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s t u d yo ft h r e e - p h a s ep w mv o l a g e s 。h r c e r e c t i f i e ru n d e r u n b a l a n c e di n p u tv o l t a g ec o n d i t i o n s a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ec o n t r o ls t r a t e g i e st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e t h r e e p h a s ea c d cp w mv o l t a g e s o u r c e - c o n v e r t e r s ( v s r ) u n d e ru n b a l a n c e dp o w e r s u p p l y 。t h ep r o b l e m ss u c ha sn e g a t i v es e q u e n c e sc u r r e n t ,v o l t a g ea n dc u r r e n t h a r m o n i c sa n du n c q n s t a n t ( u n s m o o t h ) p o w e rf l o wf r o ma et od cs i d ea r e d i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h ea n a l y t i c a ls o l u t i o n sf o rn e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n ta n d h a r m o n i cc u r r e n te l f m i n a t i o na r eo b t a i n e d b yf u l l yf e e d f o r w a r do fn e g a t i v e s e q u e n c ev o l t a g ea n dp r o d u c i n gan o n h a r m o n i cc u r r e n tc o m m a n do ft h ei n n e r l o o p a l s ot h es o l u t i o n sf o rd cv o l t a g eh a r m o n i c sa r ea c h i e v e dr e s u l t i n gi nc o n t r o l l i n ga s m o o t h ( c o n s t a n t ) p o w e rf l o wf r o ma e t od cs i d ei ns p i t eo ft h eu n b a l a n c e dv o l t a g e c o n d i t i o n s d i f f e r sf r o mt h et r a d i t i o n a lu n b a l a n c e dc o n t r o lm e t h o dw h i c hm a k e sv s r o n l y o p e r a t ei nt h eu n i t yp o w e rf a c t o rw h e ne l i m i n a t i n gd cv o l t a g eh a r m o n i c su n d e r u n b a l a n c e dc o n d i t i o n s 2 4 】 2 5 】。t h en e w l yp r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g yi nt h i sp a p e rc a n n o to n l ye l i m i n a t et h ed cv o l t a g eh a r m o n i c sb u ta l s oc o n t r o lt h e a v e r a g e a c t i v e r e a c t i v ep o w e ro ft h ev s rs e p a r a t e l y s ot h ev s rc a no p e r a t ei na n yp o w e r f a c t o r i n t e r n a lm o d e lc o n t r o l ( i m c ) d e s i g nc o n c e p th a sb e e ni n t r o d u c e dt ot h e u n b a l a n c e dc o n t r o ls y s t e mo fv s r 。w i t hi m cd e s i g n c o n c e p t ,t h eu n b a l a n c e d c o n t r o ls y s t e mn o to n l ya c h i e v ez e r os t e a d ys t a t ee r r o ro fs i n u s o i d a la cc u r r e n t , b u ta l s oo b t a i n ss t r o n gr o b u s t n e s so ft h ec o n t r o l s y s t e m f u r t h e r m o r e t h e u n b a l a n c e dc o n t r o ls y s t e mc a nb eg r e a t l ys i m p l i f i e db a s e do nt h ei m c f i n a l l y ,t h ee s t a b l i s h m e n to fs w i t c h i n gf a n c t i o ns i m u l a t i o nm o d e l s ,a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t so fs t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ea r ed e s c r i b e di nd e t a i l a n da l a b o r a t o r yp r o t o t y p eh a sb e e ne s t a b l i s h e dt ov e r i f yt h ed i s c u s s i o n sa n da n a l y s e s d o n ei n t h i s p a p e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wg r e a t c o n s i s t e n c y t h e ya l lv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g y k e yw o r d s :u n b a l a n c e dp o w e rs u p p l y ,p w mv s r ,i n t e r n a lm o d e lc o n t r o l ( i m c ) s y m m e t r i c a lc o m p o n e n t s 独刨憔声明 本人声明所甚交的学能论文是本人在导师指导r 进行的研究。l :作及取得的研究成果。据 我掰翘,羧了文中鐾期巍殴拣恚帮致谢戆地方终,论文孛不包含冀毯a 已经发表或撰霉过麓 研究成果,也不包含为获得盒魍i :逃厶堂或其他教育机构的学位或讧e 1 j 而使用过的材 料。与我一漆 :体瓣麓志对本轿究瓣徽麓往 矗f 贡献均溅在论文母荦笮t 明确静说明弗表示滚 稔。 学位论文作者签字彦避酝字日期: 吁年夸,i ; j 7 日 学位论文版权使用授权书 本学经论文传蠢完全了瓣垒l 、:叁些鑫墅霄关保蘩、菠冀l 学位论文戆趣定,煮投缳窭 并向国家有关部门戏机构送爱论文的复印件和磁盘,允许论文被态阅或借阅。本人授权贪 麟王塑叁警可戮将学位论文黔全部域部势论文内赛编a 有关数据痒透行检索,可疆采用影 印、缩印域扫描等复制手段保存、汇编学位沦文。 ( 傈密的学位论文在解密后适崩本授权+ | ;) 学位论文者繇李建;冬 签字日期:护辛年印j _ = f7 瞬 学位论文俸者毕韭赢去彝: t 作单位: 逶讯地址: 导师虢张簪 签字日期:,午年月夕日 电话: 螂编: 致谢 在三年魏硕士疆究生学习秘潆题磁究过程哮l ,垂始至终褥到了张兴导瓣无 微不至的关怀和懑心指导。导师严谨的科研态度,广博的理论知识,丰富的工 馋经验,务实懿王终露风使我受夔匪浅。毽弱糟,0 擐譬,不但使学生的知识水 平和科研能力得剿了很大的提高,更熏要的是让学生的思维方式和科研方法得 到了极大豹培养;导师农学术上谆谆教导,以及对我生活的悉心关怀,设我不 仅学会了科研的方法,述学会了很多做人的邋理,这些都是我终身难忘的。在 此,谨向导师表示由衷的感谢和诚挚的敬意。 感谢张崇巍教授、刘正之教授对掌生的关心和指学,在研究生学习过程中, 两位老师给予了很多帮助并提出了很多指导性意见。感谢曹仁贤老师、岳臌老 筛,两谴老筛酌帮韵和支持侵我得陵蹶聱l 楚完成论文游试验部分,在魏表示j 常感谢。同时还要感谢电气学院的丁明老师、苏建徽老师、杜少武澎师等剥。学 堂翡謦韵荦瑟指导。 此外,还要感谢在嗣一课蹶组一起工作的同窗好友们,他们是:杨孝志、 诲簸、张强、余爨、落震、杨激英等。褒共弼 | 冬工俸、学习帮娱乐生涯中,我 们大家相互了解,互相帮助并共同进步着。和他们在一起,我愉快地度过了三 年紧张两又难忘嬲秘萋毋生活。 最后,我要感谢默默支持我的父母和兄妹,他们对我深深的爱和无私的奉 献,是我无法用言语所能表达的! 在此我要向他们表达自己深深的敬意和真心 的祝福! 佟誊:季建强 2 0 0 4 年4 月 1 1 三相电网不平衡概谶 第一章绪论 在毽怨雏三稿交流龟力系绞中,三稽毫嘲电压应有舔群静瘫毽,盈相位按 a 、b 、c 顺序互成2 石3 角度,这样的系统叫做三相对称系统。对于对称的三 稳邀力系统,蓑接在系绞中的受装遣怒霹稼懿,涮三耀邀稠巍受载疆供熬凌率 将是二卜衡的,这样的三相电流系统可以称为是平衡的。然而出于存在种种不平 爨爨素,实际电力系糍并不是完全平蕊熬。不乎簿蹰豢可鼓麴结为攀效蛙秽正 常性两大类。事故性不平衡是幽于三相系统中某一相和两相出现故障所致,例 如超或题楣断线、接她短路等等。这耪不平衡状况是系统运行艇不龛许鸵, 一般由继电保护等自动靛置动作切除故障,使系统在短时间内恢复砸常。正常 性的不平衡则是幽三楣系统参数或负载不对称所致,比如大功率单楣负载长期 运行,此时,该榴的输送功率将大于冀他相输送的功率,从而g f 起系统的不平 辑,同时大功率单相负载可能使该相的电压 赡于其他相的电压,引趣电网电压 的不对称。 1 。1 。1 基零概念 出以上叙述可知,魄网不对称和呶网不平衡的概念并不完全一样。根据电 工理论,多相系统可分为对称和不对称系统。所谓对称的珊褶系统,是指各相 电量( 电动势、电压或电流) 大小相等,相位互差2 x l m 角度的系统。因此, 一一个对称的多辐系统各相电量的向量,弼采把每个向鲞的始端联接程一起,藏 形成。个剥称的攫行;而若把每个相邻向量的酋尾衔按,则必定形成个正m 边 形,翔图1 - 1 所示。 1 6 刚1 。1 对称6 相系统的电压向量围 困此,对于对稼兹多媚系统,其鼷有向量的凡豫鄹等予零,网时,组成对 称多相系统的全部电量瞬时值之和在任何时刻都等于零。即 | 2 二“女= “ + 村2 + 。十n ,= 0 l “( 1 。】1 ) l 旦 j = u 1 + u 2 + 一十u 。,= 0 女= l 式( 1 1 1 ) 反映了对称系统的基本性质,但是虑该注意式( 1 1 1 ) 怒系 绞对称瓣必要螽件,当系统满足式( 1 ,1 1 ) 时并不一定是对称系统,比如含有 负序分量但不含零序分糙的不对称系统。 多提系统又蠲分为s | 五缀与不平衡系统,前者功枣瓣时值与时间无关,而后 者功率瞬时值随时间而变化。可以证明,相数m 2 的对称系统一定是平衡的。 就是泌,m 2 的对称多相系统的功率瞬时值与时间无关,因此,这佯的多捆系 统是平衡的。若电压是对称的,但多褶电路静参数不对称,列一般说整个移葙 系统的功率瞬时值是随时间变化的,并且以基频角频率的两倍脉动。 对予三相系统,系统舔不对称将囊接导致系统静不平衡,i 嚣本论文稷涉及 三相系统,在不导致概念混淆的前提下,关于“不对称”和“不平衡”的术语 不群作严裕区分。 1 1 。2 三槌邀弼不平衡豹筮害 三相电网不平衡运行时,电网电压中将产生负序和零序分量,负序、零序 分蟹籍会潮电力系统和魄力孀户造成一系礤静危害,麓中主簧有戳一f 凡荤争: ( 1 ) 对发动机运行的影响:三相电网不平衡时,会使发动机容蹩利用率下 降,由予不予餐最大稽毫流不戆超:l 璧额定蕊,在极漩壤毽下,只蘩荤稷受凌 时设备的利用率仅为叫( 3 阻) = o 5 7 7 ;电网不平衡时将在发动机转子上产生附 热援耧露发热,发电壤在不对称运 亍对,受序邀流在气熬中产生逆转豹磁场, 这将存转子中感应1 0 0 h z 电流,从而产生额外损耗;另外,由负序气隙旋转磁 场与转予聚磁磁动势、及出正序气黢旋转磁场与定子负膨磁动势所产生的 l o o h z 的交变电磁力矩,将引起1 0 0 1 i z 的机械振动,容易弓l 怒系统的机械故障。 ( 2 ) 对感应电动机运行的影响:魄网不平衡时,将使定予铜损增加;负序 旋转磁场产生制幼转矩,降低感应电动机莳最大转觚和过载能力;转予的裥损 增加,特别是由于转予与负序旋转磁场的转差率较大,使集肤效应增强,照使 转子铜损增加:正反旋转磁场褶互作篇,产鸯赫动转矩,将g l 起电动梳振麓。 ( 3 ) 对三相变压器运行的影响:在不对称负荷下,如果控制最大相电流不 超过额定值,剐其余两褶就不能满载,邃凭交压器静容量不能褥羁兖分幂l 弼; 若仍然按额定容蹩运行,就会造成变压器局部过热,影响变压器的使用寿命。 ( 4 ) 刘电圈傺季户装髯静彩臻:电鲻不平餐懿,餐荔弓| 莛淤受痃分量为起秘 元件的多种保护发生误动作,特别是电刚中同时存在谐波时,影响盟加严煎, 因此这对电鞫豹交全运行带来严重藏黪。容荔髓到影骟戆保炉装鬟有发动枫豹 2 负序电流保护、变电所主变压器的复合电压起动过流保护、母线的差动保护、 线路的各种距离保护振荡闭锁装置等等。 ( 5 ) 电网不平衡还会使计算机等用电设备不能正常工作,照明电灯寿命缩 短或照度不足,以及电视机等家用电器损坏。另外,电网不平衡还会增大干扰, 影响j f 常通讯质量等等一系列问题。 另外,对变流器的运行影响表现为:三相电网不平衡时,六脉动的相控整 流器除含有6 k 1 次特征喈波外,还会出现6 k 3 次非特征谐波分量:而对于p w m 整流器而言,负序电网电压不仅在p w m 整流器输入电流中产生负序电流,而且 在交流电流中引起3 、5 、7 等奇次谐波电流,使三相p w m 整流器输入电流发生 畸变,影响f ) w m 整流器的运行性能,严重时将会引起变流装置发生故障保护, 甚至毁坏装筒;另外,出于电网负序电压,和负序电流的存在,使输入p w m 整 流器的瞬时功率不平衡,该不平衡功率将在三相p w m 整流器直流侧产生2 、4 、 6 等偶次非特征谐波,从而使p w m 整流器输出直流电压的质量下降,甚至不能 满足使用要求。为此,必要研究三相p w m 整流器的不平衡控制策略。 1 1 3 不平衡系统的研究方法 对于不平衡的三相系统,通常采用对称分量法进行研究。图1 2 ( a ) 、( b ) 、 ( c ) 表示三组对称的三相分量。第一组露、砧、膨幅值相等,相位为力超前 庶,2 z r 3 角度,彩超前庶一2 n - 3 角度,称为正序分量;第二组础、秽、虎”幅值 相等,但相序与正序相反,称为负序分量;第三组印、印、印幅值和相位均相 同,称为零序分量”1 。 i :吣硭 ( a ) 正序分量( 6 ) 负序分量( c ) 零序分量 图1 2 三相系统的对称分量 而三相系统中的a b c 各相的电量为三组对称分量的合成,数学描述为 倭 f j 七f i 七f : 亡;七毒? 七誊2 宣i 七搴? 七搴; ( 1 1 2 ) 由于图卜2 所示的三组分量每一组都是对称的,所以根据定义有下列关系 ( 1 1 3 ) 式中口= p 胁7 3 = 一1 2 + j j 5 2 :, o c 2 = e j 4 棚1 2j i 2 。考虑式( 1 1 3 ) 式( 1 1 2 ) 可以改写为 d = # ;七i 七: 声h = a :# j + 旺啻? + 啻: 声:= 口声j + 值2 啻? + 声; ( 1 1 4 ) 式( 1 1 4 ) 表示三相不对称向量与三组对称分量中a 相向量的关系。 阵 1 协f i = 。l d t :2 2 f ,= t f 。 式( 1 1 e 。= 媾:;j f : f : 脚 兰1 :蚓 :北三:聪 3 l 口:口,恤 ( 1 1 5 ) ( 1 1 6 ) 忘庶】r 代表三相系统的相分量, 由式( 1 1 5 ) 可以求出序分量大小为 ( 1 1 7 ) ,赢2t 1 一j( 1 1 _ 8 ) 式( 1 1 3 ) 和式( 1 1 7 ) 说明三个不对称向量可以唯一地分解成三组对 称的向量( 对称分量) :f 序、负序、零序分量。 另外,在一个三相对称的元件中,例如线路、变压器和发动机等等,如果 流过三相正序电流,则在元件上的三相电压降也是正序的,这一点的物理意义 非常清楚。同理如果流过三相负序或零序电流,则元件上将产生负序或零序压 降。这也就是说,对于三相对称元件,各序分量是独立的,正序电压只与正序 电流有关,负序、零序同样如此。 若z 。、z 。z 。分别表示f 序、负序、零序阻抗。由于系统各序分量是独立 的,所以系统电压、屯流关系可以描述为 o := z ,i i 、l :) l = zp ie 、d := zp i ; 0 := zn j ;、0 = z n j 、8 i = z n i ; 0 1 1 9 ) 砂? = z 。,? 、移 = z o 朋、d ? = z 。爬 式( 1 j 9 ) 就是对称分量分析方法,利用式( 1 1 9 ) 可以进行对称三相 元件中的不对称电压、电流的计算。计算方法就是把系统分解成三个对称的予 系统进行计算,然后把三个对称子系统的计算结果叠加,就可以得出系统的计 算结果。由 二每组分量都是对称的,所以只需要分析一相即可。 另外,当电网电压不平衡时,电网电压的不平衡度可以用负序电网电压与 j e 序电网电压的百分数来表示。若用占。表示电网电压不平衡度,则有 占,:u n 1 0 0 “ u 。 1 2 三相v s r 不平衡控制研究概述 1 2 1 研究的意义 随着电力电子技术的发展,以及功率半导体开关器件技术的进步,促使了 电力电子变流装置技术的迅速发展,出现了以脉宽调制( p w m ) 控制为基础的 各类变流装置,如变频器、逆变电源、高频开关电源等。然而这些变流装置很 大一部分都需要整流环节来获得直流电,然后再把直流电变成各种形式的交流 电,以满足刁i 同的需要。山于常规的整流环节广泛采用二极管不控整流电路或 晶闸管相控整流电路,这两种整流装置工作时会对电网注入大量的谐波和无功, 造成严重的电网“污染”,从而影响其他用电装置的正常运行。因此对整流器的 研究受到学术界的广泛关注,并开展了大量的研究工作,而能量可以双向流动 的可逆p w m 整流器由于能够实现网侧电流正弦化,且可以运行在受控的功率 因数而成为电力电子研究的热点之一。 经过几一卜年的研究和发展,p w m 整流器技术日趋成熟。p w m 整流器主电 路从早期的半控器件桥路发展到如今的全控桥路:拓扑结构从单相、三相电路 发展到多相组合及多电平拓扑电路;p w m 丌关控制由单纯的硬开关调制发展 到软开关调制;功率千瓦级发展到兆瓦级,而主电路类型既有电压型p w m 整 流器也有电流型p w m 整流器,并且两者都在工业上成功投入了使用。 由于p w m 整流器实现了单位功率因数正弦波电流控制,以及能量的双向 传输控制,闪而真正实现了“绿色电能变换”。另外,由于p w m 整流器网侧呈 现受控电流源特性,而这一特性使p w m 整流器的控制技术获得进一步的发展 和拓宽,并取得了p w m 整流器更为广泛和重要的应用,如静止无功补偿 ( s v g ) 、有源电力滤波( a p f ) 、统一潮流控制( u p f c ) 、超导储能( s m e s ) 、 高压直流输电( h v d c ) 、电力传递( m d ) 、新型u p s 以及太阳能、风能可再 生能源并网发电等。 然而,对p w m 整流器及其拓展应用的大量研究都是基于三相电网平衡( 对 称) 的前提条件下的。而三相电网平衡的假没在现实电力系统中几乎不可能成 立。而在电网不平衡条件下,基于电网平衡条件设计的三相p w m 整流器控制 系统将出现4 i 正常的运行状念,表现为: ( 1 ) 电网不平衡情况下,在电网电压负序分量的作用下,将在p w m 整流 器交流侧产生幅值较火的负序电流分量,该负序电流可能使得三相p w m 整流 器交流电流严重不对称,出现某些相的电流远大于其他相的电流,轻则引起系 统故障保护,重则严重威胁整流器的功率开关,甚至烧毁装置。因此若不对p w m 整流器控制策略进行改进,在电网严重不稳定的区域,三相p w m 整流器需要 降额运行,这又给p w m 整流器带来容量上的损失。 ( 2 ) 电网不平衡情况下,由第( 1 ) 点分析可知,p w m 整流器将在交流 侧产生较大幅值的负序电流分量,而负序电流分量与正序开关函数的乘积以及 正序电流与负序开关函数的乘积将使得三相p w m 整流器直流电流中产生二次 谐波分量,该谐波电流经直流电容和负载电阻滤波后,将在直流电压中产生二 次谐波。而直流电压中的二次谐波与基波开关函数的乘积使得三相p w m 整流 器交流电压中包含三次谐波电压,进而在交流侧产生三次谐波电流。如此反复, 电网不平衡条件下基于电网平衡条件设计的三相p w m 整流器直流电压中将存 在2 、4 、等偶次非特征谐波电压分量,而在交流电流中存在3 、5 、等奇次 非特征谐波i b 流分量。大量的低次谐波将引起电网电压的畸变,造成变压器和 交流滤波电感损耗增加,工作温度上升,低次电流谐波产生的洛伦磁力引起变 压器和i 滤波电感线圈的振动,产生大量的噪声等等一系列问题。为此,电刚不 平衡时必须剥p w m 整流器控制策略进行改进,消除因电网不平衡引起的低次 谐波分量。 ( 3 ) 电删不平衡时,由于负序电网电动势和负序交流电流的存在,三相 p w m 整流器将从电网输入不平衡的瞬时功率,在这种情况下三相p w m 整流器 的运行可能使电网的不平衡变得更为严重,为此必须研究在电网不平衡时,使 三相p w m 整流器获得平衡输入功率的控制策略。 上述分析可知,平衡电网只是电网运行中的一种特例,为了使三相p w m 整流器在任何时刻都能j f 常运行,必须研究电网不平衡时三相p w m 整流器更 一般的控制策略。因此,对三相p w m 整流器不平衡控制策略的研究就具有极 其重要的理论和现实意义。 1 2 2 国内外研究现状 三相v s r 平衡控制策略研究 p w m 整流器的研究开始于2 0 世纪8 0 年代,这一时期由于自关断器件的 同趋成熟,和广泛应用,推动了p w m 技术研究。1 9 8 2 年b u s s ea l f r e d 、h o l t z j o a c h i m 首次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 6 侧电流幅相控制策略1 3j ,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 等提山了基于p w m 整流器拓扑结构的无 功补偿控制策略【4j ,这实际上是电压型p w m 整流器早期设计思想。到2 0 世纪 8 0 年代末,随着a w g r e e n 等提出了基于坐标变换的p w m 整流器连续、离散 动态数学模型及控制策略后,p w m 整流器的研究发展到一个新的高度。自2 0 世纪9 0 年代以来,p w m 整流器一直是电力电子学术界关注和研究的热点。随 着研究的深入,基于p w m 整流器拓扑结构的各种拓展应用的研究发展迅速, 如有源电力滤波、超导储能、交流传动、高压直流输电以及统一潮流控制等。 而这些应用技术的研究,义促进了p w m 整流器及其控制技术的进一步完善和 发展。 由于p w m 整流器网侧电流呈现受控电流源特性,从而对网侧电流控制策 略的研究就显得十分重要。在p w m 整流器技术的发展过程中,电压型p w m 整流器网侧电流控制策略主要分成两类:一类是由j w d i x o n 和b t o o i 首先提 出的“间接电流控制”策略1 5j :另、一类是目前占主导地位的“直接电流控制” 策略【6 ”。“间接电流控制”实际上就是所谓的“幅相”电流控制,即通过控制 电压型p w m 整流器交流侧电压基波幅值、相位,进而问接控制交流电流。由 于“削接电流控制”其网侧电流动态响应慢,且对系统参数变化非常敏感,因 此这种控制策略已逐步被“直接电流控制”策略取代。“直接电流控制”以快速 的电流响应和鲁棒性受到学术界的关注,并先后研究出各种控制方案i “9 1 , 主要包括以围定开关频率且采用电网电动势前馈的s p w m 控制【l0 1 ,以及以快 速电流跟踪为特征的滞环电流控制1 2 】等。此外,为了提高直流电压利用率并 降低损耗,撼于空间矢量的p w m 控制( s v p w m ) 在电压型p w m 整流器控制 中取得了广泛的应用,并先后提出了多种控制方案峭”“,目前,电压型p w m 整流器网侧电流控制有固定开关频率、滞环以及空间矢量控制相结合的趋势 l ”】,以使其在大功率有源滤波等快速电流响应场合获得优越的性能。 此外,随着刘p w m 整流器控制策略的深入研究,研究人员相继提出了一 些较为新颖的系统控制策略。比如:( 1 ) 无电网电动势传感器及无网侧电流传 感器控制:为进一步简化电压型p w m 整流器的信号检测,t o s h ih i k o n o g u c h i 等学者提出了一种无电劂电动势传感器的p w m 整流器控制策略。随后 b h k w o n 等人也提出了类似的研究。两种控制的不同之处在于,前者通过复 功率的估计来重构电网电动势,该重构方法是一种丌环估算方法,因而精度不 高,并且复功率估计算法中含有微分项,容易引入干扰;而后者则采用电流偏 差的p i 调节来控制电网电动势的重构误差,因而精度较高。另外,学者m r e s e 则通过直流侧电流的检测来重构电压型逆变器的交流侧电流,从而为无交流电 流传感器的p w m 整流器研究奠定了基础【i 。( 2 ) 基于l y a p u n o v 稳定理论的 p w m 整流器控制:针对具有非线性多变量耦合特性的电压型p w m 整流器模 型,常规的控制策略及其控制器设计。般采用稳态工作点小信号线性化整定方 案,这种方案的不足之处在于不容易保证控制系统大范围扰动的稳定性。h a s a n k o m i i r c i i g i l 等学者提出了基于l y a p u n o v 稳定性理论的控制策略【l7 1 。这一新颖 的控制方案以电感、电容储能的定量关系建立了l y a p u n o v 函数,并由三相p w m 整流器的d q 模型以及相应的空问矢量p w m 约束条件,推导出相关的开关控制 算法。这一方案较好地解决了p w m 整流器的大范围稳定控制问题。随后h a s a n k o m i a r c f l g i l 等又提出了针对单相p w m 整流器的l y a p u n o v 控制方案。( 3 ) p w m 整流器的时问最优控制:基于d q 模型的电压型p w m 整流器的常规控制,般 通过前馈解耦控制方案,并采用两个独立的p i 调节器分别控制系统的有功、无 功分量。而有功、无功分量的动态耦合和p w m 整流器的直流电压利用率的约 束,影响了电压型p 1 3 c m 整流器直流电压的动态响应。针对这一问题,j o n g w o o c h o i 等学者利用最优控制理论,提出了确保直流电压响应的时间最优控制l l “。 其基本思想就是,根据时间最优控制算法求出指令电流所需的最优控制电压, 并在动态过程中降低无功分摄的响应速度,从而有效地提高了有功分量( 直流 电压) 的动态响应速度。 三相v s r 的不平衡控制研究 由于电网不平衡时p w m 整流器将出现不正常的运行状态,表现在p w m 整流器直流侧电压和网侧交流电流低次谐波增大,并且交流电流中可能出现较 大幅值的负序电流分量,引起电流的严重不对称,这可能使p w m 整流器发生 故障,甚至烧毁装置。多年来研究人员对p w m 不平衡控制策略进行广泛的关 注和深入研究。 文献 1 9 、2 0 是2 0 世纪8 0 年代电网不平衡对三相a c d c 变流器影响的研 究成果,由于受当时开关器件性能和价格的限制,这一时期主要研究的是三相 晶闸管a c d c 相控整流器在电网不平衡条件下的运行情况。文中较为具体地 分析了电网1 i 平衡对三相晶闸管a c d c 相控整流器触发角的影响,同时定量 分析了电网不平衡时三相品闸管a c d c 相控整流器低次谐波含量和总谐波畸 变率t h d 。并在最后给出了减少三相晶闸管a c d c 相控整流器低次谐波和总 谐波畸变率t h d 的措施。这些研究体现了早期人们对电网不平衡对整流器影 响的关注。 文献 2 1 对电网不平衡条件下三相p w m 整流器输出电压谐波进行了较为 全面彻底的分析,并首次提出了把三相p w m 整流器开关函数分解成正序、负 序分量来计算三相p w m 整流器输出电压的谐波分量。该方法给出了电网不平 衡时直流电妪谐波分析的精确表达式,并得出直流电压畸变的主要原因是由于 直流电压中:次谐波分量所导致。文中提出了利用特种谐波消除法来抑制三相 p w m 整流器直流电压中的二次谐波控制方法,并推导出p w m 开关控制算法。 然而文中没有分析电网不平衡对网侧交流电流畸变的影响,并且采用谐波消除 法属于一种前馈补偿控制,不容易保证三相p w m 整流器输出电压的控制性能。 在文献【2 2 】中,l u i sm o r g n 等分析并推导了三相电压型p w m 整流器在三相 电网不平衡条件下,网侧电流及直流电压时域表达式。l u i sm o r i n 等通过理论 分析认为,电网负序电动势分量是导致网侧电流畸变的根本原因;同时指出电 网不平衡条件下,常规的控制方案将使直流电流产生偶次谐波分量,且通过 p w m 控制,p w m 整流器交流侧会产生相应的奇次谐波分量从而导致电流畸 变。然而l u i sm o r i n 等并没有从控制策略上提出改进设计,只是提出了电网不 平衡条件下,电压型p w m 整流器交流侧电感、直流侧电容的设计准则。 为此,在文献 2 3 中,d v i n c e n t i 等人较为系统地提出了基于正序d q 坐标 系的前馈控制策略,即通过负序分量的前馈控制来抑制电网负序分量对p w m 整流器控制的影响。但是这一方案使砸序d q 坐标系中的负序基波分量呈现出2 次谐波形式,显然,采用p i 调节器无法获得负序基波分量的无静差控制,因此 不能消除负序基波分量的影响。 在1 9 9 9 年,学者h o n g s e o k 和k w a n g h e en a m 在文献 2 4 中提出了采用正 序、负序两套同步旋转坐标系( s f r ) 分别对正序、负序电流进行独立控制的 控制方案,由于正序电流在正序s f r 中体现为直流量,而负序电流在负序s f r 中电表现为直流量,从而通过p i 调节器可以实现f 序、负序电流的无静差控制。 可见这是一种较为完善的正序、负序电流跟踪控制方案,此外h o n g s e o k 和 k w a n g h e en a m 采用了网侧输入功率平衡原则来求取正、负序电流指令信号, 因此可以保证三相v s r 从电网吸收平衡的瞬时功率。但是由于忽略了p w m 整 流器交流侧滤波电感和电阻的影响,实际输入p w m 整流器直流侧的瞬时功率 并不平衡,因此不能完全消除直流电压中的二次谐波分量。另外由于系统采用 了,正负两套旋转d q 坐标系,包含了正序、负序d q 电流在内的四个电流内环 控制,因此控制系统结构复杂,且在线运算工作量大,h o n g s e o k 和k w a n g h e e n a m 采用了两个数字处理器( d s p ) 进行系统的实现。 在2 0 0 1 年,学者a v s t a n k o v i c 和t a l i p o 在文献 2 5 】中提出了完全消除 直流电压二次谐波的控制方案。该方案利用对称分量分析方法,把整流器交流 电流和p w m 开关函数分别分解成正序、负序分量,求出三相p w m 整流器直 流电流瞬时表达式,并获得消除直流电流中二次谐波分量的约束条件。 a v s t a n k o v i c 等利用三相p w m 整流器交流输入功率平衡原则保证了三相p w m 整流器直流侧输入功率的平衡,j 司时也就完全消除了直流电流、电压中的二次 谐波分量。与h o n g s e o k 和k w a n g h e en a m 所提控制方案不同的是, a v s t a n k o v i c 和t a l i p o 的方案控制了三相v s r 交流侧瞬时功率的平衡,却 使得三相p w m 网侧输入功率的波动。另外,h o n g s e o k 和k w a n g h e en a m 、 a v s t a n k o v i c 和t a l i p o 提出的这两种控制方案都是控制三相p w m 整流器平 均无功功率为零,并没有提出三相p w m 整流器平均无功功率的独立控制算法, 因此不能实现三相p w m 整流器的任意功率因数运行。 本论文在以往研究的基础上,对三相p w m 整流器在电网不平衡条件下进 行了系统建模分析,总结出三相p w m 整流器在电网不平衡时的两种基本控制 目的:交流电流的对称控制目的和网侧功率的平衡控制目的。前者是控制三相 p w m 整流器的交流电流为对称三相正弦波;后者是控制三相p w m 整流器的输 入瞬时功率平衡,由于直流侧输入功率平衡,因此可以消除直流电压和交流电 流中的谐波分量。针对上述控制要求,论文提出了多种控制策略,仿真和试验 结果证明了这些控制策略的正确性。 1 3 本论文研究概述 三相p w m 整流器可分为三相电压型p w m 整流器v o l t a g es o u r c er e c t i f i e r ( v s r ) 和三相电流型p w m 整流器c u r r e n ts o u r c er e c t i f i e r ( c s r ) 两种。本 论文主要对当前应用广泛的三相v s r 进行不平衡控制研究,而对三相c s r 的 不平衡控制研究与三相v s r 不平衡研究具有对偶性。由于三相v s r 系统参数, 如交流滤波电感,功率开关等等的不对称都将引起三相v s r 的不平衡运行,但 是三相v s r 的所有参数不对称导致的三相v s r 的不平衡运行,都可以等效成 三相v s r 装置本身参数对称而电网电动势不平衡时的状况,因此在研究三相 v s r 电网不平衡运行时,总是假设三相v s r 本身参数是对称的。本论文主要 内容按章节可以概述如下: 第一章简述了电网不平衡的基本概念,危害以及电网不平衡时三相p w m 整流器的研究方法。同时对三相v s r 的不平衡控制研究意义和当前的研究动态 进行了简要阐述。 第二章对三相v s r 在电网不平衡条件下进行系统建模分析,建立了三相 v s r 在三相静止a b c 坐标系和两相旋转d q 坐标系中的数学模型。在对数学模 型的分析中得出三相v s r 在电网不平衡时需要解决的各种问题。 第三章在三相v s r 建模分析的基础上,提出了多种三相v s r 不平衡控制 策略。所提控制策略根据控制目的可以分成两类:其一是交流电流的对称控制 策略,主要控制三相v s r 交流电流为对称三相正弦波电流。这一类控制策略中 提出了基于a b c 坐标系和基于d q 旋转坐标系两种控制方案;另一类是功率平衡 控制策略,主要控制三相v s r 从电网吸收平衡的瞬时功率,同时消除直流电压 中的各次谐波分量。对这一类的控制策略提出分别基于a b e 坐标系、旺p 坐标系 和d q 坐标系的三种控制方案。 在第三章的控制策略分析中,提出了基于内模控制的三相v s r 电流跟踪控 制方法,使得三相v s r 在a b c 和邮静止坐标系中也能够实现对交流电流的无 0 静差跟踪控制 关羚,针对h o n g s e o k 帮k w a n g h e en a m 、a 。v 。s t a n k o v i c 彝t 。a l i p o 箍窭 的控制方案不能独立控制平均无功功率的不足,本文提出了功率平衡控制时平 均茏功功率秘平均青功功率可以独立技铡豹控铡繁略,实现三靼v s r 在功率平 衡控制时的任意功率因数运行。 第四意进行了三棚v s r 按制系统设计。在基予a b c 和1 8 坐标系的控制策 略中,其电流内环采用内模控制原理,文中对内模控制器的设计采用了根轨迹 设计和频域设计德结合的方法。由于可以同时了解系统阔环特征报的变换趋势, 以及系统的开环、闭环频域响应盐线,因诧该方法更优于传统的典疆i 、i i 系 统设计方法。不足之处在于该设计方法计算量较大,必须借助于计算机辅助设 计才能完成。对于基于d q 坐标系静控嗣策略,采用稀馈解耩控制,求密电流内 环的闭环传递函数,再根据系统需要的阻尼比和自然谐振频率,确定p i 调节器 的参数,浚设计方法诗簿量,j 、,筒莘实舔。诧井,论文还奔缓了电压努环隧及 三相v s r 主电路参数的设计方法。 第五章系统债囊分氍,挺整了藻予嚣关函数模型的m a t l a b 仿真方法, 该仿真方法解决了p s p i c e 、s a b e r 等仿真软件在仿真时出现的仿真时间长、中间 数摇多、簿法不荔枝敛以及蘧爨对整撼复杂兹秘系绞在疼熬三枢v s r 系绞镑 真:同时陔方法也解决了采用m a t l a b 低频模型( 传递函数模型) 仿真时造成的 镑粪壤疫不裹阉麓。因戴是一黪棼露鲑爨毫力电子交浚器控潮系统佐寞方法。 论文阐述了开关函数仿真模型的建立过程,并分别对蒴三章提出的控制策略进 行垒嚣兹渤静态仿真分掇,绩囊结果讼涯了鼹提控制蕊蝰的正确性。 第六章系统试验分析,利用t i 生产专门用于电机控制的t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 实现了两糖控制燕略。文中较为详细介绍了试验系统的硬、软件设计过程t 并 给出了重爱硬件电路原理图和软件模块的程序框图。鼹后给出了系统试验缡莱, 可以看出试验结祭与系统仿真结果非常吻合。再次证明控制策略的正确性。 第七章总结,并提出了论文研究的不知之处和几个需要深入研究的方 面。另夕 ,提出了电网不平衡时需要研究的与三相v s r 控制相关的各种其他问 题。 第二章电网不平衡时三相v s r 建模 2 1a b e 坐标系中的数学模型 图2 一l 为三相v s r 拓扑结构图。若三相电网不平衡,且只考虑基波电动势, 根据对称分量分析法,电网电动势f 可以描述为正序电动势e ”、负序电动势 e “、和零序电动势e o 的合成,即e = e ”+ e “+ e o ,改写后如式( 2 1 1 ) 。 且议z呱猁j - v o 涮z 4 v d 。 j k “ l c c 圭= v 出 g j- v 。:v 。u l 2 v o ;v - j 2 x v o o n 图2 1 三相v s r 拓扑结构 式中e :、e :、砩一一正序、负序、零序基波电动势峰值;口:、吼n 、吼0 一一 压v = 【v 。ov v c o r 、以及丌关函数j = 【s 。s s c 】f 可以用对称分量法描述为 i = i + i “+ l o v = v + v “+ v o ( 2 1 2 ) i j = j ”+ 葺”+ j o 匿封盛髫- v 。藤巍 k 阻k 芒芈纠牝乒南足删。恼幽银占盟鲥 k 净 _ 还剁k 乒 q 剁k 声 o 斟 ( a ) 系统等效电路( b ) l f 序等效电路 ( c ) 负序等效电路 图2 2 三相v s r 交流侧等效电路 2 耐 酬叫 ,一十门叫对 硝彤硝甜卵础 耐甜耐 甜耐耐 文文文文“ 吲 毫| 聊 砩 剥躅壁尔裰夫电腿、电流定律,埘以建立三相v s r 在三楣静止a b c 燮梅系 中熬一般数学模型。为分褥方谯,善先定义零极憝二徨逻辍牙关溺数& 巍 繇。 1w 警篓竺暑苎,下蹩孽莲矍( 妻:a ,b ,e ) ( 2 ,1 3 ) 8 0上耩鹫美凝,f

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