（电力电子与电力传动专业论文）交交双向可逆变换器的设计研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ec o n c e r no ng n dp o l l u t i o ni n c r e a s i n g l y , m o r ea n dm o r er e s e a r c h e sf o c u s o nr e v e r s i b l ep w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) r e c t i f i e re q u i p p e dw i t hi g b t i nr e c e n t y e a r s ，a c d c a cc o n v e r t e r sh a v i n gb o t hp u l s ew i d t hm o d u l a t e d ( p w m ) r e c t i f i e ra n d p w mi n v e r t e rf o ri n d u c t i o nm o t o rd r i v ea r ew i d e l yu s e dt os u p p r e s st h eh a r m o n i c c u r r e n t si na cp o w e rs o u r c e f u r t h e r m o r e ，p w ma c d c - a cc o n v e r t e rs y s t e mn e e d s e l e c t r o l y t i cc a p a c i t o r si nt h ed cl i n ka st h ee n e r g ys t o r a g ee l e m e n tt op r o v i d e d e c o u p l i n gb e t w e e nt h er e c t i f i e ra n d t h ei n v e r t e r t h ep r o b l e mi st h a ti ti sl a r g e ，h e a v y , e x p e n s i v ea n du n r e l i a b l e i nt h i sp a p e r , w ew i l lm a k ea na t t e m p tt o r e d u c et h e d c - l i n kc a p a c i t o rs i z e 嬲am e a n st or e d u c et h ec o s ta n dt h ev o l u m eo ft h ec o n v e r t e r i nt h i sp a p e r , t w om a i nt a s k ss h o u l db ea c h i e v e d o n ei st oc o m p l e t er e v e r s i b l e p w mr e c t i f i e rw i t hd s pc o n t r o l l e rb a s e do ns p a c ev e c t o rp w mm e t h o da n dt h e r e g e n e r a t i v er e c t i f i e r = i n v e r t e rs y s t e mf o ra d j u s t a b l es p e e dd r i v ea p p l i c a t i o n t h eo t h e r i st od e r i v ea c d c a cc o n v e r t e rw i t ht h ee x t r e m e l ys m a l ls i z eo fd cl i n kc a p a c i t o r s t h ec o n t r o la l g o r i t h m sf o rc a p a c i t i v ed e v i c e sc o n n e c t e da tt h ed cb u sm u s tm a k e s u r et h a tt h e r ei sn op o s t - f a u l tv o l t a g ei n s t a b i l i t yi nt h es y s t e m i nm o s to ft h e s e s c h e m e st h ed cl i n kv o l m g ei sc o n t r o l l e db ya no u t e rl o o p ，w h e r eap ic o n t r o l l e ra c t s o nt h ee r r o rb e t w e e nt h ea c t u a ll i n kv o l t a g ea n dt h er e f e r e n c el i n kv o l t a g et og e n e r a t e al i n ec u r r e n tr e f e r e n c e l i n ec u r r e n tt r a c k i n gi sp e r f o r m e db yi n n e rc o n t r o ll o o p s ，s o t h ev o l t a g es p a c ev e c t o rr e f e r e n c e sa r et h e nc a l c u l a t e dt oc o n t r o lt h ei g b ts w i t c h i n g b r i d g e c o n v e r t e ri st r y i n gt or e g u l a t et h ed cl i n kv o l t a g er e g a r d l e s so fi n v e r t e ro p e r a t i o n w h i l et h ei n v e r t e ri st r y i n gt op r o v i d et h ep r o p e rc u r r e n tt ot h em o t o ra tt h ee x p e n s e o fd cl i n kv o l t a g ef l u c t u a t i o n h e n c e ，as m a l lc a p a c i t a n c el e a d st oal a r g ev o l t a g e f l u c t u a t i o ni nt h ed cl i n kv o l t a g e ，a n dc o n s e q u e n t l yc a u s e ss e m i c o n d u c t o r ss w i t c h b r e a k d o w n i nt h i sp a p e r , f e e d b a c kl i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u ei sa p p l i e dt od u a lp w m r e g e n e r a t i v ec o n v e r t e rs y s t e mf o rv o l t a g er e g u l a t i o n t h ed cl i n kv o l t a g ee r r o ra n d m e a s u r e dl o a dc u r r e n tw a se m p l o y e di nr l o n 1 i n e a r i z a t i o nc o n t r o l l e r t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tf e e d b a c kl i n e a r i z a t i o nc o n t r o l l e rc a l l a c h i e v eh i g h e rd y n a m i c r e s p o n s et h a nt r a d i t i o n a lp ic o n t r o l l e r i fw em a k et h ec o n v e r t e rs i d ed cl i n kc u r r e n t t h es a n l ea st h ei n v e r t e rs i d ed cl i n kc u r r e n ti nap w ma c d c a cc o n v e r t e rs y s t e m , n oc u r r e n tw i l lf l o wt h r o u g ht h ed cl i n kc a p a c i t o ra n da sar e s u l t ，n od cl i n kv o l t a g e v a r i a t i o no c c u p $ t 址sl e a d st ot h ep o s s i b i l i t yo f r e d u c i n ge x t r e m e l ys m a l lt h es i z eo f d cl i n kc a p a c i t o r s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti ) cl i n kv o l t a g ed o e sn o tf l u c t u a t e b a s i c a l l ye v e nw i t hav e r ys m a l l e ra m o u n to fc a p a c i t a n c e i nt h ep r a c t i c e ，i ti sn o te a s yt oi n s t a l lac u r r e n ts e n s o ro nt h ed cl i n k s i n c et h e r e i sap r i o rn e c e s s i t yt or e d u c et h es t r a yi n d u c t a n c eo ft h eb u s b a rs y s t e mb e t w e e n c a p a c i t o ra n di g b t i no r d e rt od e s c r i b et h el o a dc u r r e n td y n a m i c sc o m p l e t e l yf o rt h e l l i g hp e r f o r m a n c ed u r i n gt h et r a n s i e n ts t a t e s ，t h em o t o rs t a t ev a r i a b l e sa r eu t i l i z e d s u c ha sv o l t a g e ，c u r r e n t ，e l e c t r i ca n g u l a rv e l o c i t y , a n dc u r r e n te r r o r s t h i sa l g o r i t h m i n c o r p o r a t e st h ei n v e r t e rd y n a m i c sw i mc o n v e r t e rc o n t r 0 1 i ta l l o w st h ef a s t e ra c t i o n o fc o n v e r t e rc o n t r o l l e ri nf o r c i n gt h ec o n v e r t e rp o w e rt ot r a c kt h ei n v e r t e rp o w e r ( t h e l o a d ) t om e e tt h er e q u i r e m e n t so fd y n a m i cr e s p o n s e a tl a s t t h em a i nc i r c u i ti sb u i l tb a s e do nt h ed s pc o n t r o l l e rt o r e a l i z e v o l t a g e c u r r e n td o u b l ec l o s e d l o o pc o n t r o lo fp w mr e v e r s i b l ec o n v e r t e r p o w e r s u p p l yc i r c u i t ，d e t e c t i o nc i r c u i tf o rs e n s o r , z e r o c r o s s i n gd e t e c t o ra n di s o l a t i o nc i r c u i t a n ds oo na r ed e s i g n e d 1 1 1 es o f t w a r ep r o g r a mi sw r i t t e ni nc p r o g r a m m i n g a n dt h e e x p e r i m e n to np w mr e v e r s i b l ec o n v e r t e ri sa n a l y z e d k e yw o r d s ：p w mr e v e r s i b l ec o n v e r t e r ；f e e d b a c kl i n e a r i z a t i o n ；v e c t o rc o n t r o l ； d u a lp w m r e g e n e r a t i v ec o n v e r t e r ；m o t o rs t a t ev a r i a b l e sf e e d b a c k 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，也不包含为获得丕鲞蕉堂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：南灸 签字日期：弘加7 年参月 弓1 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘釜有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂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： 商程 导师签名 签字日期：刁卵1 年6 月弓日签字日期：硼勺年月日 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着我国工业化的提高，配电网中的整流器、变频调速装置、电力 系统中非线性负荷、冲击性负荷等的不断增加，这些负荷的非线性、冲击性和不 平衡性的用电特性，使电网中的电压、电流波形的畸变越来越严重。传统整流方 式常采用相控整流或不控整流方式。相控整流方式存在动态响应慢，深控下网侧 功率因数低等缺点。不控整流方式也存在整流器从电网吸取畸变的电流，造成电 网的谐波污染，直流侧能量无法回馈电网等缺点。三相电压型p w m 整流器可以 克服相控和不控整流的缺点，具有高功率因数，低电流谐波，电能可逆，动态响 应快等优点【l 吲。 由于大功率三相电压型整流器( v s r ) 工作时电流大，电压高，因此系统和 功率开关管的安全性、可靠性和运行效率等成了我们面临的重要问题。为了减小 功率开关管应力和开关损耗，应该尽量保持整流器功率开关管的开关频率固定。 与传统的电流滞环控制、相电流误差s p w m 调制等方式相比，基于空间电压矢 量脉宽调制( s v p w m ) 的调制模式更加具有优越性 4 - 5 1 。 由于p w m 整流器实现了网侧电流正弦化，且运行与单位功率因数，甚至能 量可双向传输，真正实现了“绿色电能变化 。由于p w m 整流器网侧呈现出受 控电流源特性，使得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 ) 、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。 近年，在a c d c 变换中，p w m 整流器因能够实现高功率因数运行且几乎 不产生谐波而倍受关注。其实施方案主要有电压型p w m 整流器和电流型p w m 整流器两种。电流型p w m 整流器由于存在直流储能电感以及交流l c 滤波环节， 结构和控制相对复杂，并且系统损耗增大，因此应用较少。而电压型p w m 整流 器以其较低的损耗，简单的结构及控制等一系列优点而成为p w m 整流器研究重 点。 1 1 双p w m 可逆变换器概述 电力电子电路可以完成交直，直一交，直一直，交交等变换，其中整流和逆 变电路的应用最为广泛。7 0 年代以前整流电路占主导地位，8 0 年代以后逆变电 第一章绪论 路的应用日益广泛。但是整流电路仍占主导地位。除了因为整流器应用仍然很广 泛，还因为逆变器和斩波器中都需要直流电源，这些直流电源大多是通过交流电 源得到的。三相电压源变换器是经典的电路拓扑，通过对开关加p w m 脉冲和采 用合适的控制策略，实现位移因数角在3 6 0 0 内可调，能量双向流动。其主要优点 在于具有较高的效率，输入电流正弦，响应速度快，配置简单的输入滤波器即可 实现较低的电磁干扰，目前交直交变换器系统已广泛应用于电机调速系统。可 逆p w m 变换器可以通过适当的控制策略，根据生产实践中的具体要求，既能实 现网侧的交流能量传输到直流侧，又能实现直流侧的能量传输到交流侧，向电网 回馈能量，且使回馈给电网的能量具有高功率因数，保证电网不受谐波污染。 可逆p w m 变换器在新能源中也得到了应用。在光伏发电系统中，可逆p w m 变换器普遍用作电路的主要拓扑。目前，变速恒频( v a r i a b l es p e e dv s c f ) 风力 发电机组的励磁控制系统大多采用a c d c a c 变换器，变换器系统由两个分别 位于发电侧和用电侧的p w m 变换器背靠背连接，要求两个p w m 变换器均能实 现能量的双向流动。逆变器作为电机( 例如双馈电机) 的驱动系统【6 7 j 。 可逆变换器还广泛应用于蓄电池充放电机，有源滤波器和静止无功补偿器等 场合下，因此对可逆变换装置的研究在实际工程中具有重要意义。 1 2 国内外发展现状及趋势 在双p w m 变换器的控制系统当中，整流器的控制是关键。近年来，自关断 器件的日趋成熟推动了p w m 技术在变换器上的应用与研究。加拿大学者o o i b o o nt e c k 较早地提出了三相电压源变换器拓扑，他提出用6 个开关器件的桥式 电路，在合适输入电感和适当的调制方式下，能够实现输入电流的位移因数在 3 6 0 度范围内变化，并且可以在整流和逆变两种情况下实现相同的功率角。同意 时期，加拿大学者p d z i o g a s 等还提出了，通过优化系统设计，获得变换器和电 流源逆变器的p w m 方案，这标志着对变换器全面、系统研究的开始。可逆变换 器的研究热潮形成于1 9 8 8 年，o o ib o o nt e c k 较为详细地给出了三相可逆变换器 的间接控制原理，系统构成形式和系统动态分析。在同年的国际会议上， a w g r e e n 等人运用坐标变换的思想，对可逆变换器做了进一步研究，建立了变 换器系统的连续和离散的动态模型。此后的研究过做基本上是在o o ib o o nt e c k 提出的拓扑结构下进行的，重点很快就集中在电源型升压变换器上。 国际上对三相p w m 可逆变换器的研究起步较早，国内稍晚。我国对p w m 变换器技术的研究起始于9 0 年代初期，目前以实验研究为主，且主要集中在高 等院校，如华中科技大学、清华大学，燕山大学，南京航天航空大学、西南交通 2 第一章绪论 大学和浙江大学等高等院校都做了大量基础研究工作，为p w m 可逆变换装置在 我国的应用和发展作出了重要贡献。就论文而言，主要分析了p w m 变换器在提 高输入电流功率因数方面的应用，这主要集中在控制策略和拓扑结果方面的研 究。国内目前的研究集中在控制方法的实验研究，分析个参数与系统性能之间的 关系，找出改善电流跟踪性能、提高输入功率因数的方法，其中仿真和实验是主 要手段，对于系统建模研究较少。三相高功率因数可逆变换器的研究正处于发展 中，今后的方向是新的拓扑结构研究和新的控制策略研究。 1 3 双p w m 可逆变换器的应用与意义 p w m 可逆变换器控制的基本原理是，检测直流侧电压波形和交流侧电流波 形，通过控制功率开关管的通断状态，使直流侧电容电压恒定，网侧输入电流正 弦，并且电流和电压同相位或反向，从而消除了大部分的电流谐波，使功率因数 接近于1 。主电路拓扑结构则从最初的b u c k 型结构发展到了b o o s t 型结构。在 控制方法上，发展了滞环控制、p i 调节控制等 8 1 1 1 ，八十年代中期发展起来的电 压空间矢量s v p w m 控制也被引入到p w m 可逆变换器中。在控制手段上，由最 初的模拟控制逐步发展到以单片机、数字信号处理器d s p 等微处理器为核心的 全数字控制系统。八十年代后期，i g b t 的出现和普遍应用又促使p w m 可逆变 换器朝着高频化反向发展。现在随着i g b t 的电压和电流等级的提高和i c b t 的 出现，p w m 变换器技术一方面向着高压大容量方向发展，另一方面，软开关技 术和新型控制方法的应用，也不断提高了p w m 变换器的控制性能。 1 4 本文主要研究工作 本文先通过对p w m 整流器的研究，分析了p w m 变换器的一般控制方法和 工作原理，并分析了s v p w m 控制策略的最小开关损耗的实现方法。然后建立 了双p w m 整流+ 逆变系统的仿真模型，并连接异步电机作为负载，设计了电机 的矢量控制系统，通过改变电机的运行状态，使能量在双p w m 变换器中双向流 动，并对系统的动态特性进行了仿真研究。采用反馈线性化的控制策略提高p w m 变换器的反应速度，减小了直流侧的电压波动，从而使减小直流电容的容量成为 可能，通过仿真验证，即使在小电容情况下，系统依然能获得满意的效果。最后， 分析了实际整流器逆变器控制系统的负载电流检测问题，提出利用电机的状态 变量计算负载电流，应用到整流器的反馈线性化控制器中，使整流器的输出快速 跟踪负载的需求，进一步提高了系统的控制效果。在进行控制器的设计和参数选 第一章绪论 择的时候，均建立了数学模型，并应用m a t l a b s i m u l i n k 软件对各种控制策略 进行了仿真分析和验证。 本课题进行p w m 可逆变换器的实验研究。硬件方面：在实验室前期硬件 设计的基础上，重新设计主电路参数，对控制板电路、驱动隔离板电路进行相应 的改动，并且对改动后的硬件电路进行检测，确保电路的正确性；软件方面：本 文采用c 语言编写p w m 可逆变化器的双闭环控制方法，进行实验研究。 本文的主要研究内容如下： 第一章绪论部分，对p w m 可逆变换器的拓扑结构及工作原理、应用领域、 以及相关的研究现状进行介绍和分析。 第二章建立了双p w m 可逆变换器的数学模型、传统p i 电压电流双闭环控 制方法，以及s v p w m 的最小开关损耗实现方法，并在m a t l a b s i m u l i n k 下建 立了仿真模型。在双p w m 交直交变换器的设计中，逆变器作为异步电机的驱 动。首先采用矢量控制方法，建立了电机控制系统的仿真模型，可以通过改变电 机的转速和负载转矩使电机在四象限运行。电机作为负载工作在电动和发电状态 使时，需要从电网吸收能量或回馈能量给电网，双p w m 变换器系统可以实现能 量在电网和负载电机之间的双向流动，通过在m a t l a b s i m u l i n k 下建立仿真模 型，观测并分析了在不同条件下对电机、直流电压、网侧电流的控制效果。 第三章研究了p w m 可逆变换器的非线性特性，在此基础上设计非线性控制 器，使直流电压快速跟踪负载变化，电压波动减小，可减小直流电容量。利用反 馈线性化控制改善系统的动态特性，通过仿真验证，减小了中间直流环节的电容 值后，仍然能获得满意的效果。最后，分析了在实际系统设计中，检测逆变器直 流侧电流的难度，提出利用电机的状态变量计算负载电流，使整流器的控制能精 确满足负载的需求，进一步提高了系统的动态响应速度。 第四章进行实验研究。在原有的硬件基础上进行改进，并对修改后的电路进 行检测，观测p w m 输出波形和m 桥式电路的交流侧输出波形，验证了硬件 电路的正确性。设计了系统的软件结构，利用c 语言编写程序，设计了p w m 可 逆变换器的电压电流双闭环p i 控制器的算法，完成了部分实验。 第五章对全文工作进行了总结，并对下一步工作进行了展望。 4 第二章双p w m 可逆变换器建模 第二章双p w m 可逆变换器建模 本章主要介绍可逆变换器的一般控制方法，电压电流双闭环的调节目的是使 直流侧电压跟踪给定值，网侧三相电流与电压同相位或反向，实现网侧电流单位 功率因数，提高电网的电能质量。但由于非线性负载，p w m 脉宽调制死区的存 在，以及电网电压三相不平衡，网侧电流中会产生谐波，本章将重复控制器加入 到整流器控制系统中，以减小整流器网侧电流谐波。最后，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立双p w m 可逆变换器一异步电机调速系统，并对电机调速性能，能量在变 换器中的双向流动进行了仿真分析。 2 1p w m 整流器的拓扑结构和工作原理 高功率因数双p w m 变频调速系统能实现网侧电流正弦化，运行于单位功 率因数，且能实现能量双向流动。所谓双p w m 变频调速系统是将p w m 整流和 p w m 变频调速系统进行整合，用p w m 整流取代传统的整流方式，与p w m 逆 变器组成交一直交变频器，在结合交流电机变频调速理论设计电机控制器，此 变频调速系统整流器与电网相连，逆变器驱动电机，网侧电流波形为正弦，功 率因数接近于1 ，可实现四象限运行，从而达到能量双向传送的目的，并且减少 对电网的污染，在双p w m 变频调速系统中p w m 整流器是关键部分。 按照p w m 整流器直流储能形式可将其分为电压型( 升压型或b o o s t 型) 和 电流型( 降压型或b u c k 型) 。其中电压型p w m 整流器以其简单的结构、较低 的损耗、方便的控制和较快的响应速度等优点，一直成为p w m 整流器研究的 重点。三相电压型p w m 整流器的数学模型如图2 1 所示。 图2 1 三相电压型变换器的典型拓扑结构 第二章双p w m 可逆变换器建模 p w m 整流器的设计要在其工作原理的基础上，推导出它的数学模型以建立 控制系统。 假设如图2 一l 所示电路，功率开关元件为理想开关，其通断可以用开关函数 描述，定义单极性二值逻辑开关函数为 疋； 1 七錾萎苎翌；二篓璧巷要 。2 。) w 10 ，上桥臂关断；下桥臂导通 一“ 【- 0 2 a ，b ，c ) 采用基尔霍夫电压定律建立a 相回路方程为： 三! + r , = 乞一( k i + 巧v d ) ( 2 2 ) 口f 当圪导通而吃关断时，足= l ，且= 吃；当圪关断而导通时，开关 函数疋= 0 ，且= 0 。由于= 幸，式( 2 2 ) 可改写成： 三! + 尺乞= 乞一( 珞宰咒+ 0 ) ( 2 3 ) 同理可得b 、c 回路的电压平衡方程： 哮4 - 戤= e b 一( 宰墨+ ) ( 2 - 4 ) 上拿4 - r i c = 巳一( 幸s c + v o ) ( 2 5 ) 口f 由于三相三线系统中，三相电流之和为0 ，且假设三相电网电压平衡，则 有： = 一争。荔。 ( 2 6 ) 再根据直流侧电流么与三相电流之间的关系，以及直流侧电容节点处运用 基尔霍夫定律，得到整流器在三相静止坐标系下的数学模型： 心- 鲁t = - r i o + e - ( s o 一半此亿7 ， i c d v ，d 。c = 屯疋+ 屯叉+ 之蔓一屯 为简化控制系统设计将三相对称静止坐标系进行同步旋转坐标变换，以电 网电压基波的旋转电压矢量进行定向，将三相静止坐标系( a b ，c ) 转换为两相静 止坐标系( 口，卢) ，然后再将两相静止坐标系变换成两相同步旋转由坐标系。 假设三相平衡，交流量的基波频率为c o ，三相静止坐标系( 曲，c ) 到两相垂 直静止坐标系( 口，p ) 的矢量关系如下： ( 以三相电压为例) 6 第二章双p w m 可逆变换器建模 脚吡料后 1一三一1 22 o 笪一鱼 22 ( 2 8 ) 再将两相静止坐标下的矢量( 电压矢量) 交换到以角频率旋转的由坐标 系中，为简化分析d 轴按电网电压矢量e 定向，d 轴分量表示有功分量，q 轴分 量表示无功分量。设初始条件下口轴与d 轴的夹角为，通用矢量( 电网电压) 在由轴和( a ，p ) 坐标系下的各分量满足下列关系： 笼 = - 一c o s s i n ( 矽织s 耋荔 乏 c 2 9 ， 式中，织= + c o t ，国为电网角频率。 电流矢量的由变换与上例中电压矢量的变换相同，由整流器在三相静止坐 标系下的数学模型可得到由坐标系下的数学模型： 哮一砒+ 矾= 白一吃兄 磅一砒屯+ 心= 一吃薯 ( 2 1 0 ) c 等味+ i d s d - i l 令圪= 蜀为三相整流器交流侧在由坐标系下的电压矢量的d 轴分量； = 吃为三相整流器交流侧在由坐标系下的电压矢量的g 轴分量。则可将上 式改写为如下形式： 三等砒啦= 吃一圪 喙一础+ 心= 白一_ ( 2 - 1 1 ) c d v d a t c = i q s l + i 茂一i t 2 2p w m 整流器的双闭环控制策略 2 2 1 电压电流双闭环p i 控制器 三相p w m 整流器需实现2 个控制目标：稳定直流侧电压和实现其交流侧在 受控功率因数( 一般为单位功率因数) 工作。因此采用双闭环控制，电压外环给 第二章双p w m 可逆变换器建模 噶= 一( 丢+ 詈( 一) 一+ ( 2 。2 ) lv d = - ( k i p + 鱼) ( e 一) + 砒+ 。 图2 - 2 电流控制整流器的结构 则己解耦的电流内环简化结构如图2 3 所示。 砟脚l i r i + ( r ) s 图2 - 3 电流内环简化结构图 图中，k e 删为脉宽讽制机制和p w m 桥路的等效增益；虻为电流环p i 调节 器输出的指令电压。 采用跟随性能好的典型i 型系统设计p i 控制器的参数，以p i 调节器的零点 抵消电流控制对象传递函数的极点，即雠= q ；专，电流环系统的开环传 递函数为： g o i ( s ) = 面g 丽p w m k i p ( 2 1 3 ) 第二章双p w m 可逆变换器建模 当系统阻尼比考= 0 7 0 7 时，二阶系统的上升时间和超调量性能最佳，由典 型i 型系统参数整定关系可得： ! ：! 互垒坠塑：三 r r i 2 求解得：= 芴互l = ，= 两互r ：= 电压外环的控制目标是稳定三相整流器直流侧电压， 为： ( 2 1 4 ) 令三相电网电压 l e a = u mc o s ( 0 【) t ) = u m c o s ( w t - 1 2 0 0 )( 2 1 5 ) 【巳= c o s ( w t + 1 2 0 0 ) 忽略p w m 谐波分量，则 也0 7 5 m i mc o s 0 o 7 5 l ( 2 1 6 ) 式中，0 为开关函数基波初始相位角，埘为p w m 调制比( m 1 ) 。 电流内环闭环传递函数可以简化成一个一阶惯性环节 一 1 g 02 l + 3 t ：( 2 - 1 7 ) 令d e = 0 7 5 l ，三相整流器电压环简化控制结构如下图所示，电压调节器 选用p i 调节器，取电压采样小惯性时间常数为f 。，并与电流内环等效小时间常 数3 l 合并，得到的结构图如图2 4 所示： 0 +k ( 1 + 正，s ) l 0 7 51 一卜_ 叫一卜_ 叫一 邵li ( f 。+ 3 e p + 1 s c 图2 _ 4 整流器电压外环结构图 其中，k ，、瓦为电压外环p i 调节器参数 由于电压环需要较好的抗扰性能，所以采用典型型系统进行参数整定。 互= 5 ( t ，+ 3 乃) ( 2 1 8 ) 一 4 c k ，= z i ( 2 1 9 )” ( f ，+ 3 i ) 一 7 根据以上分析，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立p w m 整流器的仿真模型。图 2 5 为p l 控制器的模型，采用前馈解耦控制，需要用到的前馈量从网侧线路获 取，并经过低通滤波器滤除整流器系统中的高次谐波，主要是i g b t 开关频率的 谐波，得到网侧电压电流用于解耦控制，完成p w m 整流器的电压电流双闭环控 制算法，p i 控制器的输出经过s v p w m 算法，得到6 路p w m 脉冲，控制i g b t 的开关状态。 9 第二章双p w m 可逆变换器建模 图2 - 5p i 控制器和前馈量的检测 2 2 2 最小开关损耗的s v p w m 控制算法 1 、区间分配： 传统的s v p w m 需要对三相正弦电压进行区间分配，按每6 0 0 为一个区间， 一个工作周期分为6 个区间，根据空间矢量的控制原理，三相正弦电压可视为 一个电压矢量u 来处理，组成幅值相同、相位不同的u ，从而使六边形尽可能 逼近准圆。区间划分条件如图2 - 6 所示，图中也标出了区间划分与基本电压空间 矢量的对应关系。 u ( 0 1 1 ) u ( 0 0 1 )坫0 0 1 ) 以( 1 0 0 ) 图2 - 6s v p w m 控制算法扇区划分 在图2 1 所示的三相桥式逆变器中，同一桥臂上下两开关器件状态互补，用 只，& ，& 表示a ，b ，c 三相上桥臂的开关状态，1 为导通，0 表示关断，则 可得到在不同开关状态下三相电压的幅值以及对应的电压空间矢量【1 8 1 ，表2 1 以 4 中电压空间矢量为例，列出了6 个i g b t 管的开关状态，交流侧三相电压，和 电压空间矢量的对应关系。 l o 第二章双p w m 可逆变换器建模 表2 1 逆变状态下4 种电压空间矢量 矢量 乩 玑 砜 s co f fo f fo f f。o f f s ao no no f fo f f s 8o f fo no no f f u a2 u o 33u o - 30 “矗砘l3v o 32 u o | 3o u c司o f 3 2 3司a | 30 u 2 3 ( u o e 7 0 )2 3 ( u o e 归7 3 ) 2 3 ( u o e 7 2 8 7 3 10 2 、矢量合成的最佳序列： 电压空间矢量选择及优化原则是： 为了优化开关频率，基本电压矢量的选择应该使每次基本电压矢量变化 时，只有一个功率器件发生动作，而且这种变化在开关周期内是循环的； 在一个开关周期中，基本电气矢量的选择是对称的； 零电压矢量的作用时间是等分配的。 根据此选择及优化原则，当u 位于区间i ，传统s v p w m 的矢量选择与合 成如图所示，矢量序列是乩，以，玩，哦，以，。 控制算法 如果要合成位于区间i 的u ，需要基本电压矢量，u ，砜，共同作用。其 作用时间为不，五，磊，乃，它们满足下列关系： 彤= 死肇+ 瓦玑+ 乃( 2 - 2 0 ) l t = r o + 乃+ 五+ 瓦 式中，t 为u 的作用时间。 功率器件的开关占空比为： i 五4 3l u l s i n ( t r 3 0 ) i 一= = - - - - - - - - - - - 一 ” ( 2 2 1 ) i 墨一, j 3 1 v l s i o 。 i 丁 第二章双p w m 可逆变换器建模 最小开关损耗s v p w m 控制及算法： 1 、改进算法与传统算法的基本原理一致，只是划分区间的角度不同。在改 进算法中，只选择一个零矢量来补足作用时间，如在区间i ，v 时取，而 在区间i i ，时取，如图2 7 所示。与采用两个零矢量的方法相比进一 步降低了开关损耗 1 6 - 1 7 】。 彳 b c o k r 2 广了 ，r l 五瓦| 乃i 乙i 瓦乃 ， 图2 7s v p w m 改进算法在一个周期内的波形 2 、控制算法： 如果要合成位于区间i 的电压矢量u ， 用时间瓦，磊，兀满足下列关系： i z u = 瓦u 。+ 瓦哦+ 瓦 【t = t o + 五+ 瓦 可得： 可以计算出： f 互：竺二丝 i 丁 i 墨：丝弛 【丁 变换成占空比的形式如下： 咖等+ 争= 皆 如= 争警 d c = 0 需要基本电压矢量乩，乩，砜，其作 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) | n 了 瓦 露 + + 丝3丝3塾3 当3 互 瓦 + + 0 o 瓦 瓦 = = 死 死 第二章双f w m 可逆变换器建模 上述为区间i 占空比的计算公式。同理，可得到其他区间的算法：i ， ，v 时取，而在区间i i ， 区觚伽l + 警，丸= l ，d c = 1 + u au + 。2 u c - 区觚咖o ，丸= 警，心2 警 区帆咖h 警，以= 警，如一 区胍丸= 警，九一o ，噍= 警 区间：以= 1 d n = 1 + 2 u a l + 。u c ，心= l + 1 u b + _ 2 u c s v p w m 数学模型和仿真结果： 。 采用m a t l a b s i m u l i n k 对s v p w m 算法进行了仿真，仿真参数为：直流电 压7 0 0 v ，负载电阻3 0 q ，滤波电感3 m h ，直流电容2 2 0 0 u f ，开关频率1 0 k h z 。 根据上述方法建立仿真模型，扇区选择和脉宽计算部分的仿真模型如图2 - 8 所呆 口 l 卢 _ -已 哐卜 一 _ -_ l l 门。 bu b 母 ： 叫：卜 - 一 廿_ 一 _ -_ r _ - 图2 - 8s v p w m 中扇区选择和脉宽计算的仿真模型 得到的仿真驱动波形如图2 - 9 所示，其中每相桥臂的功率器件在半个周波内 有6 0 0 的时间维持某一开关状态。由驱动波形可见，在一个周期内分别有1 2 0 0 时 间开关器件不动作，从而大大减少了开关次数，开关损耗自然也减少了三分之 一，因此开关损耗达到最小。 第二章双p w m 可逆变换罂建模 弘班玉m 图 9 $ v p w m 仿真波形图：a 相p w m 脉冲、逆变桥输出a 相电压、给定正弦电压 2 2 3p w i v l 整流器的能量反馈分析 本仿真中使变换器回馈能量给电阿。如图2 - 1 0 所示为p w m 整流器在直流 侧注入电流时的结构图。此时，变换器实现的功能包括： 1 ，保持直流侧电压为给定值。 2 、网侧的输入电流与电网电压反向回馈功率给电网，并且功率因数为 1 。 圈2 - 1 0p w m 整流器能量反馈模型 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立如图2 - l o 所示的仿真模型，直流侧的负 载是电流源，向整流器注入功率，电容的值仍取为2 2 0 0 u f 。如图2 - 1 l ( a ) 给出了 直流侧的电容电压和电容整流器侧的电流( 以流向负载为正方向) ，两项的乘积 即为整流器对直流侧的输出功率，表明了功率由直搋侧流向交流侧；图2 - 1 i ( b ) 绘出了网侧的a 相电压和输入电流的波形，为方便观测，将电流的值放大了5 倍，从图中可以看出整流器对输入电流的快速调节作用，电流波形正弦，且与 电网电压反向，实现网侧单位功率因数控制。 第二章艰p w m 可逆变换器建模 ( a ) 直流侧电压和电流的波形 o ) 阿侧的a 相电压和输入电流的波形 图2 - l l 直流蛔注入功率对的变挽器仿真波形 2 3 双p w m 可逆变换器设计 双p w m 可逆变换嚣系统主要包括接入网侧的p w m 可逆整流器中间直流 环节- 和接负载的逆变嚣。电机驱动系统广泛采用a c - d c a c 功率变换器电路 网侧电压接入整流嚣，中间直流环节的电容电压用来稳定直流电压，然后控制逆 变器作为电机调速系统的驱动。整流器和逆变器通过直流电窑连接。可以独立控 制。因此，直流环节需要一个大容量的直流电容为电压型逆变器提供稳定的直流 电压，一般采用电解电容。 图2 1 2 取p w m 可逆变换器系统模型 采用本章介绍的p w m 可逆变换器的双闭环控制方法，设计整流侧的控制 器，逆变器作为异步电机调速系统的驱动，采用矢量控制设计控制器。通过给定 第二章双p w m 可逆变换器建模 异步电机的转速和负载转矩，改变对异步电机的运行状态，使电机在电动和发电 状态切换，通过m a t l a b s i m u l i n k 仿真，分析了能量在双p w m 可逆变换器中 的双向