（电力电子与电力传动专业论文）基于空间矢量控制的三相pwm整流器研究.pdf

基于空间矢量控制的三相p w m 整流器研究 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n ga p p l i c a t i o no ft r a d i t i o n a la c d cc o n v e r t e r s ，w h i c hd e v e l o pd i o d er e c t i f i e r s o rt h y r i s t o rr e c t i f i e r s ，an u m b e ro fc u r r e n th a r m o n i c sa r ei n j e c t e di n t ot h e 鲥d ，c a u s i n gl o wp o w e r f a c t o ra n dd e c r e a s i n gp o w e re f f i c i e n c y t h e r e f o r e , i m p r o v i n gp o w e rf a c t o ra n ds u p p r e s s i n gh a r m o n i c a r ep a i dw i d e l ya t t e n t i o ni np o w e re l e c t r o n i c sf i e l d s t h ep w mr e c t i f i e rh a st h ea d v a n t a g e so f c o n s t a n to u t p u t , u n i tp o w e rf a c t o ra n dr e g e n e r a t i v ee n e r g yf e e d b a c ka b i l i t y , r e c e i v e de x t e n s i v e a t t e n t i o nf r o ms c h o l a r s i nt h i st h e s i s ，t h et o p o l o g y , o p e r a t i o np r i n c i p l ea n dc o n t r o lm e t h o do f t h r e e p h a s ep w mr e c t i f i e ra r ed i s c u s s e d ，t h ed e t a i l e dd e s i g na n ds i m u l a t i o no ft h r e e p h a s es p a c e v e c t o rc o n t r o la r ei n t r o d u c e d , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g np r o c e s so fa5 0 k v at h r e e - p h a s e p w mr e c t i f i e rs y s t e ma l ed e p i c t e di nd e t a i l ，a n dt h ea n a l y s i sa n de x p e r i m e n tv e r i f i c a t i o nb a s e do nt h e p h o t o t y p ea l ed e s c r i b e da sf o l l o w e d a tt h eb e g i n n i n go ft h i st h e s i s ，t h ef o u r - q u a d r a n to p e r a t i o np r i n c i p l eo fp w mr e c t i f i c a t i o ni s i n t r o d u c e di nd e t a i l m a t h e m a t i c a lm o d e l sa r eb u i l ti na b ec o o r d i n a t e ，叩c o o r d i n a t ea n d 由c o o r d i n a t e r e s p e c t i v e l y s w i t c h i n gm o d e sa n dc u r r e n tc o m m u t a t i o no ft h r e e p h a s ep w m r e c t i f i e ra r ea n a l y s i s e d t h e n ，t h et r a d i t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g i e so ft h r e e - p h a s ep w m r e c t i f i e ra r ed e p i c t e di nt h et h e s i s t h e m e t h o do fv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do n 由e o o r d i n a t ei sp r e s e n t e d t h ed e s i g np r i n c i p l ea n d c o n t r o lp a r a m e t e rd e s i g no f t h ec o n t r o ll o o pa r ea n a l y z e di nd e t a i l i na d d i t i o n ，t h es i m u l a t i o no f s p a c e v e c t o rm o d u l a t i o na l g o r i t h ma n dc o n t r o ls t r a t e g ya r ep r e s e n t e db ym e a n so fm a t l a bs o f t w a r e f i n a l l y , ad s pc o n t r o lb a s e d5 0 k v at h r e e - p h a s ep w mr e c t i f i e ri sb u i l t , a n dt h ed e s i g nm e t h o d so fh a r d w a r e c i r c u i ta n ds o f t w a r ep r o g r a ma r ep r e s e n t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sb a s e do nt h i sp r o t o t y p ev e r i f y t h ea b o v et h e o r ya n a l y s i s k e y w o r d s ：h a r m o n i cp o l l u t i o n ，p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，p w mr e c t i f i e r , s v p w m ，d i g i t a lc o n t r o l 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图1 1 二极管桥式整流器1 图1 2 单相半桥式p w m 整流器5 图1 3 单相全桥式p w m 整流器5 图1 4 双b o o s t 型p w m 整流器5 图1 5 三线六开关p w m 整流器6 图1 6 。三线四开关p w m 整流器6 图1 7 四线八开关p w m 整流器6 图1 8 四线六开关p w m 整流器6 图2 1p w m 整流器模型电路1 0 图2 2p w m 整流器交流侧稳态矢量关系- 。l l 图2 3p w m 整流器主功率电路拓扑。1 2 图2 4 三相a b e 和两相静止a 猡坐标系1 6 图2 5 两相静止筇和两相旋转由坐标系。1 7 图2 6 八种基本空间矢量2 0 图2 7 三相电流波形及区间划分2 l 图2 8 矢量圆区间分布2 l 图2 9 电流正方向定义。2 2 图2 1 0 工作状态l 电流分析2 3 图2 1 l 工作状态2 电流分析2 4 图3 1 基于三相静止坐标系的控制方法2 8 图3 2 基于同步旋转坐标系模型的控制方法2 9 图3 3 电流解耦控制原理图3 2 图3 4 基于由同步旋转坐标系的矢量控制框图3 2 图3 5 电流内环结构框图。3 3 图3 6d 轴电流内环简化结构3 3 图3 7 电压外环结构框图3 5 图3 8 简化的电压外环结构框图3 5 图4 1 三相p w m 整流器主电路3 7 图4 2 三相p w m 整流器空间电压矢量图3 3 v 基于空间矢量控制的三相p w m 整流器研究 图4 3 三段式空间电压合成方式4 l 图4 4 五段式空间电压合成方式。4 l 图4 5 七段式空间电压合成方式。4 2 图4 6 三相整流器的仿真模型4 3 图4 7s v p w m 输出调制波波形4 3 图4 8 输入电流与电压波形。4 4 图4 9 三相输入电流波形。4 4 图4 1 0 直流侧输出电压波形。4 4 图4 1 l 负载突加波形图。4 5 图4 1 2 负载突卸波形图4 5 图4 1 3 未加缓启动的三相输入电流波形。4 6 图4 1 4 加缓启动的输出电压与输入电流4 6 图5 1 三相p w m 整流器控制系统结构图档 图5 2 电流峰值处一个p w m 开关周期中的电流跟踪波形4 9 图5 3 电流过零点处一个p w m 开关周期中的电流跟踪波形4 9 图5 4f f 4 5 0 r 12 m e 3 结构示意图。5 2 图5 5 缓启动硬件电路示意图5 2 图5 6a 相电压采样电路。5 3 图5 7 直流电压采样电路5 3 图5 8a 相电流采样电路：5 4 图5 92 s d 3 1 6 e i 结构示意图5 4 图5 1 0 总故障保护综合电路5 5 图5 1 l 主程序流程图5 6 图5 12 定时器中断子程序5 7 图5 1 3 开机缓启动程序流程图5 8 图5 1 4 妒到由坐标系变换示意图5 9 图5 1 5 同一桥臂i g b t 驱动信号5 9 图5 1 6q 1 管驱动波形及c e 间电压波形。6 0 图5 1 7 调制波及锁相角波形6 0 图5 1 8 缓启动时直流侧电压波形6 l 图5 1 9 三相电流波形6 l 图5 2 0 负载5 k w 时实验波形。6 2 v l 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 2 l 负载1 0 k w 时实验波形6 2 图5 2 2 负载l5 k w 时实验波形6 3 图5 2 3 负载2 0 k w 时实验波形6 3 图5 2 4 负载从1 2 k w 突加到2 0 k w 时波形6 3 图5 2 5 负载从2 0 k w 突卸到1 2 k w 时波形“ 图5 2 6 三相输入电流t h d 随输出功率变化曲线。6 6 图5 2 7 效率曲线础。6 6 图5 2 8 输出电压随输出功率变化曲线6 7 表1 1 拓扑特点比较：7 表2 1 各开关模式下相电压和线电压值2 0 表2 2 工作状态l 电流流向2 2 表2 3 工作状态2 电流流向：2 3 表2 4 其他工作状态电流流向：2 5 表4 1 各扇区电压矢量作用时间4 0 表5 1 系统设计指标4 7 表5 2 不同负载下的实验数据：“ v l i 基于空间矢量控制的三相p w m 整流器研究 缩写 a c d c v s c v s r p f c p 、m m c c m d c m s p w m s v p w m t h d d s p 加 d ，a i o p f i g b t p l l l i 注释表 英文全称 a l t e r n a t i n gc u r r e n tld i r e c tc u r r e n t v o l t a g es o u r c ec o n v e r t v o l t a g es o u r c er e c t i f i e r p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n p u l s ew j d t hm o d u l a t i o n c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e s i n ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n t o m lh a r m o n i cd i s t o r t i o n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r a n a j o g | d i g i t a l d i g i t a l a n a l o g i n p u t o u t p u t p o w e rf a c t o r i s o l a t e dg a t eb i p o l 甜t r a n s i s t o r p h a s el o c k e dl o o p 中文名称 交直交换 电压源型变换器 电压源型整流器 功率因数校正 脉冲宽度调制 电感电流连续模式 电感电流断续模式 正弦脉宽调制技术 空间矢量脉宽调制 总谐波失真度 数字信号处理器 模数转换 数模转换 输入输出 功率因数 绝缘栅双极晶体管 锁相环 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：型! 兰盛 e l 期：匕坦：6 ：! ! 琢幻 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 1 1 1 谐波的危害与抑制 近些年来，随着电力电子技术的迅速发展，各种电力电子装置得到广泛的应用。这些电力 电子装置在满足了不同用电要求的同时，也给电网带来了谐波污染、无功功率损耗等问题。为 了达到节约能源、降低成本、减少污染的目的，越来越多的电器设备对电能的品质提出了新的 要求。世界各国学者对电力电子技术进行了广泛的研究，取得了大量的科研成果。 电力系统谐波的主要来源之一是电网中的电力电子设备【1j 【2 l ，这些设备很大一部分需要整 流环节以获得直流电压，而传统的整流电路是谐波源1 3 j 。目前常用的整流装置几乎都采用晶闸 管相控整流电路或二极管不控整流电路，晶闸管相控整流需要电网提供大量的无功功率，同时 给电网带来严重的谐波污染。二极管桥式整流器，如图1 1 ( a ) 所示。虽然具有成本低。结构简 单的优点，但二极管整流会使网侧电流波形严重畸变，呈脉冲状( 如图1 1 ( b ) 所示) ，含有丰富的 谐波，造成功率因数较低，往往只有0 6 - - 0 7 1 耵。电流波形的这种畸变及由此产生的网侧电压波 形的畸变给系统本身和周围的电磁环境带来一系列的危害，对电力系统产生污染，对通信系统 产生干扰，还可引起仪器仪表和保护装置的误测量、误动作，这就是通常所说的“谐波污染” l l zz c l 一 zz f ( a ) 电路图( b ) 输入电压电流波形 图1 1 二极管桥式整流器 谐波电流对电网的危害主要表现在一下几个方面1 5 1 1 6 l ： ( 1 ) 谐波电流流过线路阻抗而产生谐波压降反过来使电网电压产生畸变，即所谓的“二次 效应” ( 2 ) 若谐波电流产生电动力的频率接近于定转子零部件的固有频率时，电机会产生强烈的 振动，并伴有极大的噪声。 基于空间矢量控制的三相p w m 整流器研究 ( 3 ) 引起供电电网中产生局部的并联谐振和串联谐振，使谐波放大，形成正反馈，破坏电 网的稳定性，引起严重事故。 ( 4 ) 谐波电流引起电路故障，损坏设备。 ( 5 ) 三相四线制电路中，三次谐波在中线中电流同相位，合成中线电流很大，可能超过相 电流，由于中线无保护装置，使中线因过流而引起火灾并损坏电气设备。 由于谐波污染的巨大危害性，为了保证电网和用电设备的安全、经济运行，不少国家和国 际学术组织制定了限制电力系统和用电设备谐波的标准和规定1 7 】【8 1 【9 1 ，如国际电工委员会( i e c ) 标准i e c 5 5 5 - 2 1 9 8 2 、i e c l 0 0 0 3 - 2 1 9 9 4 和美国i e e e 标准i e e e 5 1 9 - 1 9 9 2 等，我国1 9 9 8 年发布 的国家标准g b l 7 6 2 5 1 1 9 9 8 低压电气及电子设备发出的谐波电流限值和2 0 0 3 年发布的国 家标准g b l 7 6 2 5 1 2 0 0 3 电磁兼容限值谐波电流发射限值，都要求购置的用电设备需经过试 验证实符合该标准限值后方能接入到配电系统中。此外，1 9 9 3 年颁发的国家标准 g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波，规定了注入公共连接点的谐波电流允许值的用户， 必须安装电力谐波滤波器，以限制注入公用电网的谐波。另外。对基于航空交流电网的用电设 备，美国航空无线电技术委员会提出了民用飞机的标准r t c ad o 1 6 0 d 1 9 9 7 。 为了消除谐波污染，提高电力电子装置的功率因数，国内外很多学者对高功率因数交流装 置进行研究，成为近年来电力电子领域研究的热点之一。从目前看，谐波污染主要的解决方法 是从以下两方面入手：一种是被动式的，即在电网侧对已经产生的谐波和无功功率进行补偿， 如加装静止无功补偿装置或有源电力滤波器；二是通过对产生谐波的电力电子装置本身进行改 造，使装置的输入正弦电压和电流同相位，不产生谐波也不消耗无功功率。这种方法实质就是 对电力电子装置进行功率因数校正，使得输入电流跟踪输入电压，其主要优点是：可得到较高 的功率因数，如0 9 7 - - 0 9 9 ：t h d 小：可在较宽的输入电压范围和宽频带下工作；体积重量小； 输出电压保持恒定。前者是产生谐波后进行补偿，而后者是消除了谐波源，是解决谐波问题的 根本措施。 1 1 2 功率因数校正技术 功率因数校正技术( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 是电力电子产品满足绿色环保要求的必需手 段，是未来开关电源发展的关键技术之一。不管民用还是航空系统都对电源的要求越来越高： 体积小、重量更轻、供电容量更高、供电品质更好、可靠性更高、效率更高、不间断供电等等， 提高功率因数是实现这些要求的关键所在。目前，常用的功率因数校正技术有如下几种【l o j l l l 】【1 2 l 。 1 1 2 1 多脉冲整流 多脉冲整流技术是将多个整流器联台使用，将多个波形叠加，以消除次数较低的谐波，从 而得到接近正弦波的阶梯波，达到减小输入电流谐波的目的。多脉冲整流由于全部采用不控器 2 南京航空航天大学硕士学位论文 件，不需要额外的控制电路，可靠性高，而被广泛地应用于大功率、高安全性要求的场合，如 多电飞机、全电飞机等。多脉冲整流电路的脉冲数越多，系统的功率因数越高，但系统的脉冲 数越多，系统的结构越复杂，变压器设计难度越大【1 3 】。 1 1 2 2 无源功率因数校正 无源p f c 技术是在二极管整流桥和滤波电容之间添加一个滤波电感，滤波电感和滤波电容 组合的无源l c 网络使得输入电流满足谐波限制要求。其主要优点是：简单、成本低、可靠性 高、e m i 小等。无源p f c 技术的主要缺点是：滤波电感和滤波电容的值较大，低频时体积和重 量较大，而且输入谐波电流的抑制效果不是很好，难以得到高的功率因数( 一般可提高到0 9 左右) 。另外，其工作性能与频率、负载变化及输入电压变化有关。因此它比较适合于对体积和 重量要求不高、对价格敏感的应用场合。 1 1 2 3 有源功率因数校正 早期的有源功率因数校正电路是晶闸管电路。七十年代以后，随着功率半导体器件的发展， 开关变换技术突飞猛进。到八十年代，现代有源p f c 技术应运而生。由于变换器工作在高频开 关状态，这种有源功率因数校正技术具有体积小、重量轻、效率高、功率因数可接近l 等优点。 这一时期是有源功率因数校正技术发展的初级阶段，其间提出的一些基本技术是有源功率因数 校正技术的基础。可以说，9 0 年代是基于b o o s t 变换器的功率因数校正的年代当时的研究工 作主要集中在工作于连续导电模式( c c m ) 下的b o o s t 变换器上，其控制方式一般是基于乘法 器( m u l t i p l i e r ) 原理叫；这种模式下可以获得很大的功率转换能量，但这种方式的控制电路复 杂，对于2 0 0 w 以下的小功率容量场合并不适合。八十年代末提出了工作在不连续导电模式 ( d c m ) 下的功率因数校正技术，其输入电流自动跟随输入电压，输入功率因数可接近l 。这 种变换器也叫电压跟随器【1 5 l 【1 们( v o l t a g ef o l l o w e r ) ，其控制简单，在小功率场合倍受青睐。九 十年代以来，有源功率因数校正技术取得了长足的发展。特别是提出了一些功率因数校正的软 开关技术和新的控制方法总的来说有源功率因数校正技术采用有源开关，使输入电流成为和 电网电压同相位的正弦波。它可以得到很高的功率因数，而且体积小、重量轻、效率高。但是 电路复杂、造价高、电磁干扰( e m i ) 大，并且它只能实现能量的单向流动，因而不能实现电 机的再生制动。有源功率因数校正已广泛应用于开关电源、交流不问断电源等领域。 1 1 2 4 矩阵变换器 矩阵变换器是一种直接变频电路，电路所用的开关器件是全控型的。它的优点是输出电压 为正弦波，输出频率不受电网电压的限制。输入电流也可控制为正弦波且和电压相同，功率因 数为l ，也可以控制为需要的功率因数，能量可以双向流动，适合交流电机的四象限运行，不 3 基于空间矢量控制的三相p w m 整流器研究 通过中间环节变频，效率较高。它的缺点也很明显。变频电路所用的开关器件为1 8 个，电路结 构较复杂，成本较高，目前控制方法还不是很成熟。此外，输出输入的最大电压比只有0 8 6 6 ， 用于交流电机调速时输出电压比偏低。 1 1 2 5p w m 整流技术 由于p w m 整流器具有响应速度快、结构简单、容易抑制电磁干扰、控制策略成熟、可以 实现能量的双向流动等优点，p w m 整流技术是中大容量的单位功率因数变流器采用的主要技 术。根据直流储能元件采用电容还是电感的不同，p w m 整流器可分为电压型和电流型p w m 整 流器。三相电压型p w m 整流器和三相电流型p w m 整流器是互为对偶的两种整流器，各有特 点。由于电流型p w m 整流器输入电流不连续，输出直流电压脉动大，而电压型p w m 整流器 在控制方法、储能效率等方面优于电流型p w m 整流器，使得电压型p w m 整流器一直是研究 的重点f 1 7 】【1 8 l 【1 9 1 1 2 0 l ，本文主要研究三相电压型p w m 整流器。 1 2p w m 整流器的研究发展状况 p w m 整流器对电网不产生谐波污染，因而是一种真正意义上的绿色环保电力电子装置。 对其研究始于2 0 世纪8 0 年代，经过几十年的发展，p w m 变换技术已日趋成熟。主电路从早 期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；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 开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率等级从千 瓦级发展到兆瓦级1 2 1 儿2 2 1 1 2 3 1 1 2 4 l 。其中由b u s s ea l f r e d h o l t zj o a c h i m 于1 9 8 2 年首先提出基于可关 断器件的三相全桥p w m 整流器拓扑结构及其网侧电流幅相控制策略【2 5 1 ，由a k g a ih i r o f u m i 等 在1 9 8 4 年提出的基于p w m 整流器结构的无功补偿器装置【2 6 j 实际上就是电压型p w m 整流器的 早期设计思想。由a w g r e e n 等人于2 0 世纪8 0 年代末提出的基于坐标变换的p w m 整流器连 续、离散动态数学模型及控制策略使其研究发展到一个新的高度 2 7 1 。进入9 0 年代，将三相p w m 整流器用作三相p f c 技术的研究成为电力电子技术和电能变换领域中最具重要意义的研究方向 之一。本文主要针对三相p w m 整流技术进行研究，三相p w m 整流技术应用于航空或民用电 源系统，实现高功率因数、高效率，具有很广泛的应用前景。 1 2 1 电压型p w m 整流器的拓扑结构 电压型p w m 整流器的直流侧采用电容进行直流储能，使其直流侧呈低阻抗的电压源特性。 根据不同的功率等级以及不同的用途，有各种不同的p w m 整流器拓扑结构： ( 1 ) 单相电压型p w m 整流器主电路拓扑 4 南京航空航天大学硕士学位论文 图1 2 单相半桥式p w m 整流器 rj i l 1 图1 3 单相全桥式p w m 整流器 图1 4 双b o o s t 型p w m 整流器 r i 图1 2 和图1 3 分别为单相半桥式和全桥式p w m 整流器的主电路拓扑，两者交流侧电路结 构相同，交流侧电感主要用于滤除电流谐波。半桥电路只有一个桥臂用了功率开关管，结构简 单，成本较低，常用于低成本、中小功率应用场合。但在相同的交流侧电路参数条件下，要使 这两种p w m 整流器获得相同的交流侧电流控制特性，半桥式输出电压是全桥式的两倍，因此 功率开关管耐压要求相对提高。另外，半桥电路存在直流侧电容不均压问题，要求采取均压措 施，因此单相半桥控制相对复杂。图1 4 是一种双b o o s t 型p w m 整流器的主电路拓扑，这种电 路拓扑相比半桥和全桥电路，不需要设置死区，没有桥臂直通危险1 2 8 l 。 ( 2 ) 三相电压型p w m 整流器拓扑结构 目前研究和使用较广泛的三相电压型p w m 整流电路有：三线六开关，三线四开关，四线 八开关，四线六开关，如图1 5 到图1 8 所示，将这四种拓扑在输出侧直流电压大小、是否可以 解耦控制、是否需要均压环、所用开关数等方面进行比较，如表1 1 所示，其中只有图1 8 所示 的三相电压型四线六开关p w m 整流器主电路拓扑可以物理解耦控制。 5 基于空间矢量控制的三相p w m 整流器研究 6 图1 5 三线六开关p w m 整流器 图1 6 三线四开关p w m 整流器 图1 7 四线八开关p w m 整流器 图1 8 四线六开关p w m 整流器 南京航空航天大学硕士学位论文 表1 1 拓扑特点比较 拓扑输出电压控制方法均压控制 线制 开关数 三线六开关 大于1 倍线电压( 较小)耦合控制 否36 三线四开关大于2 倍线电压( 最大)耦合控制 是3 4 四线八开关 大于1 倍线电压( 较小)耦合控制 否48 四线六开关 大于2 倍相o a 压, ( e e 等)解耦控制 是 4 6 1 2 2 电压型p w m 整流器的控制策略 p w m 整流器的控制策略按是否检测输入电流主要分成两类：一类是由j w d i x o n 和b t o o i 提出的“间接电流控制”策略【2 9 l ；另一类就是目前占主导地位的“直接电流控制”镱略1 3 0 1 。“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p w m 整流器交流侧电压的幅 值和相位来间接控制其网侧电流。其优点是结构简单，成本低，开关机理清晰，缺点是电路中 的电感主要对高频起作用，对工频的阻抗小，因而失控时会引起很大的电流误差，系统从一个 稳态向另一稳态过渡时，输入电流动态响应慢，且对系统参数变化敏感，因此这种控制策略已 逐步被“直接电流控制”策略所取代。“直接电流控制”是一种电流瞬态跟踪控制方法，由运算 求出交流侧电流指令信号，再引入交流侧电流反馈，通过对交流侧电流的直接控制使其跟踪指 令电流值。直接电流控制的优点是电流稳态与动态特性好，且过流保护容易，因此受到学术界 的广泛关注，并先后研究出各种不同的控制方案，比如滞环电流控制1 3 l l 、峰值电流控制、平均 电流控制、单周控制等。 常规的滞环控制是一个双闭环结构，外环是电压环，内环是电流环。外环采用p i 调节器， 稳定输出电压，外环的输出乘以输入电压作为内环的电流给定。电流环中无传统的电流调节器 ( 如p 、p i 调节器等) ，取而代之的是一个非线性环节滞环。当电流偏差超越滞环宽度时， 主电路功率开关管切换，并迫使电流偏差减小，显然这是一种典型的非线性控制。研究表明【3 2 】， 滞环p w m 电流控制系统具有较好的系统稳定性和快速性，但是该方案主要的不足是，开关频 率随电流变化率变化而波动，造成网侧滤波电感设计困难，频率低时跟踪较差，频率高时功率 模块应力及开关损耗增大，因而在大功率变流领域难以应用。 平均电流控制1 3 3 】是一种最常见的电流控制方式，它也是一个双闭环结构，内外环均采样p i 调节器，外环的输出经过电流给定算法计算得到内环电流参考，电流参考值与实际电流值比较， 误差经过p i 调节器后与三角波交截得到开关信号。峰值电流控制【3 4 j 和平均电流控制一样。也是 一个双环结构，但其电流环是用电压外环输出控制量和由电感电流上升沿形成的斜坡波形通过 电压比较器进行比较后，直接得到开关管的关断信号( 开通信号由时钟自动给出) 。峰值电流控 制具有动态响应快，逐周波限流等特点，但其对噪音敏感，存在开环不稳定性问题，容易产生 7 基于空间矢量控制的三相p w m 整流器研究 次谐波振荡，需进行斜坡补偿。 单周期控制技术f 3 5 j 【3 6 】【3 7 j 是2 0 世纪9 0 年代初由美国加州大学的k e y u e m s m e x i l e y 提出的。 这种控制器是由一个带复位端的积分器、几个触发器和一些逻辑电路构成，可省去乘法器，同 时在一个开关周期的每6 0 。区间内，只有两个开关工作在高频状态，开关损耗明显减少。该技 术同时具有调制和控制的双重性，该技术突出的特点是无论稳态、暂态，都能保持受控量的平 均值恰好等于或正比于控制参考信号，这种控制方案具有动态响应快、开关频率恒定、鲁棒性 强、易于实现等优点，具有非常广阔的应用前景。 】2 3 电压型p w m 整流器的调制方法 。p w m 技术是对电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相 等的脉冲序列，并用这些脉冲序列代替所需波形。p w m 整流器主电路开关的工作频率，开关 的调制策略都与整流器的静态指标密切相关，调制方式的选择还与变换器容量及选用的器件有 密切关系。下面介绍三相p w m 整流器中常用的两种调制技术。 ( 1 ) s p w m 方式( s i n ep u i s ew i d t hm o d u l a t i o n ) s p w m 技术是目前广泛使用的种调制方式，它是将三角载波和对称的三相正弦调制波相 比较而生成p w m 波形，这是最基本的调制方法，具有概念清晰，易于实现的特点。具体应用 中，根据三角载波的不同，s p w m 技术又分为单极性s p w m 技术和双极性s p w m 技术两种。 对三相p w m 变换器来说，s p w m 是一种相电压控制方式，当调制比为1 时，三相p w m 变换 器相电压峰值为，2 ，而线电压峰值为3 u 廊，2 。显然，常规的s p w m 其直流电压利用率 不高。 ( 2 ) s v p w m 方式( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 8 0 年代中期，国外学者在交流电机调速中提出了磁通轨迹控制的思想，进而产生了电压空 间矢量( s p a c e v e c t o r ) 。s v p w m 没有将控制重点集中在波形的改进上，而是直接控制交流电机 的旋转磁场，采用逆变器空间矢量的切换以获取准圆形旋转磁场，从而在不高的开关频率条件 下，使交流电机获得了较s p w m 控制更好的性能，同时所获得的基波电压线性区域较大。将 s v p w m 应用于三相p w m 变换器控制之中，主要继承了s v p w m 电压利用率高、动态响应快 等优点。正是由于空间矢量的上述优势，所以本课题采用空间矢量p w l v l 调制方法实现对三相 p w m 整流器的实时控制。具体的s v p w m 调制策略将在第四章中详细介绍。 1 3 本文研究的目的和主要内容 本文的主要工作是基于空间矢量控制的三相p w m 整流器研究，所用的方法包括理论分析， 仿真分析和实验验证，各部分的主要内容概述如下： 第一章为绪论部分，首先介绍了p w m 整流器的研究背景和意义，然后介绍了p w m 整流 2 南京航空航天大学硕士学位论文 器的拓扑结构、控制策略和基本调制方式，最后概括了论文的主要内容。 第二章首先分析了p w m 整流器的四象限运行原理，研究了三相p w m 整流器四象限运行 的规律；然后分别建立了三相p w m 整流器在三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相同步旋 转坐标系的数学模型；最后对三相p w m 整流器的开关模态和换流方式进行了分析，为后续章 节的研究奠定了理论基础。 第三章首先介绍了三相p w m 整流器的常用控制策略和基于s v p w m 的各种控制方式，然 后介绍了三相p w m 整流器在两相同步旋转坐标系下的解耦控制，最后对解耦后的控制回路进 行分析和设计 第四章介绍了三相p w m 整流器的空间矢量调制策略，研究了空间电压矢量的分布、区间 划分、扇区的判断、作用时间的计算和矢量的合成方式，并在m a t l a b s i m u l i n k 环境下对三相 p w m 整流器的空间矢量调制策略进行了仿真验证。 第五章介绍了三相p w m 整流器的系统设计和实验验证。系统设计包括了硬件部分和软件 部分，硬件部分主要包括了主功率电路器件的设计、驱动电路的设计、采样电路和保护电路的 设计及其它硬件部分设计。软件部分采用模块化编程的思想，给出了每个模块的程序流程图。， 最后给出了三相p w m 整流器的实验结果，实验结果验证了理论分析的正确性。 第六章主要总结全文的工作，并就下一步工作进行了展望。 9 基于空间矢量控制的三相p w m 整流器研究 第二章三相p w m 整流器的工作原理和数学模型 在三相系统中，最常采用的三相i d w l v l 整流器拓扑结构为三相桥式电路，这也是本文所选 用的拓扑结构。本章分析了三相电压型p w m 整流器的四象限运行原理，研究了其具有改善功 率因数、实现电能回馈的原因；分别建立洲整流器在三相静止坐标系、两相静止坐标系以 及两相同步旋转坐标系下的数学模型并对三相p w m 整流器的开关模态及换流方式进行了分 析，为后面对整流器控制和设计的论述提供理论依据。 2 1p w m 整流器的四象限运行原理【3 8 】 l p w l v i 整流器实际上是一个交、直侧可控的四象限运行的交流装置。由于在三相对称系统 中，各相运行规律相似，为了便于分析，我们以其中的一相为例进行分析。其等效模型如图2 1 所示，由交流回路、功率开关管桥路和直流回路组成。为简化分析，i w l v l 整流器模型电路没 有考虑交流侧电阻，并且只考虑基波分量而忽略谐波分量。通过不同的控制方式，可以在p w m 整流器交流侧得到所需的交流电压波形z ，。，甜。与固定的电网波形形成压差。加到电感厶 两端，以形成输入电流。 口 卜 m i +一 二 j 土 ? 、 u 蚝 、2 弋r 图2 1p w m 整流器模型电路 图2 1 为p w m 整流器交流侧等效模型，为了便于分析，定义：u 为网侧交流电压矢量， c 7 ，为电感电压矢量，u 为交流侧电压矢量，稳态条件下有如下关系： u = u ，+ u 。 ( 2 1 ) 从上式可以看出，当网侧电压矢量u 固定时，p w m 整流器交流侧电压矢量u ，与电感电 压矢量u ，唯一对应，因而u 。一定时电感电流矢量，也就一定，所以，只需要通过控制l 口w 1 v l 整流器交流侧电压矢量u 。，就可以实现对电感电流矢量，v 的控制。 假设电感电流矢量的模l l l 不变，则电感电压矢量的模i d 。i = 础口i l l 也不变，此时整流 器交流侧电压矢量u 。的端点在以0 为圆心、以1 0 l 为半径的圆上运行。 l o 南京航空航天大学硕士学位论文 d ( a ) 纯感性运行 d 八 世a lo n 。7 o l 、 、i c c d b i h ( b ) 正阻运行 d c c bb ( c ) 纯容性运行( d ) 负阻运行 图2 2p w m 整流器交流侧稳态矢量关系 图2 2 ( a ) - - ( d ) 所示为p w m 整流器运行的四种极端情况。如图2 2 ( a ) 所示，当【，。端点在a 位