 。? m m e 、 + 等毒。n - ，曼2 t 4 ，二兰s m 譬咖。s i r i l l c o s 【( 槲+ 哟慨卜塾3 ) 一例( z - 2 ) 。，m m 耳、 + 等薹墨一二兰寻二s 畔咖蛔等咖【c 洲+ n ) ( c o s t - 等- ，一例 线电压b 口= u _ d z l e o ，所以， 1 2 一一堕玺鲨奎兰型竺鎏兰 ：华 s i n ( c o s t - ( d ) 训i ( t o s t - g - 挈) 】 ，m 7 r + 丝7 ，m 妻- l , 3 乎蜘丁m i f c o s ( s ( 咄和 + 丝y m - 妻l , 3 , 一善二竖寻兰s i n f m r + n 咖。s 了n l ( c o s ( m 训略一”纠( 2 3 ) 一c 。s ( 埘+ ”) ( o ) s t - - 了2 7 t ) 一”矧 + 丝，rr a m 妻2 , 4 。砉二竖寻2 s i n ( 竿咖t n 等 s i n 惭+ 咖扩荆 “n 【( 脚+ ”) ( 魄卜警) 一”p 】) 注蒯s i i l 等= 巫2 ；艄的整倍数，s i n 半- o 口 = 孚m c o s c 州一矿一争一了4 e 。嘉誊二坚寻m 兰 一 r ，脚石、 s i n t m + n 咖i n 垒芝业c 。s 争m 州( 卜争叫1 z oz 。 6 。 + 等毒。姜。m 手m t t ) 。坂下m + n 椭业堕 s i n 等c o s 【+ ) ( ，- 姿) - n g 上式还可以简化如下： ：粤尬c o s ( ( o s t - 9 - 多 一笾，l m - 量l , 2 , 羔。竺m m 孚r 飘n 可m + n 咖；n t ( m a r + n ) 2 n c o s 等s i n 【( 棚+ 功( 卜孕) 一仰】 “n 等c o s ( r a n + 以) ( 鸭f - 警) 一婶】 1 3 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 因为 c 。s 等s i n 【( m + 坝吖一等) - 例“n 等c 。s ( m + 坝咄一等) 一例 = s i n ( m n + ”) ( c o s t - 孚) 一”矿一争 所以 = x 。 3 m e c o s ( c o s t - ( o - 争一了4 e 杰孟。竿m m 竿毗z 司 t，石、 s“_(mn+n)2rs i n 【+ ) ( c o s t - 冬) 一n 妒一竿】 ooz 用同样的方法可以求出“，l c a 的方程式。 很明显，。，“。，“。的频谱中，基波幅值为相电压的3 倍。幅值很 高的载波成分被消除掉了：载波谐波也被消除掉了；它们的上下边频的零序 谐波成分也不存在了。 上式中的s i n ( 旦! 兰z ) 是消除m 和n 的同时为偶数或同时为奇数时的那 z 些项。三相s p w m 逆变器输出电压的谐波通用值( n 较大时) 及频谱分别如 表2 2 及图2 5 所示。 li w _ o 6 矾2f - 烈i j趔瓯r 2f = 3 1盹 一 ，z l。 馨 i 一m i o s “l r j lj lj w ，ll i o51 1 i f ( k i z ) f矗 实蔫举例) k f c f 恕 l l 1 _ l3i 5oi 2 _ l 再0 i l l 3 i 蛞0f 2 f “ ol2 3 角频率( 口l + n ) 岛- 拼峨+ h 峨 图2 5 三相s p w m 输出电压频谱 4 ：! 旺 。 理弼磐 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 - 2n 为3 的较大的奇倍数时，玑。中的谐波的通用值 m o n ” 0 20 40 6 0 81 0 1 0 1 2 20 2 4 50 2 6 70 4 9 00 6 1 2 m 2 0 0 1 0 0 0 3 7 0 0 8 00 1 3 50 1 9 5 脚士40 0 0 50 0 1 l 2 m l0 1 1 60 2 0 00 2 2 70 1 9 20 1 1 1 2 m 50 0 0 80 0 2 0 3 m 土20 0 2 70 0 8 50 1 2 40 1 0 80 0 3 8 3 m 士40 0 0 7 0 0 2 90 0 6 4 0 0 9 6 4 m 10 1 0 00 ，0 9 60 0 0 50 0 6 40 0 4 2 4 m 50 0 2 1 0 0 510 0 7 3 4 m 70 0 1 00 0 3 0 2 2 1 同步$ p w m 正弦调制波起始点位置与n 等于奇数或偶数对输 出线电压波形的影响 图2 4 是n = 9 ，正弦调制坡惩始点位置在三角坡负峰值处的波形。由此 图可以看出线电压甜。的波形并不好，它既不对称于原点，也不对称于横轴。 图2 6 是n - - 9 ，正弦调制波起始点位置在三角波下降沿零点处的三相逆变器 的s p w m 波形，由表3 - 1 中给出的方程可知： = s 1 m en 舭i 2 e ，砉。罕s 呱删删 + 等。妻。；盖。二坐寻兰s m k 删删略门 c z 们 + 等。妻。耄。二竖r n i v x s m t c 删圳删 哈尔滨工程大学硕士学位论文 = 丁m es n 哝h 了2 e 喜。! 竖i f f t i v 12 1 , s i i l 槲( 略，- 等) 】 + 等竞蠹华如附争 亿s ， + 等毒黑丛= m 己s 叫+ n ) ( o g s t - - 警- ， 2 等。c o s ( 卜酊n 等 + 等r e * 妻l 尘j 兰2 c o s 【蒯( 吲一丝) 】s i n 堂塑万一, 3 m 。 6 。6 + 等毒。，妻c 2 , i 4 竺工m c o s k 删圳c 卜等) 】s ；n + 丝m - 妻2 , 4 一砉，：二d 坚o 寻m m 兰t r z 啪。【( 槲州( ，一等) 】。；n 因为s i n 等= 巫2 ，n 为3 的整倍数，s i n m n 6 2 r t ：。，所以最后得 ( 2 9 ) 钆。：萼施。似纨卜等，+ 等喜。砉。一! 竖寻r n m = t r ) s i n t ( r a n + n ) 2 ，r 啪。k m n + n ) ( a j s t - - 等卅了4 e 。砉。蠢，一二d 坚o 寻m m 兰r 妇垒塑生詈业c ：邶， c o s ( r a n + 行) ( 略卜警) 1 o 用同样的方法可以求出材。，u c a 的方程式。 比较图2 4 和图2 6 的波形可知，虽然n 都等于9 ( 是奇数) ，但调制波 1 6 薹。 一。芝玺鎏三堡奎兰鎏主= | ：筌三l 一。，。 起始点位置不同，所得的波形也就不同。比较“。的s p w m 波形可以看出： 调制波起始点位置在三角波下降沿零点处( 图2 6 ) 的波形较好，它既对称于 原点，又对称于横轴。 渊汰黼。 生 、 侧蒂 鬻 鼢 l3 4 黼 3 ， 、 _- - ： _ 二” 一_ l。鞘j 陌-叫 j i l 阻一。 - 1 l 卜一 l i i l 图2 6n - - 9 ，正弦调制波起始点在三角波下降沿零点处的三相逆变器s p w m 波形图 2 2 2 载波比n 的数值选择 载波比n 的数值选择原则与单相s p w m 的相同，当n 的数值较高时， 调制波起始点位置与n 取奇数还是偶数对波形的影响很小，可以随便选取， 调制波与在载波可以同步工作，也可以非同步工作。当n 的树取得较小时， 例如n 2 1 时，为了避免基波与边频谱波频率接近而发生跳动，并得到较好 的三相脉宽调制波形，必须做到以下三点： ( 1 ) 调制波与载波必须同步工作； ( 2 ) n 必须于3 的奇整倍数； ( 3 ) 正弦调制波起始点的位置必须在三角波的下降沿零点处。 1 7 一鲨鎏三耋盔兰堡兰竺岂一。， 2 2 3 过调制( m 1 ) 的影响 在三相s p w m 调制并网逆变器中，正弦调制波电压的峰值可以超过三 角波电压的峰值。在过调制区，基波电压的幅值增大与m 不成比例，如图 2 7 所示。图2 7 表示的是基波线电压u 口的平均有效值( r m s ) 与m 的函数 关系。此曲线与图2 2 相同， 013 2 4 ( 对于n = 1 5 ) 区 图2 7 三相并网逆变器旦掣与m 的函数关系 当m 3 2 4 时进入方波区。由产生的线电压基波分量有效值可以从单臂方波 模式求出：虬鲫j = 忑i 了 3 i 4e = 警z 。7 8 e 。 与m 1 的线性区比较，在过调制区将出现更多的边频谐波围绕在n 及 其倍数的谐波频率中心。在线性区内出现的一些主要谐波幅值过大的现象在 过调制区不再存在。所以，过调制区内负载中的功率损耗并不因为边频谐波 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的增加而更大。根据负载性质与开关频率，在过调制区中，这些谐波的损耗 可能还小于s p w m 线性区中的损耗。 当m 3 2 4 时，s p w m 演变到方波区，在方波区不能再利用s p w m 控制 输出交流电压的幅值，如果要控制输出电压幅值，直流输入电压必须是可调 的。 过调制的优点是直流电源电压的利用率高，缺点是输出波形较差，基波 电压幅值与m 值的增大不成正比。 2 3 死区对s p w m 并网逆变器输出电压的影响“1 对于s p w n i 三相半桥式并网逆变器，由于所用开关管固有存储时间的 影响，开通时间0 往往小于关断时间o ，因此很容易放生同桥臂两只开关管 同时导通的短路故障。为了避免这种故障，通常要设置开关时滞( s w i t c h i n g l a g t i m e s ) a t ，也称为死区。设置时滞r ，为的是保证同桥臂上的一只开关 管可靠关断后，另一只开关管才能开通。开关时滞( 死区) 的设置方式有两 种：一种是提前 “x - 关断，延滞 “- x - 开通，称为双边对称设置；另一种是按时 zz 关断，延滞f 开通，称为单边不对称设置。 典型的电压型三相s p w m 半桥式逆变器的主电路如图2 8 所示，其中图 ( a ) 为电路图；图( b ) 为死区双边对称设置时的波形图；图( c ) 为死区单 边不对称设置时的波形图。在这两种波形中，。为a 相与直流电源中点”0 ” 之间的理想电压波形( 载波比= 警= 9 ) ，u a o 为设置死区时的电压波形。 在感性负载时，当五导通时a 点为+ i e ，当瓦导通时a 点为一i e 。在死区m 内，五和五都不导通时，感性负载使反馈二极管d l 或d 4 续流，以保持a 相 电流连续。在的正半周d 4 续流，a 点与直流电源负极接通，a 点电压为 一i e ；在的伏半周d 1 续流，a 点与直流电源正极接通，a 点电压为+ 要。 这样，逆变器的实际输出电压i i a 。的波形与理想波形甜。比较就发生了畸变， 1 9 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 2 _ 一 ) 2 争一u n q f 0 5 丛躺、八八a 眦 铲 辎 “瓜心】l 、l u 搠 ，r |、， 掣 、| iy 兰- 竺 _ r f + i 1 1 。_ 一 r ：璺 | 一l c ：f0 i 一一j 。 - i 、l 辞ij 一，i - -j - | r _ - 门毒 ，一 4 -i 、 i l _ i = l l ： i l i l l l00 li 图2 8 有死区的三相半桥式s p w m 并网逆变器 ( a ) 电路图；( b ) 死区双边对称设置时的波形图；( c ) 死区单边不对称设置 时的波形图 在正半周，所有正脉冲宽度都减小f ，所有负脉冲宽度都增加a t ；在f 。负 半周，所有负脉冲宽度都减小缸，所有正脉冲宽度都增加出。这是由于在死 区a t 内有反馈二极管d l ，d 4 的续流造成的，畸变后的实际电压波形如图2 8 ( b ) ，( c ) 中的“：。波所示。由于在死区a t 内反馈二极管d l ，d 4 续流而产生 的误差如图中的“d 1 。所示。通过以上分析可知，引起实际波“：。发生畸变的 因素有三个： ( 1 ) 死区与死区设置方式： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 感性负载时反馈二极管的续流： ( 3 ) 负载功率因素c o s o 。 其中死区和二极管续流是使实际波以。发生畸变的根本原因。设置方式和负 载c o s o 的影响只是改变误差波“d l 。的脉冲分布状态，这里必须指出的是 c o s 妒对“二d 波的影响是不连续的( 如图2 9 所示) ，仍和仍表示两个不同的功 率因数角，它们所产生的误差波却是相同的，这表明只有当舻角的变化超出 脉冲宽度时才产生影响，因此c o s 妒对“：。的影响是不连续的。因此，对于上 述三个影响j 。畸变的因素要找到一个普遍的解是困难的。为此，可以近似 认为c o s p 的影响是连续的( 当载波比n 比较大时，这种认为引起的误差是很 小的) ，以此导出在感性负载时( c o s p 1 ) 和空载时( i a = 0 ) ，死区缸对s p w m 电压型三相半桥式逆变器输出电压的影响。 死区址对s p w m 逆变器输出电压的影响与死区设置方式、死区f 的大 小、载波比n 、逆变器运行方式或负载功率因数等有关。 ( 1 ) 运行方式或负载。0 8 妒的影响 空在或c o s 矿 1 运行时，反馈二极管不续流，误差波“d l 。= o ，实际波“j 。 有死区波“0 ；当在感性负载下运行，c o s 伊 0 ，( 1 ) ，为正弦调制信号的角频率。从图2 1 0 中可以 看出，在三角波载波的一个周期t c 内，下降段和上升段均同正弦调制波有一 个交点，图中的交点分别为t 和t 。 在同步调制方式中，如图2 1 0 所示，使正弦调制波上升段的过零点和三 角波下降段过零点重合并把该时刻作为零时刻。同时，该点所在的三角波周 期作为正弦调制波一周期内的第一个三角波周期，则第n 个周期的三角波方 程可表示如下： 求得 t 一去 ，一( 阼一丢) 乃 一，+ 昙 r 一( 玎一三) 乃 ( 珂一；) 乃s f ( 九一； 乃 。一。， ( 一一丢 乃5r ( 疗一言) 乃 这样，正弦调制波和第n 个周期三角波的交点时刻e 和e s 可分别由下式 一去 一( 厅一吾) 死 = 口s m q ( 2 1 2 ) 一+ 去 r 。一( 一一言) 死 = 口s m 哝( 2 - 1 3 ) 求解上面两式即可求得t 和t 。脉冲宽度 62 t b t 式( 2 - 1 2 ) 和式( 2 - 1 3 ) 都是超越方程，求解时需要花费较多的计算时间，因而 难以在实时控制中在线计算。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 2 规则采样法 自然采样法是最基本的s p 嘲波形生成法，它以s p 晰控制的基本原理为 出发点，可以准确地计算出各功率开关器件的通断时刻，所得的波形很接近 正弦波。但是这种方法计算量过大，因而在工程上实际使用并不多。规则采 样法是一种应用较广的工程实用方法，它的效果接近自然采样法，但计算量 却比自然采样法小得多。图2 i l 说明采用锯齿波作为载波的规则采样法。由 于锯齿波的一条边是垂直的，因而它和正弦调制波的交点时刻是确定的，所 要计算的只是锯齿波斜边和正弦调制波的交点时刻，如图2 1 1 中的a 这样， 就使计算量明显减少。锯齿波是非对称的波形，用锯齿波作为载波时只控制 脉冲的上升或下降时刻中的一个。这种调制方式称为单边调制，而用三角波 作为载波信号时称为双边调制。单边调制比双边调制计算量小，但输出波形 “、 _ 。 | 0 i | | 、 、 | n 厂a i 【 中含有偶次谐波，总的谐波分量也比双边调制时大。实际应用较多的还是采 用三角波作为载波的规则采样法。在自然采样法中，每个脉冲的中点并不和 三角波中点( 即负蜂点) 重合。规则采样法则使两者重合，即使每个脉冲的中 点都以相应的三角波中点为对称，这样就使计算大为简化。图2 1 2 是这种方 法的示意图。如图所示，在三角波的负峰时刻b 对正弦调制波采样而得到d 点，过d 点作一水平直线和三角彼分别交于a 点和b 点，在a 点的时刻t 和 b 点的时刻t s 控制功率开关器件的通断。可以看出，用这种规则采样法所得 到的脉冲宽度6 和用自然采样法所得到的脉冲宽度非常接近。 从图2 1 2 可得如下关系式 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ! ! ! ! 翌竺1 2 ：三 占2 瓦2 因此可得： 艿= 等( 1 + a s i n r t d ) ( 2 1 4 ) 在三角波一周期内，脉冲两边的间隙宽度6 ， 占。= 去( 正一万) = 鲁- 0 - a s i n q b ) ( 2 1 5 ) 对于三相桥式逆变电路来说，应该形成三相s p w , t 波形。通常三相的三角 波载波是公用的，三相正弦调制波依次相差1 2 0 。设在同一三角波周期内 三相的脉冲宽度分别为6 。、5 ，、6 ，间隙宽度分别为6 u 、6 v 、6 - 。 由于在同一时刻三相正弦调制波电压之和为零，故由式( 2 1 4 ) 可得 毛+ 磊+ 昂- z t 。 ( 2 1 6 ) 同样由式2 3 - 1 5 可得： 屯+ 昂+ = 瓦 ( 2 1 7 ) 利用上两式可以简化s p w m 计算。 2 5p w m 逆变电路输出谐波的抑制伽 逆变电路输出端的电压或电流的谐波会给电路带来很大危害。例如，影 响电路的效率，使功率因数降低，引起逆变电路本身和其它电力电子设备工 图2 1 3p w m 波形分析 作失调。谐波还会在机电负载上造成机械共振，使电机低速转矩脉动。所以 对于逆变电路中有效地抑制谐波，最终消除谐波是一个非常重要的课题。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 抑制输出电压谐波和改善输出电压波形，可以采用在逆变电路输出端和 负载间加输出滤波器的方法。而p w m 技术不仅可以控制逆变电路的输出，也 可以减少输出电压谐波的含量，提高电路性能。当逆变电路的输出电压为矩 形波时，波形中含有较多的谐波成份，这些谐波会给负载带来不利影响。输 出为方波电压时，含有基波和奇次谐波成分。它们的幅值分别为： u 0 ：坠 万 u 0 3 了2 u o ：孕 | 兀 ( 2 1 8 ) 而采用p w m 技术时，由图2 1 3 可知，图中波形均为奇函数，而且具有半 波内对称的性质。图2 1 3 ( a ) 中波形的傅立叶级数展开式为 “( f ) = ( c o s n c o t + b s i n n a ，t ) ( 2 1 9 ) 各系数值可按下式求出： = 0 以= 蝴s 血拧删甜= 昙跏s h 删耐 q 。2 假设波形幅度为1 ，即u ( t ) = 1 ，并且各方波在半波内斩切为m 个脉冲，其 斩切角分别为q 。、n 。、a 。，则对于奇数n 和奇数m 有 = 昙l u ( t ) s i n 删耐+ e 们咖一+ + 巨姗删谢i 2 砉荟( 一) c o s 佩( 2 - 2 1 ) 对于奇数n 和偶数m 有： 吮= 昙 e 甜( f ) s i n n c a 耐