（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的pwm整流器控制策略和应用研究.pdf

韭塞銮适太堂亟堂焦论童 a b s t r a c t a b s t r a c t ： m l ep w mr e c t i f i e rp r o v i d e dr e v o l u t i o n a r yi d e aa n dm e t h o df o rt h e p o w e r c o n v e r t e ra n dc o n t r o lt e c h n o l o g y t h ea d v a n t a g e si n c l u d eh i 曲p o w e rf a c t o r , s i n u s o i d a l a cc u r r e n ta n db i d i r e c t i o n a lp o w e re t c t h i sp a p e rc o n s i d e r st r a c t i o np o w e rs u p p l y , e l e c t r i cd r i v ea p p l i c a t i o n h a sd i s c u s s e ds e v e r a lk i n do fa d v 铀1 c e dc o n t r o l ss t r a t e g yo f t h ep w mr e c t i f i e ra n di t sd s pr e a l i z a t i o m f i r s t , 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 dm a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fp w m r e c t i f i e ra l er e s e a r c h e d , 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 si sg i v e n , a n da l s ob a s i c c o n t r o lm e t h o di sd i s c u s s e d t h i sp a p e ri m p o r t st h ed u m m yn e tl i n k a g ec o n c e p t i o n ，t h r o u g hv o l t a g e , e l e c t r i c c u r r e n ta n dc o n d i t i o ne s t i m a t ef l u xl i n k a g e t h e nd u m m yl i n k a g ed i r e c t i o nd e t e c t i o n v e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yi sg i v e n , n e t s i d ev o l t a g es e n s o f l e s sc o n t r o lo fp w mr e c t i f i e ri s r e a l i z e d c o n t r o lp e r f o r m a n c eh a sc a r r i e d0 1 1t h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a l c o n f i r m s i nt h er a p i dt r a n s i tp o w e rs u p p l y , t h em ww i n dp o w e rg e n e r a t i n gs y s t e m , o f t e n n e e d st 0c a r r y0 1 1m u l t i p l ep a r a l l e lt ot h ep w mr e c t i f i c fr e a l i z e st h eh i g hp o w e r o p e r a t i o n i nt h es i n g l es y n c h r o n o u sp ic u r r e n tc o n t r o lf o u n d a t i o n , t h i sp a p e rg a v ea d e t a i lr e s e a r c ho np a r a l l e lm u l t i p l ec u r r e n ts h a r i n ga n dh a r m o n i cr e d u c t i o nc o n t r 0 1 p r o p o s e dt h ed qa x i st r a n s m i tc u r r e n ti n s t r u c t i o ns h a r i n gm e t h o d h a sd e v e l o p e dt h e p a r a l l e lr e c t i f i e rp r o t o t y p e u s e dt h ec a nc o m m u n i c a t i o na n dt h ed e l a y e ds a m p l i n g t e c h n o l o g yh a sa c h i e v e dt h ec o n t r o lg o a l m e a n w h i l e , an 鲫p w mr e c t i f i 盯c o n t r o lm e t h o do f 8 ke l e c t r i cl o c o m o t i v ei n v e r t e r e x p 盯i m e m a ls y s t e mi sp r o p o 眦d e d t h e5 0 k wp w m r e c t i f i e ra cs i d ei sc o n n e c t e dt h e i n v e r t e ro u t p u tt h r o u g ht h ei n d u c t a n c e , p w mr e c t i f i e rd cl i n eo u t p u tp a r a l l e lw i t h i n v e r t e rd ci n p u t t h ed e v i c e , u s i n gf o r e c a s t i n gc u r r e n ta r i t h m e t i cu n d e rat h r e e p h a s e s m i l ec o o r d i n a t e , c a nc o m p l i s hf u l l yl o a d i n ge x p e r i m e n ta n do v e rl o a d i n g , m i s sp h a s e f a u l te x p e r i m e n t t h ed e v i c er e a l i z e de n e r g yr e e y c l e n l s a v e sl o t so f e x p e r i m e n t a le n e r g y t h i ss y s t e ma l r e a d yt h r o u g ht h ea p p r o v a la n dp u ti n t oo p e r a t i o ni nt h es c e n e , h a st h e m e r i to f s t r u c t a r es i m p l e , f r e ec o n t r o l ，e n e r g ys a v i n ga n dn o i s er e d u c t i o n k e y w o r d s ：p w mr e c t i f i e b , m u l t i - p a r a l l e l ；v o l t a g es e n s o f l e s s ；i n v e r t e re x p e r i m e n t c l a s s n o ：t m 4 6 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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：i 鹭彬乌 签字日期：劢吵年2 月力日 导师 签字 独剑性直明 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，也不包含为获得北京交通大学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：i 劣痧学 签字日期： 矽d 7 年肛月矽e t 。 j k 塞銮适盘堂亟堂壁途童 致谢 本论文的工作是在我的导师郑琼林教授和林飞副教授的悉心指导下完成的， 郑老师渊博的知识、正直的人品、严谨的科学态度、力求完美的做事风格和对待 工作的兢兢业业为我树立了科学工作者的榜样。在此由衷感谢两年半年来郑老师 对我的关心和指导。林老师指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上 都给予了我很大的关心和帮助。从论文的选题、系统方案的设计、实验问题的解 决等方面都凝聚着郑老师和林老师的心血，在此向两位老师表示最衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，得到了游小杰教授、杨中平副教授、郝瑞祥 老师、孙湖老师、黄先进老师、张立伟博士后的指导及热情帮助，为论文的完成 提供了很多宝贵的意见，在此向他们表示诚挚的谢意。 另外，特别要感谢陆书文师兄，是他在毕业前协助我一起完成了p w m 整流器 多重化控制策略研究和仿真，以及“8 k 型电力机车辅电源能流循环试验台”项目 相关的前期试验。还有王磊同学，与我起先后几次出差大同，完成了项目的现 场调试。还有湖东机务段大西车问技术科电子组的彭福军组长以及其他工人师傅 们，对于他们在现场调试阶段给予我的支持和帮助，表示深深的谢意。同时我还 曾得到了刘建强、文晓燕、赵荣华、乔明、高吉磊、马亮、黄泳均、马颖涛等同 学在生活学习工作方面的鼎力相助。在此向他们表达谢意。 最后，感澍我的父母和家人，是他们的理解和支持，使我能够专心完成我的 研究生学业。 1 绪论 1 1 研究背景 随着电力电子技术的发展，功率电子设备的应用越来越广泛，致使大量的非 线性负载涌入电网，给电力系统的电压和电流都带来了越来越严重的谐波污染。 谐波的危害十分严重，主要表现在增加设备损耗、产生振动和噪声、谐振过电压 以及对外部产生电磁干扰，降低设备的工作效率和使用寿命。同时，大量的无功 功率消耗使本来就电力供应不足的公共电网的电能利用率大幅度降低。电网谐波 污染的根本原因在于电力半导体装置的非线性引起网侧电流、电压波形的严重畸 变。在各种电力电子应用系统中，谐波污染大量地存在于交流到直流变换的整流 环节。二极管不可控整流和晶闸管相控整流电路应用最为广泛，而功率因数低和 谐波含量高就是它们最显著的缺点。 解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是 装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电 子装置本身进行改进，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1 i l l 。 基于第一条思路，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( a c t i v e p o w e rf i l t e r ，简称a v f ) 。无功补偿方案则以新型静止无功发生器( a d v a n c e ds t a t i c v a r g e n e r a t o r ，简称a s v g ) 连续调节无功的补偿方案为其重要发展方向。 开发新型单位功率因数变流器比较而言优势更加明显，是解决谐波污染的另 一个重要途径。中小容量的单位功率因数变流器主要采用p w m 整流技术。大容量 交流器提高功率等级的主要方法是采用多重化技术。多重化技术配合多电平技术 和p w m 控制技术，可获得高功率因数和低谐波含量的理想效果。 p w m 整流器较传统不控和稆控整流器，在完成基本的a c d c 变换稳定直流 电压的同时，能够实现能量的双向流动，并使得交流侧电网的电流无畸变。p w m 整流器不仅可以在单位功率因数下运行，还可以进行电网无功调节。但p w m 整流 器存在硬件控制系统复杂，需要多个传感器的特点，长期以来仍没有得到广泛的 应用，近期出现的无交流电压传感器控制策略研究，大大简化了控制硬件的复杂 程度。因此，随着对电能质量要求的日益提高、控制策略的日益完善和电力电子 器件技术的发展，i w m 整流器将越来越多的取代晶闸管整流器，广泛应用于单位 功率因数变流、交流传动、电子负载、有源滤波以及无功补偿等领域中。 韭立童煎盘堂亟堂焦途塞 1 2p w m 整流器的国内外研究应用现状 1 2 1 国内外发展现状 变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等装置很大一部分都 需要整流环节，以获得直流电压。由于常规整流环节广泛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及无功，造成了严重的 电网“污染”。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1 2 】。其主要思路就是将p w m 技术引入整流器的控制中，使整 流器网侧电流正弦化，且可运行于单位功率因数，这就是p w m 整流器。 p w m 整流器的研究始于2 0 世纪8 0 年代，这一时期由于全控器件的日益成熟 和应用，推动了p w m 技术的应用与研究。1 9 8 2 年b u s s e a l f r e d 、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全桥p w m 整流器拓扑结构及其网侧电流幅相控制 策略【3 】，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 l 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【4 l ， 这实际上就是电压型p w m 整流器早期的设计思想。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 整流器连续、离散动态数学模型及控 制策略，p w m 整流器的研究发展到一个新的高度【5 】。 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课题。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。这些应用研究，又促进了p w m 整流器及其控制技术的进步和完善。经过多 年的研究和发展，p w m 整流器技术已日趋成熟。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；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，而在主电路类型上，既 有电压型整流器( v o l t a g es o u r c er e c t i f i e r - v s r ) ，也有电流型整流器( c u r r e n ts o u r c e r e e t i f i e r - c s r ) ，并且两者在工业上均成功地投入了应用。 控制技术是p w m 整流器发展的关键。为保证直流侧的电压恒定，控制系统多 采用电压外环的p i 调节控制。为了使电压型p w m 整流器工作时达到单位功率因 数，网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的研究显得十分重要。根据 有无引人电流反馈可将控制方法分为两大类：不引入交流电流反馈的是由 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【6 1 ；引入交流电流反馈的目前 占主导地位的直接电流控制策略。 间接电流控制技术为电流开环控制，如早期采用的相位幅值控制1 7 l ，通过p w m 方法在整流器桥臂中点输出幅值和相位受控的正弦p w m 电压，该电压与电网电压 2 共同作用，可在整流器交流侧形成所需的正弦基波电流，而谐波电流则由交流电 感滤除。间接电流控制由于无需交流电流传感器，因此系统结构简单。但动态响 应慢，无限流功能，稳定性很差等缺点影响了它的广泛应用，已经逐渐被直接电 流控制取代。 直接电流控制由于具有网侧电流闭环控制，使系统动、静态性能得到提高， 可以获得较高品质的电流响应，同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感，增强 了控制系统的鲁棒性。当然，直接电流控制的控制结构和算法较间接电流控制复 杂。对于直接电流控制系统，可分为滞环电流控制、预测电流控制、同步p i 控制、 直接功率控制等，其中基于空间矢量的p w m 控制最为流行。早期p w m 整流器多 采用滞环电流控制【引，近期多采用预测电流控制和同步p i 控制【9 】等控制算法。滞 环电流控制开关频率不同定，不利于器件的选取和控制的实现。预测电流控制保 持滞环电流控制响应速度快的特点，实际电流能够在一个开关周期内跟踪上指令 电流，而且控制周期和器件开关频率固定，整个控制系统中只有电压环一个p l 调 节器，参数整定比较简单。同步p i 控制开关频率固定，采用同步坐标系下控制， 可实现有功、无功电流解耦控制，有功、无功功率独立调节；采用p i 调节器可以 实现无静差调节，能够获得较好的动静态特性。 矢量控制早在2 0 世纪7 0 年代初被提出，当时以直流电动机和交流电动机比 较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了把交流电动机等效为直流电动机控制 的先河。根据磁场等效的基本原理，三相静止坐标、两相静止坐标和两相旋转坐 标系之间可以进行相互转换，这样就可以把对交流量的控制转变成对直流量的控 制，使系统得到较好的动静态性能【1 0 l 。矢量控制可以分为电压定向控制和虚拟磁 链定向控制两种。 另外一种是直接功率控制( d p c ) fu j 引。三相p w m 整流器的直接功率控制c d p c ) 是一种基于瞬时功率理论的滞环控制方法。它根据有功和无功功率与开关状态的 简单对应关系，由整流器的开关状态来估计有功和无功功率。用给定功率和估铡 功率进行比较，其误差经过比较器和整流器状态选择器，就可以输出整流器下一 次的开关状态，达到了直接功率控制的要求。直接功率控制在本质上是对输入电 流进行控制，能够有效改善电流波形的畸变，获得高功率因数；控制系统中没有 电流内环控制和p w m 调制模块，控制方便，算法简单；由整流器的交流侧电流、 直流侧电压和功率器件的开关状态来估算有功、无功功率和电网电压。这种控制 算法的缺点是需使用微分项，易引入高频干扰；由于采用滞环控制方式，开关频 率不固定，要求快速的微处理器来实现。直接功率控制也可以分为电压定向控制 和虚拟磁链定向控制两种。 本文并联二重化实验用小功率p w m 整流器系统将采用同步p i 控制方法。本 文逆变器试验台系统将采用三相独立调节电流的预测电流控制算法，可以单独控 制各相电流的不平衡运行。第二、五章将详细介绍同步p i 控制和新型预测电流控 制算法。 随着p w m 整流器及其控制策略研究的深入。研究人员展开了多角度多层次的 研究工作。为了解决p w m 整流器在应用中的既有缺点和障碍，一些较为新颖的系 统控制策略相继被提出。下面简单的介绍其中的三种。 首先，出现了对无电网电压传感器控制及无电网电流传感器控制的研究。为 进一步简化电压型p w m 整流器的信号检测，t 0 s l l 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 似的研究报告【1 4 1 。无电网电动势传感器控制方式，其主要实现方案可以分为两大 类：矢量控制( v o c ) 和直接功率控制( d p c ) 。他们分别是虚拟电网磁链定向矢量 控制( v f o c ) 和虚拟电网磁链定向直接功率控$ i ( v f - d p c ) 。本文将对虚拟电网磁链 定向的矢量控制进行控制策略和实验研究。另外，m r i e s e 则通过直流侧电流检测 来重构电压型逆变器的交流侧电流，从而为无电网电流传感器的p w m 整流器研究 奠定了基础。 第二种，p w m 整流器的时间最优控制。常规的基于d q 模型的电压型p w m 整流器控制，一般通过前馈解耦控制，并采用两个独立的p i 调节器，分别控制相 应的有功无功分量。而有功、无功分量间的动态耦合和p w m 电压利用率的约束， 影响了电压型p w m 整流器有功分量的动态响应。针对这一问题，j o n gw o oc 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问最优控制。其基本思 路就是，根据时间最优控制算法求解出跟踪指令电流所需的最优控制电压，并在 动态过程中降低相应无功分量的响应速度，从而有效的提高了有功分量的动态响 应速度，实现了三相电压型p w m 整流器直流电压的时间最优控制。 第三种，很多学者专注于电网不平衡条件下的p w m 整流器控制策略研究。在 三相p w m 整流器控制策略研究过程中，一般均假设三相电网是平衡的。而实际上， 三相电网常处于不平衡状态，即三相电网电压的幅值、相位不对称。一旦电网不 平衡，以三相电网平衡为约束所设计的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 特性谐波，同时消耗相应增大；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，甚至烧坏装置。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。为此，很多学者提出了解决不平衡控制的理 论，比如不平衡条件下，网侧电流和直流电压时域表达式、电感电容设计准则、 正负序两套同步旋转坐标系独立控制等。这方面控制策略仍有待更进一步的研究。 本文的辅电源试验台项目对这方面研究做出了有益的尝试。 4 对于不同功率等级以及不同的用途，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功率开关 和改进直流输出特性上。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、交流器多重化l l 埘以及软开关技术上。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，常采用变流器并联多 重化。与普通并联不同的是，每个并联的p w m 整流器中的p w m 信号发生采用相 移p w m 控制技术 1 6 1 ，从而以较低的开关频率获得了等效的高开关频率控制，即 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、电压波形品质。 1 2 2p w m 整流器的工程应用 2 】 由于p w m 整流器实现了网侧电流正弦化，运行于单位功率因数，且能量可双 向传输，因而真正实现了“绿色电能变换”。由于p w m 整流器网侧呈现出受控电 流源特性。因而这一特性使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 ) 1 1 5 1 、高压直流输电( h v d c ) 0 9 1 、超导储能 ( s m e s ) 1 2 0 1 、电子负载( e l ) 、电气传动( e d ) 以及太阳能、风能等可再生能源 的并网发电等。以下分别简述后三种应用，为近年关注的重要应用。 四象限交流电动机驱动系统。在常规的由电压型逆交器组成的交流电动机驱 动系统中，为实现电动机的四象限运行，必须在逆变器直流侧加装耗能或馈能装 置，这主要是由于常规的电压型逆变器交流电动机驱动系统采用了交直交拓扑结 构，而整流环节大都采用二极管整流器，因而无法实现电能回馈，并且将给电网 造成一定的谐波“污染”。若将f w m 整流器取代二极管，如图1 1 所示，不仅可 以实现交流电动机的四象限运行，以及网侧单位功率因数正弦波电流控制，还可 使直流侧获得足够高且稳定的直流电压，从而改善了电动机的驱动性能。通过引 入适当的控制策略，还可以大大减少直流侧电容的电容量，提高装置运行可靠性。 f w m 整藏嚣纠婚t 毫叟誊 图1 - 1 四象限交流电动机驱动系统的拓扑结构 f i g u r e1 - lt o p o l o g yo f f o u r - q u a d r a n ta om o t o rd r i v e rs y s t e m 5 j e 瘟銮通盔堂亟堂焦迨塞 太阳能、风能等可再生能源的并网发电。要实现他们的大规模应用，必须首 先完成太阳能、风能由补充能源向替代能源过渡，使太阳能、风能的利用由边远 无电地区向有电地区的常规供电方向发展。这就要求开发性能优越的并网发电系 统。太阳能光伏并网发电将主要用于调峰电站以及屋顶光伏系统。太阳能光伏并 网发电系统由太阳电池以及p w m 整流器组成，p w m 整流器经过最大功率点寻优 控制将太阳电池电能并入电网。风力发电机的并网发电，传统上常采用同步或异 步发电机并网发电系统。若采用交直交风力发电机并网发电系统，如图1 2 所示， 就能较好的克服同步、异步发电系统的不足。实际上是一种双p w m 整流器结构。 网侧的p w m 整流器可完成向电网的馈电控制，并实现网侧单位功率因数正弦波电 流控制。 风力发电饥r 1 脚卡睁船 图l - 2 风力发电机并网发电系统拓扑结构 f i g u r e1 - 2t o p o l o g yo f w i n dg e n e r a t o rn e t w o r ks y s t e m 电子负载。在很多需要负载的逆变功率装置中，采用p w m 整流器代替传统旋 转装置作为负载，将直流输出并联到逆变直流输入，可以实现能流循环，实现节 能降噪的效果。例如电力机车的辅助逆变器带动风机主要为机车主电路提供冷却， 为空气制动系统提供风源，也保证空调、采暖、通风设备、照明等的供电。辅助 电路正常工作与否直接影响到主电路的工作状态，是机车稳定，安全运行的关键 阱】。所以辅助电路的检修是一项意义重大的工作。传统的辅助逆变器试验平台， 使用风机作为负载来进行满功率测试，造成了极大的电能浪费和噪音污染。采用 p w m 整流器可以实现一种无功发生装置代替风机，通过控制实现逆变器满功率测 试。 超警 蛾曩 图l - 3 超导储能系统( s i d e s ) 拓扑结构 f i g u r e1 - 3t o p o l o g yo f s m e s 超导磁能储存。随着超导材料及应用技术的发展，超导磁能存储的研究与应 6 用引起了工程与学术界的关注。如图1 - 3 所示，超导磁能储存主要用于电力网的调 峰控制以及其他需要短时补偿电能的场合。在电力网用电量正常时，电网中的电 能通过变流装置的超导线圈储存足够的能量，而当用电量很大( 用电高峰) 时， 超导线圈中的能量则通过变流装置向电力网馈能，从而起到调峰作用。一般而言， 超导储能主电路常由电流型p w m 整流器组成。 1 3 本文的研究内容 综上，直流供电系统广泛采用不控和相控混合整流方式，造成系统无功含量 多、谐波污染大。为此，系统常增设大容量的无功补偿和谐波滤波设备，整个供 电系统结构复杂。而变流器试验装置仍广泛采用电机作为测试负载，造成电能的 极大浪费和严重噪音污染。这些特性均有待优化。 本文以台达基金“分布式发电系统多p w m 电源运行与控制”、8 6 3 高速磁浮 子课题“高供电品质的整流技术研究”和湖东电力机务段“8 k 电力机车辅电源试 验台”项目为背景，对基于d s p 控制的p w m 整流器控制策略和应用进行了研究。 可逆p w m 整流器不仅体现出a c d c 变流特性( 整流) ，而且还呈现出d c a c 变 流特性( 有源逆交) ，本文讨论可逆p w m 整流器。采用p w m 整流系统可有效降 低系统谐波含量，无需单独设置无功和低次谐波补偿装置，减少电能的浪费，提 高电能质量。本文研究内容主要包括： 1 )阐述电压型四象限p w m 整流器的主电路拓扑、工作原理、数学模型和主 要控制技术，通过理论分析完成对主电路参数的选取。 2 )针对p w m 整流器控制系统复杂的缺点，基于同步旋转坐标系下的p w m 整 流器数学模型，提出采用无电网电压传感器虚拟磁链定向矢量控制( v r o c ) 策略的 p w m 整流器控制方案，对控制系统的设计作出详细叙述。在此方案基础上，对无 电网电压传感器p w m 整流器进行了仿真分析和实验验证。 3 )对并联多重化p w m 整流器系统的主电路构成、控制方式和均流原理、谐 波消除原理进行论述。通过仿真验证多重化均流、消谐原理的正确性。完成并联 二重化系统样机的研制。详细叙述基于d s p 的同步p i 电流控制、多重化消谐控制策 略，提出一种单电压外环，传输d ，q 轴电流指令的系统控制方法。实验验证二重化 样机运行效果和均流、消谐效果。 4 )完成8 k 电力机车辅电源试验台的研制。对试验台电路构成，控制方式和 能流循环原理进行论述。包括p w m 整流器主控电路的硬件设计调试和软件编制。 详细叙述三相独立调节的预测电流控制、逆变器各种运行故障的实现。试验台投 入运行后的生产验证了系统在稳态、满载、过载及故障下的运行。 7 a 塞窑望盔堂遁堂焦i 金塞 2p w m 整流器基本原理和控制技术 2 1 拓扑结构及原理 p w m 整流器是在斩波器整流理论的基础上提出来的，和逆变电路相似，p w m 整流器可以分为电压型和电流型两大类，两者在主电路结构上存在着对偶关系。 前者最显著的拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流储能，从而使变流器直流侧 呈低阻抗的电压源特性；后者则在直流侧采用足够大的电感储能，这样在开关频 率足够高时，可以近似认为变流器在p w l v l 控制过程中呈现电流源特性。 2 1 1 三相p w m 整流器的拓扑 因电压型p w m 整流器的应用比较广泛，本文所讨论的仅限于电压型p w m 整 流器。以下介绍三相电压型p w m 整流器的常见拓扑。 甜q 铲。：!：【 幻帚爷啦爷 - r p r b 1 图2 1 三相p w m 整流器拓扑结构 a ) 三相半桥b ) 三相全桥 f i g u r e 2 - it o p o l o g y o f t h r e e - p h a s e p w m r e c t i f i e r 丑) h a l f h i d g eb ) f u l lb r i d g e 堕m 整逾墨基查厘理塑撞剑拉盔 图2 1 是三相半桥和三相全桥p w m 整流器主电路拓扑结构。通常所谓的三相 桥式电路是指三相半桥电路。从结构上看，三相全桥p w m 整流器实际是由三个独 立的单相全桥p w m 整流器组成，它较三相半桥p w m 整流器主电路功率开关器件 增加一倍，交流侧需要变压器隔离，结构复杂。也正因为如此，三相全桥p w m 整 流器可以接入到三相四线制电网，当电网不平衡时，不会严重影响其控制性能。 而三相半桥p w m 整流器在三相电网不平衡时，为满足不同的控制要求，控制策略 要进行相应的改变，控制算法复杂。 2 1 2 工作原理 从拓扑结构上看，p w m 整流器可以实现能量的双向传输：当p w m 整流器从 电网吸收电能时，其处于整流状态；当p w m 整流器向电网输出电能时，其处于逆 变状态。p w m 整流器实际上是一个交、直流侧可控的四象限变流装置。 图2 - 2p w m 整流器等效电路模型 f i g u r e2 - 2e q u i v a l e n tc i r c u i to f p w mr e c t i f i e r 图2 - 2 为电压型p w m 整流器模型电路。图中为交流电感，胄为交流侧等效 电阻，c 为直流电容。 交流电感的主要作用为：隔离电网电动势与整流器交流侧电压，控制整流器 交流侧电压实现四象限运行；滤除交流电流谐波：储能，实现整流器与电网传递 无功功率；使整流器具有升压变换( b o o s t ) 特性。 直流电容的主要作用为：缓冲交流侧与直流负载之间的能量交换，稳定直流 电压；抑制直流侧谐波电压。 参照p w m 逆变电路的工作原理，按照正弦信号调制波和三角载波相比较的方 法对桥臂上下开关管进行p w m 调制，就可以在桥臂的交流侧产生正弦调制的电压 波形，波形中除了含有与正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量外，还含有 与三角载波有关的频率很高的谐波。由于电感的滤波作用，这些高次谐波只会使 交流电流产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，当正弦信号的频率和电源频率相 同时，交流电流为频率与电网频率相同的正弦波。 只考虑基波分量，忽略p w m 谐波分量，下面的矢量方程式成立。 雷= v + u a , l + r ) i( 2 1 ) 9 韭塞銮遒态堂亟堂僮途塞 式中层，为电网电动势、电网电流矢量； 旷为整流桥的交流侧p w m 波的基波分量。 由此可知，当以电网电动势为参考时，通过控制交流电压矢量旷即可实现 p w m 整流器的四象限运行。图2 - 3 中的向量图说明了p w m 整流器的4 种典型的 运行状态。 刁吒名 a ) 正阻性运行b ) 负阻性运行 c ) 纯容性运行d ) 纯感性运行 图2 - 3p w m 整流器四象限运行矢量图 f i g u r e2 - 3f o u r - q u a d r a n tv e c t o rd i a g r a mo f p w mr e c t i f i e r 图2 3 a ) 中旷滞后露的相角为万，7 和雷同相位，电路工作在整流状态，且功 率因数为l 。这是p w m 整流器的基本工作状态。图2 - 3 b ) 中矿超前雷的相角为艿， ，和豆相位正好相反，电路工作在逆变状态，为负阻性运行，实现了能量的回馈。 图2 - 3 c ) r p 矿滞后雷的相角为占，亍超前豆相位9 0 。，电路在向交流电源送出无功功 率，纯容性运行。图2 3 d ) 中矿超前雷的相角为j ，滞后豆相位9 0o ，纯感性运 行。 这四种情况只是p w m 整流器运行的四个特殊的工作状态。通过控制交流电压 矢量矿，可以任意调节电网电动势和电流之间的相位差以及电网电流幅值的大小， 既可以控制交直流侧有功功率的传递，又可以控制整流器从电网吸收或发出的无 功功率，即实现四象限运行。 可见，要实现p w m 整流器的四象限运行，关键在于网侧电流的控制。 2 2 数学模型 本节主要对三相半桥电压型p w m 整流器进行分析，建立其在不同坐标系下的 数学模型。 1 0 ) 殓4 整速墨基奎厘理塑撞制技苤 d 扛 r l v 圈2 - 4 三相电压型p w m 整流器原理图 f i g u r e2 - 4p r i n c i p l ed i a g r a mo f t h r e e - p h a s ev o l t a g es o u 硝p w mr e c t i f i e r 三相电压型p w m 整流器主电路原理图如图2 4 所示，为简化分析做如下假设： 1 ) 电网电动势为三相对称正弦波理想电压源( 巳，p c ) ； 2 ) 网侧三相交流电感三各相相等，不考虑饱和，交流电阻为r ； 3 ) 忽略开关器件的导通压降和开关损耗； 4 ) 直流侧负载用电阻月。等效。 2 2 1 三相静止坐标系( a - b o - f 的数学模型 首先定义三相p w m 整流桥单极性二值逻辑开关函数 轳 。1 睾纂豢i 嚣嚣盼柏力l下桥臂关断，上桥臂导通 ”一 则有甜h = 最，由图2 4 可列出如下方程 上睾= 气一r i 。一“ 式中o = ( + u u o ) 。 此处仅考虑三相平衡无中线系统，故 = = o 可得 哮2 一以一忆屯一等，萎，。) 传剐，6 ，c ) 对直流侧分析得 c 誓2 。丕。鼢乇 整理得到三相电压型p w m 整流器开关函数描述数学模型 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 q ( 2 - 5 ) 韭塞窑重盔堂亟堂僮迨塞 鲁= 略一以一( 一等磊，一) ( | = 啪，c ) c d v d c = 弛一dt k - 一- a , b f 1 式中f ，为直流负载电流。 引入状态变量x ，且x = 眈i b t r ， p w m 整流器数学模型的状态变量表达式为 2 ：宕：a x + e 式中 a = ( 2 4 ) ( 2 5 ) 则采用开关函数描述的三相电压型 一r 。一s os 4 + s b + s 一1 0一r0 一s b s a + s b - i - s c 一) 。以一( 一业3 世 s ts hs c 0 z = d i a g l ，l ，l ，c ， 且= 【乞e bp ct r 2 2 2 两相静止坐标系( a 扔下的数学模型 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 通过坐标变换，可以将p w m 整流器三相对称静止坐标系的数学模型转换成在 两相垂直静止坐标系( n 国下或者以电网基波频率同步的同步旋转坐标系( 如) 下的 表示形式。这样做的主要目的是为了简化控制系统的设计，例如，在三相对称静 止坐标系下的基波正弦变量转换到同步旋转坐标系下，正弦变量就成了直流变量。 从三相静止坐标系0 6 劫变换到两楣垂直静止坐标系( 邓) ，其中。轴与a 轴重 合，而1 3 轴超前a 轴9 0 度相角。两坐标系的位置关系见图2 5 。 6 图2 - 5 三相静止坐标系 如) 到两相垂直静止坐标系( 变换 f i g u r e2 - 5s t a t i o n a r yf t a n l e ( a - b - c ) t o ( 毗国a x e st r a n s f o r m a t i o n 盟m 整逾嚣基奎厦理塑控剑撞盔 采用等量变换方式，变换矩阵，。为 ，。；詈 令零轴分量为 l一!一三 2 2 。巫一巫 22 佗一l o ) = ；( + 毛+ t ) ( 2 - 1 1 ) 则矢量x * k 0 6 c ) 坐标系到( a 勃坐标系下的变换为 眯 1 l 三j ：到朝 2 ， 对式( 2 - 4 ) 、( 2 5 ) 进行z t 鲫，。变换，可得到两相静止坐标系( 口扔下的开关函数的 数学模型表达式 工! 等= 一r 一 ( 2 1 3 ) d l 秀剐p 娟8 ”d c 5 口( 2 - 1 4 ) c d 出v a c = 主( + i p s p ) 一 式中 z = d a g l ，l ，c x = 【乞】r “=融0了-ca-r-，a肛l 王了j ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) 冒= kep-k(2-20) 根据式( 2 - 1 3 ) 、( 2 一1 4 ) 、( 2 1 5 ) ，画出两相静止坐标系下的数学模型结构如图2 - 6 所示。 j e 塞窑煎太堂亟堂熊迨塞 p 口 s 口 sb p 口 图2 - 6 两相静止坐标系( a - 力tp w m 整流器数学模型 f i g u r e2 - 6m a t h e m a t i c a lm o d e lo f p w m r e c t i f i e ri ns t a t i o n a r yf r a m e ( 那) 2 2 3 两相旋转坐标系( d - q ) 下的数学模型 将两相静止垂直坐标系( n 调中的数学模型进一步变换为两相同步旋转坐标系 ( 如) 中的数学模型。两相同步旋转坐标系) 以电网电压基波角频率国在逆时针 旋转，g 轴与a 轴夹角为b 坐标系( a 扔与坐标系( 如) 的位置关系如图2 - 7 所示，变 换矩阵为 荔x 一 陀- 2 1 ) 图2 - 7 两相静止垂直坐标系( 到两相同步旋转坐标系( d - q ) 变换 f i g u r e2 - 7s t a t i o n a r yf l a l n c s ( t os y n c h r o n o u s l yr o t a t i n g ( d - q ) t r a n s f o r m a t i o n 联合式( 2 - 1 0 ) 、( 2 - 2 1 ) 得到从三相静止坐标系0 一扣0 到两相同步旋转坐标系肛g ) 的坐标变换矩阵气，。 兀。：争n 18 i n ( ! 一2 # 3 ) 豇n ( 舢2 州3 i ( 2 - 2 2 ) j 由，幽= 引c o s 口c o s p 一2 石3 )c o s ( 口+ 2 石3 ) i 从而，得到两相同步旋转坐标系( 却) 中的数学模型，其模型结构如图2 8 所示。 屯知丌i i 儿 筹血 宝 而 盟m 整逾墨基奎厘堡塑控剑拄丕 哮= 白一蛳吨一 l e d + 础q r i d v a c 警= ；吼坪沪 占d 巳 ( 2 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) 图2 - 8 两相同步旋转坐标系( d - q ) 中数学模型 f i g u r e 2 - 8 m a t h e m a t i c a l m o d e l o f p w mr e c t i f i e r i ns y n c h r o n o u s l y r o t a t i n g6 c a l n e ( d - q ) 2 3 参数设计 2 3 1 三相交流电感参数的设计 交流电感的设计应考虑如