（电力电子与电力传动专业论文）电力系统动态模拟中可控负载的研究.pdf

a b s t r a c t p o w e rs y s t e md y n a m i cs i m u l 砒i o n i nw h i c ht h em o d e l so f p o w e rs y s t e m 、i t l ls i m i l a r c h a r a c t e r sa r es t u d i e di nl a b sf o rr e l a t i n gp r i n c i p l e si np o w e rs y s t e m , i sak i n do f p h y s i c a ls i m u l a t i o nf o rs t u d yo f d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f p o w e rs y s t e m n l ee x i s t i n gm o d e l sf o rp o w e rs y s t e ml o a di n c l u d en o n - s y n c h r o n i cm o t o rl o a d m o d e l s ，l a m pb o xl o a dm o d e la n ds oo n l o a dc a r lb ec h a n g e di nac e f t a i nr a n g eb y a l t e r i n gr e s i s t a n c e i n s e r i e s c i r c u i t ，c h a n g i n gt h ef i e l d e x c i t a t i o nf o rm o t o r so r i n c r e a s i n ga n dd e c r e a s i n gi t sa d d i t i o n a lw h e e l s h o w e v e r ，s o m ed e f e c t so c c l l rl i k e t s h u g ev o l u m e ，n u m e r o u sp a r t s ，h i g hc o s t s ，n of e e d b a c ko fe n e r g ya n dt m e a s y a l t e r n a t i o no n l i n e n o w a d a y s ，t h e r ea r em a n ys t u d i e so ns i m u l a t i o nl o a da m o n gw h i c h t h e r ei sl i t t l em o d e l = i ! b rp o w e rs y s t e md y n a m i cs i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r , an o v e ld e s i g no nc o n t r o l l a b l el o a db a s e do np w mr e c t i f i e r si s p r e s e n t e db a s e do na n a l y s i so fn o n - p r i n c i p l el o a dm o d e lw h i c hf o c u s e so r t h e a m p l i t u d ea n dp h a s eo fc u r r e n ts e n tb yg e n e r a t o r s i nt h ed e s i g n ，p w mr e c t i f i e ra ， c a p a c i t o r , a n dp w m r e c t i f i e rba r ep a r a l l e l e da n dr e c t i f i e rbi sc o n n e c t e dt op o w e r n e t w o r kb yt r a n s f o r m e r t h e ya r ec o n s i d e r e da st h el o a do f g e n e r a t o r s a st h em a i nu n i t so fc o n t r o l l a b l el o a d t h em a t h e m a t i c sm o d e l so ft h r e ep h a s e s p w mr e c t i f i e ra r ea n a l y z e di nd e t a i la n dd e s i g nm e t h o d sf o rd o u b l el o o p sc o n t r o l s y s t e m so fp w m r e c t i f i e ra r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r i nt h i sd e s i g n t h r e ep h a s e sb r i d g eaw i t l lf i x e ds w i t c h i n g 矗e q u e n c yp w mw i 也 v o l t a g ef e e d f o r w a r dc o n t r o li si nc h a r g eo fc h a n g i n gc h a r a c t e ro fl o a d t h r e ep h a s e s b r i d g ebw i t hh y s t e r e s i sl o o pc o n t r o l ，w h i c ho u t p u tp u r ea c t i v ep o w e rt op o w e r n e t w o r k i si nc h a r g eo fc o n t r o l l i n gr e s i s t a n c eo fl o a d t h ed e s i g ni ss i m u l a t e db y m a t l a bs i m u l i n k ，a n ds o m es i m u l a t i o nw a v e f o r m si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa r e g a i n e dt od e m o n s t r a t ei t sf e a s i b i l i t ya n da v a i l a b i l i t y i na d d i t i o n t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h ec o n t r o lu n i ti nc o n t r o l l a b l el o a di s p r e s e n t e di nt h ep a p e r k e yw o r d s ：c o n t r o l l a b l et o a d ，p o w e rs y s t e md y n a m i cs i m u l a t i o n ，p w m r e c t i f i e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：并乐签字日期：l ，口占年7 月j7 日学位论文作者签名：贡小签字日期：l ，口彦年7 月j7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨生盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：奇乐 导师签名 签字日期：沙口6 年月7 日 壤垮玺 签字日期：加多年，月，7 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力系统动态模拟简介 模拟研究通常采用两种模型：数学模型和物理模型。数学模型是建立在数学 方程式的基础上，方程式一般是用一组数学方程式来描述原型系统的运动或过 程。它用数学的方法对真实系统的物理特征在计算机上实现实时动态模拟。而物 理模型则是根据相似原理建立的一种忠实于原系统的物理本质。各项参数按一定 比例缩小的模型。利用数学模型进行研究称为数学模拟，利用物理模型进行研究 称为物理模拟【l j 。 ， 电力系统动态模拟是一种物理模拟，它是在一个由特殊设计制成的物理模型 上复制与所研究的原型系统相似的物理现象，并在此模型上进行试验与研究。因 此电力系统动态模型是一个缩小的动力系统。它的各种元件，例如发电机、原动 机、变压器、输电线和不同类型的综合负荷，在物理性质上都和实际电力系统相 应元件相类似。电力系统动态模拟设计与制作的依据是相似理论，相似论中的相 似标准保证了原形与模型的相似【2 】。 1 1 1 相似论的基本原理 1 8 4 8 年，法国科学院院士j b e r t r a n d 才首先确定了相似现象的基本性质。提 出了相似第一定律，即关于相似不变量存在的定理。该理论说相似现象的相似标 准在数学上是相同的。1 9 1 1 年俄国学者费捷尔曼，及1 9 1 4 年美国学者波根汉分 别提出相似第二定理，确立了物理方程转变为相似不变量方程的可能性，解决如 何确定相似标准问题。这两个定理确定了相似现象的性质，但是没有指明决定任 何两个相互对应现象是否相似的方法。到1 9 3 0 年m b 基尔皮契夫完成第三定理， 给出了现象相似的必要和充分条件【3 】。 相似第一定理：相似现象之间所具有的相似判据在数值上是相等的。 相似第二定理：假如一个物理系统是由个量纲不同的物理量组成，这些 物理量中有k 个是互相独立的，则表示这一物理现象方程式可以用( n 4 0 个无量 纲的量完全表达出来。 相似第三定理：如果现象之间的单值条件相似，且这些单值条件所组成的相 似判据在数值上相等，则这些现象是相似的。 除上述基本定理外，还有四个补充条件。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 附加条件l ：由若干个系统组成的复合系统，只要单个系统分别相似，且各 个系统的边界条件是相似的，那么两个复合系统相似。 附加条件2 ：适用于线性系统的相拟条件，可推广至非线性系统中，只要对 应的非线性参数的相对特性是重合的。 ， 附加条件3 ：适用于各向同性或均质系统的相似条件，可以到各向异性和非 均质系统中去，只要在所比较的系统中对应的各向异性和非均质特性是相同的。 附加条件4 ：几何上不相似的系统中，其物理过程可以相似，而且系统空间 中的每一点都可在其相似系统的空间中找到完全对应的点。 1 1 2 电力系统相似标准的发展 从相似理论到电力系统物理模型是一个理论到实际应用的过程，前苏联莫斯 科动力学院的b a 维尼柯夫教授和前苏联科学院m p ：科斯琴科院士在如何利用 相似理论的原理建立电力系统动态控制方面做出重要贡献，提出电机电路、输电 线电路、原动机和负荷等主要电力系统元件以及整个系统的相似标准与模型设计 方法，并实现电力系统动态模拟的制作与试验。 前苏联莫斯科动力学院b a 维尼科夫教授所提出的关于相似原理的补充原 理指出：“由几个系统组成的复杂系统，如果对于所组成系统相应的一切元件彼 此相应地相似，即个别系统的边界条件相似，那么在个别系统相似的条件下，可 以认为整个系统是相似的。”因此只要把满足相似标准的电力系统主要模拟元件 联成系统即可构成与原型相似的电力系统动态模拟。 1 2 电力系统电力元件的相似标准嗍 在复杂的分支电路中，即使电路含有任何数目的互感和任何数目的电源，所 得到的相似标准仍是有效的。凡与同样结构的其他分支电路相似的这种分支电 路，它应当由彼此相似的回路相似连接而组成。 如果由电路相似的观点来处理，则变压器、电机和输电线( 集中参数) 过程 相似的确定方法是完全相同的。 以下分别给出各种电力系统的相似方程： ( 1 ) 三相同步电机的相似标准 同步电机模拟主要用于研究电机的电磁与机电动态过程，因此相似标准应该 着重反映定子与转子各绕组的自感和他们相互间的互感关系不变，以及时间比例 尺不变。与同步电机动态行为研究方法一样，采用双反应理论中的d 、q 轴参数 来表示相似标准可以使标准大为简化。这些标准为： 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 耐：i d e 肼，堑：胁小，上：勰肌，立：i d e m ，鱼：i d e 朋， x dx_x_x 丝：i d e 掰，立：i d e m ，皇；i d e 肌，堡：i d e m ，二：i d e m( 1 1 ) x dx a dx a dxxad 其中，茗，、x o ，砌。、砌，：定子绕组漏抗，励磁绕组漏抗，d 轴阻尼绕组感 抗，q 轴阻尼绕组漏抗； x a d ：d 轴电枢反应电抗；x ，：零序电抗；，定子绕组每相电阻； 国：额定状态定子电抗旋转频率；i d e m ：拉丁文，“相同数值”之意。 在电力系统研究中往往把系统的描述方程用标幺值形式表示，这对模拟带来 很大方便。可以证明，只要模型系统的变量和参数的标幺值与原型系统相应变量 和参数的标幺值相等，两者就实现相似，可以保证它们在整个过程中保持不变的 比例系数。 在模拟发电机设计时，由于电机参数与电机结构有很复杂的关系，因此只能 保持电机可测参数的标幺值和时间常数与原型电机( 大型发电机) 相等或相接近 ( 可以在一定范围内调节) 。 ( 2 ) 变压器的相似标准 由于变压器模拟主要用于研究变压器的静态特性而忽略同电力系统暂态过 程影响不大的波过程和在其绕组上加入陡波电势的变压器特性。在这种条件下， 变压器的相似标准是在保证绕组联接方式相同的同时，保证下列参数标幺值相 等：欧姆电阻，、短路损耗，k 、短路电抗取、空载损耗凡、相对无载特性e 匀m ) 。 ( 3 ) 输电线路的相似标准 实际的输电线路是沿长度分布参数的串联电感与并联电容的电路。建立几何 上相似的小型输电线模型需要改变频率和周围介质物质的物理性质，这种方法很 难实现，引入单位长度的参数，可以得到分布参数的模型，其相似标准为： ，1r 业= i d e m ，三= i d e m ，r g i ：= i d e m( 1 2 ) g r碍 。 其中，c 小厶线路分布参数的并联电容和串联电感， g n 尺r ：变压器等效电导和电阻， 厶：被模拟输电线路的长度。 但是在实际输电线模拟中只可能用分段链状的模型。在这种模型中，输电线 周围的空间和在此空间中所发生的辽程并没有被模拟。这种模型不能反映超高 压、长距离输电线路上的波过程。只能做到输电线路上某些点的电压和电流随时 间变化过程相似。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 电力负载的相似标准 实际的电力系统负载比较复杂。系统中某一个节点的负荷都是由无数个物理 负荷综合而成的。例如异步电动机、同步电动机、照明、加热器、空调器和有载 调压变压器等。从研究电力系统稳态运行和暂态过程来说，这些物理负荷的静态 特性( 电压特性，频率特性) 和动态特性是很重要的，必须精确模拟。因此在负 荷模拟组成上应该考虑用异步电动机、同步电动机、电阻、灯等元件的模拟。比 较困难的工作是如何获得实际负荷的组成和特性，以及如何调整负荷模拟的组成 和特性达到与实际负荷在静态与动态特性上相似。 ( a ) 对于异步电动机负荷，可以找到电动机本身及其机械工具的机械过程相 似标准，即机械特性常数相似： 争娩m m ， 以及计及全部机组中机械损耗时的功率相似： 糕娟一 亿4 ， 其中，彤、瑶：模型与原型机轴上的功率， 、霉：模型与原型的机械损耗。 对于照明负荷相似标准： 等吲以争= 娩? m ， 其中，c o ，e o o ：照明模型与照明原型的功率， 在模型中采用原物( 灯负荷) 即可实现此相似标准。 ( c ) 如果用综合负荷模型的简化相似标准，可归结于要求相对静态特性相 等，即电压静态特性与频率特性： 堡=娩，l，塑=娩肌dedu d u= 砘扰，警= 娩册 ( 1 6 ) 谢 d l 、 其中，p 、q 、队厂均用标幺值表示。 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 模拟实验的主要模型设备， 电力系统动态模拟设备有模拟同步发电机、机组调节系统( 包括调压、调速 装置) 、模拟变压器、以集中参数构成的模拟输电线路和模拟负荷，他们都是针 对原型设备( 大型设备) 的参数范围( 如电抗、电阻、电容、互感等) 并根据上 述相似标准设计的。当有些参数在模拟设备设计与制造中不能满足时，可以采用 相应的补偿法来满足，例如发电机励磁回路，由于原型发电机励磁回路时间常数 z k 较大，而模拟发电机由于转子设计的限制不能满足相似条件，可以采用在励 磁回路上串接一个具有串激绕组的直流发电机，当改变串激绕组匝数时可以改变 励磁回路的电阻，以满足z ，d 0 时间常数的要求。这种直流电机称为电阻补偿机或 负电阻机，它是励磁系统模拟的一部分。 此外可以采用更换不同发电机转子来改变参数，或改换发电机轴上飞轮片来 改变机组惯性常数。 对于输电线路可以用多个n 型电路模拟某一段长度的输电线，当改变型段 数时可以改变不同长度或改变串联电阻，电抗和并联电容来满足输电线路相似标 准。 负荷的模拟是针对综合负荷而设的。在实验室设有不同容量的异步电动机负 荷、电阻负荷、灯负荷、电抗器等模拟设备，经过适当组合可作为综合负荷模拟。 在实验室中装设两组由学校变电站供电，经感应调压器组成的无限大电源模 拟。可作为大容量的等值电源模拟。 实验室的发电机额定电压为4 0 0 伏，输电线路额定电压为8 0 0 伏，负荷的额 定电压为4 0 0 伏。 1 4 本文的研究方向 本文主要在对电力系统动态模拟研究的基础上，分析现有动态模拟实验中所 用模拟负载的优缺点，提出一种新型的模拟负载，即可控负载。 可控负载具有以下优点： a 可以迅速准确地改变发电机模型的负载，包括负载的性质和阻抗。 b 可以向电网回馈能量，不对电网造成谐波污染。 c 数字化控制，可在线修改。 d 模拟元件数量少，体积减小，成本降低。 5 天津大学硕士学位论文第二章传统的电力负载模拟 第二章传统的电力负载模拟 2 1 电力负载简介 2 1 1 电力负载组成网 电力系统中所有电力用户的用电设备所消耗的电功率的综合，是电力系统的 负载，也称电力系统的综合用电负载，它是把不同地区、不同性质的所有用户的 负荷总加起来得到的。 电力系统中主要的用电设备大致有异步电动机、同步电动机、电热装置、整 流装置和照明设备等。根据用户的性质，电力负载何以分为工业负荷、农业负荷、 交通运输负荷和人民生活用电负荷等、在不同性质的用户中，上述各种用电设备 消耗功率所占比重不同，如表2 1 所示。 表2 - 1 几个工业部门用电设备比重统计( ) 用电设备中小工业纺织工业 化学工业化学工业机械加工钢铁工业 ( 化肥、焦化)( 电化)工业 异步电动机 7 9 19 9 85 6 o 1 3 08 2 5 2 0 o 同步电动机 3 24 4 o 1 31 0 o 电热装置1 7 7o 21 5 o7 0 o 整流袈置8 7 o1 2 合计1 0 0 01 0 0 o1 0 0 01 0 0 01 0 0 01 0 0 o 2 1 2 负载的时变性1 在电力系统中，实际负荷从系统中吸收的功率不仅与电压频率有关，还与季 节、气候、生活习惯等因素有关。仅仅把电压和频率作为负载模型的输入，其他 的不确定因素必然使得该负荷模型的参数随时间的变化而变化，这是负载的时变 性。 负载的时变性有2 层概念：负载特性的时变性和负载模型的时变性。前者是 指实际负载的特性随时间变化的特征，后者则指人们确定的各种模型的参数随试 验组别不同而不同的分散性。 6 天津大学硕士学位论文 第二章传统的电力负载模拟 由于负载的时变性，对于已经发生的某一事故的后验仿真，可以通过对该次 事故时记录的动态数据建立动态负载模型。 2 2 电力负载的数学模拟 2 2 1 电力负载的常见数学建模方法 目前国际上常用的负载建模方法主要可以分为两类：总体辨识法和统计综合 法【刀。 总体辨识法是在被研究的系统中利用现场的数据测量和采集装置得到负荷 母线处功率随母线电压和频率的变化数据，应用模型识别方法来确定负荷模型的 结构和参数，并通过大量的实测数据验证模型的有效性。这种方法的优点是可以 直接获得系统运行时的实际负荷数据，适用于在线辨识。缺点在于需要在现场安 装数据测量和采集装置，费用比较高；为得到需要的数据，不得不长时间连续测 量；为保证采集数据的质量，需要选取合理的门槛值，否则会使某个时间段记录 的数据量严重不足或者过多；测量信号的信噪比小，给辨识带来了困难；测量的 结果只适用于所测量的特定系统，当季节改变或由于其他原因引起系统发生变化 时，需要重新测量。 统计综合法是基于元件特性进行综合的间接方法。它一般需要三组数据：负 荷组成情况，即各类负荷( 如民用、商用和工业负荷) 在全部负荷中所占的百分比； 电力负荷中各种用电设备( 如空调、电灯等) 所占的百分比；用电设备的负荷特性 ( 在实验室中测出) 。进行负荷建模时，将这三组数据连同配电网络的结构、运行 时的电压和频率等数据送人网络集结程序，通过计算得到母线负荷的静态和动态 模型，最后通过实际系统试验来验证负荷模型的准确性和实用性。统计综合法的 优点在于：通过它得到的负荷模型物理意义清楚，易于理解；不需要在现场安装 数据的测量和采集装置。但这种方法需要做大量的数据收集和整理工作；最大的 问题是需要确定负荷的组成，这些数据通常是难以得到的，从而对负荷模型的建 立带来了困难。 2 2 2 电力负载的动态模型 电力负载的动态特性比较复杂，其动态模型按照它是否以实际物理元件模型 为基础分为机理性动态模型和非机理性动态模型【羽。 2 2 2 1 机理性动态模型 由于感应电动机在电力负载中占有很大的比重，所以很多情况下用感应电机 7 天津大学硕士学位论文第二章传统的电力负载模拟 的动态模型作为负载动态模型的基础，再配之以相应的恒定阻抗负载或按静态特 性模拟的负载。使用时，对于不同的分析精度和速度要求，感应电机所用的数学 模型的精度也不同。如图2 1 所示： 图2 - 1 机理性动态负荷模型 2 2 2 2 非机理性动态模型 非机理性负载动态模型分为线性模型、非线性模型和人工神经网络模型等。 线性模型用差分方程、微分方程或传递函数描述，它们之间能相互转换，主 要适用于小干扰稳定性分析。 非线性模型也用差分方程、微分方程和传递函数的形式来描述，它们之间不 能相互转换，适用于小干扰和大干扰稳定性分析。人工神经网络模型还处在发展 阶段。一般的，常常将某地区的电阻类负荷、感性负荷、容性负荷以及感应电动 机负荷，这些具有代表性负载的特性曲线叠加，得到综合负载动态曲线。 非机理性负载动态模型的提出一般是为了描述特定地区的特定负载在系统 中发生特定扰动后的动态特性，一般根据实测数据应用最d , , - - 乘法来确定模型的 参数，从模型的提出到参数的确定都有很强的针对性。 2 3 电力负载的物理模拟 2 3 1 物理模拟的常用方法 在1 2 节中讨论了负载模拟的相似条件，在实际动模负载的设计中一般都采 用近似的方法，只对某些典型的运行情况进行模拟，同时以集中的负载代替分散 的负载。在动模实验中每组负荷包括异步电动机一直流发电机组和灯负载。改变 电压，改变串联回路内的电阻电抗，改变电动发电机组的激磁特性及附加飞轮片， 即可以得到一定范围内变化的负载。 2 3 2 负载的物理模拟与数学模拟的关系阳1 8 机 一 漕嗽。一 蒯 一 浈准滚一 零塑 岁 天津大学硕士学位论文第二章传统的电力负载模拟 数学模型是建立在数学方程式的基础上，用专门的数学计算机工具进行求解 的一种模拟研究方法。数学模拟由于调整参数方便，研究复杂系统中受限制较少， 所以设计运行较方便。 虽然物理模拟建模费事，调整运行参数麻烦，但它可以将实际系统在模型系 统上进行试验，能较真实的反映物理过程，帮助人们发现理论分析所考虑不到的 一些问题。 负载的动态物理模拟是研究电力系统的工具，同样数学模拟也是研究电力系 统的重要工具。这两种工具并不互相排斥，也不能以一种代替另一种，两者应该 很好的结合起来，互相取长补短。所以在综合研究解决一些重大的电力系统运行 间题时应该根据其不同特点和应用范围对物理模拟和数学模拟加以选用。两者互 相结合，互相较正，互相补充。 2 4 动模实验室模拟负载简介 天津大学动模实验室综合负载模拟由异步电动机一直流发电机和灯负荷组 成，负荷由负荷变压器供电，原理接线如图2 - 2 所示【1 0 】： 3 图2 - 2 综合负载模拟 异步电动机负载模拟，在确定异步电动机负载时应考虑以下条件： ( 1 ) 应按照同样的容量比例确定异步机模拟机组容量 ( 2 ) 应满足机械时间常数相近，大容量机组可以降低容量使用，但应注意不 要使模型惯性常数过大。 ( 3 ) 为满足电阻，电抗性负荷的模拟条件可以在电动机上串联和并联电阻和 电抗。 9 天津大学硕士学位论文第二章传统的电力负载模拟 ( 4 ) 降压变压器电抗数值，应按阻抗比例和原型降压变压器阻抗计算，如电 抗不够可以串接附加电阻、电抗。 在实践中发现，利用传统的灯箱一异步机模式的物理模拟方法存在有以下 缺陷： 乱模拟精度不高，调节范围有限。 b 在线调节不便。 c 能量不能回馈。 d 模拟元件数量多，体积大。 天津大学动态模拟实验室综合模拟负载设备的主要参数如表2 - 2 所示。 表2 - 2 综合模拟负载设备 综容量与电压k w v配套设备 = 一 电动机直流发电机 灯 8 变压器负荷控制 合 = 一 13 0 3 8 02 8 2 2 0o 9 2 2 0 8 5 k v a8 0 0 4 0 0 盘，内设监 3 o ，3 8 02 8 ，2 2 00 9 2 2 0 0 7 5 k v a8 0 0 4 0 0 测仪表，主 负 b 一 开关，分开 23 o 3 8 02 8 2 2 00 9 2 2 0 4 1 0 k v a8 0 0 4 0 0 _ _ 关，灯负 33 o 3 8 0 2 5 2 2 0 o 9 2 2 05 k v a8 0 0 4 0 0 荷 荷，切换开 3 0 3 8 02 8 2 2 0o 9 2 2 0 7 5 k v a8 0 0 4 0 0 = 一关及c t 、 4 3 0 3 8 02 8 2 2 0o 9 2 2 0 1 。k v a8 。“。l ”等 1 0 天津大学硕士学位论文第三章p w m 整流器的分析与建模 第三章p w m 整流器的分析与建模 3 1p w i v i 整流基本原理及分类 3 1 1p w m 整流器原理概述m 1 整流器作为较早应用的一种a c d c 变换装置，它的发展经历了由不控整流器 ( 二极管整流) 、相控整流器( 采用半控型开关器件，如晶闸管) 到p w m 整流器( 采 用全控开关器件，如i g b t ) 的发展历程。传统的相控整流器，应用的时间较长， 技术也较为成熟，得到了广泛的使用，但存在以下问题： ( 1 ) 晶闸管换相引起网侧电压波形畸变； ( 2 ) 网侧谐波电流对电网产生谐波污染； ( 3 ) 移相控制的功率因数很低； ( 4 ) 闭环控制时动态响应慢。 不控整流器虽然改善了网侧功率因数，但是仍会产生网侧谐波电流而污染电 网，且直流侧电压的稳定性差。针对以上不足，p w m 整流器已对传统的相控及 不控整流器进行了全面改进。其关键性的改进在于用全控型功率开关管取代了半 控型功率开关管或二极管，以p w m 整流取代了相控整流或不控整流。因此，p w m 整流器可以取得以下优良性能： ( 1 ) 网侧电流近似正弦波； ( 2 ) 网侧功率因数控制； ( 3 ) 电能双向传输； ( 4 ) 较快的动态响应。 显然，由于电能的双向的双向传输，当p w m 整流器从电网吸取电能时，其 运行于整流工作状态；而当p w m 整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变 工作状态。所谓单位功率因数是指；输入电流波形正弦，且当p w m 整流器运行 于整流状态时，网侧电压、电流同相位；当p w m 整流器运行于有源逆变状态时， 其网侧电压、电流反相位。由于p w m 整流器其网侧电流及功率因数均可控，因 而可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合【1 2 1 。 p w m 整流器实际上是一个交、直流侧可控的四象限运行的变流装置。图3 - 1 为p w m 模型电路： 天津大学硕士学位论文第三章p w m 整流器的分析与建模 厶 ：包- +r | _ 一九丫丫、 - l 弘 l 、7 u f p 瑚。时， v s r 既可运行于整流模式，又可以运行于有源逆变模式；当e l v d c 时，v s r j 垂行 于整流模式。为便于理解，首先定义单极性二值逻辑开关函数船为： = 0 1 纂喜羹磊： 纂喜喜誓 c s 刀 l上桥臂关断，下桥臂导通 。 其中，k = - a , b ，c ，将开关管等效电阻r 。同交流滤波电感等效电阻r 1 合并，且令 r = r s + r l ，可以得到三相v s r 的a 相回路方程； 哮似l l = 毛一( + v n o ) ( 3 3 ) 由于1 街 = 1 7 d c 翰，式( 3 3 ) 可以写成： 三! + r = e t 一( 矗+ h 。) ( 3 4 ) 同理有b 、c 相方程如下：哮+ r 乇= 一( + v m ) ( 3 5 ) 上旦 + 矗f c = 气一( 1 k & + v n 。) ( 3 6 ) 在三相对称的情况下，t = o略= o ( 3 7 ) 联立式( 3 4 ) 式( 3 7 ) ，得到：n o = 一等 ( 3 8 ) 图3 6 中任何时刻总有三个开关管导通，因此，直流侧电流f d 。可以描述为： 屯= j a s a + i b s b + j c & ( 3 9 ) 同时，对于直流侧电容正极点处的电流分析得： c 警叱嘞吨一乎 ( 3 1 0 ) 8 天津大学硕士学位论文第三章p w m 整流器的分析与建模 根据( 3 4 ) ( 3 。1 0 ) ，可以得出三相静止坐标系q a v s r 开关函数模型结构，如图3 7 所示： 图3 7 伉b ，c ) 坐标系中三相v s r 开关函数模型结构 3 2 2 2 用占空比描述的模型 三相v s r 采用三角载波p w m 控制，p w m 信号生成有自然采样法和规则采样 法两种，如图3 _ 8 所示。 oz2 n - q f i 瓜p n石| 。 | m v f i l i i 卜_ 辜一 i ( 1 絮、l 岁。i a )b ) 图3 8p w m 及开关函数波形 a ) 自然采样法b ) 规则采样法 当以自然采样法生成p w m 信号时，p w m 开关函数波形，如图3 培a 所示，在 一个开关周期内，p w m 波形不对称。但当开关频率远高于电网电动势频率时， 1 9 天津大学礤士擘位论文第三章p w m 整流器鹩分析与建横 可用规则采样法代替自然采样法。穰个开关周期内，p w m 波形对称，如医t 3 - 8 b 舞示。葵巾，q = 2 露z ，磊隽p w m 嚣关频率，磊惫鼯瘦戆p w 醚蠢空魄，7 量敷l 如上所述，在开关频率远高予电网频率时，歼关函数稿蠢空比碇间的关 系如下，殿令k = a , b ，c ： s k = o ；勰乏 & 一10 一反) 芹q fs ( 1 + 畋) 万 ( 3 1 2 ) 麦墅3 8 滋及上式表骥：p w m 占空魄磊实际主是令秀关嚣龌童牙关函数溉戆平 均值，故利用傅立时展开，可得： 露2 + 善( _ 1 y 意8 越( 嗽万) c o s ( 燃f ) 0 1 3 ) 忽略高频分量可得；“嚷0 1 4 ) 褥到占空比描述的v s r 模型，鼯b c ； 哮+ 趣= & 一媛一；互。嚷) 5 ) ；杰+ 毛瓦+ | f o a o 0 1 6 ) c 誓= 碱+ 碱憾一半 ( 3 1 7 ) 3 2 3 蠢相v s r 豹( d ，q ) 坐标系横型 3 2 3 1 坐标转换【聊 上文所述v s r 一般数学模型是基予三稳静止搬标系瑟言瓣，这静模型其有涛 淅盼物理窳义。毽这种数学筷型串，v s r 交流铡均为交流量，不利于控懿系统设 计。为此，可以通过搬标转换将三棚对称静止坐标系( 咖，c ) 转敝成以电网基波频 率同步旋转的 q ) 坐标系。这样，三棚对称静止擞标系中的基波正弦变量将转化 残弱步麓转垒标系孛魏囊流交量，获褥筵诬控锈系统戆竣谤。 在兰相电路中，两相同步旋转搬标系( d ，q ) 中的q 轴分量常袭示有功分量，而d 轴分量则常表示无功分擞，如图3 9 所示。其中，在三相静止坐标系( 曲，c ) 中，历 玢剐表拳三摆电网电动势矢量窥惠流矢量，芳爨露，忿l 电嬲簇波角频率甜逆鞋 针旋转。为简化分析翰网，常将两现旋转坐标系磴，q ) 中q 轴与电网电动势矢麓e 同轴。这样，q 轴按矢量层定向，e 矢凝方向的电流f q 定义为有功电流，而比矢鼹e 天律大学硕士学位论文第三章p w m 整流嚣的分析与建模 滞后9 0 。相角的轴( d 轴) 方向电流分量妇定义为无功电流。另外，初始条件下， 令q 轴与a 轴重合。 图3 9 坐标系( d ，q ) 、坐标系( 如，c ) 及矢量分解 以电流矢量伪例加以研究。如图3 9 所示，令矢量i - q a 轴相角为j ，q 轴与a 轴相角口，m 为矢量卫幅值，则有： 忙乏c 删o s ( o 二翟 哟 i = l 一，) 7 矢量脏a 、b 、c 三相静止坐标轴的投影i 。、i b 、厶为： i l i = l c o s ) 乇= lc o s ( ，一1 2 0 。)( 3 1 9 ) k = l c o s ( ) + 1 2 0 。) 为用方阵表示坐标变换，可以定义零轴分量，即：乇= ( f a + 乇+ 气) ( 3 2 0 ) 记，曲c - k f c 】，i d q o = i d ，i q ，i o 7 ，五( 目) 为b b ，c ) 坐标系到( d ，q ，o ) 坐标系的转换矩 阵，则有： i d q o = r ( 目) j k( 3 2 1 ) 踯“( 口) ，d q 0( 3 2 2 ) 依照“等量”法则，将( 3 1 8 ) ，( 3 1 9 ) ，( 3 2 0 ) 代入( 3 2 1 ) 和( 3 2 2 ) ，可以得 到r ( 口) ，f 1 ( 口) 的形式如下： 0 r ( o ) = ) c o s ( o ) s i n ( 们 1 2 c o s ( 0 - 1 2 0 ) s i n ( o - 1 2 0 。) 1 2 2 1 c o s ( o + 1 2 0 。) s i n ( o + 1 2 0 。) 1 2 ( 3 2 3 ) 天津大学硕士学位论文 第三章p w m 整流器的分析与建模 i c o s ( o )s i n ( o ) 1l 胄1 ( 回= lc o s ( e 1 2 0 。) s i n ( o - 1 2 0 ) 1i( 3 2 4 ) l c o s ( e + 1 2 0 ) s i n ( e + 1 2 0 。) 1 j 可以看出，戚口) 烈口) 。为了使转换矩阵是正交矩阵，方便矩阵运算，一 般采用。等功率”正交坐标变换。这是相对于“等量”变换方式而言的。后者虽 可以进行坐标系的转换，但其转换矩阵常常不可逆。现以“等功率”正交坐标变 换讨论转换矩阵的具体形式。 所谓“等功率”坐标变换，是指坐标变换前后功率相等的坐标变换。现只需 将“等电流”坐标变换中的非正交变换矩阵联p ) 改造成正交矩阵，可以获得“等 功率”坐标变换矩阵c 3 s 2 r 为： c y 手2 c o s ( e ) s i n ( 0 ) 1 4 2 另外，其逆变换矩阵q f 3 。为： c o s ( e 一1 2 0 、 s i n ( e 一1 2 0 、 l 压 ，：岛，：强：，：辱 y j c o s ( e + 1 2 0 。) s i n ( e + 1 2 0 9 ) 1 压 c o s ( e )s i n ( o ) c o s ( e 一1 2 0 。) s i n ( g - 1 2 0 * ) c o s ( e + 1 2 0 ) s i n ( e + 1 2 0 ) 1 西 l 压 1 压 ( 3 2 5 ) “等功率”坐标变换矩阵c 3 由，在三相v s rd q 坐标系模型的建立中，主要用 于将三相静止坐标系中的参量转化为相应的( d ，q ) 坐标系参量。 3 2 3 2 三相v s r 的( d ，q ) 坐标系模型的建芏l 2 5 1 首先将( a ，b ，c ) 坐标系转换成( d ，q ) 两相静止坐标系。如图3 1 0 所示。 图3 1 0 坐标系( 咖，c ) 、坐标系( d ，q ) 及矢量分解 天津大学硕士学位论文第三章p w m 整流器的分析与建模 考虑通用矢量墨由前面有关坐标变换的讨论，这里选择“等量”坐标变换， 贝怄在d 、q 轴上的投影为抽、x q ，而硅a ，b 、c 轴上的投影为施、x b 、，显然： 卜1 ：三 【x d j 3 匿卜 1 11 22 o 一鱼巫 22 lo 1压 22 1压 22 以上式中，若针对三相v s r ，则有： 他= a , b ，c ) ( f = d ，q ) 将式( 3 2 8 ) 代a v s r 三相静止坐标系开关函数模型中，可以得到两相静止坐标系 p ，q ) 中的三相v s r 开关函数模型： c 鲁= 三( 岛+ 毛h 哮城= 吨 哮讽= 一如 ( 3 3 0 ) 其中，吣s d 坐标系( d ，q ) 中二值逻辑开关函数。 为将( d ，q ) 坐标系中的数学模型进一步变换成( d ，q ) 坐标系中的数学模型，可 以在复平面上构造一复矢量，且令 = 洳一 ，j ( 3 3 1 ) 其中，品q - 三相电动势复矢量；，d q _ 一三相v s r 交流侧电流复矢量； 岛厂开关函数复矢量。 将式( 3 3 0 ) 写成复矢量形式，即： c监d=三ref-tt 2 tww j 。 三警+ = 吨 式中，s m 的共轭复矢量。 ( 3 3 2 ) 瞄吣 b b 眩如 k 而 ，j、【 天津大学硕士学位论文第三章p w m 箍流器的分祈与建模 假设初始状态下，嫩标系( d ，q ) 岛坐标系( d q ) 熏合，_ r q 轴岛q 轴重合。巍坐 标系氇国黻毫疆萋渡受频率矗，同步麓转薅，雩| 入辘转霾子( 遂曩孪铮旋转) ，燹l j 同步旋转嫩标系 q ) 中的通用复矢量可表达为： = p = j 妇= 2 ( 3 3 3 ) 耨式( 3 3 3 ) 代入式翁。3 2 ) - 的三稳v s & 辍标系鬈疼笈矢量方程蔻： 其中，为三相电动势矢量；为v s r 交流侧电流矢量；鼠为开关函数矢嚣； e d 、为电网电幼势矢量助q 的d 、q f f f 量： 豇、i q ) 哇j v s r 交流侧电流矢量粕的文q 分量； 卧甄为v s r 开关瓣数矢量& q 豹文q 分莹。 将式( 3 3 5 ) 代入式( 3 3 4 ) ，并分解成d 、q 分量，可得三相v s r 在两相同步旋转 坐标系( d ，q ) 中的数学模粼为： | e 誓= 芤黾+ 一毛 磅帕玩诎= 气一 ( 3 。6 ) 扛警越铲甄= 飞 其模型结构图如图3 1 1 所示5 圈3 一l l两相阊步旋转坐标系( d ，q ) 中三相v s r 开关函数模型结构图 芝掣 强p 趣恁 一 + 如靠 i | = 墨 ，j、it 崎嘿 h 4 q 霉 燃 知缸 ，fil 天津大攀礴士学位论文 第三章p w m 蒜藏嚣鲍分析与建横 3 3 兰榴v s r 控制系统设计 v s r 豹控潮系统设计，一般楚程熊q ) 垒标系挨翟串迸行的。这样散，崔稳态 时，d q 模裂的d 、q 分量均为直流变慧；而且适当选取( d ，q ) 坐标系的初始参考轴方 向，有利予三相v s r 交流僦有功、无功分量的独藏控制，如令q 轴与电网电动势 矢量黾。豢会l 瑚。 在三相v s r 控制系统设计中，一般采取双环控制【1 7 1 ，即电聪外环和电流内环。 电压外环的主要作用是控锖o v s r 直流侧电压，而电流内环的作用主要是按照电压 外环输出的毫流指令遴纷毫流控锻。 3 3 1 电流内环控制系统 3 3 。i 1 魄滚瘫繇结擒 兰桶v s r 的d q 模缀可以改写为下述矩阵方稔式，其中p 为微分算子，均、 1 ，q 为v s r 交流侧电压矢擞的d 、q 分艇； 燃= r 嚣褂嘲 乃 ( 心f d 十v q ) = ( 3 3 8 ) 假设淑坐标系孛q 辘每毫露电动势矢量五羹会，到毫瓣电渤势矢量哟分曩 e r - - - 0 。为方便控制器设计，可采用髓馈解耦控制策略【2 i 】。当电流调节采用p i 调 节时，则蝴、1 ，n 控制方穰如下： 毪= 一岛+ 岛x 一专) 一垃蠢+ & ( 3 ，3 9 ) h = - - (