（电力电子与电力传动专业论文）基于pwm变换技术的svg系统研究.pdf

a b s t r a c t s t a t i cv a l g e n e r a t o r ( s v o ) i sa l li m p o r t a n tf l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m c o n t r o l l e r i ti sak i n do fd e v i c e ，w h i c hi sb a s e do np o w e rc o n v e r t o ra n dc a n c o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e ro fe l e c t r o n i cs y s t e m ，a n di s t h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to f f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e mi ne l e c t r o n i ci n d u s t r ya n dh a se m e r g e di nr e c e n t y e a s i ta p p l i e se l e c t r i ca n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e ra n d m o d e mc o n t r o lt e c h n o l o g yt ot h ep o w e rs y s t e m t h r o u g ht h ec o n t r o lo fo u t p u t t i n g v o l t a g ea m p l i t u d ea n dp h a s eo f t h ed e v i c e ，i tc a ni m p l e m e n tf l e x i b l ea n df a s tc o n t r o lt o t h en e t w o r kp a r a m e t e ra n dn e t w o r ks t r u c t u r eo ft h ep o w e rs y s t e m ，c a l lr e g u l a t e c o n t i n u o u s l yt h er e a c t i v ep o w e r i nt h ew h o l er a n g ef r o mc a p a c i t i v er e a c t i v ep o w e rt o i n d u c t i v er e a c t i v ep o w e r , r e a c ht oc o m p e n s a t er a p i d l yt h ed e m a n df o rt h er e a c t i v e p o w e ro ft h es y s t e m ，t h u sc a ns u p p r e s st h e v o l t a g ef l u c t u a t i n ga n ds t r e n g t h e n s y s t e m a t i cs t a b i l i t y t h i st h e s i sc o m p a r e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o fv a r i o u sv a r c o m p e n s a t i o nd e v i c e s i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n d c u r r e n ts i t u a t i o no fs v g a n a l y z e si t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dc o n t r o lm e t h o d , w i t ht h ep w m c o n v e r t o rf o rt h e f o u n d a t i o nd e s i g n e dt ot h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n to fr e a c t i v ep o w e r so c c u r r e n c e e q u i p w i t ht h ep w m c o n v e r t o rf o rt h ef o u n d a t i o nd e s i g n e dt or e a c t i v ep o w e r s o c c u r r e n c ee q u i pi san e wg e n e r a t i o nr e a c t i v ep o w e r sc o m p e n s a t ee q u i p ，t h et e c h n i q u e o fp a s st h ep w mt e c h n o l o g yr e g u l a t e st h eb r i d g en e t w o r ks i d ee l e c t r i c c u r r e n t s a m p l i t u d ea n dp h a s et oc o m p e n s a t et h er e a c t i v ep o w e r b e c a u s et h ep w m c o n v e r t o r c o u l db er u n n i n gi nf o u rq u a d r a n t s ，s ot h es v gc a nc a r r yo u th a v en oh a r m o n i cw a v e c o n t i n u o u sc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e r p w mc o n v e r t o r sk e y s t o n ea n ds i m u l a t i o na r e d i s c u s s e df i r s ti nt h et h e s i s ，a n dc o m b i n et h eb e n e f i c i a lr e s o u r c e so fo u rl a b o r a t o r ya st o d ow i t ht h i se x p e r i m e n t ，a n db a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p ，t h es y s t e m sh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea l ed e s i g n e d ，f i n a l l yd e s i g nt h em o d e m w i t ht h em i n eh o i s tf o rl o a d ，i ti st h e r e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i o u sw a v eo c c u r r e n c es o u r c e ，d e s i g nl ct of i l t e rw a v ea n d 晰t hp w mc o n v e r t o rt e c h n i q u ef o rt h ef o u n d a t i o n sr e a c t i v ep o w e r sc o m p e n s a t ee q u i p ， v a l i d a t et h ew h o l es y s t e mi sg o o d f i g u r e 【7 9 】r e f e r e n c e 【4 2 】 k e y w o r d s ：c o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e r ，p o w e rf a c t o r , p w mr e c t i f i e r , i n s t a n tc o n t r o l o f p o w e r c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t m 714 3 i i 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及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 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 塞徵堡王太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 表示谢意。 学位论文作者签名：丝泣日期：乒j 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徽堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 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，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 1 f 备冬 导师签名翰欠 签字b 期：o | 年占其s 日 签字日期：汐夕年么月，日 i 绪论 1 绪论 1 1 无功补偿的分类与发展背景 1 课题背景 自从1 8 3 1 年法拉第发现电磁感应定律以来，电能成为主要的二次能源，至今 已有1 7 0 多年的历史。近年来，随着电力系统中非线性用电设备，特别是电力电 子装置应用的日益广泛，而大多数电力电子装置功率因数较低，工作时基波电流 滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率，给电网带来额外的负担，严重影响电 网的供电质量，因此提高功率因数己成为电力电子技术和电力系统研究领域所面 临的一个重大课题。 解决电力电子装置产生的谐波污染和低功率因数问题不外乎两种途径：一种 是装设补偿装置，如有源滤波器、无功功率补偿器等，设法对谐波进行抑制和对 无功进行补偿；另一种是对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波也不消 耗无功功率，或根据需要对其功率因数进行调节。后一种方法需要对现有电力电 子设备进行大规模更新，代价较大，并且只适用于作为主要谐波源的电力电子装 置，因此有一定的局限性。而前一种方法则适用于各种谐波源和低功率因数设备， 并且方法简单，己得到广泛应用。 现代电力电子技术的出现和发展为谐波和无功补偿装置的能动控制提供了可 能。近年来，电力电子器件也由不可控器件，半控器件及全控器件发展到智能化 的功率器件。这些新型器件的出现使得电力电子变换电路本身及其控制系统产生 了巨大的变革，从传统的以整流为主的电力电子技术跨入了以直流逆变成各种频 率的交流为主的逆变时代，从而为各种形式的变流器在交流系统中的应用提供了 可能。而近几十年来电力电子技术在电气拖动领域中的广泛应用，积累了大量的 应用经验，技术上也日趋成熟。正是在电气拖动领域中得到广泛应用的相控技术， 脉冲宽度调制( p 删) 技术和四象限变流技术为各种形式的静止无功功率补偿装置 ( s v c ) 和有源滤波器( a p f ) 控制器提供了原形。 晶闸管获得广泛应用后，以晶闸管控制电抗器( t c r ) 为代表的静止无功补偿装 置( s v c ) 有了长足的发展，可以对变化的无功功率进行动态补偿。近年来，随着以 g t o ，b j t 和i g b t 为代表的全控型器件向大容量、高频化方向的不断发展，采用 电力电子技术的各种有源补偿装置发展非常迅速。 8 0 年代以来，随着电力电子技术的进一步发展及瞬时无功功率理论的提出， 安徽理工大学硕士学位论文 一种更为先进的静止无功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的新型静 止无功发生器( a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r ，简称a s v g ) 。而在谐波抑制方 面，则出现了电力有源滤波器( a c t i v ep o w e rf il t e r ，简称a p f ) ，其基本原理是 从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波大小相等而极性相 反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这在基本原理上和新型静止无功 补偿装置是相同的。本文研究无功功率补偿方面，加入l c 滤波，对谐波进行滤除， 并对负载进行动态补偿，使其功率因数提高并稳定。 2 无功补偿的分类 电力系统中的无功补偿装置从最早的电容器开始发展到今天，历经了电容器、 同步调相机、静止无功补偿装置和今天引人注目的s v g 等几个不同的阶段【6 ，9 1 。 同步调相机是传统的无功功率动态补偿装置，它是专门用来产生无功功率的 同步电机，在过励磁或者欠励磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或 感性无功功率。同步调相机的优点【7 】是：在系统发生故障引起电压降低时，同步 调相机可提供电压支持，还可在短时间内强行励磁，对提高电力系统的稳定性有 很大好处。自2 0 世纪二三十年代以后几十年中，同步调相机在电力系统无功功率 控制中一度发挥着重要作用。然而，由于它是旋转电机，因而损耗和噪声都很大， 运行维护复杂，而且由于控制复杂造成响应速度慢，在很多情况下己无法适应快 速无功功率控制的要求。所以从上世纪7 0 年代以来，同步调相机开始逐渐被静止 型无功补偿装置所取代，目前有些国家甚至已不再使用同步调相机。 早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器( s r ) 型的。1 9 6 7 年，英国g e c 公司制 成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置 6 1 。此后，各国厂家纷纷推出 各自的产品。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快； 但是由于其造价高、损耗大、有振动和噪声，并且调节时间长，动态补偿速度慢 等缺点，所以饱和电抗器型的静止无功补偿器应用的比较少。 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管的静止无功补 偿装置推上了电力系统无功功率控制的舞台【1 0 1 。1 9 7 7 年美国g e 公司首次在实际 电力系统中演示运行了其使用晶闸管的静止无功补偿装置。1 9 7 8 年，在美国电力 研究院的支持下，西屋电气公司制造的使用品闸管的静止无功补偿装置投入实际 运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特色的系列产品。我国也先后 引进了数套这类装置。 由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，从2 0 世纪8 0 2 绪 论 年代开始，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据了静止无功补 偿装置的主导地位。因此静止无功补偿装置( s v c ) 这个词往往是专指使用晶闸管的 静止无功补偿装置，包括晶闸管控制电抗器( t c r ) 和晶闸管投切电容器( t h y r i s t o r s w i t c h e dc a p a c i t o r - t s c ) 以及这两者的混合装置( t c r + t s c ) ，或者晶闸管控制电 抗器与固定电容器( f i x e dc a p a c i t o r f c ) 或机械投切电容器( m e c h a n i c a l l y s w i t c h e dc a p a c i t o r _ _ m s c ) 混合使用的装置( 如t c r + f c ，t c r + m s c 等) 。因其响 应速度快，价格适中，使其在电力系统中得以迅速的推广。s v c 的缺点在于谐波 成分大，需要将固定电容器和电感器串联构成谐波滤波来滤除谐波。而且s v c 运 行时电容和电感的一部分容量相互抵消，不经济；且电容分组不连续投切会影响 调节质量。 随着电力电子技术的进一步发展，上个世纪8 0 年代以来，一种更为先进的静 止无功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，称之 为先进静止无功发生器( a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r 一a s v g 或s v g ) ，或 者静止调相机( s t a t i cc o m p e n s a t o r - - - - - s t a t c o m ) 。最近日本和美国已分别有数台 s v g 装置投入实际运行中，在我国，以清华大学为代表的一些科研机构研制了 2 0 v a r 的s v g ，并在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，获得了一定的实际经验， 并在理论上有了一些发展。 无功补偿装置发展情况概括如图1 所示。 无功丰卜 偿裴置 早期无功 补偿裟置 现代无功 补偿装置 静i i ：无功补 偿器 ( s v c ) 先进静止无功 发f i 器 ( s v g ) 图1 无功补偿装置的发展 f i g 1d c v c l o l n to f v a tc o m p e n s a t o r 3 安徽理工大学硕+ 学位论文 1 2s v g 的优越性及研究现状 新型静止无功发生器( s v g ) ，是现代柔性交流输电系统( f a c t s ) 的核心组成部 分，由基于g t o 或i g b t 的电压型逆变器和直流电容构成，和其它常规无功补偿装 置相比，具有以下几大优点： ( 1 ) 在提高系统的暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面，s v g 的性能大大优于 传统的无功补偿装置； ( 2 ) 采用数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量维 护费用；同时，可通过调度中心e m s 实现无功潮流和电压最优控制，是建设 中的数字电力系统( d f s ) 的组成部分： ( 3 ) 控制灵活，调节范围广，在感性和容性运行工况下均可连续快速调节， 响应速度可达毫秒级： ( 4 ) 静止运行，安全稳定，没有调相机那样的大型转动设备，无磨损，无机 械噪声，将大大提高装置的寿命，改善环境影响； ( 5 ) 对电容器的容量要求不高，这样可以省去常规装置中的大电感和大电容 及庞大的切换机构，使s v g 装置的体积小，损耗低； ( 6 ) 连接电抗小，s v g 接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存在的较 高次谐波，另外起到将变流器和电网这两个电流电压源连接起来的作用，因 此所需的电感量并不大，也远小于补偿容量相同的t c r 等s v c 装置所需的电 感量，如果使用变压器将s v g 连入电网，则还可以利用变压器的漏抗，所需 的连接电抗器将进一步减小； ( 7 ) 对系统电压进行瞬时补偿，既使系统电压降低，它仍然可以维持最大无 功电流，即s v g 产生无功电流基本不受系统电压的影响； ( 8 ) 谐波量小。在多种型式的s v c 装置中，s v c 本身产生一定量的谐波，如 t c r 型的5 ，7 次特征谐波量比较大，占基波值的5 卜1 0 ；其他型式如s r 等3 ，5 ，7 等次的谐波，这给s v c 系统的滤波器设计带来许多困难，而在s v g 中则完全可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或p w m 技术来进 行处理t 2 9 ，以消除次数较低的谐波，并使较高次数如7 ，1 1 等次谐波减小到 可以接受的程度； ( 9 ) s v g 中的电容器容量小，在网络中普遍使用也不会产生谐振，而使用s v c 或固定电容器补偿，如果系统安装台数较多有可能导致系统谐振的产生； ( 1 0 ) s v g 的端电压对外部系统的运行条件和结构变化是不敏感的。当外部 4 绪论 系统容量与补偿装置容量可比时，s v c 将会变得不稳定，而s v g 仍然可以保 持稳定，即输出稳定的系统电压； ( 1 1 ) s v g 的直流侧采用较大的储能电容，或者其他直流电源( 如蓄电池组) 后，它不仅可以调节系统的无功功率，还可以调节系统的有功功率。这对电 网来说是非常有益的，是s v c 装置所不能比拟的。 正因为上述优点，s v g 作为一种新型的无功调节装置，已经成为现代无功补 偿装置的发展方向，成为国内外电力系统行业的重点研究课题之一。 目前，世界上已有多台投入运行的s v g 。其中，1 9 8 6 年美国e p r i 与西屋公司 等研制的i m v a r s v g 在纽约州的s p r i n gv a l l e y 投入示范运行；1 9 9 1 年日本的三 菱公司与关西电力公司共同研制的8 0 m v a r s v g 在i n u y a m a 开关站投入1 5 4 k v 系 统运行；1 9 9 2 年东京电力分别与东芝公司和日立公司开发的两台5 0 m v a r s v g 在 新信浓电站投入使用：1 9 9 5 年美国的电力科学院e p r i ，田纳西流域管理局t v a 与西屋公司投运了一台l o o m v a r s v g ；1 9 9 7 由德国西门子公司开发研制的 8 m v a r s v g 在丹麦的r e is b yh e d e 风场投入运行；目前为止世界上最大容量的s v g 是美国a e p 统一潮流控制器项目中的并联部分1 6 0 m v a r s v g ，已于1 9 9 7 年开 始运行。到目前为止，国际上只有美，臼，德等少数几个发达国家掌握了s v g 的 应用开发技术。 在国内，9 0 年代之前还没有较全面的研究成果，只是一些以清华大学为代表 的一些科研机构通过研究，做了一些实际的工程，获得了一定的实际经验，并在 理论上有了一些发展。9 0 年代初，国内已开始了f a c t s 系统的理论研究及具体 f a c t s 装置和控制器的研究工作。在我国，1 9 9 4 年作为原电力部重大科技攻关项 目由河南省电力局和清华大学共同研制了土2 0m v a rs v g l 2 2 1 。为了进行基础理论 研究，首先研制了土3 0 0 k v a r 的中间工业试验装置，于1 9 9 5 年并网运行。1 9 9 9 年3 月土2 0m v a rs v g 在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，并于2 0 0 0 年6 月成功 地通过了鉴定，这是国内首台投入应用的大容量柔性交流输电装置。该装置不仅 能调节无功和电压，还可提高输电稳定性和输送能力。东北电力集团公司和电力 科学研究院等单位合作，对5 0 0 千伏超高压输电线路可控串联补偿( t c s c ) 的研究 已取得阶段性成果。结合伊敏冯屯5 0 0 千伏输电线路的研究表明，采用2 5 串联补偿电容的可控串联补偿装置 2 3 】，可显著提高暂态稳定水平和阻尼振荡能 力。电力科学研究院、东南大学、清华大学都在进行u p f c 的研究。电科院建立了 u p f c 控制器的模型，结果证明了u p f c 良好的效果和功甜2 4 1 。 5 安徽理工大学硕士学位论文 目前，对于s v g 的大规模应用存在着三个制约因素| 2 9 1 。其一，由于高压大 容量可关断器件的单管容量还比不上一般晶闸管的单管容量，因此s v g 的装置容 量还比较小，目前主要通过单相桥的串联或并联、可关断器件的串联来扩大容量， 而单相桥串联或通过变压器并联较复杂，可关断器件的串联实现起来还比较困难， 因此增加了整个s v g 装置的复杂程度和造价，其二，s v g 装置容量造价较高，在 许多对无功功率补偿速度要求不是很高或不存在特殊要求的场合，用户愿意采用 价格相对较低的s v c 装置。其三，用户对s v g 的认可程度还不是很高。随着电力 电子技术的不断发展，大容量器件不断涌现，上述制约因素问题可望得到解决。 1 3 课题研究的意义及内容 1 3 1 无功给电力系统带来的影响 1 增加设备容量。无功功率的增加会导致电流增大和视在功率增加，从而使 发电机，变压器等各种电气设备的容量和导线的容量增加。同时，也使得电力用 户的起动及控制设备，测量仪表的规格也要相应的加大 2 5 , 2 6 1 。 2 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备线路 的损耗增加，这是显而易见的。设线路中电流i 由有功分量，。和无功分量l 组成， 线路电阻为r ，则线路损耗为： 以巾：( z + 枷：譬灭 ( 1 - 1 ) 其中( q 2 u 2 ) 尺这一部分损耗就是无功功率引起的。 3 使线路和变压器的电压降增大，若是冲击性无功功率负载，还会使电压产 生剧烈波动，使供电质量严重降低。在图2 中 图2 等效电路 f i g 2e q u i v a l e n tc i r c u i t z s 引起的电压降u 为： a u = e - u = z s i 6 y = g j b ( 1 2 ) 绪论 另外，负载电流i 可由下式求得： i = u ( g - j 酌 = 丁u 2 g - j u 2 b = 铲 ( 1 - 3 - j ) = 一= _ = = i ii uu 、 把( 1 - 3 ) 代入( 1 - 2 ) 可得： 疵( b + j x s ) 竽 = 等笋+ j x s p u - r s q ( 1 - 4 )uu 分析图中各参数可看出，应和d 之间的夹角很小，因此 a u 塾! 墨望 ( 1 5 ) u 在一般的电网中，r s 比墨小的多，因此可以得出这样的结论：电网电压的 波动主要是由无功功率的波动引起的，而有功功率的波动对电网电压一般影响较 小。例如：电动机起动时功率因数很低，这种冲击性无功功率会使电网电压剧烈 波动，甚至使接在同一电网上的用户无法正常工作。电弧炉、轧钢机等大型设备 会产生频繁的无功功率冲击，严重影响电网供电质量。 4 功率因数降低，设备容量利用少。 1 3 2 本论文研究的主要内容 1 给出本课题的一些相关背景，研究了p w m 整流器的原理，控制理论，建立 数学模型，仿真模型，并进行了仿真，为第五章的研究建立基础。 2 给出了无功发生器的工作原理，数学模型及控制策略并利用m a t l a b 软件 设计了一个仿真系统，对本课题提出的方案进行仿真验证。 3 利用本实验室的平台，进行三相v s r ( 电压型p w m 整流器) 的实验。 1 3 3 课题的创新点 采用以p w m 变换技术为基础，设计一种新型无功发生器，提出两种无功补偿 的控制策略，瞬时无功补偿和平均无功补偿，并对瞬时无功补偿进行系统的研究， 设计一个以矿井提升机为无功发生源和谐波源，采用瞬时无功控制策略的系统仿 真模型，通过仿真可以发现该补偿策略可以较好的提高并稳定系统的功率因数。 7 安徽理：i ：大学硕十学位论文 2 三相p w m 整流器( v s r ) 的理论研究 2 1p w m 整流器基本概述 2 1 1p w m 整流器分类 p w m 整流器可分类如下：按直流储能形式可分为电压型和电流型；按电网 相数可分为单相电路、三相电路和多相电路：按p w m 开关调制可分为硬开关调 制和软开关调制；按桥路结构可分为半桥电路和全桥电路：按调制电平可分为二 电平电路、三电平电路和多电平电路。 尽管分类方法多种多样，但最基本的分类方法就是将p w m 整流器分类成电 压型和电流型两大类，这主要是因为电压型、电流型p w m 整流器均有各自的特 点，其他分类方法就主电路拓扑结构而言，均可归类于这两类整流器之列。 2 1 2p w m 整流器电路分析 n 图3 一股三相v s r 变流器结构 f i g 3c o m m o n t h r e ep h a s ev s r ss t r u c t u r e 由上图可见，三相v s r 交流侧采用三相对称的无中线连接方式，并使用6 个功率开关管，需对三相桥臂施加幅值、频率相等，而相位互差1 2 0 0 的三相对称 正弦波调制信号。设直流侧电容足够大，则输出呈直流电压源特性，稳态时的输 出直流电压可保持不变。这样从直流侧看进去，三相v s r 可看成一个电压型三相 桥式逆变电路，它的负载由交流电源和阻感负载串联组成。 下面以三相桥式p w m 型逆变器为例来分析三相v s r 的工作波形。直流侧通 常只有一个电容器就可以了，但为了分析方便，画作串联的两个电容器并标出了 假想中点n 。这种电路是采用双极性控制方式，a 、b 、c 三相的p w m 控制通常 8 三相p w m 整流器( v s r ) 的理论研究 会用一个三角载波信号，三相的调制信号、z 伽、z 伽依次相差1 2 0 。a 、b 、 c 各相功率开关器件的控制规律相同。现以a 相为例来说明。当 阮时，给上 桥臂v l 以导通信号，给下桥臂v 4 以关断信号，则a 点相对于假想中点n 的电 压啪，= z 亿2 ：当z k 1 、1 一 p 黯髭转黜i 卜 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 图5 三相电源电压波形 f i g 5t h ew a v e so f t h r e e - p h a s ev o l t a g es o u r c e 从图5 可以看出每隔6 0 。就有一相电流改变极性，根据乞，之的过零点将 一个周期划分成一六共6 个区间。显然，电流极性的变化将影响主电路的换流方 式。当三相调制波沿着时间轴变化一周时，图5 中的矢量按 v 4 一v 6 一v 2 一v 3 一v l v 5 一v 4 旋转一圈。在每个区间里，除了有非零矢量外，都 含有零矢量v o 、v 7 。 v t lv t 35v ”、丌3v t 5 一1 。溢 一 + i ， v d 5 “ 一t r c - - v d 6v d 2 一(， 一 j ， v t 4v r 6 、厂r 2 ( a ) 、丌iv t 3v t 5 f 0 ，u b 0 ，以 0 ， 0 ，乏 0 ，在一个p w m 周期内对应矢量分配则为v o ( 0 0 0 ) 、 v 4 ( 1 0 0 ) 、v 6 ( 1 1 0 ) 、v 7 ( 1 1 1 ) ，其换流过程与开关状态如图6 所示。其中图 6 ( a ) 对应于矢量v o ( 0 0 0 ) 的换流方式，此时三相下桥臂导通，电流极性( 如图6 ( a ) 中箭头所示) 决定了实际导通器件为v r 4 ，v d 6 ，v d 2 ( 图中粗线表示电流回路) ，桥 臂入端线电压= g b c = u c a = 0 ：图6 ( b ) 对应于矢量v 4 ( 1 0 0 ) 的换流方式，a b f l _ k 桥臂导通，b ，c 两相下桥臂导通，电流极性决定了实际导通器件为v d l ，v d 6 ，v d 2 ， 此时桥臂入端线电压“_ 占= ，弘嬲= 0 ，u c a = 嘞；图6 ( c ) 对应于矢量_ v 6 ( 1 1 0 ) 的换流方式，a ，b i g i 相上桥臂导通，c 相下桥臂导通，电流极性决定了实际导通器 件为v d l ，v t 3 ，v d 2 ，此时桥臂入端线电压z = 0 ，z k = 蚴，u c a = - - u d 。图6 ( d ) 对应于矢量v 7 ( 1 11 ) 的换流方式，电流极性决定了实际导通器件为v d l ，v t 3 ，v t s 。 其它各区间如r d 6 - - - r d 3 等的换流方式的分析与此类似。 2 3 三相p w m 整流器( v s r ) 的一般数学模型 所谓三相v s r 一般数学模型就是根据三相v s r 拓扑结构在三相静止坐标系 ( 孔b ，c ) 中，利用电路基本定律( 基尔霍夫电压、电流定律) 对v s r 所建立的一 般数学描述。 针对三相v s r 一般数学模型的建立，通常作以下假设3 】： 1 电源是三相平衡的正弦电压源。 2 滤波电感l 是线性的，不考虑饱和现象。 3 直流负载用负载电阻与直流电动势串联表示，v s r 既能工作在整流状态， 又能工作在逆变状态。 2 3 1 开关函数描述的三相v s r 数学模型 三相v s r 的功率电路结构如图3 所示。主要包括交流侧的电感、电阻、直流电 容、以及由全控开关器件和续流二极管组成的三相全桥电路。乜，历，历为电源电压， 直流负载用负载电阻r l 与直流电动势e 串联表示。在电路中，假定三相电感严格 对称，三相全桥都是由理想的开关管组成，其上升、下降时间为零，死区时间为 零。 1 3 安徽理：亡大学硕士学位论文 为分析方便，各桥臂开关函数按如下规则取值：上管导通、下管断开时为1 ， 上管断开、下管导通时为0 。可用单极性二值逻辑开关函数& 表示，如式( 2 7 ) 。 将三相v s r 功率开关管损耗等效电阻b 同交流滤波电感等效电阻r 。合并， 且令r = r l + r ，采用基尔霍夫定律建立三相v s ra 相回路方程为 哮+ = 乜一g o o + u o n ) ( 2 一1 0 ) 当a 相上桥臂导通而下桥臂关断时，s 。= 1 ，且口d = 甜出；当上桥臂关断而下桥 臂导通时，开关函数s 。= 0 ，且扰州= 0 。由于“d = u d c ，式( 2 1 0 ) 可改写成 上等+ 彤口= 瓦一o d c s a + u o n ) 同理，可得b 相、c 相方程如下： 哮+ 瓯= 岛一o d c s b + l i o n ) 哮+ 也= e g d c s c + u o n ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 考虑三相对称系统，则 既+ 乜+ 匠= o ，i 。+ 如+ f 。= o ( 2 一1 4 ) 联立式( 2 - 1 1 ) 式( 2 1 4 ) ，得 u o n = 粤一l s k2 3 脚套# ( 2 1 5 ) 在图3 中，任何瞬问总有三个开关管导通，其开关模式共有2 3 = 8 种，因此， 直流侧电流可描述为 i 耙= t 4 s 黍c + i b s 墨d + i c s j 4 + 乜o + i 知n s 黍c + o 。+ f 。砖。s 。瓦+ 纯+ 砖6 s 。瓦+ ( f 口+ i b + 己b 。s 6 s 。 ( 2 一1 6 ) = i a s 口+ i b s b + i t s 。 另外，对直流侧电容j 下极节点处应用基尔霍夫电流定律，得 c d ”m d ci a s a + i b s b + i c s c 一警( 2 - 1 7 ) 联立式( 2 1 1 ) 式( 2 1 7 ) ，并考虑引入状态变量x ，_ f 1 x = k ，屯，己，“出r ， 1 4 三相p w m 整流器( v s r ) 的理论研究 则采用单极性二值逻辑开关函数描述的三相v s r 一般数学模型的状态变量表达式 为 z x = a s + b e ( 2 1 8 ) 式中 a = 一r0o or0 o0一r s ns bs c 一( s a - - 七黛 一- 3 m z s 。k ) t z s ，。k ) - 1 r 工 ( 2 1 9 ) z = d i a g l l lc 】 ( 2 2 0 ) b = d i a g 1 1l 1 r l 】 ( 2 - 2 1 ) e = e a ，岛，匪，p l 】r ( 2 2 2 ) 这样，三相v s r 的一般数学模型推导出来了。它是一个时变、非线性，且包 括开关函数的模型，系统各相电流的变化不仅与本相开关管的状态相关联，而且 与另外两相开关管的状态相关联。也就是说在静止a ，b ，e _ - - 相坐标系下，各相电 流存在着耦合，且很难分离耦合项。由于耦合项的存在，在基于静止a ，b ，e - - 相 坐标系下，很难对三相v s r 的电流进行准确快速的控制。 因此，要得到闭环解非常困难。所以它适合计算机仿真，却很难用于指导控 制器的设计。为了设计v s r 控制系统，必须研究采用占空比描述的v s r 一般数 学模型。 2 3 2 占空比描述的三相v s r 数学模型 为消除开关函数描述的v s r 一般数学模型中的高频分量，在开关函数模型中 引入傅立叶变换，任意周期函数的傅立叶展开式如下： m f ) ：口o + 量a ns i n ( 阼c o t ) + 曼吒c o s ( n t o t ) ( 2 2 3 ) n = l n = l 若三相v s r 采用三角载波p w m 控制，当以自然采样法生成p w m 信号时， p w m 开关函数波形如图7 ( a ) 所示，可见对于一个s p w m 的自然采样频率，在一 个周期内的转换点并不是对称的。然而，当开关频率远远高于电网频率时，可用 规则采样法代替自然采样法。此时，在一个开关周期内，p w m 开关函数波形如 1 5 安徽理 ：人学硕士学位论文 图7 ( b ) 所示，显然波形对称。 畏7孓j y |j 丫 7；r ；ko v | 丫 | l ( 1 + d k ) j ( 卜d k ) 。 、k 0耳2a u _ t 0耳2x 。t ( a ) 自然采样法( b ) 规则采样法 图7 p w m 开关函数的波形 f i g 7p w ms w i t c h i n gf u n c t i o n sw a v e f o r m 图7 中，0 3 ，= 2 矾其中，兀为p w m 开关频率；d k 为对应相的p w m 占空比， 且以1 。 如图7 ( b ) 所示，开关函数及占空比以任= 口，b ，c ) 间的关系为 。f 0 m 。t ( 1 一d t 弦 吼。0 t o + d k k c o , t - 2 万 = l( 1 一巩妨o j s t ( 1 + 以彷g = 口，b ，c ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 由图7 及以上关系式表明：p w m 占空比以实际上是一个开关周期上开关函 数的平均值，故 显然 口。= 一2 1 z rj o o - + d 以k ) x 芹j t d0 。f ) = d i ( 2 - 2 6 ) 瞄睁 ( 2 2 7 ) j 。：d 。+ 量( - 1 ) 一生s i n ( 叫。石) c 。o 彩。f ) ( 2 2 8 ) ；l 1 七蠹。=渤+封i，。(_)押一2c k = ab 7 s i 她叫c 。如q r ) ( 2 劣) 七吨抚七氇屯c 肛q ，c l 将式( 2 2 8 ) 、式( 2 2 9 ) 代入式( 2 1 9 ) ，得 a = a l + a h 1 6 ( 2 3 0 ) 三相p w m 整流器( v s r ) 的理论研究 式中：a i a 阵中的低频分量。 式中： a l = 一roo or0 oor d 。d hd c d o j 14 三毫 一b ；以骁 一( 以三畋羞纛 一1 f r l a h 一一a 阵中的高频分量。 a - = o 0 o 彳4 口 0 o 0 彳4 6 0 0 0 彳4 c 4 4 4 4 4 4 o ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 4 。= 一水矿去 s i i l 帆小毛y 缸s i n ( r i d k 万) 嘶略f ) ) ( 2 弼) 一；l i ，l ，r ij 置= 口，6 ，ci a 。：一曼l ( - 1 ) n 二羔s i n o d 。石) ( c 。s 刀口。f ) i ( 七：口，6 ，c ) ( 2 3 4 ) * l l 刀万 i 与a = a 。+ 相对应，状态变量x 可分解为高频分量x 和低频分量x ，即 x = x l + x i ( 2 - 3 5 ) 由u ps i n 孝= u 。c o s 缈得基于占空比描述的三相v s r 一般数学模型为 z ( 文l + 文h ) ：( a l + a h x x l + x h ) + b e ( 2 3 6 ) 其中，低频数学模型为 z x l = a l x l + b e ( 2 3 7 ) 高频数学模型为 z x h = a h x l + a l x - + a h x h ( 2 - 3 8 ) 2 4 三相v s r 的s p w m 调制方法 由于本装嚣的p w m 调制方式选用了s p w m 调制方式，下面将对其作一具体 介绍。 1 7 安徽理t 大学硕士学位论文 2 4 1s p w m 的概述 s p w - m 基本原理主要利用了采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而 形状不同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。这罩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。这 一原理称为面积等效原理，它是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。 b ) 图8p w m 波代替正弦半波 f i g 8p w mw a v ei n s t e a do fs i n ew a v e 把图8 a 的正弦半波分成n 份，就可以把正弦半波看成是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r d n ，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( 各矩形脉冲的宽度可由理论计 算得出，但在实际应用中常由正弦调制波和三角载波相比较的方式来确定脉宽。 因为等腰三角形波的宽度自上向下是线性变化的，所以当它与某一光滑曲线相交 ，时，可得到一组幅值不变而宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲) ，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正弦波部分面积( 冲量) 相等，就可以得到图8 b 所示的脉冲序列。这就是p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 波形。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。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，也可以用同样 的方法得到p w m 波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效