（电力系统及其自动化专业论文）大功率电能质量信号发生装置研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r i c a le q u i p m e n t sh a v er e q u i r e m e n to np o w e rs u p p l yf o rg o o dp o w e rq u a l i t y s o m ee q u i p m e n t s ， p a r t i c u l a r l yt h ep r e c i s i o ne q u i p m e n t ss u c ha sc o m p u t e r , s e r v e r , a s s e m b l yl i n ew i l lp e r f o r ma b n o r m a l l ye n de v e n b ed a m a g e dw h e n5 1 1 伍e rp o w e rq u a l i t yp r o b l e m i no r d e rt or e d u c et h eg r e a t o s sc a u s e db yp o w e rq u a l i t y p r o b l e m ，t h es e n s i t i 、d c yo fe l e c l r l c a le q u i p m e n to np o w e rq u a l i t ys h o u l db et e s t e da n di m p r o v e do ns t a g eo f m a n u f a c t u r i n g s o ，s t u d yt h ep o w e rq u a l i t yg e n e r a t o r , w h i c hc a np r o d u c ev o l t a g es a g ，s w e l l ，f l i c k e r , h a r m o n i c e n dn o t c h ，e t e ，h a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei np r a c t i c e h o w e v e r ，t h ep o w e rq u a l i t yg e n e r a t o r so ie q u i p m e n t si nt h em a r k e tc u r r e n t l ya r ef a rf r o mp e r f e c t i th a v e m a n yd i s a d v e n t a g e ss u c h h e a v y , u n a b l et om o v e ，i n t r i c a t es t r u c t u r e ，e t c w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o d e r n p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g ye n d c o n t r o lt e c h n o l o g y , t od e v e l o pn e wp o w e re l e c t r o n i c s b a s e dp o w e rq u a l i t yg e n e r a t o ri sa v a i l a b l e t h en e wp o w e rq u a l i t yg e n e r a t o rc a ng e n e r a t ea l lk i n d so f p o w e r q u a l i t ys i g n a l s e n d w i l l b e a p p l i e d w i d e l y i n u n i v e m i n i n d u s t r y e n d l a b o r a t o r y t h i sp a p e rc i r c u m f i l s e st h er e a l i z a t i o no fp r o t o t y p em a c h i n e ，u s i n gs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tm e t h o dt o d i s c u s st h et h e o r e t i c a le n dp r a e t i c a lp r o b l e m sw h i c hn e e dt ob es o i v e d t h ep r o t o t y p em a c h i n ea d o p t s a c d c - a cc o n v e n e ra sm a i nc i r c u i t o nt h eb a s i so f m a i nc i r c u i t , c o n o ls t r a t e g i e so l lr e c t i t i e ra n di n v e r t e r w o r es t u d i e d t h ec u r r e n th y s t e r i s i sc o n t r o ls t r a t e g yw a sa p p l i e di nr e c t i f i e rs i d et om e e tt h er e q 咖e n t so f r a p i dr e s p o n s e , g o o dp r e c i s i o na n dh i 曲p o w e rf a c t o r s i n u a o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s p w m ) a n dv o l t a g e h y s t e r i s i sc o n t r o ls t r s t e 西e sw g t es t u d i e df o ri n v e r t e rs i d ec o n t r o le n dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e m 咄a l s o d i s c u s s e d f o r t h e p u r p o s eo f g e t t i n g b e t t e r p 耐o m c e ，t h e d c v o l t a g ea n d p o w e rc i r c u l a t i n g p a t h o f a c - d c c i r c u i to ra c - d c - a cc i r c u i tw e r es t u d i e d o nt h eb a s i so f i n s t a n t a n e o u sp o w e re q u i l i b f i t m at h e o r y , d cv o l t a g e m o d e l s w e r ed e d u c e d t h em o d e l sc a nb eu s e di ni m p r o v i n gc e n 仕o ls t r a t e g i e sa n dc i r c u i td e s i g n b ya n a l y z l n g t h ep o w e rc i r c u l a t i n gp a t hb e t w e e na ca n dd cs i d e s ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h es t r a t e g yt or e s t r a i nd cv o l t a g e f l u c t u a t i o n a c c o r d i n gt ot h es t u d yp u r p o s ea n dr e q u i r e m e n t s , d s pw a ss e l e c t e da sc o n 舡o lc h i pa n di n t e l l i g e n t p o w e rm o d e l ( m m ) s e l e c t e da sp o w e rd e v i c e a r e rt h es o f t w a r e ，f i l t e r s ，d cc a p a c i t o r , c o n t r o lc i r c u i ta n d p o w e rc r c u i td e s i g n e d , as i n g l ep h a s ep r o t o t y p em a c h i n ew a sr e a l i z e d t h ep r o t o t y p em a c h i n ec a ng e n e r a t e p o w e rq u a r r ys i g n a l s ，s u c h v o l t a g eh a r m o n i c s ，s a g , s w e l l ，f l i c k e r , n o t c h t h er e s u l t so fe x p e r i m e n te n d s i m u l a t i o nv a l i d a t e dt h ec o n t r o ls l r a t e g i e s ，c i r c u i td e s i g ne n da n a l y s i sc o n c l u s i o n f i n a l l y , t h ec o n c e p to f p o w e r q u a l i t ys e n s i t i v i t yt e s t i n gs y s t e mw a sb r o u g h tf o r w a r d t h es y s t e mc o n s i s t so fp o w e rq u a l i t yg e n e r a t o r , e l e c t r i c a le q u i p m e n te n df e e d h a c kc h a n n e l s p o w e rq u a l i t yg e n e r a t o ro u t p u ts i g n a l st ot e s tt h ee l e e t r i c a i e q u i p m e n ta n dc a p t u r ei t sw o r ks t a t ei n f o r m a t i o nb yf e e d b a c kc h a n n e l s a sa l le x a m p l e ，t h ep r o t o t y p er o a c h i n s a n dma cc o n l a c t o rc o m p o s e dat e s t i n gs y s t e m ，i nt h i st e s t i n gs y s t e m t h ea cc o n t o c t o rt e s t e db yas e r i e so f v o l t a g es a ga n di t sp e r f o r m a n c ed a t aw a sc o l l e c t e d a se x p e r i m e n tr e s u l t ，t h ei t ij b l l - v eo ft h ec o n t a e t o rw a s d e p i c t e d w i t ht h ei m p r o v e m e n ti np e r f o r m a n c e ，t h ep o w e rq u a l i t ys e n s i t i v i t yt a s t i n gs y s t e mw i l lh a sb r o a d a p p l i c a t i o ni nf l l r l l e k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t yp r o b l e m ；g e n e r a t o r ；s e n s i t i v i t y ；a c - d c - a cc o n v e r t e r ；s p w m ；v o l t a g eh y s t e r i s i s c o n t r o l ；d s p ；t e s t i n gs y s t e m 声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文叶l 特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 签名 1 ，寥 劳7 舒 日期：迹2 - - 珈 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括f u 登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：曼 涛 导师签名 日期：知卜2 少 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 在现代电网中电力电子设备的应用领域越来越广各类新型电气设备不断涌现，包括一些非线性 负荷、冲击负荷等，使得电网中的电能质量问题( p o w c r q u a l i t y ) 日益严重。另一方面，各种复杂、精 密、对电能质量敏感用电设备，诸如精密实验仪器、自动控制设备、智能家用电器等的普及，使得人们 对电能质量及可靠性的要求越来越高。上述方面之间的矛盾愈来愈突出，频繁发生的电压波形畸变、电 压跌落、闪变、谐波等问题给一些敏感行业，特别是信息行业、计算机行业、电子通讯等行业的工作和 运营造成严重的威胁，带来巨大的经济损失。 根据美国电科院( e p r i ) 1 9 9 5 年的调查统计。美国因为电能质量问题所带来的损失一年超过2 0 0 亿美元n 】。在现代工业中，任一设备的作业中断都将可能导致整个流水线、甚至全厂作业的中断，造成的 损失非常巨大，因此工业用户对供电质量的要求比其中单个敏感用电设备更高。电压跌落对信息业的影 响也很大，当电压低于9 0 时，许多的敏感用户作业将中断，据估计8 0 服务器出现瘫痪以及用户端 4 5 左右数据丢失和“出错”均与此有关【2j 。根据统计，各个行业都会受到电能质量问题的影响，以r 是一些对电能质量问题敏感的行业和设各p j ：计算机、数控机械；机械制造中心；半导体制造行业；焊 接系统；纺织行业；模具制造；玻璃纤维挤压；钢铁卷轧；化学反应容器；轮胎制造机械；喷漆设备； 印刷业等。 电能质量i o l 题会对电力系统、电力公司和用户带来严重的危害，主要表现在以下几个方面”1 ： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生附加损耗降低了发电、输电设各的效率。 ( 2 ) 引起电网谐振，放大谐波电流或电压达数倍至数十倍，造成设备损坏，尤其是对电容器和与之 串连的电抗器构成威胁。 ( 3 ) 导致电设各发生过热，损耗。电机运行时振动加剧，产生附加噪声。变压器局部过热，损坏绝 缘。使电缆、电容器等设备加速老化，缩短寿命。 ( 4 ) 继电保护装置和自动装置发生误动和拒动，造成不必要的供电中断、导致事故或扩大事故。 ( 5 ) 影响计量表计的准确性，产生计量误差，给电力公司或用户带来经济损失。 ( 6 ) 丁扰通讯系统，造成电话噪声和通讯受阻、信息丢失，特别是高压直流输电系统( h v d c ) 的 影响很大。 ( 7 ) 短时停电或电压骤降、骤升会影响许多行业的生产过程，如接触器、r r 行业的服务器等，会带 来严重的经济损失，破坏用户的正常工作。 ( 8 ) 电压的波动和闪变会引起设备工作异常诸如电机的转速不匀、显示器画面闪烁等。 ( 9 ) 短时的电压暂态会带来很高的电压瞬时峰值，损坏用电设各的绝缘。 有鉴于此，电能质量问题越来越受到电力研究人员的广泛关注，许多研究成果都已经应用于电能质 量问题的治理领域当中，如有源滤波器( a p f ) 、动态电压恢复器( d 、瓜) 、统一电能质量控制器( u p q c ) 等，并取得良好的效果。 用电设备受到电能质量问题的影响取决于两个条件：发生的电能质量问题种类、严重程度和用电设 备本身的免疫度。前者与电网的实际情况和治理措施相关，后者主要取决于自身的性能。在一定的电网 电能质量环境下，具有较高免疫能力的电气设备工作的可靠性更高，更加经济，因此电能质量免疫问 题的研究和电能质量问题治理显得同等重要。在研究中，治理和免疫两个方面需要统一考虑。可以根据 用电没备免疫能力制订实际的治理措施和治理力度，确定治理的侧重点，达到技术和投资的综合效率最 高。另一方面，在现有的治理条件和用电环境下，选择免疫能力强的设备入网工作，增加设备工作的可 靠性。 不同的设备由于工作原理、工作环境、设计标准、制造厂家等不一样，在电能质量免疫问题上的表 现也不一样。为了得到各个类型的设备在不同的电能质量问题下的工作特点，理论分析和计算是一个方 1 东南大学硕士学位沧文 面，更重要的是必须通过专门仪器对设备进行测试，得到其免疫能力的实测数据，才可能有效研究治理 电能质量问题的方法，减少i i i i 质量问题带来的经济损失。因此，适用i i i i i 试仪器对于电能质量问题的 研究和治理来说显得尤为重要。 1 2 研究现状和意义 1 2 1 研究现状 对于测试仪器，必须能够产生各类电能质量信号或者是其中某儿项，按照i e e e 第2 2 标准统筹委 员会( i e e e s t a n d a r d s c o o r d i n a t i n g c o m m i t t e e 2 2 ) ( 电能质量) 和其它国际委员会推荐如下几种定义，各术 语的定义如下【6 】： 电压跌落( s a g s ) ： 电压或电流有效值降至额定值的1 0 9 0 ，持续时间为0 5 个周期至1 分钟。 电压中断( i n t e r r u p t i o n s ) ： 在一相或多相线路中完全失去电压( 低于额定值的1 0 ) 一段时间。持续时间o 5 个周期至3 秒为 瞬时中断；持续时间3 秒至6 0 秒为暂时中断；持续时间大于6 0 秒为持续中断。 电压上升( s w e l l s ) ： 电压或电流有效值升至额定值的1 1 0 以上，典型值为额定值的1 1 0 - 1 8 0 ，持续时间为0 5 个 周期至1 分钟。 电压尖峰( b a n s i e a t s ) ： 指在一定时间间隔内两个稳态量之间的变化。电压尖峰可以是任意极性的单方向脉冲或是第一个峰 值为任意极性的衰减振荡波。 过电压( o v e r v o l t a g e ) ： 电压为额定值的1 1 0 - 1 2 0 ，持续时间大于1 分钟。 欠电压( u n d e r v o n a g e ) ： 电压为额定值的8 0 9 0 ，持续时间大于1 分钟。 谐波( h a r m o n i c s ) ： 频率为电源基波频率整数倍的正弦电压或电流。由电力系统中的装置和负载的非线性特性引起的 波形畸变可分解为基波和各次谐波之和。 l 旬谐波( i n t 豇h 酊m o n i c s ) ： 电压和电流的频率不是基波频率的整数倍。间谐波主要由静止变频器、周波变频器、感应电机和 电弧设备产生，电力载波信号也认为是一种间谐波。 电压凹陷( n o t c h e s ) ： 持续时间小于o 5 个周期的周期性的电压扰动。电压缺口主要是电力电子装鬣由一相换至另一相时 参与换相的电路瞬时短路造成的，与电压凹陷有关的频率分量很高，采用谐波分析仪测量可能是很 困难的。 电压闪变( n u c t l l 鲥o n s ) ： 电压闪变，有时也称为f l i c k e r ，是指电压幅值在一定范围内有规律地或随机地变化。其电压幅值的 变化通常为额定值的9 0 1 1 0 。这种电压波动常称为电压闪变。在输电和配电系统中电压闪变 主要是由电弧炉冲击引起的。 在图1 - 1 图1 8 中，显示了各类电能质量问题的波形。 2 一 墨= 量堕堡，：，! 图i - i 电压凹陷( n o t c h e s ) 波形 图i - 2 电压跌落( s a g s ) 波形 圈i - 3 电压骤升( s w c h ) 波形图1 - 4 电压尖峰( t r a n s i e n t s ) 波形 图i - 5 电压谐波( h a r m o n i c s ) 波形 图i - 6 电压间谐波( i n h a r m o n i c s ) 波形 图l 一7 电压闪变( f l u c t u a t i o n s ) 波形 囤i - 8 电压中断( i n t c r r u p f i o n s ) 波形 从收集的研究文献和产品资料来看，当前，用来模拟产生电能质量问题的方法主要有以下5 种： l 、用柴油机带动同步发电机通过改变发电机励磁电压的大小使得发电机输出电压产生骤降p j 。 这种方法存在体积和重量大、功能单一、输出精度不高、通用性差的缺点。 2 、用晶闸管控制电抗器来模拟产生电压的骤升、骤降、过电压、欠电压以及谐波恻。这种方法的缺 点与1 相同，而且还会产生电流谐波污染电网。 3 、用电能功率标准源产生电能质量问题信号。这种方法的主要缺点是输出功率不够，不能为些大 功率的设备供电，只能用来校准各种交流电压表、交流电流表、功率表、相位表和电能表，如美国福禄 克公司推出的6 i o o a 型电能功率标准源的电压输出端只能输出s o v a 的功率。 4 、采用小信号源外加放大器放人的方法产生电能质量问题信号。这种方法的特点是结构相对复杂， 功率不容易做大，难以满足大功率测试的要求。 3 东南大学硕上学位论文 5 、采用电力电子技术产生电能质量信号功率较大，但是所能产生的信号较少以电压跌落、中断 和骤升为主 1 0 】。 现有的测试仪器主要缺点是体积大、结构复杂，携带不便、维护困难、发生信号种类少，甚至有可 能产生谐波污染电网，无法很好地满足对用电设备进行电能质置干扰敏感度测量的要求。 为了克服以上缺点，本文采用电力电子技术研究大功牢电能质量信号发生装置。采用交- 直- 交主电路 结构，选用大功率的i g b t 作为功率器件，高速d s p 作为控制核心，达到结构简单、体积小、功率大、 控制精度好、电能质鼍信号种类多，不污染电网电能质量的要求。整流部分采用滞环电流控制的方式， 可以保证输入功率冈数为1 ，控制响应快速和直流电压恒定。逆变侧能够产生各类信号，包括正常交流 正弦电压、电压闪变、跌落、骤升、凹陷、谐波、三角波等。 1 2 2 研究意义 电网电能质量问题日益严重，给电力t i = | j 户带来巨大损失，迫切需要有效的技术手段予以解决。电能 质量免疫问题研究受到了极大的关注，然而，如前文所述，作为电能质量免疫研究重要工具的电能质量 测试装置在目前却显得不能够满足实际的需要，不能提供足够、全面的数据给电能质量免疫研究。就现 有设备本身来看，有的体积笨重，无法应用到工业现场流动测试，甚至本身就会带来电能质量问题；有 些设备虽然可以携带，但是信号种类较少，适应不了不同设备和应用场合的需要或者是功率太小，无 法对大功率工业设备进行测试，仅仅停留在实验室应用阶段。 就国内外的情况来看，国外的研究领先于国内。目前许多使用中的电能质量信号发生装置都是国外 的，价格昂贵，如福禄克公司的产品和e p s 公司的标准电压扰动发生器i p c 。国内相关的产品很少，基 本上还没有同时满足工业现场、实验室、研究测试等不同场合需要的产品。大功率电能质量信号发生装 置的研制可以使用于以f 领域： ( 1 ) 工业现场的测试。对计算机、数控机械等进行电能质量信号测试，获取不同设备对于不同性质 的电能质量问题的免疫参数提供给治理和研究使用，建立负荷的电能质量免疫模型和数据库a c 2 ) 用于教学和实验室研究。为实验提供各类电能质量信号和测试条件，简化实验条件和缩短实验 周期，提高实验的效率。作为教学仪器，用于电力电子方面的教学，促进教学水平的提高a ( 3 ) 能够填补目前国内的研究空白，提供性能良好的高端产品。 1 3 本文研究内容 ( 1 ) 以p s c a d 但m r d c 作为仿真工具，在第二章中研究了电路结构、整流及逆变所采取的控制策略 等几个方面的问题。逆变控制方式除了p w m 调制方式外还从研究了电压滞环控制策略，并与p w m 方式进行了比较。 c 2 ) 在第二章部分研究内容的基础上第三章研究了单相交- 直电路和交- 直- 交电路中直流侧直流电 压特点和变化规律，提出并建立了基于瞬时功率平衡的直流电压数学模型，阐述了功率在各侧之问流动 的机理。根据直流电压数学模型和功率在各侧之间的流动规律，给出改进控制策略、设计电路参数的方 法，并通过仿真验证所得结论的正确性。 c 3 ) 在第四章给出装置的硬件和软件的研究，包括软件设计、控制核心选型、功率器件选型、滤波 器和直流电容的设计等。通过编写控制程序、制作控制和功率电路、硬件安装、整机调试实现了一台单 相试验样机。 ( 4 ) 第五章给出了试验样机产生的谐波、电压跌落、闪变、凹陷、骤升等电能质量问题波形，与仿 真波形比较，对理论研究进行了验证。 ( 5 ) 第六章中提出电能质量敏感度测试系统的概念，并由试验样机和交流接触器组成测试系统，通 过仿真和试验样机测试，对交流接触器进行了有关电能质量敏感度的研究。主要研究了发生电压跌落时 交流接触器的动作行为，分析其安全工作的电压范围，并绘制了反映被测设备在发生电压跌落时耐受能 力的i t i 曲线。 4 第二章电路结构及控制策略分析 第二章电路结构及控制策略分析 2 1 电路结构 电能质量信号发生装置要求能够输出各种类型的电能质量信号，包括谐波、电压跌落、电压骤升、 闪变、凹陷等，对用电设备进行电能质量免疫能力测试；输出量具有较高的精度，可控性能好；电能质 量信号发生装置工作时，对电网而占可以看作普通用电设备，不能对电网产生污染。并且保证高功率囚 数，减少吸收的无功。 为了满足以上要求，所选的电路结构应该具有如下的特点： ( 1 ) 结构简单，输入输出可以实现解耦控制； ( 2 ) 可控性能好，能够实现功率双向流动； ( 3 ) 输入侧对于电网能够呈现等效线性特性，输出侧对负荷呈现电压源特性； ( 4 ) 能够允许较大的功率穿越； ( 5 ) 工作损耗小，效率高： 根据以上的要求，在拓扑上选择交- 直交( 双p w m ) 电路作为主电路，如图2 - l 所示： 整流 逆变 。口短领 i 巧 领c 巧q 镑 i n ：。 卜 兰 岛= = 毡i _ 奄 l 圪 篷i 巧萄 i 吒 图2 - 1 电路拓扑结构 功率器件选择i g b t ，加上控制可以实现以上的要求。对于整流桥，通过控制开关管q 1 - q 4 ，输入 的交流电压可以变换为可控直流电压。如果整流的控制策略中加入功率因数校正，可以实现输入交流侧 功率因数为1 。在逆变侧，按照一定的控制顺序控制丌关管凸q 8 ，直流电压将被逆变成所需交流波形， 产生相应的电能质量信号。从控制的角度来看主电路、控制电路与控制策略同构成完整的控制系统， 选择控制策略时要综台考虑以下几点： ( 1 ) 控制精度； ( 2 ) 控制速度； ( 3 ) 鲁棒性和稳定性； 在双p w m 电路的控制中，整流和逆变控制可以分开考虑，相互解耦，也可以根据需要将二者综台 起来，统懂! 制整流和逆变。前者在控制策略上各自独立，算法简单，易于实现，如果控制策略选择得 当，能够保证整体性能良好。后者有利于实现整体工作的最优，但由于要同时兼顾整流和逆变的需要， 控制相对较为复杂。从图2 1 中看到，输入侧要求高功率因数和无谐波，可以由整流电路单独实现，无 需引入逆变侧的参量。同样，直流电压波动在一定范围内时，输出逆变电路也能单独工作产生所需信号。 当整流策略能够控制直流电压的波动幅度并且逆变策略对直流电压波动不太敏感时，整流和逆变均能独 立t 作。因此，根据电能质量信号发生装置的特点，选择整流和逆变控相互解耦的控制策略。 直流电容c 的作用在于稳定直流电压和滤除谐波分量。输入的电感工l 有两个作用，。是抑制谐波， 二是产生附加电势，实现升压( b o o s t ) 整流。工2 、c 2 构成二阶输出滤波器，实现滤波作用。 5 东南大学顾士学位论文 2 2 整流控制策略 2 2 1 不控整流 不控整流方式下i g b t 管不工作，仅依靠并联的二极管构成单相全桥整流电路，工作方式简单，器 件少。交流电压被整流成含有纹波的直流，直流电压最大值不可能超过交流电压峰值。如果不控整流电 压直接供给逆变使用，逆变输出的电压幅值无法高于输入交流电压幅值且逆变负载变化时也会很引起 直流电压明显波动，影响逆变效果。在逆变输出电流较大的时候，逆变电压会下降较多，无法保持额定 值。此外，不控整流也难以达到高功率因数，因此不宜采用不控整流的策略。 2 2 2 可控整流m 1 通常进行可控整流控制时，可以分为双极性和单极性控制两种模式。双极性和单极性是按照整流器 的网侧方波电压不同特点来区分的。双极性模式指整流器网侧电压”。( 参见图2 1 ) 随着i g b t 管的开 断，只有两种电平值，电平值为或，可以用如下公式和表示： 如表2 1 所示 胪仁。嬲；豢嚣 表2 - 1 双极性开关模式 开关模式12 q 1 r y pq 2 r 吲 导通器件 q 4 r p 矽口3 ( v o 开关函数见 1 1 双极性模式指整流器网侧电压随着i g b t 管的开断，电平值分别为蝴。、0 或一，表示如下 胪仁 q 1 ( 巧) ，q 4 ( k ) 导通 ( 2 1 ) q 1 ( k ) ，q ：( 以) 或q ，( 巧) ，q 4 ( ) 导通( 2 - 2 ) 绞( v o ，奶( 巧) 导通 表2 - 2 单极性开关模式 开关模式 1234 q 1 r q 2 r y q t r r jq 3 f 导通器件 q 4 r 列q 3 r 聊q 2 ( v z ；q 4 r 聊 开关函数p l 1100 双极性和单极性控制时网侧电压电平示意图如下 6 第二章电路结构及控制荒略分析 。“出 “ d 唰出 1 0卜 洲 一 图2 - 2 双极性模式电平示意图 图2 3 单极性模式电平示意图 单极性模式控制电平的波形更加接近正弦波，相对来说输出的谐波较小，但控制相对复杂些。双极 性模式控制简单，开关频率升高时也能使得输出谐波减小。本课题根据所选择的器件能够达到较高的开 关频率，所以本装置研究采用的是双极性模式控制，因此以下对双极性模式进行具体分析。 双极性模式的各个不同开关模式期间内，电流流通回路如下： 2 坏 通 、 “ 飞一。 = 一0 子二= 一 mjl 一 、趟：v ，涟 ( a ) ( c ) ( b ) i a 毒 闱解 ， 吐 lv 2 “ 。 i 7 趟解 lv 4 、 图2 4 不同开关模式下电流路径 ( d ) 图2 - 4 中所示粗线条和箭头为电流流通路径。在同”个开关模式下，也会存在两个不同的电流流通 路径。从换流过程可以看到，交流侧的电流和功率全部进入直流侧，发生功率交换和传递。如果直流电 容容量足够那么在p w m 开关过程中直流电压可以近似认为保持不变。由于电感工存在，电感电流变 化的时候会出现电感电动势，与交流电源叠加后加在整流器交流侧，能够实现升压整流，直流电压可以 高于交流电源电压的峰值。整流器交流侧电压波形为幅值在“和- 间切换的方波，在第k 个开关 周期有如下表达式： “女七i r 豇t + t 。， “m2 “4 p 。1 一”女七i + t o 。r ( 七+ 1 ) 。2 。 疋为丌关周期，咒。为开关导通时间。开关函数p 2 是一系列的方波脉冲，其排列和脉宽规律决定于 调制方式。通常获得p 2 的方法有两种：一是采用正弦脉宽调制( s p w m ) 得到，二是通过电流滞环控制 计算得到。 7 东南大学硕士学位论文 2 2 2 1 正弦脉宽调制( s p w m ) 整流控制 $ p w m 整流控制采用正弦调制信号和三角载波相比较得到开关函数p 2 ，很显然，皿的脉宽基本上 符合正弦函数规律变化，如图2 - 5 中所示。 图2 - 5p w m 调制及触发脉冲 s p w m 频率远高于电网电压频率时，根据状态空间平均法，可咀将$ p w m 波形中的谐波分量略去 只考虑基波分量，交流侧电压”。和p 2 可以写成下式【1 2 1 3 】： ”。压s i n ( c o t + 1 ) p 2 m s i n ( ( a t + 妒1 ) ( 2 - 4 ) m = u a , t d m 称为调制比，当小于1 的时候，即( 刈= m 1 ) ，就呈现升压特性。采用s p w m 调制后，改 变m 就可以调节直流电压大小，相应地控制调制波的相角就能够实现高功率因数整流。实际控制的时候 根据控制目标来不断调整r e 和相位。三角载波的频率决定i g b t 开关频率，也决定开关过程产生的谐波 频率。采用较高开关频率，便于谐波滤除，减少注入系统的谐波，但是过高的开关频率会带来损耗增加t 也受到器件本身能力限制。 s p w m 调制是一种固定开关频率控制的模式，控制对象是输入交流电流时，就构成固定开关频率直 接电流控制【1 3 】。其算法简便，易于实现，开关频率固定，滤波器设计容易，有利于限制功率开关损耗。 缺点在于开关频率不高的情况下，电流动态响应相对较慢，且电流动态偏差随电流变化率变化而变化”“ 应用在控制精度要求高的场合不够理想。 2 2 2 2 滞环电流控制 滞环电流控制也是一种直接的电流控制方式“1 ，其获得开关函数p 2 的方法和s p w m 调制不同，滞 环电流控制的基本原理是通过参考量和反馈量进行滞环比较来确定见。设定滞环控制的半环宽为 ，滞 环控制按照下式进行： 8 第二章电路结构及控制策略分析 j i - m( 2 劫 i q 2 = 0q 3 = oq i = 1 幺= l j f _ 。席( 2 _ 6 ) 【q 2 = lq 3 = lq 1 = 0q 4 = 0 。 式中l 代表开通，0 代表关断。结合图2 - 4 ( a ) 、( b ) 进行分析，墙为电流参考值，当i i 。f 人于h 时， 关断开关管q 2 和9 ，触发q i 和q 4 开通( 实际此时电流f 的方向不能使其导通，但这不影响电路工作) ， 电流路径由图2 - 4 ( a ) 换路为图2 _ 4 ( b ) ，输入电流瞬时值降低，一直到当i 妇小于- h 时，丌关管q 2 和q 3 开通( 实际此时电流f 的方向可以使其导通) ，关断q 1 和q 4 ，电流路径由图2 _ 4 ( b ) 换路为图2 - 4 ( a ) ，输入电流i 瞬时值增加，如此不断控制开关管通断，可以实现实际电流跟随参考电流。同理分析 图二4 ( c ) 、( d ) ，也可得到相同结论。 图2 6 滞环控制波形局部放大 图2 - 6 显示了电流滞环控制的局部放大波形和开关函数p 2 。输入电流f 在跟随参考电流变化，从图 中可以看到，i 实际上存在许多的高频分量，局部的波形类似锯齿波，锯齿波的幅度就在正负环宽之间。 每对应于一个开通的触发脉冲，电流上升直到上环宽点滞环控制检测到后发出关断信号，电流就f 降 到下环宽点。如果环宽越小，则锯齿波的频率会增加，但振荡的幅度将减小，总体波形就越接近参考波 形。很明显看到滞环控制的开关频率有变化，不象s p w m 控制那样恒定，其具体变化规律在第四章中分 析。滞环控制的优点在于控制速度快，控制精度由环宽决定，与电流变化率无关。缺点在于频率会随电 流变化率波动，造成网侧电感设计困难。 从以上的分析可以看出，s p w m 调制控制和电流滞环控制都可以实现可控整流。由于本课题的研究 目的中希望有较好的控制速度和控制精度，因此选择滞环电流控制进行可控整流，获得比较稳定和准确 的直流电压。 2 2 3 滞环控制参考电流钿计算 进行滞环控制首先需要确定参考电流拓。参考电流妇由控制的目标决定，即满足直流电压目标值 和与电网电压1 同相目标值。因此，d 中应该包含直流电压和同步的信息a 通常可以由直流电压目标 值决定i 的幅值，电网电压l “决定e f 的相位和频率，这样正弦量钿就被唯一确定a 9 东南大学硕十学位论文 交流同步 电压信号 直流 图2 7 获得参考电流妇逻辑 直流电 压给定 p i 是比例- 积分环节，用以实现无差跟踪，提高控制精度。直流电压给定和实际直流电压的差值经 过丹环节后，与电网电压“1 同步信号相乘，就得到f 。 图2 8 滞环控制电流波形 图2 - 8 中k 为按照以上方法获得和电源电压“l 同相的参考电流，幅值由直流电压决定。输入电流i 轮廓相对较粗，反映了环宽的影响。环宽越小f 就越接近妇但控制频率将增加。频率增加会导致开 关损耗增加，同时在控制中计算量增加，有时难以满足计算速度的需要，因此实际应用中会采用折中的 策略，保持一定的控制精度，又不使频率增加过多。 2 。3 逆变控制策略 2 3 1 电能质量信号特点分析 电能质量信号范围不局限于简单正弦波，还包括许多非正弦信号。这些信号特点与普通正弦信号不 同，主要表现在以下的方面： 普通正弦信号变化率相对来说不大，按照余弦规律变化，没有变化率突变的点。而有些电能质量信 号会出现陡峭的上升或下降沿，如形成电压凹陷，尖峰等信号；电能质量信号包括很多不规则的信号 这些信号含有很多的谐波成份要求很宽的频域才能满足要求，因此输出滤波器参数的设计必须与之适 应，许多的谐波信号必须保留，不能被滤除；而在输出普通正弦信号时，一些谐波分量未被滤除，就会 破坏波形。为了保证波形的畸变不大，需要控制策略进行抑制。 对于逆变，现在主要扮方法是通过脉宽调制( p w m ) 实现，这种方法技术成熟，实现容易。从研究 的角度出发，本文还讨论了使用电压滞环控制的逆变方式，并对二者进行分析比较。 1 0 第二章电路结构及控制策略分析 2 3 2p w m 调制方式 p w m 调制采_ h j 三角载波与调制信号比较得到触发脉冲实现控制。p w m 三角载波方式一般都是固定 频率的，滤波器参数的设计和计算简单。p w m 控制方式使用d s p 控制也较容易实现，有些型号的d s p 如t m s 2 4 0 7 系列的事件管理器专门能够实现p w m 功能，给控制和设计带来极大便利。调制波形及脉冲 如图： 图2 - 9 电压凹陷波形的调制和脉冲图2 1 0 电压尖峰波形的调制和脉冲 如前文对电能质量信号特点分析表明，电压凹陷的上升沿( 下降沿) 以及尖峰持续的时间都很短， 为输出这些短暂的信号，需要较高的开关频率。图2 - 1 0 反映了由于载波频率较低的时候无法捕捉到尖峰 信号的情况。而在其他的时段波形按照正弦信号变化，需要的开关频率相对较低。采用固定的控制频率， 如果满足输出电压凹陷和尖峰，则在大部分输出正弦信号时段开关频率过高，损耗大，控制复杂。如果 满足较低开关频率，则虽然损耗小，但是无法满足电能质量信号输出的要求，造成波形失真。 2 3 3 电压滞环控制 从p w m 三角载波方式的分析可以看出，对于持续时间短而且变化率非常大的信号，如果在需要的 时候改变控制的频率，根据情况增加控制的开关脉冲数，就有可能很好地真实反映所需波形。同时在输 出变化率不大的信号的时间段内频率无需维持那么高，这样整个周期内的开关频率并没有显著提高， 但是却能够输出所需的电压信号。 类似电流滞环控制，我们提出使用电压滞环控制策略。电压滞环控制策略直接用输出电压与参考信 号进行滞环比较，滞环控制环节起着两个作用：一是引入电压反馈，构成闭环电压无差控制，无需通常 用的p i 环节，相应减少响应时间；二是作为调制环节，直接控制开关管的通断。整个控制没有时延，环 节也比较少。控制的作用对象直接是输出电压，并且采用瞬时值进行比较，所以控制的速度和跟随性都 很好。由于综合控制速度快、瞬时值比较和直接控制输出电压几个特点即使参考信号存在突变，电压 滞环控制也能很好地保证输出电压跟随参考电压。滞环控制的输出电压变化范围被限制在上下环宽之间。 当环宽比较小，输出电压的波形将基本吻合参考信号。通过调整环宽可以控制波形畸变大小t 保证波形 良好。 从以上分析可以看到，电压滞环控制非常适合形成变化率有突变的信号。 蔓堕查兰堡主兰垡堡兰 2 3 3 1 电压滞环控制逻辑 整流逆变 图2 - 1 1 电压滞环控制逻辑 交流电源经过高功率因数整流电路后得到直流电压，整流策略采用电流滞环控制，参考信号的相位 与电源同相，其幅值由直流电压与设定值的差值经p i 环节后得到。在逆变电路中。输出电压采用电压滞 环控制：即将参考参考电压波形与反馈回来的输出电压进行比较，采用滞环策略控制相应开关管的通断。 控制过程如下： k 一“2 一h ( 珐= i 马= l 幺= 0 珐= 0 g = 1 酝= i ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 将输出电压眈与参考电压地进行比较，当u 2 - “2 。大于