（电力电子与电力传动专业论文）直流母线下多逆变器负载局域电力系统的研究.pdf

英文摘要 a bs t r a c t i nt r a d i t i o n a la cg o v e r n o rs y s t e mw i t hm u l t i i n v e r t e rl o a d , d r i v em o t o ri sd i r e c t l y s u p p l i e db yt h e3 - p h a s en e t w o r k t h e r e f o r e ，e a c hm o t o rs h o u l db ee q u i p p e dw i t l las e t o ff i c q u e n c yc o n t r o ld e v i c es e p a r a t e l y t h i si n c r e a s e st h ec o s to ft h es y s t e ma n dt h e h i g hh a r m o n i cc o n t e n t ，w h i l et h ee n e r g yc o n s u m p t i o nc a u s e db yt h eb r a k i n gr e s i s t o r s u n d e rt h ef e e d b a c kw o r k i n gc o n d i t i o ni sl a r g e t h i sp a p e ri n t r o d u c e san e wp r o g r a mo fc o m m o nd cb u sp o w e rs u p p l y t h e p r o g r a mc a ni m p r o v et h ee l e c t r i cp o w e ri nt w oa s p e c t s f i r s t ，t h ee l e c t r i ce n e r g y g e n e r a t e db yt h em o t o ru n d e rt h ef e e d b a c kc o n d i t i o nc a nb ea b s o r b e db yt h em o t o r s u n d e rt h ed r i v ec o n d i t i o n , o p t i m i z i n gt h ea l l o c a t i o no fe n e r g yr e s o u r c e s ；s e c o n d ，i ft h e m o t o r sg e ts u f f i c i e n te n e r g ya l r e a d y , t h ee x c e s se l e c t r i ce n e r g yc a l lf e e db a c kt ot h e 3 - p h a s en e t w o r kt h r o u g ht h ef e e d b a c kd e v i c e , a v o i d i n gt h ew a s t eo fr e s o u r c e s a st h ef u l l c o n t r o l l e dr e c t i f i e rs h o w sh i 曲p o w e rf a c t o r , l o wc u r r e n th a r m o n i c s ， f a s td y n a m i cr e s p o n s e ，a n dr e v e r s i b l ep o w e rs u p p l y , i tc a na c tw e l la st h ea c d c p o w e rc o n v e r s i o nd e v i c ei np u b l i cd cb u s a l l c o n t r o l l e dr e c t i f i e ri su s u a l l yc o n t r o l l e d b ys p w ms t r a t e g y , b u ts v p w mh a st h eb e t t e rd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dv o l t a g e u t i l i z a t i o nt h a nt h es p w m t h e r e f o r e , t h es v p w mc o n t r o ls t r a t e g yi sa d o p t e db ym y p a p e r t h i ss t r a t e g ym a k e sr e c t i f i e rs y s t e mw i t ht h ea d v a n t a g e so ft w o - w a yf l o wo f e n e r g y e l i m i n a t i n gt h ef e e d b a c kd e v i c e ，t h es y s t e m ss t r u c t u r eh a sb e e ns i m p l i f i e d 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 ea n dt h es t r u c t u r eo ft h ev o l t a g ep w mr e c t i f i e r i s e x p o u n d e d ；t h ei m p l e m e n t a t i o no fs v p w mc o n t r o ls t r a t e g yi ss y s t e m a t i c a l l y e x p o u n d e d ；t h ed y n a m i cr e s p o n s ep r o c e s so ft h ep u b l i cd cb u ss y s t e mi sa n a l y z e d ；t h e l o c a ll o a dc a p a c i t yi sc a l c u l a t e d o nt h i sb a s i s ，u n d e rt h ea p p l i c a t i o no fm a t l a b s o f t w a r e , t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ep a c k a g ea r ec o n s t r u c t e d l o c a lp o w e rs y s t e m s i m u l a t i o nm o d e lu n d e rd cb u si ss e tu p t h ep r o c e s so ft h ed y n a m i cr e s p o n s eo f p u b l i c d cb u si ss i m u l a t e d f i n a l l yar e a s o n a b l es i m u l a t i o nr e s u l t si sg i v e n i nt h i sp a p e r , w i t ht it m s 3 2 0 f 2 812d e v e l o p m e n tb o a r da st h e c o r e ，t h e f u l l - c o n t r o l l e dp w mr e c t i f i e ro fl o w p o w e rp r o t o t y p es y s t e mi sc o m p l e t e d t h es y s t e m h a r d w a r ei n c l u d e st h em a i nc i r c u i t ( i g b td r i v ec i r c u i t ) ，a n dc o n t r o lc i r c u i t ( p h a s e v o l t a g e c u r r e n td e t e c t i o n , o v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o n , z e r od e t e c t i o n , p h a s e l o c k e dl o o p ，t h e d cv o l t a g ed e t e c t i o nc i r c u i o t h em o d e ln u m b e r so ft h ed e v i c e sa r es e l e c t e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep w mr e c t i f i e ru n d e rs v p w ms t r a t e g ya c t sf u l l c o n t r o lo ft h ec o m m o nd cb u sw i 廿1g o o dr o b u s tp e r f o r m a n c e k e yw o r d ：s v p w m ；f u l l - c o n t r o l l e dr e c t i f i e r ；c o m m o nd cb u s ；d y n a m i c r e s p o n s e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文= = 直逋堡线王垒逆变鲞鱼热屋筮电左丕统的硒塞：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：斛 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密日彳请在以上方框内打t ，) 论文作者签名：1 啄牛导师签名： 凸期：夕几埠 直流母线下多逆变器负载局域电力系统的研究 1 1 课题的背景与研究现状 第1 章绪论 1 1 1 课题的背景 随着交流控制技术的发展，交流传动技术已经成为传动技术未来的发展趋势， 且以其优异的性能逐渐替代传统的直流传动技术。随着对电力电子技术的深入研 究，对整流和逆变技术的深入了解，人们提出了一种直流母线的传动方式。 在传统的电气传动系统中，交流电源可以直接向变频调速装置的主回路供电。 这种供电方式具有设备体积小、结构简单的优点，但是变频系统的输入直流电压 是由不可逆二极管整流得到的，当电动机产生回馈时，此能量的回馈致使母线电 压升高，会导致停机、变频跳闸的现象频繁发生。所以，将全控型整流器应用于 直流母线系统中具有重要意义。本课题的整流部分是基于s v p w m 控制的整流器， 经直流母线连接多个逆变器负载，此整流系统能够实现网侧电流正弦化，以及实 现单位功率因数和能量的双向流动。 采用直流母线的方式连接整流器和逆变器，能够大幅度地减少系统整流设备 的数量，并且使某些电机回馈的能量通过直流母线提供给其他电机使用，提高了 电能的利用率，节省了能耗电阻等装置，大幅削减系统的成本和所占空间，对社 会生产具有极大的实际意义。 1 1 2 课题的研究现状 随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件的性能不断提高，已从早期 广泛使用的半控型功率半导体开关发展到如今性能各异且类型诸多的全控型功率 开关，像双极型晶体管( b j t ) 、门极关断( g t o ) 晶闸管、绝缘栅极型晶体管( i g b t ) 、 集成门极换向晶闸管( i g c t ) 、功率场效应晶体管( m o s f e t ) 以及场控晶闸管 ( m c t ) 等。而2 0 世纪9 0 年代发展起来的智能型功率模块( i p m ) 则开创了功 率半导体开关器件新的发展方向。功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力 电子技术的快速发展，出现了以脉宽调制( p w m ) 控制为基础的各类变流装置， 第1 章绪论 这些变流装置也在国民经济各领域中取得了广泛的应用。但是，目前这些变流装 置中很大一部分需要通过整流环节来获取直流电压，可是由于整流环节大多采用 了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波。治 理这种危害的最根本措施是变流装置实现网侧电流的正弦化，即运行于单位功率 因数。将p w m 技术应用整流器的控制之中，可以实现上述要求。经过几十年的研 究与发展，p w m 整流器技术已经日趋成熟【1 1 。 在传统的多电机传动系统中，系统传动点的增多，大大增加了系统的扰动， 将直流母线技术引入多电机传动系统中，既可降低系统的扰动，又可优化系统的 能源分配，所以公共直流母线技术引起了人们的广泛关注。该技术是在多电机交 流调速系统中，采用独立的整流回馈装置为系统提供直流电压，多电机负载经逆 变器直接挂在直流母线上，当电机工作在发电状态时，通过母线及回馈装置可把 能量回馈给电网；当电机工作在电动状态时，直流母线向逆变器输送电能。相对 于传统的多电机电气传动系统，直流母线系统具有节能、提高设备运行可靠性、 减少设备维护量、故障率低等的优点，这些优点使其受到了工程应用领域的高度 重视。目前，在轧钢、纺织、离心机、造纸等需要多电机工程领域，公共直流母 线系统已得到广泛的应用，并也取得了较好的效果。各大变频器生产厂商纷纷研 制出适用于直流母线系统的供电单元，但是在现有的供电单元中，都是通过两组 独立的装置实现整流与回馈，如果能用一组装置来实现整流与回馈功能，那么就 会大幅度的减小系统规模。所以，基于直流母线系统应用p w m 整流器，会是未来 直流母线系统的发展趋势【2 1 。 1 2 本文的主要研究工作 本文主要工作是研究多逆变器负载下局域电力系统的特点及负载变化对整个 电力系统的影响。主要包含以下几个方面： ( 1 ) 直流母线下多逆变器负载局域电力系统的结构设计； ( 2 ) 全控型整流器的研究与设计； ( 3 ) 多逆变器负载系统的设计； 2 直流母线下多逆变器负载局域电力系统的研究 ( 4 ) 直流母线系统的建模与仿真，研究不同负荷状态时直流母线上的电能分 配及其动态响应过程； ( 5 ) 全控型整流器的研究与实现。 3 第2 章p w m 整流器的概述 第2 章p w m 整流器的概述 2 1 p w m 整流器的基本原理与结构 2 1 1p w m 整流器的原理 从电力电子技术发展来看，整流器是较早应用的一种a c d c 变换装置。随着 对p w m 整流器的改进、完善，p w m 整流器已经不是一般传统意义上的a c d c 变换器。当p w l v l 整流器运行予有源逆变工作状态时，整流器可向电网传输电能； 当p w m 整流器运行于整流工作状态时，整流器可从电网获取电能。而所谓实现单 位功率因数是指当p w m 整流器运行于整流工作状态时，其网侧电压、电流同相( 正 阻特性) ；当p w m 整流器运行于有源逆变工作状态时，其网侧电压、电流反相( 负 阻特性) 。综上可见，p w m 整流器实际上是一个可以四象限运行，且其交、直流 侧可控的变流装置。 e 厂 p ) _ _ - 2 叫巴z 一 、 i l 图2 1p w m 整流器的模型电路 f i g 2 1m o d e lc i r c u i to fp w m r e c t i f i e r 图2 1 为p w m 整流器的模型电路。从图中可看到，p w m 整流器模型电路包 括三部分：交流回路、功率开关管桥路以及直流回路。其中交流回路包括网侧电 感三以及交流电动势e 等；直流回路包括负载电动势e ，及负载电阻r ，等。 当不计功率开关管桥路损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得 i v = 如1 ，出 ( 2 1 ) 所以不难理解，通过对交流侧的控制，就可以实现对其直流侧的控制，反之 4 直流母线下多逆变器负载局域电力系统的研究 亦然。以下重点从模型电路的交流侧入手，对p w m 整流器的运行状态和控制原理 进行分析。 dd b ( a ) d c i c ( b ) c bb ( c )( d ) 图2 2p w m 整流器交流侧稳态矢量关系图 f i g 2 2s t e a d y - s t a t ev e c t o rd i a g r a mo fp w m r e c t i f i e r sa cs i d e 为了简化分析，对于p w m 整流器模型电路，只考虑基波分量而忽略p w m 谐 波分量，并且不计交流侧电阻。 这样由图2 2 分析可得，当以电网电动势矢量为参考时，通过对交流电压矢量 y 的控制即可实现p w m 整流器的四象限运行。若假设i ，l 不变，则i 圪l = , o l i i 也固 定不变，在这种情况下，p w m 整流器交流侧电压矢量v 端点运动轨迹构成了一个 以l 以l 为半径的圆。当电压矢量y 端点位于a 点时，电动势矢量e 超前电流矢量 i9 0 0 ，此时p w m 整流器网侧呈现纯电感特性，如图2 2 ( a ) 所示；当电压矢量矿 端点运动到b 点时，电流矢量，与电动势矢量e 同向，此时p w m 整流器网侧呈现 正电阻特性，如图2 2 ( b ) 所示；当电压矢量v 端点运动至c 点时，电动势矢量e 滞后电流矢量，9 0 0 ，此时p w m 整流器网侧呈现纯电容特性，如图2 2 ( c ) 所示； 当电压矢量v 端点运动至圆轨迹的d 点时，电流矢量，与电动势矢量e 反向，此 5 第2 章p w m 整流器的概述 时p w m 整流器网侧呈现负电阻特性，如图2 2 ( d ) 所示。以上，a 、b 、c 、d 四 点是p w m 整流器四象限运行的四个特殊工作状态点。进一步分析，可得p w m 整 流器四象限运行规律如下： n ( 1 ) 当电压矢量y 端点在圆轨迹a b 上运动时，p w m 整流器运行于整流状态。 此时，p w m 整流器需要吸收有功及感性无功功率，电能将通过p w m 整流器由电 网传输至直流负载。值得注意的是，当p w m 整流器运行在b 点时，则实现单位 功率因数整流控制；而运行在a 点时，p w m 整流器则不吸收有功功率，而只从电 网吸收感性无功功率。 n ( 2 ) 当电压矢量y 端点在圆轨迹b c 上运动时，p w m 整流器运行于整流状态。 此时，p w m 整流器需要吸收有功及容性无功功率，电能将通过p w m 整流器由电 网传输至直流负载。值得注意的是，当p w m 整流器运行在c 点时，p w m 整流 器则吸收有功功率，而只从电网吸收容性无功功率。 n ( 3 ) 当电压矢量y 端点在圆轨迹c d 上运动时，p w m 整流器运行于有源逆变 状态。此时，p w m 整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能将通过从p w m 整流器直流侧传输至电网。值得注意的是，当p w m 整流器运行在d 点时，便可 实现单位功率因数有源逆变控制。 n ( 4 ) 当电压矢量y 端点在圆轨迹d a 上运动时，p w m 整流器将运行于有源逆 变状态。此时，p w m 整流器向电网传输有功及感性无功功率，电能将通过从p w m 整流器直流侧传输至电网。 显然，要想实现p w m 整流器的四象限运行，关键在于网侧电流的控制。一方 面，可以通过控制p w m 整流器交流侧电压，间接控制其网侧电流；另一方面，也 可以通过网侧电流的闭环控制，直接控制p w m 整流器的网侧电流【3 1 。 2 1 2p w m 整流器的结构 基于上小节对p w m 整流器的原理介绍，p w m 整流器的结构图如下所示： 6 直流母线下多逆变器负载局域电力系统的研究 图2 3p w m 整流器的结构图 f i g 2 3s t r u c t u r a ld i a g r a mo fp w m r e c t i f i e r 2 2p w m 整流器的分类 随着p w m 整流器技术的发展，多种p w m 整流器已经被设计出来，尽管分类 方法多种多样，但最基本的分类方法是将p w m 整流器分成电流型和电压型两类。 这主要是由于电流型、电压型p w m 整流器，无论是在主电路结构、p w m 信号， 还是在控制策略等方面均有各自的特点，并且两者之间存在电路上的对偶性。其 他分类方法就主电路的拓扑结构而言，均可归类于电流型或者电压型p w m 整流器 之列1 3 。 2 2 1 电流型p w m 整流器 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 叫s r ) 拓扑结构最明显的特 征就是直流侧采用电感进行直流储能，从而改善c s r 直流侧阻抗的电流源特性。 常采用的c s r 拓扑结构有单相、三相两种，如图2 4 、图2 5 所示 7 第2 章p w m 整流器的概述 l d c 图2 4 单相c s r 拓扑结构 f i g 2 4t o p o l o g yo fs i n g l e - p h a s e - c s r 图2 4 为单相电流型p w m 整流器拓扑结构。其交流侧用滤波电容与网侧电感 一起组成l c 滤波器，滤除c s r 网侧谐波电流，抑制c s r 交流侧谐波电压。直流 侧采用电感储能。另外，一般也需要在c s r 功率开关管支路上顺向串联二极管， 其主要目的是阻断反向电流( 因为一般功率开关管大都集成有反并联二极管) ，并 使功率开关管的反向耐压能力提高。 o 图2 5 三相c s r 拓扑结构 f i g 2 5t o p o l o g yo ft r i - p h a s e - c s r 8 直流母线下多逆变器负载局域电力系统的研究 图2 5 为三相电流型p w m 整流器拓扑结构，这是一个半桥电路，与单相c s r 直流侧相同，其直流侧同样采用电感进行储能；交流侧是一无中线的三相对称l c 的滤波电路。 2 2 2 电压型p w m 整流器 与c s r 相比，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 广v s r ) 最显 著的特征就是其直流侧通过采用电容进行直流储能，从而使v s r 直流侧呈低阻抗 的电压源特性。 l 、单相v s r 的半桥、全桥拓扑结构 + + l 剁二 帅l =_ c 1 r y y n 净 v d 2 ( z = 土 j c 2 v d 2 r_ v d l 比 + 2 ，i ) 3 t 么i ，_ y 1 ” i c圭v d c 【 净 蔼- l 叫( z l j v d 2v ：4 1 v d 4 i 上 ( b ) 图2 6 单相v s r 的j 卜桥、全桥主电路拓扑结构 f i g 2 6t o g o l o g i e sf o rm a i nc i r c u i t so fs i n g l e p h a s ev s rh a l f b r i d g ea n df u l lb r i d g e 9 第2 章p w m 整流器的概述 图2 6 ( a ) 、( b ) 分别展示了单相v s r 半桥、全桥的主电路拓扑结构。交流侧 电感主要是滤除网侧谐波电流。v s r 主电路功率开关管必须反并联一个续流二极 管，以缓冲p w m 过程中的无功电能。进一步研究表明，在相同的交流侧电路参数 条件下，要使单向半桥v s r 以及单向全桥v s r 获得同样的交流侧电流控制特性， 半桥电路直流电压应是全桥电路直流电压的两倍，因此功率开关管耐压要求相对 提高。另外，为使半桥电路中电容中点电位基本不变，还需引入电容均压控制， 可见单向半桥v s r 的控制相对复杂。 2 、三相v s r 的半桥、全桥拓扑结构 o 七 v b ， ? 一 比 + 一一 v 。一巴 z 。v d b 。- j 么 。v d c 么 、 a b c -兰f c v 西i- 誉 么 鸭v c ( l z r v d c n v d iv 乞 v d 2v 3 ， f 3 近 v d 4v 5 f v d 5v 色 + 一 1 e 一 叫眨 一 一 j 匕 一 叫 一一v d 6 么zz么么么 、 = 兰【 c v d l 2 一 么 懈v d 9v d i i c v l _ i一 弓g v d 7 么 习e 么 岳 么 i - v j 。5 么z v 9 。 一 ； 上 ； 上 n ； 上 r 1 甫。 ( b ) 图2 7 三相v s r 的半桥、全桥拓扑结构 f i g 2 7t o g o l o g i e so f h a l f b f i d g ea n df u l lb r i d g ef o rt r i - p h a s e - v s r 1 0 直流母线下多逆变器负载局域电力系统的研究 图2 7 ( a ) 、( b ) 分别展示了三相v s r 半桥、三相v s r 全桥主电路的拓扑结 构。三相半桥v s r 比较适用于三相电网平衡系统。但是当三相电网出现不平衡时， 其控制性能将恶化，甚至发生故障。为此，可以采用三相全桥v s r 设计，其特点 是：三个独立控制的单相全桥通过公共直流母线连接，并通过变压器连接至三相 四线制电网。 3 、三电平的电压型p w m 整流器拓扑结构 以上介绍的是v s r 拓扑结构属常规的二电平拓扑结构。而三相三电平v s r 的 拓扑结构是具有中点钳位的三电平v s r 拓扑结构，它由多个功率开关管串联使用， 采用二极管钳位，以获得交流输出电压的三电平调制【3 】。 因为本文研究的公共直流母线系统是恒压系统，因此本设计中的全控型整流 器选择电压型p w m 整流器( 即v s r ) 作为整流单元。 2 3p w m 整流器的控制方式 传统的交流变压变频脉宽调制技术是用正弦波来调制等腰三角波，从而获得 一系列等幅不等宽的p w m 矩形波。按照波形面积相等的原则，这样的p w m 波形 与期望的正弦波等效。经过很长时间的应用实践后，这种脉宽调制方法取得了很 大的效能。目前，v s r 电流控制技术主要分为两类，即直接电流控制和间接电流 控制【4 1 。 2 3 1 间接电流控制 间接电流控制又可以称为相位和幅值控制，主要以相幅控制为代表，是指通 过控制整流器的输入端电压，使其与电源电压保持一定的幅值相位关系，从而控 制交流侧输入电流为正弦波形。且交流电流与电压保持一定的幅值，使装置运行 在单位功率因数状态。间接电流控制的问题在于，v s r 电流动态响应不够快，甚 至交流侧电流中含有直流分量，且对系统的参数波动比较敏感，间接电流控制系 统框图如下图所示： 第2 章p w m 整流器的概述 图2 8 间接电流控制结构图 f i g 2 8i n d i r e c tc u r r e n t c o n t r o ld i a g r a m 2 3 2 直接电流控制 与间接电流控制相比，直接电流控制具有更好的控制性能，它以快速电流反 馈控制为特征，在实际生产得到了广泛应用。直接电流控制是在控制系统中引入 实际的交流输入电流反馈信号，将其与给定信号相比较，通过对误差的调节，来 控制器件的通断，使给定信号和实际电流信号在一定的偏差范围内保持一致。这 样，就形成了电压外环、电流内环的双环结构。它主要分为以下4 个方面 4 1 。 l 、滞环电流控制 滞环电流控制是一种比较简单，应用广泛的控制方法。其电路控制结构图如 下所示： 图2 9 滞环电流控制结构图 f i g 2 9h y s t e r i c sc u r r e n t - c o n t r o ld i a g r a m 1 2 直流母线下多逆变器负载局域电力系统的研究 滞环电流控制系统具有快速的瞬态响应，拥有较高的稳定性。由于此系统为 一阶系统，是一种无条件稳定系统，同时容易防止变压器偏磁饱和。但是这种方 法的不足是：由于器件的开关点完全取决于电流到达上下限的时间，因此滞环控 制的开关频率不固定；电路工作可靠性下降；输出电压的频谱变差，容易造成系 统性能的变坏。 2 、三角波比较法 图2 1 0 三角波比较法结构图 f i g 2 10d i a g r a mo ft r i a n g u l a rw a v ec o m p a r i s o n 三角波比较法是首先将电流信号的偏差进行p i 调节，调节器的输出信号再与 三角波比较，进而控制器件的开通与关断。在某种程度上来看，三角波比较法尽 管克服了滞环比较方式开关频率不固定的缺陷，这种控制方式输出的电流谐波脉 动比较小，但实现起来比较复杂。由于反馈电流含有大量的谐波，使得p i 调节器 中的比例调节系数不能取值太大。 3 定时瞬时值比较法 定时瞬时值比较法是首先以固定的采样周期对实际输出电流进行采样，然后 根据与指令电流的偏差来控制逆变电路功率开关器件的通断，使实际输出电流跟 踪指令电流，其工作原理与滞环比较器方式相同。它受限于器件的最高开关频率， 减小了开关频率的变化范围。 4 、瞬时有功无功电流控制方法( t 控制法) 以上所讨论的方法都是位于静止坐标系下的电流跟踪控制方法，也就是说各 1 3 第2 章p w m 整流器的概述 相的电流由各自的控制器单独进行控制。而瞬时有功无功电流控制方法是在旋转 坐标系下的一种控制方法，它是将空间矢量的控制原理应用在三相功率的变换系 统中，既可以使整流器的功率因数达到1 ，同时也提高了电路的输出功率与利用效 率。 瞬时有功无功电流控制方法是将电源电流变换到两相旋转坐标系( d ，q ) ，分 别获得有功电流i d 和无功电流f 。由电压控制环可直接得到有功给定电流f ：，令无 功电流t 为0 ，即p w m 整流器以单位功率因数工作。电流控制环分别对有功电流 与无功电流进行控制。电流调节器的输出经过两相旋转到两相静止的坐标变换后， 就可以得到p w m 整流器输入端相电压的指令信号，之后可以采用滞坏电流比较 法、三角波比较法或矢量控制法来产生p w m 进行控制。瞬时有功无功电流控制法 需要进行大量的数字计算，精度较高 4 1 。 由于本设计在整流部分采用的是全控型整流，即建立一个电压、电流双闭环 控制的整流器，所以需要选择一个动态性能良好的控制方式。与间接电流控制方 式相比，直接电流控制具有较好的动态性能，且不易受系统参数变化的影响，具 有快速的电流响应和鲁棒性。本文采用直接电流控制方式，基于本文中第3 章的 研究分析，本文采用的是瞬时有功无功电流控制方法。 1 4 直流母线下多逆变器负载局域电力系统的研究 第3 章基于s v p w m 的三相v s r 系统设计 3 1 三相v s r 主电路结构 由于电压型p w m 整流器在解决电力公害方面具有重要作用，现成为国际电力 电子学界得热门课题。三相v s r 的拓扑结构如下图所示嘲： j + ( 兰 _ _ 足【】足 足【 j c 一 孓当k ，： v a 、v b 、 底旦一 。 ia - ：，一 7 吞且 f c 。 y 1 。一 7 均tv b 、 r 【1 置5】足 n 图3 1 三相v s r 拓扑结构图 f i g 3 1t o p o l o g yd i a g r a mo fm - p h a s ev s r 针对三相v s r 一般模型的建立，我们通常作出以下假设： ( 1 ) 功率开关损耗以b 表示，实际的功率开关管可由理想开关与损耗电阻r s 串联等效表示： ( 2 ) 网侧滤波电感是线性的，且不考虑饱和； ( 3 ) 电网电动势吃、e b 、巳为三相稳定的纯正弦波电动势； ( 4 ) 为描述三相电压型p w m 整流器能量的双向传输，直流侧负载由直流电 动势e l 和电阻如串联表示。 ( 5 ) 忽略分布参数影响。 在图3 1 中，当直流电动势e ：= 0 时，直流侧为纯电阻负载，此时整流器只能 运行于整流状态；当e 。 d d c 时，整流器既可运行于有源逆变状态，又可以运行于 整流状态，当运行于有源逆变状态时，负载气向电网输送所发电能；当e 0 ，则s i g n ( x ) = 1 ；如果s i g n ( x ) r ，那么五2 百孚i 丁， 互2 i 孚i r 。扇区中电压矢量的作用时间正、正与x 、y 、z 的对应关系如表3 3 所示： 表3 3 互、疋和x 、y 、z 的对应关系表 t a b 3 3c o r r e s p o n d e n c et a b l eo f t l 、t 2a n dx 、y 、z 扇区号 ii ii l lv 互 zyz一工xy 互 y一工z z y z ( 2 ) 定义变量乃、瓦、，使其满足： 乃= 半 瓦= r e 丑2 = 乃+ 墨2 ( 3 3 1 ) 可得到如表3 4 所示的不同扇区下电压矢量的切换点d 、e 、f 与变量l 、瓦、 乃的对应关系。 厨一厨一札厨一札 = = = x y z 第3 章基于s v p w m 的三相v s r 系统设计 表3 4 不同扇区下电压矢量切换点d 、e 、f 和变量瓦、瓦、乏的关系表 t a b 3 4c o r r e s p o n d e n c et a b l eo fv o l m g ev e c t o rs w i t c h i n gp o i n td 、e 、fa n dv a r i a b l e 瓦、五、 扇区号 ii ii i iv d 瓦瓦瓦瓦疋瓦 e l瓦瓦乃疋 f 疋死乏疋瓦乙 综合上述分析，本文采用基于s v p w m 控制的v s r 系统结构框图如下所示， 其仿真模型将在第五章进行说明。 图3 4 基于s v p w m 控制的v s r 系统结构框图 f i g 3 4v s rs y s t e mb l o c kd i a g r a mb a s e do ns v p w m 2 6 直流母线下多逆变器负载局域电力系统的研究 第4 章公共直流母线系统的动态分析 4 1 公共直流母线系统的概述 随着当今交流控制技术的发展，采用交流电机替代直流电机应用于调速系统 已成为发展趋势，但是在多电机的传动系统中，如果每台电机单独配备一个整流、 逆变装置，会造成资源的严重浪费。所以近几年来基于公共直流母线的多电机传 动系统因其节能、维护量小、故障率低等优点而备受青睐。 三相交流 回馈制动 电动 电动 图4 1 公共直流母线系统的电能自动调配示意图 f i g 4 1t h ed i a g r a mo fc o m m o nd c b u s sp o w e rw i t ha u t o m a t i c a l l ya d j u s t i n g 图4 1 是公共直流母线系统的电能自动调配示意图。公共直流母线系统采用单 独的整流回馈装置，为负载提供一定功率的直流电源，调速用的逆变器直接挂接 在直流母线下。当拖动电机工作在电动状态时，逆变器从直流母线上获取电能； 当电机工作在发电状态时，能量既可通过直流母线为在网的其他电动机所用，若 还有剩余，则经由回馈装置直接回馈给电网。一般情况下，公共直流母线系统主 第4 章公共直流母线系统的动态分析 要应用于多电机传动系统中，为系统提供高质量的电能，此外也将系统在制动过 程中产生的再生能源加以合理利用和回收。随着电力拖动系统中变频器装置越来 越多，直流母线技术的应用尤为重要，其主要特点为： ( 1 ) 电网输入的电能和电机回馈的电能在直流母线上自动调配，回馈能量不 须回馈电网即可得到利用； ( 2 ) 当采用全控型整流器时，网侧功率因数可调，可实现单位功率因数调节； ( 3 ) 在功率允许情况下，整流装置可采取冗余设计，逆变器采用直一交逆变 器，减少了设备的器件数目，提高了系统的可靠性； ( 4 ) 直流母线下的电机全部可以实现四象限运行。 一般情况下，公共直流母线系统由整流回馈单元、公共直流母线和逆变单元 等组成，公共直流母线系统也大多应用于多电机工作的生产线上，数目一般是从 几台到上百台。公共直流母线系统的构成有多种方式f 8 】，简述如下： ( 1 ) 共用一个独立的整流器：该整流单元可以是不能逆变的，也可以是逆变 的。前者能量通过外接制动电阻消耗掉，而后者可以充分地将直流母线上的多余 能量回馈到电网中来，具有更好的节能、环保意义； ( 2 ) 每个变频单元各自接入电网：每个变频单元均带有整流、逆变回路并外 接制动电阻，直流母线相互连接起来。这种情形较多应用于各变频单元功率接近 的情况，解体后还可以独立使用，互不影响； ( 3 ) 大变频单元接入电网：小变频器公用大变频器的直流母线，小变频器不 需接入电网，故也不需要整流模块，大变频器外接制动电阻。 本文是研究直流母线下多逆变器负载的能量流动情况，为了方便观察不同工 况时母线电压的变化情况及整流单元的调节过程，本文采用第一种结构方式，即 系统共用一个独立整流器的结构。全控型整流器作为系统独立且唯一的供电单元， 将三相交流电网电压转变为稳定的直流电压，将其送至直流母线上进行供电，挂 接于直流母线下的多个逆变器负载为交流电机提供可靠的交流电源【2 】。 直流母线下多逆变器负载局域电力系统的研究 4 2 公共直流母线系统的结构设计 本课题主要是研究多逆变器负载下局域电力系统的特点，并分析不同负载情 况时直流母线电压的变化及整流单元的调节过程。因此本系统的公共直流母线系 统结构设计如图4 2 所示： 三牵订i 毡网 图4 2 公共直流母线系统结构图 f i g 4 2s t r u c t u r a ld i a g r a mo fc o m m o nd cb u s 线 本文设计的公共直流母线系统采用共用一个独立整流器的结构，在实际应用 中也可采用多个整流器的冗余设计，以提高系统可靠性。整流单元采用全控型整 流器为局域系统提供稳定的直流电压，直流电压输出到公共直流母线上，而直流 母线下挂接多个逆变器负载。逆变器将母线的直流电压变换为三相交流电压对负 载电机进行供电及调速。本设计中的拖动电机采用三相异步电机。 一般情况下三相异步电机主要是作为电动机运行，在极少数的情况下是作为 发电机( 即处于回馈制动状态时) 运行。当其在电动状态运行时，电机的电磁转矩z 和电机转子的转速n 方向相同；当其在发电状态运行时，此时电机的电磁转矩z 和 转子的转速, 方向相反，使转子转速降低，进行回馈制动。此工作状态与电动状态 相比，电流及转子感应电势的有功分量发生反向，电机向电网输出电磁功率。因 此，当三相异步电机处于回馈制动状态时，可向电网回馈能量 9 1 。 2 9 第4 章公共直流母线系统的动态分析 对于如图4 2 所示的公共直流母线系统，其母线上的能量回馈主要分为两种情 况： ( 1 ) 当整流器储能元件采用大电感，即为电流型p w m 整流器时，在母线下 挂接的负载工作状态发生变化时，由于电感的续流作用，能量的变化主要表现在 电压的变化上。 ( 2 ) 当整流器储能元件采用大电容，即为电压型p w m 整流器时，在母线下 挂接的负载工作状态发生变化时，由于电容的稳压作用，能量的变化主要表现在 电流的变化上。 因为公共直流母线系统是恒压系统，因此本设计中的全控型整流器选择电压 型p w m 整流器( 即v s r ) 作为整流单元。那么电流的变化即是直流母线上能量变化 的体现。 由于本课题主要是研究负载变化对直流母线系统的影响，因此除了对全控型 整流器进行设计，还要为异步电机的逆变、调速装置进行设计。 针对异步电机的控制，本设计采用直接转矩控制( d t c ) 策略，将电机的运行性 能与逆变器的控制模式作为一个整体来考量。 直接转矩控制的基本原理是充分利用电压型逆变器的开关特点，通过不断切 换电压状态，使定子磁链轨迹逼近圆形，并通过零电压矢量的穿插调节来改变转 差频率，以控制电机的转矩及其变化率，从而使异步电机的磁链和转矩同时按要 求实现快速变化。在以往控制中，通常需要用到电机的各种参数进行计算，而直 接转矩控制只是通过定子电阻以及能够方便测量得到的电压、电流值就能把磁链、 转矩估算出来，所以相比而言，直接转矩控制转矩响应迅速，实现起来也较为方 便、简洁。 直流母线下多逆变器负载局域电力系统的研究 图4 - 3 异步电动机直接转矩控制系统组成 f i g 4 。3t h ec o m p o s i t i o no ft h ed t cs y s t e m 直接转矩控制系统的结构框图见图4 3 ，从图中不难看出被测信号只有三个， 即玑、t 和n 。这三个信号经a 删( 包括定子磁链模型和转矩模型) 处理后得到u 口、 v 9 和转矩实际值弓av 盘、v p 通过计算可以判断磁链所处扇区，转矩实际值弓与 转矩给定值瓦经转矩调节器( a t r ) 处理后得到转矩开