（电力系统及其自动化专业论文）基于pwm技术的电动机模拟器.pdf

a b s t r a c t i n d u c t i o nm o t o ri so n eo ft h en e c e s s a r yp o w e rl o a ds i m u l a t o re q u i p m e n t si nt h e d y n a m i cm o d e ll a b o r a t o r yo f p o w e rs y s t e m b u ti ti sr o o mc o n s u m i n g ，n o tc o n v e n i e n t t oa d j u s t ，e l e c t r i cp o w e re n e r g yc o n s u m i n ga n dt h er e p e a t i n gs t a r t i n gp r o c e d u r et r i a l s w i l ld os e r i o u sd a m a g et ot h ei n t e m a ls t r u c t u r eo ft h em o t o r t os o l v et h e s ep r o b l e m s ， a d o p t i n gt h ep r i n c i p l eo fv o l t a g e - t y p ep w mc o n v e r t e r , c o n s i d e r i n ga b o u tt h eh i g h p o w e ra ce n v i r o n m e n ti nt h ee l e c t r i cp o w e re n v i r o n m e n t , t h em o t o rs i m u l a t o ri s d e s i g n e db a s e do nt h et h r e e p h a s ea ct y p es e p a r a t e c o n t r o l l e da c - - d c - - a cp o w e r l o a ds i m u l a t o n f o rt h et h r e e - p h a s ea ct y p e s e p a r a t e c o n t r o l l e da c - d c - a cp o w e rl o a d s i m u l a t o r ，w h i l et h ev o l t - a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rl o a da r es i m u l a t e db yt h e a c d cp a r t ，t h es t a b i l i t yc o n t r o lf o rt h ed c v o l t a g ei nt h es i m u l a t o ri sa c c o m p l i s h e d b yt h ed c a cp a r t m e a n w h i l e ，i no r d e rt oi m p r o v et h ef e e d b a c ke f f i c i e n c yo ft h e s i m u l a t o r , u n i tp o w e rf a c t o rc o n t r o li sa p p l i e di nt h ef e e d b a c kc u r r e n t a c c o r d i n gt o t h eb i gc u r r e n ta n dr a p i dc h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o r , s o m ei m p r o v e m e n t s l i k et h ep a r a l l e lc o n n e c t i o ns t r u c t u r ea n dt h ep h a s e s h i f tt e c h n i q u ei sa d o p t e do nt h e t h r e e p h a s ea ct y p ep o w e rl o a ds i m u l a t o r f o re n s u r i n gt h eq u a l i t yo ft h ef e e d - - b a c k c u r r e n t ，t h eg e n e t i ca l g o r i t h mi ss u p p l i e df o rt h ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o no ft h ep i d c o n t r o l l e r a b o u tt h em o t o rs i m u l a t o rb a s eo np w m ，n o to n l yt h ee x a c tv o l t a m p e r e c h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o ri ss i m u l a t e d ，b u ta l s ot h eh i 曲q u a l i t yf e e d b a c ke l e c t r i c p o w e rt ot h ee x t e r n a lp o w e rs y s t e mi ss u p p l i e da n dt h ea b s o r b e dp o w e re n e r g yc a l lb e c y c l e di nt h em o s td e g r e e ，t h el o s sc a nh er e d u c et ot h el e a s t s oi tw i l ll i k e l yb e a p p l i e di nt h ed y n a m i cm o d e ll a b o r a t o r yo fp o w e rs y s t e ma n dt h et e s t i n go c c a s i o n so f t h ei n d u s t r y k e yw o r d s ：v o l t a g e - t y p ep w mc o n v e r t o r , p o w e rl o a ds i m u l a t o r , m o t o r s i m u l a t o r , p i dc o n t r o l l e r ，e l e c t r i cp o w e rf 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，也不包含为获得盘盗盘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：七忙企f 锋签字日期：劬6 年。月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫生筮鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅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：士1 把企1 l 屈冬 签字日期：3 。，年2 月之、7 日 导师签名：船灼函 签字日期：加年 月7 日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 在电力系统动态模拟实验室中，为了测试电能输出装置或转换装置的输出性 能，功率负荷模拟器是必不可少的设备，通常用白炽灯、水电阻、电阻箱、滑线 变阻器、电动机一发电机组等静态负荷来模仿，这些设备占用空间大，使用时要 消耗大量的电能，且不容易调节，而且实际中要模拟的负荷的形式较为复杂，常 为一些动态负荷。如：负荷消耗的功率是时间的函数，或者负荷工作在恒定电流、 恒定电阻、恒定电压方式以及不同的峰值因数、功率因数或负荷为瞬时短路负荷 等，传统静态功率负荷模拟不了这些复杂的负荷形式，这在一定程度上限制了电 力系统动态模拟实验的规模和多样性。 1 1 功率负荷模拟器的研究现状 凡是能够消耗能量的器件均可称为负荷。除了上述提到的传统的如白炽灯、 水电阻、电动机一发电机组等静态负荷组成的功率负荷模拟器，近年来广泛兴起 并应用了一种电子模拟功率负荷( 电子负荷) ，它能消耗电能，使之转化成热能 或其它形式的能。电子负荷是为克服传统的静态功率负荷模拟器的缺点而研制的 一种电力电子装置，相对于目前广泛使用的能耗型负荷，这种电子负荷是计算机 技术、微机测控技术、电力电子技术的综合运用，由大功率晶体管构成功率恒流 源来模仿功率负荷，通过吸收电源提供的大电流，从而模拟复杂的负荷形式，测 试电能输出装嚣或转换装置的输出性能 电子负荷有如下几种工作方式和用途： ( 1 ) 恒定电流方式。此种状态下的电子负荷，不论输入电压如何波动，负 荷只吸收恒定的电流( 可由人工自行设定) 。此方式可用于测试电压源及a c d c 、 d c d c 变换器的负荷调整率。负荷调整率是电源在负载变动情况下提供稳定的 输出电压的能力，是电源输出电压偏差率的百分比，以下列公式来计算： 负荷调整率：v o _ ( m _ a x _ ) - g ( _ r a i n ) x1 0 0 ( 1 1 ) o ( n o r m a l ) ( 2 ) 恒定电阻方式。此种状态下，负荷如纯电阻，吸收与电压成线性正比 的电流。此方式适用于测试电压源，电流源的起动与限流特性。 ( 3 ) 恒定电压方式。此状态下负荷模拟器吸收电流，以使电压保持恒定。 此方式用于测试电流源，可模拟电池的端电压，也可用于测试电池充电器的性能。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 动态负荷。动态负荷是指某些周期性或非周期性变化的负荷，还包括 不同的两种负荷的交替切换等情况。该方式可测试电源及其它转换器的整体回路 响应。实际应用中，大多数负荷都是变动的。 ( 5 ) 峰值系数负荷。峰值系数是指波形的峰值与有效值( r m s ) 的比率，常 用来说明交流电源在不失真情况下输出峰值负荷电流的能力。大部分的电源输入 回路都包括一个整流器二极管和电容滤波器，因而会产生一个脉动的交流。 ( 6 ) 功率因数负荷。大多数交流负荷呈感性或容性，功率因数： p p 2 矿詈广 ( 1 2 ) m 。 其中： = 阿兰辱 k = 陌兰再 厶= 专r 出兰去喜 ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) ( 1 - 5 ) 纯电阻性负荷的p f = l 。负荷由纯感性到纯阻性再到纯电容性，电流与电 压相位差从一9 0 。到0 。再到+ 9 0 9 ，功率因数c o s c l ) 则由o 到l 再n 0 。交流电子负荷 能够模拟电感、电容或其它的功率因数c o s _ ( 1 ) 从0 到士l 的不同状态负荷型式。 ( 7 ) 负荷短路。一般的a c 或d c 电源供应器输出端要求输出阻抗低，当输 出短路时，电源应有相应的保护措施，如限制输出电流等，以防止电源烧毁。电 子负荷器的短路负荷就是模拟输出短路状况，不再需外加短路继电器，只通过一 个功能按键便可实现。 ( 8 ) 其他复杂负荷。电子负荷还可以模拟一些伏安特性较为复杂的负荷。 与普通的电阻型功率负荷相比，电子模拟功率负荷有以下的优点：1 ) 因为它 的工作方式是利用电力电子变换技术在完成测试功率实验的前提下，将待试设备 的输出能量反馈到电网，节约了能源，另一方面又不产生大量的热量，避免了试 验场所环境温度升高的问题；2 ) 体积小、重量轻。由于该电子负荷没有把试验 的功率变成热量，因此不必使用体积庞大的电阻箱及冷却设备，因而节约了安装 空间；3 ) 所模拟的功率连续可调。电阻负荷在功率较高时不得不采用有级调节， 使用时受到很大限制，而电子负荷在使用时可以实现无级调节；4 ) 由于采用的 是能量回馈方式，因此，试验场所不必配备较大的电源容量，从而降低了供电容 量的开支。 文献【1 】介绍了一种采用电压型脉冲整流器设计实现的电能反馈型电子模拟 功率负荷。该系统可广泛应用于通讯电源出厂试验、各种整流柜出厂试验、大功 天津大学硕士学位论文第一章绪论 率充电电源试验、蓄电池放电试验、电机出厂试验、柴油机汽油机出厂试验、汽 车动力性能试验、电解电镀电源出厂试验、不停电电源出厂试验等场合。 文献【2 】提出一种采用电流型p w m 整流器实现的电能反馈型电子模拟功率负 荷系统，基于d s p 的控制方法实现电能再生馈网时功率因数趋近一1 0 1 2p w m 技术在功率负荷模拟器中的应用 随着国民经济的发展，人们对能源的要求及试验自动化的要求越来越高，一 方面工业场合需要越来越大的功率试验手段，另一方面由于能源的紧缺使得能耗 的费用也越来越高。基于节约能源，减少开支和试验自动化的要求，随着电力电 子技术和自动控制技术的发展，电路损耗更少，更适合大功率场合利用，电能回 馈率更高的功率负荷模拟器的研究正在兴起，而p w m 技术正是推动这一研究进 程的重要组成部分。 p w m 整流器是本文所介绍的基于p w m 技术的电动机模拟器的核心组成部 分。随着电力电子技术的发展，功率半导体器件性能不断提高，已从早期广泛使 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。功率半导体 开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽 调制( p w m ) 控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电 源以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛的应 用。但是，目i j i 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 常规整流环节广泛应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”。治理这种电网“污染” 最根本的措簏就是，要求变流装置实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。 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 的研究工作。其主要思路就是，将p w m 技术引入整流器的控制当中，使整流器 网侧电流正弦化，且可运行于单位功率因数。根据能量是否可双向流动，派生出 了两类不同拓扑结构的p w m 整流器，即可逆p w m 整流器和不可逆p w m 整流 器。 能量可双向流动的p w m 整流器不仅体现出a c d c 变流特性( 整流) ，而 且还可呈现出d c a c 变流特性( 有源逆变) ，因而确切的说，这类p w m 整流 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 器实际上是一种新型的可逆p w m 变流器。 经过近年来的研究与发展，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；其拓扑结构己从单相、三相电路发展到多相结合 及多电平拓扑电路：p w m 开关控制由单纯的硬丌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 e s 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 er e e t i f i e r - c s r ) 。 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”。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了进一步的发展 和拓宽，并取得了更为广泛和更为重要的应用，如电子型功率负荷模拟器，静止 无功补偿、有源电力滤波、统一潮流控制、超导储能、高压直流输电、电气传动、 新型u p s 以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等。 p w m 整流器的研究始于2 0 世纪8 0 年代，这一时期由于自关断器件的日趋 成熟及应用，推动了p w m 技术的应用和研究。文献【3 1 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，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。文献【4 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，这实际上是电压型p w m 整流器早期的设计 思想。到2 0 世纪8 0 年代末，文献【5 】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。 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。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，如功率负荷模拟器、有源滤波器、超导储能、交流传动、高压直流输电 以及统一潮流控制器等。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。 目前p w m 整流器的研究主要集中于以下几个方面： ( 1 ) p w m 整流器的建模和分析； ( 2 ) 电压型p w m 整流器的电流控制； ( 3 ) 主电路拓扑结构研究； ( 4 ) 系统控制策略研究； ( 5 ) 电流型p w m 整流器研究。 基于p w m 技术的功率负荷模拟器与一般电子负荷的区别在于；方面，它 从电源吸收的电能最大量的可为电源或外部电网循环使用，其损耗仅仅是p w m 变流器的开关损耗和线路损耗，从而最大限度的节约了能量；另一方面，由于所 采用的p w m 交流器工作在开关状态，与一般工作在放大状态的电子负荷相比它 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 可很容易地实现大功率应用的要求，从而具有更广阔的应用领域。它的主要作用 是替代传统电阻型功率负荷进行相关的功率实验，也可应用于仪器设备的测试实 验，并且满足i e e e 一5 1 9 标准。 1 3 本文的工作目标和内容 通过阅读大量的国内外文献了解当前功率负荷模拟器发展的现状。目前研究 应用的电子功率负荷模拟器主要用于直流电源、蓄电池及蓄电池组的出厂试验， 使用前的可靠性试验，以及电子技术应用领域中的开关电源、线性电源、u p s 电 源、变压器、整流器、充电器等电子设备的测试，缺乏在电力系统仿真实验室大 功率交流电机环境下的研究应用。如何更好地适应大功率场合应用的要求，实现 模拟复杂电动机负荷的要求，以及如何向外部电网回馈高质量的电能，减少试验 中的电能损耗，提高回馈率都是本文所关注的问题。 本文的工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 对基于p w m 技术的功率负荷模拟器理论技术基础f l p p w m 控制技术及 p w m 整流器变流原理进行详细研究，包括各种电流控制策略的比较。 ( 2 ) 运用p w m 电压型变流器的基本原理，设计基于p w m 控制技术的直流 型功率负荷模拟器和三相交流型分离控制式交。直一交功率负荷模拟器。 对负荷模拟器的主电路的各单元硬件结构框架组成，控制单元的控制 策略的选取进行介绍，并进行s i m u l i n k 下的仿真。 ( 3 ) 在三相交流型分离控制式交一直交功率负荷模拟器的基础上，进行电 路系统结构和控制策略的改进，设计出符合电力系统动态模拟实验室 需要的电动机负荷模拟器，对影响电流控制质量的因素进行分析。 天津大学硕士学位论文 第二章电压型p 硼整流器 第二章电压型p w m 整流器 p w m 整流器也称作p w m 变流器、开关模式变流器( s m r ：s w i t e hm o d e r e c t i f i e r ) 。从不同的角度看p w m 整流器有不同的划分。按是否具有能量回馈功 能，将p w m 整流器分成无能量回馈功能的整流器( p f c p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n ) 和具有能量回馈功能的整流器。按电路的拓朴结构和外特性，p w m 整流器可以分为电压型( 升压型或b o o s t 型) 和电流型( 降压型或b u c k 型) 。升 压电路的基本特点是输出直流电压高于输入交流电压的峰值，这是其升压型拓朴 结构决定的。升压型整流器输出一般呈电压源特性。降压型整流器般呈电流源 特性。 能量回馈型的p w m 整流器均采用全控型半导体开关器件，采用p w m 控制 技术，它比p f c 电路具有更快的响应和更好的输入电流波形。由于最初的半导 体器件( s c r ，d t o ) 都是单相导通的，所以电流型整流器出现的时间早些。而 在实际应用中，由于电源的大量使用，电压型p w m 整流器占绝大多数。 本文主要研究主要基于具有能量回馈的电压型p w m 整流器，故下面对其变 流原理及p w m 控制技术作详细介绍。 2 1p w m 控制的基本原理 在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不等的窄脉冲加在具 有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果 基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换 分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。上述原理称之为面积等效原 理，是p w m 控制技术的重要理论基础。 下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。把图2 1 的 正弦半波分成n 等份，就可以把正弦半波看成是由n 个彼此相连的脉冲序列所 组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于州| ，但幅值不等，且脉冲顶部不是 水平直线而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相 同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的 中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积( 冲量) 相等，就得到图中所 示的矩形脉冲，这就是p w m 波形。各脉冲幅值相等，而宽度是按正弦规律变化 天津大学硕士学位论文第二章电压型p w m 整流器 的。根据面积等效原理，p w m 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周 同样可以得到p w m 波形。像这种脉冲的宽度按诈弦规律变化而和丁f 弦波等效的 p w m 波形，也称s p w m ( s i n u s o i d a lp w m ) 波形。 要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的 宽度即可。 。l j 二 1 ：l 。岫囡圈囡囡囵 图2 - 1 用p w m 波代替正弦半波 2 2 电压型p w m 整流器工作原理 电压型p w m 整流器( v o l t a g es o u r c er e c t i f e r - - v s r ) 最显著的特征就是直流 侧采用电容进行直流储能，从而使v s r 直流侧呈低阻抗的电压源特性。它具有 以下一些特点： ( 1 ) 可以任意调节功率因数，实现能量的双向流动。 ( 2 ) 整流器网侧电流接近正弦，谐波含量少，只含有幅值很小的高次谐波。 ( 3 ) 动态响应好，适于负荷变化频繁的场合。 ( 4 ) 直流端电压稳定，输出电压谐波含量少。 由于具有以上特点，电压型p w m 整流器可以广泛应用于需要能量回馈的电 子型功率负荷模拟器或电动机频繁制动的场合。这既节省了用来吸收回馈能量的 笨重的电阻负荷，又能把能量回馈回电网，提高了能量的利用率，同时也减少了 谐波对公用电网的污染。 显然，电压型p w m 整流器已不是一般传统意义上的a c d c 变换器。由于 电能的双向传输，当p w m 变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 变流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变状态。 综上可见，p w m 整流器实际上是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变 流装置。以下首先从模型电路阐述电压型p w m 整流器的基本原理。图2 2 为电 压型p w m 整流器模型电路。 天津大学硕士学位论文第二章电压型p 删整流器 娟 图2 - 2p w m 整流器模型电路 吃 乞 一户l c a 寺 er , l 。i 簟，) c ( a ) 图2 - 3p w m 整流器交流侧稳态矢量关系 为简化分析，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v 即可实现p w m 整流器四象限运行。若假设1 1 i 不 变，因此阢l = l l ，l 也固定不变，在这种情况下，p w m 整流器交流电压矢量v 端 点运动轨迹构成了一个以i 为半径的圆。当电压矢量v 端点位于圆轨迹a 点时， 电流矢量，比电动势矢量滞后9 0 。，此时p w m 整流器侧呈现纯电感特性，如 图2 3 a 所示；当电压矢量v 端点运动至圆轨迹b 点时，电流矢量，与电动势矢 量e 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 天津大学硕士学位论文第二章电压型p 州整流器 电压矢量v 端点运动至圆轨迹c 点时，电流矢量，比电动势矢量e 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；当电压矢量矿端点运动 至圆轨迹d 点时，电流矢量j 与电动势矢量e 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。以上，a 、b 、c 、d 四点是p w m 整流器四 象限运行的四个特殊工作状态点，迸步分析，可得p w m 整流器四象限运行规 律如下： ( 1 ) 电压矢量y 端点在圆轨迹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，电能将通过p w m 整流器由电网传输至直流负载。值得注意的是：当p w m 整流器运行在b 点时， 则实现单位功率因数整流控制：而在a 点运行时，p w m 整流器则不从电网吸收 有功功率，而只从电网吸牧感性无功功率。 ( 2 ) 电压矢量矿端点在圆轨迹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，电能将通过p w m 整流 器由电网传输至直流负载。当p w m 变流器运行在c 点时，p w m 变流器将不 从电网吸收有功功率，而只从电网吸收容性无功功率。 ( 3 ) 电压矢量v 端点在圆轨迹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，电能将从p w m 整 流器直流侧传输至电网。当p w m 整流器运行在d 点时，便可实现单位功率因数 有源逆变控制。 ( 4 ) 电压矢量v 端点在圆轨迹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，电能将从p w m 整 流器直流侧传输至电网。 显然，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。一方 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， 也可通过网侧电流的闭环控制，直接控制p w m 整流器的网侧电流。 2 3p w m 整流器电流控制概述 近年来，电压型p w m 整流器在电子型功率负荷模拟器、交流电机传动系统、 有源滤波、高功率因数整流等诸多方面得到了广泛的应用。这些变换器的控制部 分大多包含有电流控制环节，于是整个系统的性能取决于所使用的电流控制策 略。 对于整流器而言，其控制从本质上来说是对交流侧电流的控制。根据在控制 环节中是否采用电流闭环，可以把整流器的电流控制策略分为间接电流控制和直 天津大学硕士学位论文第二章电压型p 朔整流器 接电流控制。 间接电流控制在控制系统中没有引入电流闭环，而是根据电路阻抗特性，用 数学的方法代替电流闭环的作用。这种控制方法的最主要的优点就是可以省去电 路中昂贵的电流传感器。但是，这种成本的节省是以控制性能的牺牲为代价的， 间接电流控制适合于控制性能要求不高，动态响应要求低的应用场合。 和传统的开环电压p w m 变流器比较，电流闭环可带来如下优点： 1 ) 可以对电流波形进行较高精度的控制； 2 ) 动态响应好； 3 ) 具有较硬的负载特性； 4 ) 能补偿直流侧和交流侧电压的变化。 电流控制的目的是使交流侧电流跟踪电流给定，由实际的电流与给定信号之 间的差值产生桥臂的开关动作信号，以减小该差值。因此，电流控制器有两个作 用：电流误差补偿和p w m 电压调制。 由于全控桥工作的不连续性，在进行电流控制器的设计时，应考虑以下因素 的影响： 1 ) 电压谐波的影响 p w m 电压波形除含有基波外，还有分布在开关频率附近的高频电压谐波。 如果谐波频率过高，会给控制带来意料不到的后果。 2 ) 电流纹波与开关频率 电流纹波由高频电压谐波分量引起：不考虑采用何种p w m 调制方法，电流 纹波的幅度取决于p w m 波形的调制周期t ( 或调制频率厶) 、直流电压u 。、 全控桥前端输出的交流电压瞬时值“。、以及电网电压u ，。因此，若“。变化而t 恒定，则f 也将变化；若f 保持恒定，则调制频率厶必须变化。一般，出于开 关管损耗限制和滤波技术要求，开关频率应该恒定。 3 ) 相问互相影响 在单相p w m 整流器中，相电流仅仅取决于该桥臂的状态。而在三相变流电 路中，由于直流侧电压中点和三相电源中点没有连接，相电流完全取诀予相间电 位差，必然要受到其它相桥臂开关动作的影响。 4 ) 直流侧电压的幅值条件 为使交流侧电流跟随给定，直流侧电压幅值必须留有合适的裕量。若直流侧 电压低于网侧电压则不能保证对网侧电流的控制能力。因此，必须保证直流电压 在整个负载范围内有足够的裕量。 一 在进行电流控制器的设计时，主要考虑满足以下要求； 1 ) 在较宽的输出频率范围内，没有相位和幅值误差； 天津大学硕士学位论文第二章电压裂p 州整流器 2 ) 动态响应好； 3 ) 开关频率是有限的或固定的； 4 ) 低谐波电流： 5 ) 直流电压利用率高。 评价系统动态响应的指标有：迟滞时间，上升时间，第一次最大值时间，到 达稳态时间，以及超调系数等。所有这些因素都来源于p w m 波形和电流控制环 节的处理过程。如迟滞时间主要是由于电压电流信号的转换和计算；上升时间主 要受整流器交流侧电感的影响。随着开关频率的增大，这些参数特性会变好。 划分电流控制策略的方法可有很多种，简单的可分为两大类：线性控制和非 线性控制。线性电流控制策略一般采用传统的电压调制方式，如s p w m 、空间 电压矢量p w m 、优化p w m 等。 和非线性控制相比较，线性控制器有分离的电流误差补偿和p w m 电压调 制环节。这样带来的好处是，开关频率固定，谐波含量低，直流电压利用率较高。 另外，控制环节的分离更有利于现场调试，方便开环和闭环测试。线性电流控制 包括p i 调节控制、状态反馈控制，以及预测电流控制等；非线性控制有滞环控 制器，最优化控制、神经元网络和模糊逻辑控制等。 天津大学硕士学位论文 第三章基于p f l l l 技术的功率负荷模拟器 第三章基于p w m 技术的功率负荷模拟器 在企业和科研单位中，一些大功率、长时间工作的输出功率设备如通信电源、 u p s 、蓄电池、电机等在试验时，原有的功率负荷将消耗大量能量，本文中基于 p w m 技术设计的直流型和三相交流型功率负荷模拟器，利用电力电子电路，通 过将直流电逆变为交流电，实现电能的再生利用，就很好的解决了这一问题。 3 1 直流型功率负荷模拟器 3 1 1 系统结构 对于不同电压等级的直流设备，直流型功率负荷模拟器可以有两种实现方 案：( 1 ) 直流电通过d c d c 变换得到3 0 0 v 左右的直流电，再逆变为交流：( 2 ) 直流电直接逆变为交流电，然后通过变压器实现电能的再生利用。 图3 - 1 实现方案 网 图3 - 2 实现方案二二 网 本文针对实现方案二设计了基于p w m 电压型变流器的直流型功率负荷模 拟器，它是一个有源逆变系统，其整体框图如图3 3 所示。直流侧电压稳定，可 以看作电压源。逆变桥部分是一个v s r 单相全桥装置，包括用于滤波的电抗器 ( 其电感为，电阻为r ，) 。交流侧可以看作一定范围内幅值连续可调的电流源， 其中p w m 变流器部分要实现由直流电压到交流电流源的变换，是有源逆变运 行，是整个系统的核心部分。通过合适的p w m 控制，可实现并网电流与外网电 天津大学硕士学位论文 第二章基于p 州技术的功率负荷模拟器 压同相运行，实现电能的回馈再生利用。 图3 - 3 直流型功率负荷模拟器 单相全桥v s r 采用了具有4 个功率开关管的h 桥结构。值得注意的是：v s r 主电路功率开关管必须反并联个续流二极管，以缓冲p w m 过程中的无功电 能。 如前所述，要实现v s r 的四象限运行，关键在于网侧电流的控制。而网侧 电流的控制，可以通过控制v s r 交流侧基波电压的幅值、相位来实现。对于单 相v s r 而吉，其交流侧基波电压控制有两种p w m 的调制方式，即双极性调制 和单极性调制。当采用双极性调制时，其v s r 交流侧电压将在和一间切换， 以实现交流侧电压的p w m 控制。因此双极型调制时，单相v s ，w m 过程只存 在两种开关模式。当采用单极性调制，其v s r 交流侧电压v 将在、0 或0 、一 间切换。其中，在交流侧基波电压正半周，v ( f ) 将在、0 间切换：而在交流侧 基波负半周，v ( f ) 将在0 、一间切换。因此，单极性调制时，单相v s rt 作 过程存在四种开关模式。 以下将根据双极性p w m 的调制方式，分析单相v s rp w m 过程。 为了方便分析，先做以下假设： ( 1 ) 开关管的开关频率足够大； ( 2 ) 变流器的效率为l ； ( 3 ) 电源内阻及电感电阻均忽略。 采用双极性调制时，p w m 过程只存在两种开关模式，可以用双极性二值逻 辑开关函数p 进行描述，即 r p = ll ( 阳i ) 、。( v d 4 ) 导通 lp = 一l巧：( 哆) 、咋，( p ，d 3 ) 导通 ( 3 - 1 ) 天津大学硕士学位论文第二章基于p w 技术的功率负荷模拟器 为讨论方便，以下主要研究分析p w m 稳态过程中第k 个开关周期中的单相 v s r 相关波形及其变化规律。 ( 1 ) 交流侧电压v ( f ) 在p w m 过程中可近似认为其直流侧电压为一定值，即v 。i t ) = y 0 。对于第 k 个开关周期中的交流侧电压v i t ) ，可描述为： rv ( f ) = v 出p o ) = 7 2 t t 茎r t + f 。 lk t ) = v 女p i t ) = 一矿0k t + l 。s l ( k + 1 ) t 1 3 - 2 ) 式中r 表示p w m 开关周期。 忽略p w m 谐波分量，只考虑单相v s r 交流电压v ( r ) 及开关函数p i t ) 的基波 分量，即v ( t ) z s i n ( c o t + 纯) 、p ( t ) “m s i n ( c o t + t p ) 。其中，为v ( f ) 的基波峰值： m 为p w m 的调制比；吼为p ( t ) 的基波初始相角。将p ( t ) 、v ( t ) 的基波关系式代 入式( 3 2 ) 得：。m 。由于m l ，因而单相v s r 交流侧到直流侧的变换 呈现b o o s t 变换器特性。 ( 2 ) 电感端电压v ，( r ) 单相v s r 网侧电感端电压v 。( f ) 等于电网电动势p ( ，) 与其交流侧电压v ( ，) 之 差，即 屹o ) = e ( r ) 一砸)( 3 3 ) 若令e ( t ) = e 。s i n c o t ，且当开关频率远高于电网基波频率时，第k 个开关周 期中e ( f ) 可近似为一常值，即e ( t ) * e c k t , ) = e 。s i n c o k t , ，其中，i t ，( k + 1 ) 瓦。 这样，第k 个开关周期中，单相v s r 网侧电感端电压可描述如下： rr ( f ) = e ( 1 ) 一v i t ) es i n 础t 一女t ， k r , + ，。 lv ( f ) = e ( t ) 一v ( t ) z e 。s i n 础t + 吆t + f 。s t ( k + 1 ) t( 3 - 4 ) 式中 五。表示电网电动势基波峰值。 ( 3 ) 网侧电流以) 若忽略单相v s r 网侧电阻，则网侧电流f i t ) 为 f i t ) = 7 li v l ( r ) d r = 【印) - - v ( 0 d r ( 3 - 5 ) 考虑第k 个开关周期，并进行坐标平移，令t 刮一七t 、t ”= f 一( i t + ，。) ， 可得第k 个开关周期网侧电流表达式为 rf ( f ) = ( e 。s i n t 一 么) f + i ( t = o ) 1 0 - t f 。) 气 lf ( f 。) = ( 如s i n c o k t , + ) f ”+ f ( f ”= o ) c o f ” e 。)( 3 - 7 ) 由于采用双极性p w m 控制，第k 个开关周期中的p w m 占空比d 。为 d k ：墼j ( 3 - 8 ) i5 联立( 3 - 7 ) ，( 3 - 8 ) 得 7 = 暑( 一e r as i n 础t ) ( 1 + 仇) ( 3 - 9 ) ( 4 ) 直流侧电流匕( ，) 针对单相v s r 主电路拓扑结构，当采用双极性p w m 控制时，其v s r 直流 侧电流k ( f ) 与网侧电流f ( ，) 问的关系为 屯( ，) = i ( t ) p( 3 - l o ) 式中p 表示双极性二值逻辑开关函数。 显然，v s r 直流侧电流i 。( ，) 是对v s r 网侧电流i ( t ) 调制的结果。当开关频 率与网侧电感取值足够大时，可忽略v s r 网侧谐波电流。 直流型功率负荷模拟器应用系统原理，直流侧电源作为系统负载的输入，负 荷模拟单元即系统的核心部分，主要由电压型p w m 变流器实现，用以取代传统 的电阻能耗型负载，它的逆变能量经变压器后被外部电网循环使用，以此达到节 约能源的目的。 直流型功率负荷模拟器模拟实际的电阻或阻感负荷，实现电流的无级调节， 并控制逆变电流的输出为正弦波，与电网电压同频、同相。 当直流型功率负荷模拟器模拟电阻或阻感负荷时，等效电路如下： 一一 图3 - 4 模拟电阻负荷等效电路图3 - 5 模拟阻感负荷等效电路 它们的数学模型分别为： = r i + l 别d t ( 3 - 1 1 ) 2r i ( 3 1 2 ) 天津大学硕十学位论文 第三章基于p 删技术的功率负荷模拟器 解方程可得： i = r o + e x p ( - r t l ) ) ( 3 - 1 3 ) f = r( 3 1 4 ) 在直流侧电压恒定的情况下，p w m 变流器直流侧电流的大小直接正比于系 统所模拟的功率的大小，而电流的设定值若按上式的给定进行控制，则成功地模 拟了r 、l 性质的负荷，此时通过对r 、l 的设定即可实现对模拟功率的设定。 3 1 2 控制策略 直流型功率负荷模拟器控制系统设计采用电流均值反馈控制，并应用了锁相 控制的技术。下图是主电路简化等效模型： 图3 - 6 主电路简化等效模型 对逆变器输出端电路，取电网电流为状态变量，有： 鲁= - p 郴 ( 3 - 1 5 ) 其中，z = l 十厶1 + 乞2 r = r l + + r 2 写成复数域形式为： 玳5 ) 2 云专( ( 5 ) 一e ( 5 ” = g 4 0 ) ( u o h ( s ) 一p ( s ) )( 3 - 16 ) 其中，g ( j ) 为滤波和变压器传递函数。 逆变器可等效为一个小惯性环节，传递函数为： ， g ( s ) = j t p 。坐m 8 l + 1 ( 3 _ 1 7 ) 反馈电流的整流滤波环节可以等效为一个大的惯性环节，其传递函数为： g a 班熹 ( 3 - 1 8 ) 为了实现无静差，设计成i i 型系统。根据典型i i 型系统调节器工程设计p i 天津大学硕士学位论文第三章基于p v o , t 技术的功率负荷模拟器 调节器如下： g 2 ( s ) g ( s ) g 4 ( s ) g 5 ( s ) 口 ：! 丝墼! 丛业。土。土。堕 s 2 l s + l 二j + l 互s + l 吃 ：里尝( 3 - 1 8 ) z 4 i f s 2 d 2 - g _ s + n z 调节器的零点要分别抵消输出滤波器和反馈整流滤波的大极点，分子上添加 一个比例微分环节，以保证系统的稳定性。 检测到的电网电压信号经过比较器后，得到一个方波信号u o ：同理输出电 流经比较器后得到一个方波信号u ，两者送入同步锁相电路的鉴相器进行比较。 检测其上升沿，当砜与u 同相时，g = 0 ，分频选择器选择晶振信号的标准分 频n 2 ；当电流方波信号u 1 滞后电压方波信号时，q = 1 ，在u 滞后“期间， g = 1 ，选择分频数为n l ，将高于标准频率的计数脉冲送入标准正弦波产生电路， 使下一个u 周期提前到来，u 波形前移：当u 超盼时