（电力系统及其自动化专业论文）基于pwm整流器的直流母线系统建模与仿真.pdf

英文摘要 a b s t r a c t i nt h em u l t i i n v e r t e rl o a dg o v e r n i n gs y s t e m ，p o w e re l e c t r o n i cc o n v e r t e ri sa ne s s e n t i a l p a r to fd e v i c e u s i n gt h et r a d i t i o n a lw i r i n gp r o g r a mo fe a c hm o t o ri se q u i p p e dw i t ha r e c t i f i e ra n di n v e r t e rd e v i c ei saw a s t eo fr e s o u r c e s ，a n di ti so f t e nt h ec a s et h a tt h e p o w e rw h i c hi sf e e d b a c kb yt h em o t o ri sc o n s u m e db yt h eb r a k i n gr e s i s t o r , r e s u l t i n gi n w a s t eo fe n e r g y h o w e v e r , t h eu s eo fm u l t i - i n v e r t e rw i r i n g 淅t l lac o m m o nd c b u s ， m a k et h ep o w e rf e e d m gb a c kc a nb ea b s o r b e db yo t h e re l e c t r i cm o t o r , a n dt h ee x c e s s e l e c t r i c i t yc a na l s ob ef e e d b a c kt ot h ep o w e rg r i dt h r o u g ht h ef e e d b a c kd e v i c e ，s ot h a t p o w e rc a nb ef u l l yu t i l i z e d a sar e s u l to ft h et r a d i t i o n a ld i o d e t h y r i s t o rr e c t i f i e ri sam a j o rs o u r c eo fp o l l u t i o nt o t h ep o w e rg r i d a n di ft h en o t c o n t r o l l e d s e m i - c o n t r o l l e dr e c t i f i e ri su s e di nt h ec o m m o n d cb u ss y s t e m ，af e e d b a c kd e v i c ei s n e c e s s a r y , i tm a k e st h es y s t e mb e c o m em o r e c o m p l e x p w mr e c t i f i e rh a st h ec h a r a c t e r i s t i c st h a tc o n t r o l l a b l ep o w e rf a c t o ra tt h es i d e o fp o w e rg r i d a n dn ol o wo r d e rh a r m o m ci d e a l l ye t c ，s ot h a ti t g i v eam o r ee f f e c t i v e s o l u t i o nt ot h ep o l l u t i o nw h i c hi sb r o u g h tb yr e c t i f i e r a tt h es u m et i m e ，i ta l s oh a st h e a d v a n t a g eo ft w o - w a yf l o wo fe n e r g y , t ob eu s e di nc o m m o nd cb u ss y s t e m ，f e e d b a c k d e v i c e sc o u l db es a v e d ，s ot h a tt h es t r u c t u r eo ft h es y s t e mi st ob es i m p l i f i e d t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h ew o r ko ft h ep w mr e c t i f i e r s p r i n c i p l e ，t o p o l o g ya n d m a t h e m a t i c a lm o d e l ，i t sp r i n c i p l eo fs v p w mc o n t r o ls t r a t e g ya n di m p l e m e n t a t i o n ，a n d i t sc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sb a s e do nd i r e c t c u r r e n tc o n t r o l ，a n dt h es i m u l a t i o no ft h e p w mr e c t i f i e rs y s t e mu n d e rs i m u l i n k i ta l s oi n t r o d u c e st h ed i g i t a lr e a l i z a t i o na n d m o d e l i n gi ns i m u l i n ke n v i r o n m e n to fs v p w m o nt h ec o m p o s i t i o no fc o m m o nd c b u ss y s t e m ，as i m p l em o d e lo fd cb u ss y s t e mh a sb e e ng i v e nt od e s c r i b et h es y s t e m ， g i v e nam e t h o di ne s t i m a t e so fr e c t i f i e rc a p a c i t yw h i c hi si na c c o r d a n c e 、i t i lt h e c h a n g e so fl o a d ，a n dt h ec a l c u l a t i o no ft h ea r e af o rt h ed cb u s i nt h el a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t ，t a k et i sc h i pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a st h ec o r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，r e a l i z e s t h el o w - p o w e rp r o t o t y p eo fp w m r e c t i f i e r k e yw o r d s ：p w mr e c t i f i e r ；s v p w m ；d cb u s ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；d s p 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 = = 基壬迎丛墼速墨的直速堡线丕统建搓生笾真：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公歹t 发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者釜名：复数 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：虿雄 导师签名：7 日期：钾年7 月日 基于p w m 整流器的直流母线系统建模与仿真 第一章绪论 1 1 课题背景 本文以大连华锐股份有限公司电控装备厂与大连海事大学合作开发的项目： 船舶电力推进直接转矩控制系统关键装置的研究为背景。该项目主要内容有：三 电平双p w m 变流器；中压变流技术；基于d s p 实现的直接转矩控制系统；基于 d s p 的磁链观测器。在本文中主要完成项目中的p w m 变流器部分的数学建模、 s i m u l i n k 仿真及其软硬件实现，并将其作为直流母线系统的直流电源。将直流母线 系统应用于船舶电力推进系统中，可使系统中工作于回馈制动状态的电机回馈的 能量被电动状态的电动机吸收，达到节能、提高设备运行可靠性、减少设备维护 量和设备占地面积等目的，将会成为船舶电力推进系统的发展方向之一。 1 1 1p w m 整流技术概述 随着电力电子技术的发展，功率开关器件性能的不断提高，新型的全控型功 率开关器件：如双极型晶体管( b j t ) 、门极可关断晶闸管( 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 ) 等逐渐开始取代早期广泛应用的半控型功率开关器件： 如普通晶闸管( s c r ) 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。功率半导体开关器件工艺及技术的 进步，大大的促进了电力电子变流技术的发展，出现了以脉宽调制( p w m ) 控制 为基础的各类变流装置，这些变流装置也在国民经济的各个领域得到了广泛的应 用。由于变流装置的大部分都需要整流环节，而传统的二极管不控整流电路或晶 闸管相控整流电路会对电网注入大量的谐波及无功功率，成为电网的主要污染源。 因此人们将p w m 技术引入到整流器中，使得整流器网侧电流正弦化，且可运行于 单位功率因数，并能实现能量的双向流动。能量可双向流动的整流器不仅体现了 a c d c 变换特性，也呈现了d c a c 变换特性，它实际上是一种新型的可逆变流器。 由于p w m 整流器实现了网侧电流的正弦化，且运行于单位功率因数，并能够 实现能量的双向传输，实现了“绿色电能变换”。因而使其得到了广泛的应用，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 以及风能、太阳 第一章绪论 能等可再生能源的并网发电等。 1 1 2 直流母线技术概述 随着当今交流控制技术的发展，高性能交流调速系统应运而生，交直流拖动 按调速性能分工的格局被打破了。直流电动机和交流电动机相比的缺点日益显露， 如具有电刷和换向器因而必须经常检查维修，换向火花使它的应用环境受到限制， 换向能力限制了直流电动机的容量和速度等，因此采用交流电机代替直流电机应 用于调速系统已成为拖动技术发展的趋势。然而，在带有多台交流电动机的整条 自动化生产线上，每台交流电动机都需要使用一台变频器来驱动( 每台变频器都 包括了整流和逆变两个环节) ，这种驱动方式是很不经济的而且主电路结构庞大， 故障率提高，影响系统的运行。对于有些起制动频繁、动态性能要求较高的生产 机械，制动能量要不断回馈电网，或消耗在制动电阻上，其消耗的能量也是可观 的。因此人们提出了变频器公用直流母线的供电方式。 1 2 现状与发展 1 2 1p w m 整流技术的现状与发展 在电力电子技术发展的过程中，整流器是较早应用的一种a c d c 变换装置。 整流器的发展经历了不控整流( 二极管整流) 、相控整流( 晶闸管整流) 到p w m 整流( 门极可关断功率半导体器件) 的发展历程。其中传统的相控整流应用的时 间较长、技术也较成熟，但其存在着：晶闸管换向引起网侧电压波形畸变、网侧 谐波电流对电网产生谐波污染、深控时网侧功率因数降低、闭环控制时动态响应 相对较慢等缺点。二极管整流改善了整流器网侧的功率因数，但其不可控，且仍 会对电网产生谐波污染。因此，针对以上不足，人们提出了p w m 整流的思想。 p w m 整流器的研究开始于2 0 世纪8 0 年代，这一时期由于自关断器件的日趋 成熟及应用，推动了p w m 技术的应用与研究。在此期间，b u s s ea l f r e d 、h o l t z j o a c h i m 等人提出了基于可关断半导体器件的三相全桥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电 流控制。在此基础上a k a g ih i r o f u m i 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 1 ，即电压型p w m 整流器设计思想。到了2 0 世纪8 0 年代末，a w g r e e n 2 基u - p w m 整流器的直流母线系统建模与仿真 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【1 6 1 ， p w m 整流器的研究发展到了一个新的高度。自2 0 世纪9 0 年代以来，关于p w m 整流器的研究成为学术界关注的焦点。这一时期p w m 整流器的研究主要集中在以 下几个方面：p w m 整流器的建模与分析；电压型p w m 整流器的电流控制；主电 路拓扑结构的研究；电流型p w m 整流器的研究等。 经过各国学者的不断研究与实验发现，p w m 整流器可取得以下优良性能：网 侧电流正弦化、网侧功率因数可控、电能双向传输、动态响应较快。因此，p w m 整流器基本改善了不控整流和相控整流的不足，并逐渐取代了不控整流器和相控 整流器成为人们关注及应用的焦点。并且，随着电力电子技术、控制技术、微处 理技术的不断发展，p w m 整流器也有向多功能化、高频化、数字化和低损耗的方 向发展。 1 2 2 直流母线技术的现状与发展。 公共直流母线技术是在多电机交流调速系统中，采用单独的整流回馈装置为 系统提供一定功率的直流电源，调速用逆变器直接挂接在直流母线上。当系统工 作在电动状态时，逆变器从母线上获取电能；当系统工作在发电状态时，能量通 过母线及回馈装置直接回馈给电网，以达到节能、提高设备运行可靠性、减少设 备维护量和设备占地面积等目的。 相对于传统的多电机电气传动系统，直流母线系统的优点十分显著，受到了 工程应用领域的高度重视。目前变频器共用直流母线系统已经被广泛的应用于纺 织、造纸、轧钢、离心机等需要多电机传动的工程领域，并取得了较好的效果。 各大变频器的生产厂商也纷纷研制出了适用于直流母线系统的供电单元，如西门 子公司的s i m o v e r tm a s t e rd r i v e r s6 s e 7 0 系列全数字整流器供电单元等。 但市面上现有的供电单元中，整流和回馈是通过两组不同的装来实现的，如果我 们能用一组装置来实现整流及回馈两种功能，系统的规模又会大幅度的减小。那 么，将p w m 整流器应用于直流母线系统，将成为直流母线系统未来的发展趋势。 1 3 本文内容 本文对基于直流母线下多逆变器负载局域电力系统进行的研究，主要集中在 两个方面：母线电压的产生，即s v p w m 整流器的研究；局域电力系统的建立。 3 第一章绪论 全文安排如下： 第一章：介绍课题提出的背景，及p w m 整流器和直流母线系统的发展状况； 第二章：介绍p w m 整流器的原理，数学建模及仿真； 第三章：介绍空间电压矢量控制的原理，及其实现，并进行数学建模与m a t l a b 仿真； 第四章：在m a t l a b s i m u l i n k 环境下构建简单的多逆变器负载的局域电力系统， 并对仿真结果进行分析，给出母线上能量流动图，整流器容量选择的依据与母线 截面的选择； 第五章：完成p w m 整流器的控制系统及主电路的硬件设计； 第六章：完成p w m 整流器控制系统的软件设计； 第七章：对课题内容进行总结，完成全部课题计划。 4 基于p w m 整流器的直流母线系统建模与仿真 第二章p w m 整流器的原理 p w m 整流器采用全控型功率开关器件，与传统意义上的a c d c 变换装置不 同之处在于，它可以实现能量的双向流动。当p w m 整流器从电网吸收电能时，其 运行于整流状态；当p w m 整流器向电网回馈电能时，其运行于有源逆变状态。 p w m 整流器的模型电路如图2 1 所示。 严 l 一0 r e e l 图2 1p w m 整流器模型电路 f i g2 1p w m r e c t i f i e rm o d e lc i r c u i t 由图2 1 可以看出，p w m 整流器模型电路由交流回路、功率开关桥路及直流 回路组成。其中交流回路包括交流电动势e 及网侧电感三等；直流回路包括负载电 阻r ，及负载电动势e ，等。当交流侧电压、电流分别为v 、f ，直流侧电压、电流分 别为v 护i 出时，根据能量守恒定理，整流器交流侧与直流侧有i v = 么，出的平衡关 系。因此，当只考虑基波分量而忽略p w m 谐波，并忽略交流侧电阻，且以电网电 动势矢量为参考时，通过控制交流电压矢量y 就能控制直流侧的各量，实现p w m 整流器的四象限运行。稳态条件下，p w m 整流器交流侧矢量关系如图2 2 所示。 dddd 姐c 书固c b r b 、 b f c l b r 小 图2 2p w m 整流器交流侧稳态矢量关系图 f i g2 2p w mr e c t i f i e ra cs i d es t a t i cs t a t ev e c t o rr e l a t i o n ( a )纯电感特性( b ) 正电阻特性( c ) 纯电容特性( d ) 负电阻特性 ( a ) p u r ei n d u c t a n c ec h a r a c t e d s t i c( b ) p o s s i t v er e s i s t o rc h a r a c t e r i s t i c ( c ) p u r ec a p a c i t a n c ec h a r a c t e r i s t i c( d ) n e s s i t i v er e s i s t o rc h a r a c t e r i s t i c 5 第二章p w m 整流器的原理 若假设l ，l 不变，那么i 圪i = t a li i 不变，因此，p w m 整流器交流侧电压矢量矿端 点的运动轨迹就构成了一个以i 巧i 为半径的圆。当p w m 整流器网侧呈现纯电感特 性时，电压矢量y 的端点位于圆轨迹的a 点，电流矢量，滞后于电动势矢量e9 0 0 ， 如图2 2 a 所示；当p w m 整流器网侧呈现正电阻特性时，电压矢量矿的端点位于 圆轨迹的b 点，电流矢量，与电动势矢量e 平行且同相位，如图2 2 b 所示；当p w m 整流器网侧呈纯电容特性时，电压矢量y 的端点位于圆轨迹的c 点，电流矢量，超 前于电动势矢量e9 0 0 ，如图2 2 c 所示；当p w m 整流器网侧呈负电阻特性时，电 压矢量矿的端点位于圆轨迹的d 点，电流矢量，与电动势矢量e 平行但方向相反， 如图2 2 d 所示。进一步分析p w m 整流器的四象限运行，有如下规律： ( 1 ) 电压矢量矿的端点在弧a b 上运动时，p w m 整流器运行于整流状态。 此时，p w m 整流器需从电网吸收有功及感性无功功率，电能通过p w m 整流器由 电网传输到直流负载。 ( 2 ) 电压矢量矿的端点在弧b c 上运动时，p w m 整流器运行于整流状态。此 时，p w m 整流器需从电网吸收有功及容性无功功率，电能通过p w m 整流器由电 网传输到直流负载。 ( 3 ) 电压矢量y 的端点在弧c d 上运动时，p w m 整流器运行于有源逆变状 态。此时，p w m 整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能通过p w m 整流器 由直流侧回馈至电网。 ( 4 ) 电压矢量y 的端点在弧d a 上运动时，p w m 整流器运行于有源逆变状 态。此时，p w m 整流器向电网传输有功及感性无功功率，电能通过p w m 整流器 由直流侧回馈至电网。 2 1 整流器主电路的数学建模与s i m u l i n k 仿真 2 1 1 整流器主电路的数学建模 三相电压型p w m 整流器的拓扑结构如图2 3 所示。 6 基于p w m 整流器的直流母线系统建模与仿真 j 出 图2 3 三相电压型p w m 整流器拓扑结构图 f i 9 2 3t h r e e f a c ev o l t a g et y p ep w mr e c t i f i e rc o n f i g u r a t i o n 在建模之前，我们通常作以下假设【1 8 】： ( 1 ) 电网电动势为三相稳定的纯正弦波电动势巳、e b 、巳； ( 2 ) 网侧滤波电感三是线性的，且不考虑饱和； ( 3 ) 功率开关损耗与交流滤波电感等效电阻合并以电阻r 表示； ( 4 ) 为描述三相电压型p w m 整流器能量的双向流动，我们假设其直流侧负 载由电阻如和直流电动势气串联表示。 根据以上假设，我们可以建立开关函数描述的三相电压型p w m 整流器的一般 数学模型。 在图2 3 中，当直流电动势e z = 0 时，直流侧为纯电阻负载，此时整流器只能 运行于整流状态；当e l 时，整流器既可运行于整流状态，又可以运行在有源 逆变状态，当运行于有源逆变状态时，负载吒所发电能向电网输送；当气 0 时，a = 1 ；v ps0 时，a = 0 。 令3 k v p 0 时，b = 1 ；3 一v p 0 时，b = 0 。 令一( 3 k + 1 b ) 0 时，c = 1 ；一( 3 吒+ v p ) 0 时，c = 0 。 那么，电压矢量v 所在的扇区可由n = a + 2 b + 4 c 确定。 n 值与扇区号之间的对应关系如表3 2 所示。 表3 2n 值与扇区号的对应关系表 t a b3 2t h er e l a t i o n s h i po f na n dn u m b e rs u b a r e a n123456 扇区号 i iii v 在s i m u l i n k 环境下仿真实现扇区判断的模型如图3 5 所示。 j _ _ _ _ _ _ _ _ _ l 一1 冰、p 图3 5 判断电压矢量v 所在扇区仿真模型图 f i 9 3 5c o n f i r mv p o s i t i o ns i m u l a t i o nm o d e l 2 4 基于p w m 整流器的直流母线系统建模与仿真 3 2 2 计算电压矢量作用时l 司t 1 、t 2 计算电压矢量作用时间t i 、t 2 之前，首先要定义以下三个变量x 、y 、z ， x = 4 3 v b t v 出： 川鲁v 。毒删v 出； z = c 竽v 。专删v 出； 那么电压矢量的作用时间就可以按以下的对应关系来确定( 如表3 3 所示) 。 当考虑到饱和时，还要进行以下判断：若t 1 + t 2 丁，则取巧= 互+ r ( 瓦+ 瓦) ， 瓦= 乏母t ( t l + 瓦) 。 表3 3t 1 、t 2 与x 、y 、z 对应关系表 t a b l e 3 3 t l ，t 2a n dx ，y ，zc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n 扇区号 ii i1 i iv 巧 zyz xx y 互 y xxz y z 在s i m u l i n k 环境下变量x 、y 、z 的计算模型及空间电压矢量作用时间t l 、t 2 的计算模型如图3 6 所示。 图3 6a ) 变- 单8 - x 、y 、z 计算仿真模型 f i 9 3 6a ) c a l c u l a t i o no fx ，y , zs i m u l a t i o nm o d e l 第二章空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术原理与建模 r 1 、” n 一 一上_ 卜_ 1 呻1 使r r s v - t o h 一- - 卜一 啼i r l m u i t , p 口t + 0 - m s 坩t c h cddl l 一 出 ! 一， o 卜 ， = d 由 、_ 一 3 r i 、 l 一。一 z ： g n 2 图3 6b ) 电压矢量作用时间t l 、t 2 计算仿真模型 f i 9 3 6b ) c a l c u l a t i o no fl ，t 2s i m u l a t i o nm o d e l t 2 d 3 2 3 计算电压矢量切换点d 、e 、f 定义变量l 、瓦、瓦，使 l = ( 丁一正一疋) 4 ； 瓦= l + 互2 ； 疋= 瓦+ 互2 。 则在不同扇区内电压矢量切换点d 、e 、f 与变量瓦、瓦、正有如下的对应 关系( 如表3 3 所示) 。 表3 3 不同扇区内电压矢量切换点d 、e 、f 与变量疋、瓦、瓦的对应关系表 t a b l e 3 3d ，e ，fa n d l ，瓦，疋c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n 扇区号 ii iiv d 瓦疋lzt 瓦 e 瓦疋瓦瓦瓦瓦 f 疋瓦瓦瓦瓦疋 在s i m u l i n k 环境下电压矢量切换点的计算仿真模型如图3 7 所示。 2 6 基于p w m 整流器的直流母线系统建模与仿真 图3 7 电压矢量切换点仿真模型图 f i 9 3 7a s c e r t a i nd ，e ，es i m u l a t i o nm o d e l 3 2 4 脉冲产生 经过以上的分析与仿真后，得到图3 8 所示的脉冲s 。、s 。的产生仿真模 型。 图3 8 脉冲s 。、s 。的产生仿真模型 f i 9 3 8p u l s es 口，sb ，scc r e a t i o ns i m u l a t i o nm o d e l 最后，将以上的建模加以综合之后，就形成了整体的s v p w m 波产生模型， 2 7 第三章空间电压欠量脉宽调制( s v p w m ) 技术原理与建模 如图3 9 所示。 己三 t 4 v d c r 、 u h 忸 2 u 柏 u b e t a n u a l f a i 厂 工) 一一。 l o t o n i 翱一一 s a r ”1 2 ；p 。i s b 叫r 砷呻眦轴卜l ，2 ) - 。e i s 岫h 。1 1 l o 旧w h s c t o 帕 s u l 晦y s t e t a 7 参3 r ；。 s u b s y s t 硼6 图3 9s v p w m 波生成模型 f i 9 3 9s v p w mc r e a t i o ns i m u l a t i o nm o d e l 基于p w m 整流器的直流母线系统建模与仿真 第四章直流母线系统的建立与分析 公用直流母线系统在多电机交流调速系统中，采用单独的整流回馈装置为系 统提供直流电源，调速用逆变器直接挂接在直流母线上。当电机工作在电动状态 时，逆变器从母线上获取电能；当电机工作在发电状态时，能量通过母线及回馈 装置直接回馈给电网，这样就达到了节能、提高设备运行可靠性、减少设备维护 量和设备占地面积等目的。 公用直流母线控制系统由整流回馈装置、直流母线及逆变单元组成。其结构 框图如图4 1 所示。 “1 譬 三相进线 p w mr e c t i f i e r 。 i1 ：b u s i n v e r t e ri n v e r t e r i n v e r t e r i n v e r t e r 66 图4 1 直流母线系统结构框图 f i 酣1d cb u ss y s t e mc o n f i g u r a t i o n 4 1 整流回馈装置与直流母线 本文中，整流装置采用了p w m 整流器。三相交流电压接入后，通过p w m 整 流器整流成直流电压，为以后的逆变器负载提供直流稳压电源。同时，由于其具 有四象限运行能量双向流动的特点，也可在直流母线电压升高时作为逆变器，将 直流母线上剩于的能量回馈电网，因此p w m 整流器也可以完成回馈装置的功能， 第四章直流母线系统的建立与分析 这样就为整个的直流母线系统节约了资源，使系统的到简化，减小了系统的占地 空间的同时还节约了成本。p w m 整流器的原理及其数学模型与仿真在第二章中做 了详细说明，在此不再赘述。 直流母线的作用是为逆变器提供直流稳压电源。本文中的直流电压来自于 p w m 整流器的输出，由于p w m 整流器的控制系统采用了电压电流双闭环控制， 使输出的直流电压能快速的跟踪给定在稳定后相当于恒压电源，因此，其数学模 型可以用稳压直流电压源来描述。 4 2 逆变器电动机负载 本文中的负载，采用的是p w m 逆变器接电动机负载。其中，逆变器采用p w m 控制策略，利用m a t l a b s i m u l i n k s i m p o w e r s y s t e m 中的u n i v e r s a lb r i d g e 及p w m g e n e r a t o r 构成。电动机采用三相交流异步电动机，其数学模型描述如下：三相交 流异步电动机在三相静止坐标系下的数学模型是一个多变量、高阶、非线性、强 耦合的复杂系统，其动、静态性能非常复杂，存在许多耦合变量，故很难对转速 和磁链进行高性能控制。为了使三相异步电动机具有可控性、可观性，我们利用 了三相静止坐标系到两相旋转坐标系的坐标变换对其进行解耦控制。因此本文采 用的是基于异步电动机在两相旋转d q 坐标系下的数学模型【4 2 1 ，按转子磁场定向， 将转子磁链矢量、i ，r 与d 轴同向，q 轴垂直与d 轴，这样、l ，r 在q 轴上的分量为零， 它唯一地由d 轴绕组上的电流所决定，即： 甲耐2 甲r = 三m o + ，如4 1 【甲巧= 0 = 厶i , q + 0 i = z 由 1t 。, = n p l r , , ( i s q 如电h 每柳， 4 2 其中 广1 1 u a q2u s d 材r du r q j 。 基y - p w m 整流器的直流母线系统建模与仿真 z 由= r s + l 。p c o s l s l m p k - 0 s l s r s + l s p 一厶 厶p 锄= 岛 7 ； d p 2 瓦。 l m p c o 。厶 r r + l r p l 堋，乙 l m p 厶 r r + l r p 上。为定子一相绕组的等效自感； l 为转子一相绕组的等效自感； l 为定、转子一相绕组的等效互感； 足、尺，分别为定、转子每相电阻； 。为同步旋转角速度。 。由于在m a t l a b s i m u l i n k s i m p o w e r s y s t e m 中的交流异步电动机机模型即是按转 子磁场定向两相旋转坐标系d q 下的模型，因此，在仿真中直接应用了p o w e r l i b 中 的电动机模型，不再另外的绘制电动机的数学模型。 4 3 多逆变器负载的直流母线系统仿真 三相异步电机在大多数的情况下都是作为电动机运行，作为发电机运行的情 况极少。电动状态运行时，电机的电磁转矩乃与电机转子的转速咒同方向。一般情 况下，电机只有工作在回馈制动状态时，其才作为发电机运行，此时电机的电磁 转矩与电机转子的转速刀方向相反，使转子转速降低，达到制动的目的。对于三 相异步电机而言，回馈制动的条件是电动机的转速玎超过同步转速，z l 时，转子绕组 对旋转磁场的相对切割方向由逆旋转磁场方向变为顺旋转磁场方向，转子感应电 势和电流的有功分量方向均与电动时的方向相反，使得电磁转矩也改变了方向， 变成与转子转速方向相反的制动转矩。此时电机的电磁功率从转子传到定子，电 机向电网输出电磁功率。虽然回馈制动一般都发生在电机调速的过度过程中，一 般持续的时间不长，但是其发出的能量也是相当可观的。在传统的调速系统中， 一般都采用外接电阻的方式，将这一部分能量以热能的形弋消耗掉，这样就造成 了能量的浪费。采用直流母线系统，就可以把以热能消耗掉的这部分能量通过逆 第四章直流母线系统的建立与分析 变器中的续流二极管整流后反馈到直流母线，用于其他电动状态的负载，避免能 量的浪费。回馈的能量表现在母线上的形式分为两种情况： 1 当整流器的储能元件采用大电容，即电压型p w m 整流，下挂电压型逆变 器负载时，由于电容两端的电压不能突变，所以能量的变化主要表现在电流的增 大、减小或反向； 2 当整流器的储能元件采用大电感，即电流型p w m 整流，下挂电流型逆变 器负载时，由于流过电感的电流不能突变，所以能量的变化主要表现在电压的升 高、较低或反向。 以下以四逆变器负载的直流母线系统为例构建了一个多逆变器负载的局域电 力系统其m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型如图4 2 所示。 在该模型中，四个逆变器负载共用一组直流电源，电动机采用按转子定向d q 坐标系下的鼠笼式异步电机模型，模型中的t m 为负载转矩输入，通过改变负载的 大小及方向- q - 以改变电机的工作状态( 乙 0 时电机工作在电动状态，乙 0 时电 机工作在发电状态) ，m 为电动机的各个参数的测量输出端，其后连接 m a c h i n e s m e a s u r m e n t d e m u x 后即可通过示波器观测的电动机运行时各参数( 定子 电压、电流、磁通，转子电压、电流、磁通，电磁转矩，转速及转子位置等) 的 大小及其变化情况。 模型中，电机模型选用鼠笼式异步电机，机械输入为负载转矩l ，电机的其 他参数如下：额定功率p n = 5 4 h p ( 4 k w ) ，额定频率 = 5 0 h z ，额定转速 n = 1 4 3 0 r p m ，额定线电压u = 4 0 0 v ，定子电阻r s = 1 4 0 5 f 2 ，定子电感 l 。= 0 0 0 5 8 3 9 h ，转子电阻r ，= 1 3 9 5 f 2 ，转子电感l ，= 0 0 0 5 8 3 9 h ，定、转子一 相绕组的互感。= o 17 2 2 h ，转动惯量j = 0 0 1 3 1 k g m 2 ，极对数p = 2 。 由于整流侧采用电压型p w m 整流器供电，因此直流母线采用5 4 0 v 直流稳压 电源来模拟，逆变器采用i g b t 反并联二极管作为功率开关器件，逆变器输出采用 了l c 滤波，使得加在电机上的三相电压更接近正弦。为体现当电机工作状态发生 变化时，直流母线上的能量变化，本文进行了三组仿真：其一，模型中的电机全 部工作在空载的电动状态，其仿真波形如图4 3 所示；其二：在f = 0 5 s 时，给电 机m 1 施加一个乙= 一5 0 n m 的电磁转矩使其在t = 0 5 s 之后工作于发电状态，其 3 2 基丁p w m 整流器的直流母线系统建模与仿真 仿真波形如图4 4 所示；其三，在r = 0 5 s 时，给电机m 1 、m 2 分别施加一个 乙= - 5 0 n m 的电磁转矩使其在t = o 5 s 之后工作于发电状态，其仿真波形如图4 5 所示。 图4 2 直流母线系统仿真模型图 f i 酣2d cb u ss y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l 第四章直流母线系统的建立与分析 a 三相定于电流波形b 单相定子电流波形 c 电机转子电流、转子磁通、电子电压、转速与电磁转矩波形 d 母线电流波形e 母线电压波形 图4 3 电机全部丁作于电动状态时仿真波形幽 f 1 9 43 a l l t h e m a c h i n e sa r e m o t o r ss i m u l a t i o n w a v e 基丁p w m 蒂流器的直流母线系统建模与仿真 a 电机三相定于电流波形b 电机单相定子电流波形 c 电机转子电流、转子磁通、电子电压、转速与电磁转矩波形 d 母线电流波形e 母线电压波形 图4 4t = 05 s 后，m 1 丁忭于技电状态仿真波形 h 9 44 a f t e r 05 s m ii s g e n e r a t o rs i m u l a t i o n w a v e 蔸四章直流母线系统的建立与分析 a 母线电流波形 b 母线电压波形 图4 5 忙05 s 后，m i 、m 2 工作于发电状态仿真波形 f i 9 45 a i t e r 0 5 s m 1a n d m 2 a r eg e n e r a t o r ss i m u l a t i o n w a v e 由图43 图45 的比较，可以看出；当电机全部工作于电动状态时，直流母 线输出的最太势在功率为p = kl = 5 4 0 * 7 5 = 4 05 k v a ；当只有一部电机工作于发 电状态时，直流母线输出的最大势在功率为p = hl = 5 4 0 + 6 8 = 3 67 2 k y a ，直流 母线输出电能为电机全部工作于电动状态时母线输出电能的9 0 6 7 ；当有两部电 机工作于发电状态时直流母线输出的最大势在功率为 p ：n ，。= 5 4 0 * 6 0 = 3 2 4 0 k v a ，此时直流母线输出的电能为电机全部工作于电 动状态时母线输出电能的8 0 。由此结果，可以得到以下结论：当电压型直流母 线系统中的电机负载由电动状卷变为发电状态时其回馈到直流母线上的能量被 其他电动机负载吸收使得直流母线上的电流减小，输出的电能减少a 在忽略系 统中线路等的损耗条件下，由能量守恒定理可以得出整个直流母线系统从电网吸 收的能量减少避免了再生能量通过制动电阻等消耗掉所造成的电能的浪费。由 仿真结果的对比还可以看出，对于电压型直流母线系统来说，能量的变化体现在 母线电流的增大或减小，与分析结果一致。根据仿真结果，可以绘出母线系统的 能量流动图，如图4 6 所示。 基于p w m 整流器的直流母线系统建模与仿真 p o + p l + p 二一p 3 - p 4 图4 6 直流母线系统能量流动图 f i 9 4 6t h ep o w e rs t r e a mo fd cb u ss y s t e m 4 4 直流母线下多逆变器负载的负荷计算 假设直流母线下只带动一组电机组时，按照需要系数法【删计算电力负荷。当 该电机组由刀台电机构成，并且第f 台电机的额定功率为民时，该电机组的设备容 量( 不含备用电机) 为： 只= f = l 4 3 如果这，z 台电机的平均加权效率为”，那么该设备组从母线上获得的有功功率 为： p=q(kw)44 由于，这台电机不可能同时运行，因此定义同时运行系数 ， 在最大负荷期间投入运行的电机额定容量的总和 ” 全部电机的总设备容量 那么，在最大负荷期间，直流母线所供给的最大有功功率为 p 。：生只( 后形) 4 5 o i 如果同时投入运行的电机中，工作于发电状态的电机所占比率为k ，那么， 工作于电动状态的电动机所占的比率即为( 1 - k g ) 。此时直流母线需向负载供给的 最大有功功率就变为： ，= 鲁( 1 _ 2 k 麒彬) 4 6 3 7 第四章直流母线系统的建立与分析 由于投入运行的电机不可能都满载运行，因此考虑拖动电机发电的负载的平 均加权负荷系数为咯，电动机所拖动的负载的平均加权负荷系数为，则在最大 负荷期间，直流母线所供给的实际最大有功功率为： 儿掣瑚一勺k 驰矿) 4 7 考虑到设备运行时，逆变器等所引起的功率损耗也由直流母线供给，因此当 直流母线的供电效率为n ，时，直流母线所需供给的实际最大有功功率为： 尸2 击 卅一b 拇形) 4 8 令颤2 宰杀 ( 1 一哎) 一b 镌 ，吒为需要系数时，式4 8 可以改写成 p=t只(七形)49 由以上的计算结果，可以推算出该电机组的无功计算负荷、视在计算负荷和 计算电流分别为： q = p t a n ( p ( kv a r ) 4 1 0 s = 尸2 + q 2 = p i c o s ( p ( k v a ) 4 1 1 i：s4r3u(a)412 其中c o s ( p 电机组的平均功率因数；