（电力系统及其自动化专业论文）三相电压型pwm整流器的研究.pdf

a b s t r a c t v o l t a g es o u r c ep u l s e w i d t hm o d u l a t i o nr e c t i f i e r ( r e f e rt oa sv s r ) h a s b e c o m ea h o t s p o ti np o w e re l e c t r o n i c sr e s e a r c ha r e ar e c e n t l y ，d u et oi t ss p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c s o fc o n t r o u a b l ep o w e rf a c t o r ，i d e a l i t yf o rn o n 1 0 wh a r m o n i c sa n db i d i r e c t i o n a ln o w o f e n e r g y ，e t c i t e f f e c t i v e l y s o l v e st h eh a r m o n i c sp r o b l e mi nr e c t i f i e rs y s t e m ，b y s t u d y i n go nt h et h r e e p h a s ev s r ，t h i sp a p e re x p o u n d st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i sa n d i m p l e m e n to fv s rs y s t e m ，a n dp r o v i d e sam o r ec o m p r e h e n s i v ed e s i g na p p r o a c h i t i n c l u d e st h ee s t a b l i s h m e n to fs y s t e mm o d e l ，t h ed e s i g no fm a i nc i r c u i tp a r a m e t e r s ，t h e d e s i g no fc o n t r o ls y s t e ma n ds i m u l a t i o nr e s u l t s b a s e do ns t u d y i n gt h et o p o l o g yo ft h r e e - p h a s ev s r ，t h i sp a p e rp a r t i c u l a r l y a n a l y z e st h es w i t c h i n gp r o c e s so fm a i nc i r c u i t ； a n de s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c a l m o d e l su s i n gs w i t c h i n gf u n c t i o ni na b cc o o r d i n a t es y s t e ma n dd qc o o r d i n a t es y s t e m ， r e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，t h es e l e c t i o np r i n c i p l e o fm a i nc i r c u i tp a r a m e t e r s l s d e t e 珊i n e db yc o n s i d e r i n gt h es t e a d y s t a t ea n dt r a n s i e n ts t a t ei nw h i c hv s rs y s t e m w o r k si nn o r m a lc o n d i t i o n s ，t h e n ，t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ai sg i v e n c o n s i d e r i n gt h a tt h ec u r r e n tc o n t r o lm e t h o dd e t e r m i n e st h ei n p u tp e r f o r m a n c e s o fw h o l et h r e e p h a s ev s rs y s t e m ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed i r e c ta n d i n d i r e c tc u r r e n t c o n t r o lm e t h o d s ，a sw e ua sad e t a i l e dc o m p a r i s o no fa b cc o o r d i n a t es y s t e ma n dd q c o o r d i n a t es y s t e mf i x e ds w i t c h i n gf r e q u e n c yd i r e c tc u r r e n tc o n t r o ls c h e m e ，a n dc o m e t oc o n c l u s i o nt h a tt h es c h e m ei nd qc o o r d i n a t es y s t e ms a t i s f i e sb e t t e rs t a t i ca n d d y n 锄i cp e r f o r m a n c e b e c a u s eo fn u c t u a t i o no fp o w e rs y s t e ma n dt h ec o u p l i n go f m a t h e m a t i c a lm o d e li nd qc o o r d i n a t es y s t e m ， t h i s p a p e rp r e s e n t s ac u r r e m f e e d f o r w a r dd e c o u p l i n gc o n t r o lm e t h o d t h r o u g ht h i sm e t h o d ，t h ec u r r e n tc o n t r o l m o d e lc a nb er e p r e s e n t e db yaf i r s to r d e rl i n k ，s ot h ea c t i v eo rr e a c t i v ec u r r e n tc a nb e c o n t r o l l e di n d e p e n d e n t l yt os i m p l i f - yt h es y s t e mc o n t r o ls t r u c t u r e a f t e rar e a s o n a b l e a p p r o x i m a t i o n ，e n g i n e e r i n gm e t h o do ft h ed o u b l e - l o o pc o n t r o li sa p p l i e d t od e s i g nt h e p if e g u l a t o r s f i n a l l y ， t h i sp a p e rd e s i g n sap r a c t i c a lt h r e e - p h a s ev s rs y s t e m t h r o u g ht h e m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o np l a t f o r m ，as y s t e md y n a m i cm o d e la n dc i r c u i tm o d e l a r ee s t a b l i s h e d d y n a m i cm o d e ls i m u i a t i o na n dc i r c u i tm o d e ls i m u l a t i o nv e r i f yt h e e f 代c t i v e n e s so ft h ep ir e g u l a t o rd e s i g na n df - e e d f o r w a r dd e c o u p l i n gc o n t r o ls c h e m e ， r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：p w mr e c t i f i e r ；s w i t c h i n gf u n c t i o n ；d qt r a n s f o m ；f e e l f o r dd e c o u p l i n g ； e n g i n e e r i n gd e s i g nm e t h o d i l i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 锄朋晤日期：羽哆年 岁月芗。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南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，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：伽胎日期：厶哆年夕月扣日 刷帷辄f 吁嗍：1 咐月神 硕 ：学位论文 第1 章绪论 1 1p w m 整流器研究的背景和意义 1 9 5 7 年，美国通用电气公司研制出第一个商用晶闸管，标志了电力电子技术 的诞生，并开创了此后几十年晶闸管大规模应用的时代。从那时起，电力电子技 术即以迅猛的速度广泛应用于电气工程的各个领域。由于它能够根据不同的用电 场合，完成交一直、直一交、直一直、交一交等电能形式的变换，因此使得电能 的应用能更好地满足需求，并通过功能和性能的提高产生经济效益和社会效益。 随着电力电子技术的发展，功率半导体器件性能不断提高，己从早期广泛使 用的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管( s c r ) ，发展到如今性能各异且类型 诸多的全控型功率开关，如双极型晶体管( b j t ) 、门极关断晶闸管( g t o ) 、绝缘栅 双极型晶体管( 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【l 】。 功率半导体开关器件技术的进步，同时也促进了电力电子变流装置技术的迅 速发展，出现了以脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 控制为基础的各类 变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等。然而， 目前这些变流装置很大一部分需要整流环节，以获得直流电压。由于传统的整流 环节广泛采用了二极管不控整流或晶闸管相控整流电路，引起了网侧功率因数下 降，并向电网注入了大量谐波，造成了严重的电网“污染 。 解决谐波和功率因数下降的问题主要有两种思路：一是装设谐波及无功补偿 装置，在电网侧对己经产生的谐波和无功功率进行补偿；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。 显然，相对于装设谐波及无功补偿装置，整流装置实现网侧电流正弦化，且 运行于单位功率因数是治理电网“污染 最根本的措施。因此，作为电网主要“污 染”源的整流器，首先受到了学术界的关注，并开展了大量研究工作。 p w m 整流器为可逆型整流器，可四象限运行，其与传统类型整流器( 二极管、 晶闸管整流器) 相比，具有以下特点： ( 1 ) 功率因数任意可调，可以实现能量的双向流动； ( 2 ) 整流器电网侧电流波形接近正弦，只含幅值很小的高次谐波； ( 3 ) 动态响应好，适合用于负荷变化频繁的场合； 三相f 乜压型p w m 整流器系统的研究 ( 4 ) 直流端电压稳定，输出电压谐波含量少。 由于p w m 整流器实现了网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数，甚至能 量可双向传输，因而真正实现了“绿色电能变换 。同时p w m 整流器网侧呈现 出受控电流源特性，这一特性使p w m 整流器及其控制技术获得进一步的发展和 拓宽，并取得了更为广泛和更为重要的应用，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 气传动( e d ) 、新型u p s 以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等。 1 2p w m 整流器的分类及电压型拓扑 按照不同的分类方法，p w m 整流器有多种类型。如按照直流储能形式分， 可分为电压型和电流型；按电网相数分，可分为单相电路、三相电路和多相电路； 按桥路结构分，可分为半桥电路和全桥电路；按p w m 开关调制分，可分为硬开 关调制和软开关调制；按调制电平分，可分为二电平电路、三电平电路和多电平 电路。 尽管分类方法多种多样，但最基本的分类方法就是将p w m 整流器分类成电 压型和电流型两大类，这主要是因为电压型、电流型p w m 整流器，无论是在主 电路结构、p w m 信号发生以及控制策略等方面均有各自的特点。其他分类方法 就主电路拓扑结构而言，均可归类于电流型或电压型p w m 整流器之列。 电压型p w m 整流器拓扑结构最显著特征就是直流侧采用电容进行直流储 能，从而使整流器直流侧呈低阻抗的电压源特性；电流型p w m 整流器拓扑结构 最显著特征就是直流侧采用电感进行直流储能，从而使整流器直流侧呈高阻抗的 电流源特性。相对于电流源型p w m 整流器而言，电压源型p w m 整流器有较快 的响应速度且易于实现。所以目前p w m 整流器一般采用电压源型p w m 整流电 路。本文主要研究的是电压型p w m 整流器，为了论述方便，以下把这种整流器 称为v s r ( v 0 1 t a g es o u r c er e c t i f i e f ) 。 根据不同的功率等级和应用场合，v s r 有各种不同的拓扑结构： 1 、单相v s r 主电路拓扑结构 对于单相p w m 整流器，其常用的拓扑结构有单相半桥式和单相全桥式两种， 如图1 1 所示。目前对单相电压型p w m 整流器的研究主要集中在这两种主电路 的控制策略和算法上。 由图1 1 可以看出，单相半桥v s r 拓扑结构只有一个桥臂采用了功率开关管， 另一桥臂则由两个电容串联组成，同时串联电容兼作直流侧储能电容；单相全桥 v s r 采用了具有4 个功率开关管的h 桥结构。比较两者，显然半桥电路具有较简 单的主电路结构，因而造价相对较低，常用于低成本、小功率的应用场合。但是， 如果要获得同样的交流侧电流控制特性，单相全桥电路直流电压是半桥电路直流 2 硕i j 学位论文 r c a ) 半桥b ) 全桥 图1 1 单相v s r 拓扑结构 电压的一半，因此全桥电路对功率开关管的耐压要求要低一些，并且由于不需要 像半桥电路一样引入电容均压控制，单相全桥电路的控制也相对简单。 2 、三相v s r 三线四开关主电路拓扑结构 三相v s r 三线四开关主电路拓扑结构如图1 2 所示： o 图1 2 三相v s r 三线四开关主电路拓扑结构 这种电路直流侧电容数值要求比较高，对死区比较敏感，所以仍处于研究阶 段。 3 、三相v s r 三线六开关主电路拓扑结构 目前研究和使用最为广泛的p w m 整流电路如图1 3 所示。 这种电路由一个三相全控桥、三个交流侧电感、一个直流侧稳压电容构成。 其交流侧采用三相对称无中线连接方式，并采用6 个功率开关管，是一种最常用 的三相p w m 整流器。它能够通过坐标变换的方法，直接将三相交流系统变换成 两相直流系统从而对有功和无功功率进行控制。系统电压外环和电流内环分别控 制直流侧输出电压及交流侧输入电流，使系统以单位功率因数运行。 4 、三电平v s r 主电路拓扑结构 以上所述的v s r 拓扑结构属常规的二电平拓扑结构。这种拓扑结构的不足之 三相哇三压型p w m 整流器系统的研究 o 图1 3 三相v s r 三线六开关主电路拓扑结构 处在于，当其应用于高压场合时，需使用高反压的功率开关管或将多个功率开关 管串联使用。此外，由于v s r 交流侧输出电压总在二电平上切换，当开关频率不 高时，将导致谐波含量相对较大。为解决这些问题，设计了具有中点钳位的三电 平v s r 拓扑结构，这种拓扑结构中，由多个功率开关管串联使用，并采用二极管 钳位，以获得交流输出电压的三电平调制。显然，三电平v s r 在提高耐压等级的 同时，有效地降低了交流谐波电压、电流，从而改善了其网侧波形品质。三相三 电平v s r 主电路拓扑结构如图1 4 所示。 k f - - o 图1 4 三相三电平v s r 拓扑结构 三电平电路所需功率开关管与二电平电路相比成倍增加，并且控制也相对复 杂，这是这种电路的不足之处。 1 3p w m 整流器的发展和研究状况 2 0 世纪7 0 年代初国外就开始了p w m 整流器的基础研究，2 0 世纪8 0 年代后 期随着全控型器件的问世，采用全控型器件实现p w m 高频整流的研究进入高潮， 国内外已发表大量研究报告，并从不同方面对p w m 整流器技术作了深入而全面 4 硕 ：学位论文 的研究。1 9 8 2 年b u s s ea l f r e d 和h o l t zj o a c h i m 首先提出了基于可关断器件的三相 桥式p w m 整流器拓扑结构及其网侧电流幅相控制策略，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 等提出了基于 p w m 整流器拓扑结构的无功补偿器控制策略【2 1 ，这实际上就是电压型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 等人提出了基于坐标变 换的p w m 整流器动态数学模型及控制策略，p w m 整流器的研究发展到一个新的 高度3 1 。 自2 0 世纪9 0 年代以来，p w m 整流器一直是学术界关注和研究的热点。p w m 整流器主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；其拓扑 结构已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。随着研究 的深入，基于p w m 整流器拓扑结构及控制的拓展，相关的应用研究也发展起来， 如有源滤波【4 1 、交流传动5 1 、超导储能【6 1 、统一潮流控制1 7 1 、以及高压直流输电【8 1 等。这些应用技术的研究，又促进了p w m 整流器及其控制技术的进步和完善。 这一时期p w m 整流器的研究主要集中于以下几个方面：( 1 ) 主电路拓扑结 构研究；( 2 ) p w m 整流器的建模与分析；( 3 ) 系统控制策略研究；( 4 ) 电压型p w m 整流器的电流控制；( 5 ) 电流型p w m 整流器研究。 l 、关于p w m 整流器拓扑结构的研究 依据拓扑结构的不同，p w m 整流器可分为电压型和电流型两大类。为适应 不同功率等级的需要，人们研究了各种不同的p w m 整流器拓扑结构。在小功率 应用场合，p w m 整流器拓扑结构的研究主要集中在减少全控器件和改进直流输 出侧性能上。j j s h i e h 等对四开关三相电压型p w m 整流器进行了建模与研究， 并阐述了这类电路的工作特点【9 】。但是一般的电压型p w m 整流器为升压型变换 器，正常工作时，其直流侧电压须高于交流侧电压峰值，为利用电压型p w m 整 流器输出相对较低的直流电压，c h i n g t s a ip a n 等学者对一般p w m 整流器拓扑结 构进行一些改进，并取得了一定结果【l0 1 。对于大功率p w m 整流器，其拓扑结构 的研究主要集中在多电平拓扑结构【1 1 1 、变流器组合【1 2 1 以及软开关技术上【1 3 1 。多 电平拓扑结构的p w m 整流器主要应用于高压大容量场合。而对于大电流应用场 合，常采用变流器组合拓扑结构，即将独立的电流型p w m 整流器进行并联组合， 并且每个并联的p w m 整流器中的开关信号发生采用移相p w m 控制技术【1 4 】，从 而以较低的开关频率控制获得了等效的高开关频率控制效果，使得在降低功率损 耗的同时，有效地提高了p w m 整流器的电流和电压波形品质。与此类似地，也 可将独立的电压型p w m 整流器进行串联移相组合，应用于高压大容量的场合。 此外，在大功率p w m 整流器设计上，还研究了基于软开关( z v s 、z c s ) 控制的拓 扑结构和相应的控制策略，然而这一技术还有待进一步完善和改进。 5 三相电爪型p w m 整流器系统的研究 2 、关于p w m 整流器的建模研究 p w m 整流器数学模型的研究是p w m 整流器及其控制技术研究的基础。1 9 7 6 年美国加利福尼亚理工学院的r d m i d d l eb r o o k 和s l o b o d a nc u k 在前人的基 础上提出了状态空间平均法，可以说这是电力电子学领域建模分析的第一个真正 意义的重大突破。在此基础上，a w g r e e n 等提出了基于坐标变换的p w m 整流 器动态数学模型，各国学者又分别从不同方面对p w m 整流器的数学模型进行了 深入仔细的研究。其中r w u 、s b d e w a n l l 5j 等较为系统地建立了p w m 整流器的 时域模型，并将时域模型分解成高频、低频模型，且给出了相应的时域解。而 c h u n t r i m 和d o n g y h u 等则利用由坐标变换建立了p w m 整流器基于变压器的 低频等效模型【1 6 】，并给出了稳态、动态特性分析结果。在此基础上，h e n g c h u nm a o 等人又建立了一种新颖的降阶小信号模型，从而简化了p w m 整流器的数学模型 及特性分析【1 7 1 。 3 、p w m 整流器系统控制策略的研究 随着p w m 整流器及其控制策略研究的深入，研究人员相继提出了一些较为 新颖的系统控制策略，分述如下： ( 1 ) 无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制 常规的双闭环电压型p w m 整流器需要同时检测电网电动势和电流，为进一 步简化信号检测，t o s h ih i k on o g u c h i 等学者提出了一种无电网电动势传感器的 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控制方法【1 8 】。这一 研究主要包括两类电网电动势的重构方案：其一是通过复功率的估计来重构电网 电动势；其二是基于网侧电流偏差调节的电网电动势重构。前者是一种开环估计 算法，因而精度不高，并且在复功率估计算法中，由于含有微分项，因而容易引 入高频干扰；而后者则是一种闭环估计算法，它采用网侧电流偏差信号的比例积 分调节来控制电网电动势的重构误差，因而精度较高。 ( 2 ) 基于l y a p u n o v 稳定性理论的p w m 整流器控制 p w m 整流器是一个典型的多变量非线性强耦合系统，针对这样的系统，常 规的控制策略及其控制器设计一般采用稳态工作点小信号模型，按线性化方案整 定。这种方案的不足之处在于无法保证控制系统大范围扰动的稳定性。为此，人 们提出了基于l y a p u n o v 稳定性理论的控制策略。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 整流器的由模型以 及相应的空间矢量约束条件，推导出相应的控制算法。从实验结果来看，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。 ( 3 ) 电网不平衡条件下的p w m 整流器控制 在三相p w m 整流器控制策略研究过程中，一般假设三相电网是对称和平衡 的。而实际上，三相电网常处于不平衡的状态中，即三相电网电压的相位、幅值 6 硕i ：学位论文 不对称。一旦电网不平衡，以三相电网平衡为假设所设计的p w m 整流器就会出 现不正常的运行状态，主要表现在：p w m 整流器直流侧电压和网侧电流的低次 谐波幅值增大，且产生非特征谐波，同时损耗相应增大；p w m 整流器网侧电流 亦不平衡，严重时可使p w m 整流器发生故障。为了使p w m 整流器在电网不平 衡条件下仍能正常运行，必须提出相应的控制策略。l u i sm o r a n 等学者分析并推 导了三相电压型p w m 整流器在三相电网不平衡条件下，网侧电流以及直流电压 时域表达式【1 9 】。通过理论分析认为，电网负序分量是导致网侧电流畸变的原因； 同时指出，电网不平衡条件下，常规的控制方案将使直流侧产生偶次谐波分量， 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，从而导致网侧电 流畸变。在此基础上，d v i n c e n t i 等人较为系统地提出了正序幽坐标系中的前馈 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1 2 。这一方案使正序d q 坐标系中的负序基波分量呈现出2 次谐波形式， 当采用p i 调节器时无法获得负序基波分量的无静差控制，因此不能完全消除负序 基波分量的影响。为进一步，h o n g s e o ks o n g 等学者提出了一种采用正序、负序 两套同步旋转坐标系的独立控制方案【2 ，该方案在各自的同步旋转坐标系中，将 正序、负序基波分量均转换成直流分量，从而通过p i 调节器即可实现无静差控制， 因此，这是一个理论上较为完善的控制方案。 4 、关于电压型p w m 整流器的电流控制策略研究 为了能够使电压型p w m 整流器网侧呈现受控电流源特性，必须对其网侧电 流控制策略进行深入研究。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【2 刁；另一类就是目 前占主导地位的直接电流控制策略【2 引。间接电流控制实际上是通过控制电压型 p w m 整流器的交流侧电压基波幅值、相位，进而间接控制其网侧电流。间接电 流控制网侧电流的动态响应慢，且对系统参数变化灵敏，因此这种控制策略已逐 步被直接电流控制策略所取代。直接电流控制策略以其快速的电流响应和鲁棒性 受到了学术界的重视，并先后研究出各种不同的控制方案【24 。，主要包括以固定开 关频率且采用电网电动势前馈的s p w m 控制【2 5 1 ，以及以快速电流跟踪为特征的 滞环电流控制等1 2 引。为了提高电压利用率，基于空间矢量的p w m 控制在电压型 p w m 整流器电流控制中取得了广泛应用，并先后提出了多种控制方案1 2 。目前， 电压型p w m 整流器网侧电流控制策略有将固定开关频率、滞环及空间矢量控制 相结合的趋势【2 引，以使其在大功率有源滤波等需快速电流响应场合获得优越的性 能。 5 、关于电流型p w m 整流器的研究 对于电流型p w m 整流器的研究，b u s s ea l f r e d 等率先提出了电流型p w m 整 流器网侧电流幅相控制策略。但长期以来，电压型p w m 整流器以其简单的结构、 7 三相电压型p w m 整流器系统的研究 较低的损耗、方便的控制等一系列优点，一直成为p w m 整流器研究的重点。电 流型p w m 整流器的缺点是需较大的直流储能电感，并且交流侧三c 滤波环节容易 导致电流畸变和振荡等问题，使其结构和控制相对复杂化。随着超导技术的应用 与发展，电流型p w m 整流器在超导储能中取得了成功应用。可直接作为电流型 p w m 整流器直流侧储能电感的超导线圈损耗极低，克服了原有电流p w m 整流器 的不足。在超导储能变流环节中应用的电流型p w m 整流器无需另加直流电感， 并且具有良好的电流保护性能，与电压型p w m 整流器相比，电流型p w m 整流 器更为合适。其研究主要集中在以下几个方面：( 1 ) 数学建模及特性分析；( 2 ) 三 值逻辑p w m 信号发生技术；( 3 ) 网侧电流畸变、谐振抑制及控制策略；( 4 ) 网侧 滤波参数的优化设计；( 5 ) 不平衡电网条件下的控制系统设计。 1 4 本文主要工作 本文主要研究了三相电压型p w m 整流器系统的控制策略。在详细分析工作 原理和电流控制方法的基础上，系统地考虑了三相电压型p w m 整流器系统在满 足性能指标要求前提下的实用化控制手段和设计方法，所做的主要工作包括： ( 1 ) 详细论述了三相电压型p w m 整流器的拓扑结构及原理，并在此基础上， 分别建立了其在口施三相静止坐标系下和幽两相旋转坐标系下的数学模型。基于 坐标变换的由数学模型为提高系统控制性能提供了基础。 ( 2 ) 基于三相电压型p w m 整流器正常工作的条件，系统地分析了整流器的 各种工况，提出了满足各种运行条件的直流侧电压、交流侧滤波电感和直流侧稳 压电容的参数设计方法。 ( 3 ) 深入研究了三相电压型p w m 整流器的网侧电流控制方法，并对基于口6 c 坐标系和由坐标系的固定开关频率直接电流控制方法进行了比较。针对p w m 整 流器的强耦合和电网电压扰动，研究了前馈解耦控制策略，并采用双闭环控制系 统的工程设计方法，对基于由坐标系的电流环和电压环调节器进行了结构设计和 参数整定，构建了完整的整流系统。 ( 4 ) 采用m a t l a b s i m u l i n k 作为仿真平台，分别建立了系统的动态模型和电 路模型，验证了p i 调节器的设计和控制方案的良好性能。 8 硕i ：学位论文 第2 章三相v s r 工作原理及数学模型 数学模型是人们研究物理现象的重要手段，准确有效的数学模型不仅能够准 确描述物理现象的本质，同时也便于人们对其进行有效的设计计算和仿真分析。 在电路设计时，对于简单电路，往往可以利用经验直接通过试验完成，而对于复 杂电路，则往往需要首先建立一套准确的数学模型，根据数学模型从理论上分析、 计算电路各方面性能，为进一步的试验研究提供必要的理论依据，然后再通过试 验最终完成电路设计。就p w m 整流器而言，无论其功率电路还是控制电路都具 有非线性和时变性，其设计非常复杂，为此，在设计之初，建立一套完整的、准 确的数学模型非常必要。 本章首先分析了三相电压型p w m 整流器的工作原理，并在此基础上分别建 立其在三相口幻静止坐标系下和两相由旋转坐标系下的数学模型，这些模型的建 立，将为后面控制系统的设计奠定基础。 2 1 三相v s r 拓扑结构及工作原理 图2 1 给出了三相电压型p w m 整流器的主电路结构，气( r ) ( 后= 口，6 ，c ) 为三相 电网电动势的瞬时值，上为交流侧电感，起着滤波和传递能量的作用，月为交流 侧等效电阻( 等效电感的电阻和开关器件内阻) ，c 为直流电容，起着滤除直流电 压上开关纹波和平衡直流输入和输出能量的作用。为直流电压，屯和f ：分别为 直流侧输入和输出电流。& 、罡、q 、q ( 七= 口，6 ，c ) 分别表示对应相的全控型开 关器件和相应的反并联续流二极管。r ，为直流侧负载，p ：为直流侧电动势，为 参考地。图中箭头表示相应变量的正方向。在以下的分析中，假设直流侧输出电 流为正，即p w m 整流器工作在整流模式下，直流侧输出电流为负的情况可按照 同样的方法进行分析。考虑到交流侧电阻相对于电感阻抗小得多，所以在分析基 本工作原理时将其忽略，而在后面建立数学模型的过程中，为使模型尽可能准确， 仍将其考虑在内。 图2 1 中每一相桥臂的两个开关器件工作于互补状态，即上管开通时下管截 止，反之，下管开通时上管截止，这样在不同时刻，参与工作的每相电路就被分 成了上管导通和下管导通两种状态。由于每相桥臂有两种开关模式，因此三相 p w m 整流器共有2 3 = 8 种开关模式，如果定义单极性二值逻辑开关函数： & = 髂篙喜凳：；纂萼薹忙咖p 仁- ，叶 i o 上桥臂关断，下桥臂导通”。 r 一7 9 三相l u 压型p w m 整流器系统的研究 ，出 + 图2 1 三相p w m 整流器拓扑结构图 那么这8 种模式就可以用& ( 七= 口，6 ，c ) 来描述。三相p w m 整流器8 种开关模 式如表2 1 所示。 表2 1 三相v s rp w m 开关模式 至于不同开关模式对应的电流回路，由于不同的网侧电流瞬时方向对应不同 的电流回路，因而显得比较复杂。但是，由图2 1 可以看出，对于同一种开关模 式，不论这种开关模式下网侧电流瞬时方向如何，这时构成通路的主电路拓扑都 是一样的2 9 1 。图2 2 示出了三相网侧电流乞 0 、 0 时的p w m 控制对应 的8 种开关模式电流回路【3 0 1 。与此类似，可以分析不同电流方向组合时的三相 p w m 整流器电流回路。 针对图2 1 所示的三相v s r 主电路拓扑结构，其口相电压方程为： 屹o o ) = o ) + o o ) ( 2 2 ) 由三相平衡关系可推得【1 】 。( f ) ：一监盟遵耸型( 2 3 ) j 当采用单极性二值逻辑开关函数描述时 ( ，) = & ( 尼= 口，6 ，c )( 2 4 ) 联立式( 2 2 ) 、式( 2 4 ) ，得三相v s r 口相交流侧电压屹。( ，) 的开关函数表达式为 v 口。( f ) = 塾掣 j ( 2 5 ) 表2 2 给出了不同开关模式调制时的v 口。( f ) 值，从表中可看出，三相v s r 交流 侧电压在调制过程中只取值3 、2 3 、o 。 l o 硕 j 学位论文 三三 k 三 +一一 o 0 a ) k - 0 c ) l 士l l o e ) | tt l 堂i 3 d c =刮 ( f )f c = ， g ) o o | 士屯 o k屯 o | 士i - - - 图2 。2 三相v s rp w m 不同开关模式时的电流回路 ( 乞 o 、毛 0 ) a ) 模式1b ) 模式2c ) 模式3 d ) 模式4 e ) 模式5d 模式6g ) 模式7 h ) 模式8 三相i u 压型p w m 整流器系统的研究 表2 2 三相v s r 不同开关模式调制时的交流侧电压屹o ( r ) 取值 同理，可以分析得出不同开关模式调制时，。( f ) 、( ，) 具有类似的调制特 性，并且切换不同的模式，可以调制k 。( f ) ( 七= 口，6 ，c ) 为3 、2 3 、0 。实际 上调制网侧输入电感上的电压，能够控制网侧输入电流变化的趋势。不断切换模 式，控制输入电感上的电压或正或负，从而控制网侧的输入电流增大或减小，并 进而跟踪参考电流波形变化。这就是三相电压型p w m 整流器网侧电流控制的原 理。 采用不同的策略在各个状态之间进行切换，则产生了各种不同的p w m 调制 方法。以常用的正弦脉冲宽度调制( s p w m ) 方法为例，用正弦信号波和三角载波 相比较，在正弦波和三角波的交叉点控制开关的通断。s p w m 调制的结果是在桥 的交流输入端产生一个s p w m 波矿，矿中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例 的基波分量，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波，而不含有低次谐波。由 于电感三的作用，高次谐波电压只会使交流电流j 产生很小的脉动，并可以忽略。 这样，当正弦信号波的频率和电源频率相同时，j 也为与电源频率相同的正弦波。 在交流电源电压应一定的情况下，j 的幅值和相位仅由矿中基波分量的幅值及其 与e 的相位差来决定。改变矿的基波幅值和相位，就可以使j 与应同相位、反相 位、j 比应超前9 0 。或者j f 比重滞后9 0 。，或者j 与应的相位差为任意所需的角 度，即系统实现四象限运行。 稳态条件下p w m 整流器交流侧矢量关系如图2 3 所示： 为简化分折，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。这样可从图2 3 分析：当以电网电动势矢量为参 考时，通过控制交流电压矢量矿即可实现p w m 整流器的四象限运行。若假设ij i 不变，则l 吃i 缈三i 矿i 也固定不变，在这种情况下，p w m 整流器交流电压矢量矿端 点运动轨迹构成了一个以i 矿i 为半径的圆。当电压矢量矿端点位于圆轨迹a 点时， 电流矢量j 比电动势矢量应滞后9 0 。，此时p w m 整流器网侧呈现纯电感特性， 如图2 3 ( a ) 所示；当电压矢量矿端点运动至圆轨迹b 点时，电流矢量j 与电动势 矢量应平行且同向，此时p w m 整流器网侧呈现正电阻特性，如图2 3 ( b ) 所示；当 电压矢量矿端点运动至圆轨迹c 点时，电流矢量j 比电动势矢量应超前9 0 。，此 时p w m 整流器网侧呈现纯电容特性，如图2 3 ( c ) 所示；当电压矢量y 端点运动至 圆轨迹d 点时，电流矢量j 与电动势矢量应平行且反向，此时p w m 整流器网侧 呈现负阻特性，如图2 3 ( d ) 所示【3 1 1 。以上a 、b 、c 、d 四点是p w m 整流器四象 1 2 硕l j 学位论_ 艾 萄c固c 占 a ) 纯电感特性运行 占 b ) 正阻特性运行 矿go ， c 吃一交流侧电感电压矢量 j f 一交流侧电流矢量 吸收有功功率，而只从电网吸收感性无功功率。 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， 三相电h i 型p w m 接流器系统的研究 2 2 三相v s r 口6 c 坐标系下的一般数学模型 系统模型是分析和设计三相v s r 的基础，从不同的角度出发可以建立不同形 式的系统模型，且不同模型适用的控制方法也往往不同。 所谓三相v s r 口6 c 坐标系下的一般数学模型就是根据三相v s r 拓扑结构，在 三相口施静止坐标系中，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( 乞，巳) ； ( 2 ) 网侧滤波电感是线性的，且不考虑饱和； ( 3 ) 开关器件为理想开关，没有过渡过程，其通断状态由开关函数描述； ( 4 ) 开关频率远大于电网频率。 如图2 1 所示，当直流电动势p ，= 0 时，直流侧为纯电阻负载，此时三相v s r 只能运行于整流模式；当气时，三相v s r 既可运行予整流模式，又可运行于 有源逆变模式，当运行于有源逆变模式时，三相v s r 将p ，所发电能向电网侧输送， 有时也称这种模式为再生发电模式；当气 时，三相v s r 则运行于整流模式。 为分析方便，将三相v s r 功率开关管损耗等效电阻同交流滤波电感等效电阻 合并为总电阻r ，采用基尔霍夫电压定律建立三相v s r 口相回路方程为： 三皇! + 尺屯= 巳一( 州+ v 。) ( 2 6 ) “l 当& 导通而关断时，则开关函数= 1 ，且= ；当疋关断而导通时， 开关函数= o ，且= 0 。由于= ，式( 2 6 ) 可改写成 上皇+ r 乞= 巳一( + h 。) ( 2 7 ) “l 同理，可得6 、c 相方程： 三皇+ r f 6 ：一( 1 ) 幺+ 。) ( 2 8 ) “l 三兰兰+ 尺f c = 巳一( & + h 。) ( 2 9 ) “l 考虑三相对称系统，则 乞+ + 巳= o屯+ + = 0( 2 1 0 ) 联立式( 2 7 ) 式( 2 1 0 ) ，得 h 。= 一等& ( 2 1 1 ) j 七= 4 。6 ，c 对于直流侧电流么，当开关函数& = 1 ( 七= 口，6 ，c ) 时，七相的上桥臂开通，此时 1 4 硕l j 学位论文 对应的相电流流向直流侧电容，因此，直流侧电流么可描述为 i | c = i d s d + i b s b + i c s c 另外，对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律，得 c 鲁= 乞& 嘞峨一警 出 。4。 r ， 联立式( 2 7 ) 式( 2 1 3 ) ，得 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 哮城= “弛一等。静， 哮城= 纠一等。登， 三鲁+ 尺之= 巳一c 一等。委。， 2 _ 4 c 鲁吨蝴慨一警 上式则为用单极性二值逻辑开关函数描述的三相v s r 口6 c 坐标系下一般数学 模型。为简化其形式，考虑引入状态变量x ，且令x = ( 屯，f c ，则采用单极 性二值逻辑开关函数描述的三相v s r 一般数学模型的状态变量表达式为 历= 似+ 胞 ( 2 1 5 ) 式中 4 = 一r oo 弋一专) ，七竺口，d 。c oro 一( 一 ) ，七= 口 6 。c oo 只 【c