（电气工程专业论文）pwm整流技术的研究.pdf

东北火学硕l 学位论文a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o n i n t e c h n o l o g y o fp w mr e c t i f i e r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t so ft e c h n o l o g y , t h ep e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a lp h a s e c o n t r o l r e c t i f i e rh a sn o tm e tw i t ht h er e q u e s t so fi n d u s t r y , s u c ha s l o w p o w e rf a c t o r a n d h i g h f r e q u e n c yh a r m o n i cc o m p e n s a t i o n p w m r 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 rh a s r e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nf r o ma n a l y s t sa n dr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n si nr e c e n t2 0 y e a r s ，s o m ep a p e r sa n di n v e s t i g a t i v er e p o r t so nt h et o p o l o g ya n dt h ec o n t r o lt e c h n o l o g y o fp w mr e c t i f i e rh a v eb e e np u b l i s h e di ni n t e r n a la n do v e r s e a s ，a n ds o m et e c h n o l o g yo f i th a sb e e na d o p t e dt ot h ep r o d u c t so fi n t e n a a t i o n a lc o m p a n y t h ep w mr e c t i f i e rw i t h h i g hp o w e rf a c t o r , u s i n gp w m m o d u l a t e dt e c h n o l o g y , c a nr e a l i z ep f = l ( p o w e rf a c t o r 、 o fp o w e rn e t w o r kb ys i n ew a v ec u r r e n tc o n t r o l ，a n dr e a l i z ee n e r g yb i d i r e c t i o n a l t r a n s f e r s i ti san e w - s t y l er e c t i f i e rw h i c hh a sh i g hp e r f o r m a n c ea n dag r e a tf u t u r e d i r e c tc u r r e n tc o n t r o lo ft h r e ep h a s ev s r ( v o l t a g es o u r c er e c t i f i e r ) s y s t e mw i t h f i x e ds w i t c hf r e q u e n c yi st h em a i nc o n t e n ti nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ep r a c t i c a b l ec o n t r o l m e a n si sc o n s i d e r e da n da n a l y z e di nt h r e ep h a s ev s rs y s t e mo nt h ep r e m i s eo f s a t i s f y i n gp e r f o r m a n c e t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w s ： t h et o p o l o g ya n dp r i n c i p l eo fv o l t a g es o u r c ep w mr e c t i f i e ri sd i s c u s s e di nd e t a i l t h et r a d i t i o n a lm a t h e m a t i cm o d e lo ft h r e ep h a s ev s rb a s e do n ( a 。b ，c ) f l a m ei s d e v e l o p e dr e s p e c t i v e l y , t h em a t h e m a t i cm o d e lo fr e c t i f i e rb a s e do n ( d ，q ) f r a m e si s d e v e l o p e d t h ed e s i g no f c o n t r o ls y s t e mb e c o m e se a s i e rb yu s i n gt h em a t h e m a t i cm o d e l o f r e c t i f i e r am o d i f i e dt h r e ep h a s ev s rd u a ic l o s e 1 0 0 p e dc o n t r o ls y s t e mi s p r e s e n t e d i t s e n g i n e e r i n gd e s i g nm e t h o da n dt h er e g u l a t i o na r i t h m e t i co fc o n t r o lp a r a m e t e r sa r e t h o r o u g h l ys t u d i e d p w mv s r c o n t r o l l e rb a s e do nd qm o d e li sd e s i g n e db yt h i sm e t h o d f o re l e c t r i c a lt l a n s f o r ms y s t e m a n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r ed o n e e x p e r i m e n t r e s u l t ss h o w st h a tt h em o d i f i e de n g i n e e r i n gd e s i g nm e t h o da n dt h er e g u l a t i o na r i t h m e t i c o f c o n t r o lp a r a m e t e r sa r eu s e f u la n dv a l u a b l e t h ev o l t a g ef o r e b a c kc o n t r o lm e t h o db a s e do ns y n c h r o n i z e dr o l l i n gf r a m ei s p r e s e n t e d ，s t e a d ye r r o ri sr e d u c e da n dc o n t r o lp r e c i s i o ni si m p r o v e d t h et h r e ep h a s e p w mv s r s y s t e m ，w h i c ha d o ) p t sf i x e ds w i t c hf r e q u e n c yd i r e c te u r r e nc o n t r o lt e c h n i q u e ， i sa n a l y z e da n dd e s i g n e di nb a s eo ns y n c h r o n i z e dr o l l i n gf r a m e ，a n dt h eg e n e r a t i n g m e t h o do fl o g i c a ls i n g l ep o l a r i t ya s y n c h r o n o u sm o d u l a t e dp w m p u l s ei sg i v e ，c u r r e n t l o o pw i t h8k i n d so f s w i t c hm o d e li sa n a l y z e d e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w st h a tt h es y s t e mh a sh i g h - p o w e rf a c t o ra n ds a t i s f r i n g p e r f o r m a n c ew h e nt h ed u a l - c l o s e - l o o p e dc o n t r o l l e rd e s i g ni sa d o p t e dt op w m r e c t i f i e r w i t l lf i x e ds w i t c hf r e q u e n c yd i r e c tc u r r e n tc o n t r 0 1 i i i 东北大学硕士学位论文a b s 仃a c t k e yw o r d s ：p w mc e r t i f i c a t e s ，d i r e c tc u r r e n tc o n t r o l ，p o w e rf a c t o r , s i n ep u l s e w i d t hm o d u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论 文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而 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。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、 使用学位论文的规定：即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。本人同意东 北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、交流。 学位论文作者签名： 雩味 日 期：护s 、0 。，3 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名：否 则视为同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章概述 第一章概述 1 1p w m 整流器概述 随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断提高，从早期广泛 使用的半控型功率半导体丌关，如普通晶闸管s c r 发展到今天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 等等。而2 0 世纪9 0 年代发展起来的智能型功率模块i p m j 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，不断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，目前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采用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”最根本措施就是，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 引入整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。根 据能量是否可双向流动，派生出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。我们只讨论能量可双向流动的可逆p w m 整流器及 其控制策略。 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) ，因而可以说这类p w m 整流器是一种新型 的可逆p w m 变流器。 经过几十年的研究与发展 7 1 ，p w m 整流技术己日趋成熟。p w m 整流器主 电路从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；其拓扑结构已从单 相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路：p w m 开关控制由单纯的硬开关 调制发展到软开关调制；功率等级从千瓦级发展到兆瓦级：在主电路类型上，既 有电压型整流器，也有电流型整流器，并且两者在工业上均成功地投入了应用。 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”。同时由于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，并获得了更为广泛和更为重要的应用，如静止无功补偿、有源电力滤 1 东北大学硕士学位论文 第一章概述 波、统一潮流控制、超导储能、高压直流输电、电气传动以及太阳能、风能等可 再生资源的并网发电等，现分别简述如下： 1 、有源电力滤波( a p f ) 及无功补偿( s v g ) 图1 1 示出了与l c 滤波器混合的并联型有源电力滤波器主电路拓扑结构，它主 要由无源l c 环节和基于p w m 整流器拓扑结构的有源滤波环节组成。 这种混合并联型有源电力滤波器利用l c 滤波器以及有源滤波器共同起到电网 的谐波抑制及无功补偿作用，从而有利于提高系统性能价格比。一一般而言，希望 l c 滤波器承担大部分谐波和无功补偿的任务，而利用有源滤波器的作用改善系统 性能，这样可以在满足补偿要求的同时，大大降低了有源滤波装置的容量，从而 减少了系统的造价。 图1 1 混合并联型有源电力滤波器拓扑结构 f i g 1 - 1 m i x e dp a r a l l e lc o n n e c t i o nt y p ew i t hp o w e rf i l t e ra n a l y s i s s i t u ss t r u c t u r e 并联型有源电力滤波器网侧实质上可以看成一个等效的可控电流源，它产生 一个与被补偿量( 谐波电流及无功电流) 的量值相等，且相位相反的补偿电流， 并注入电网，这样电网电流即获得所需功率因数角的正弦波电流，以达到有源滤 波及无功补偿的目的。此时，系统既实现了对电网的有源滤波( a p f ) ，同时也补 偿了无功( s v g ) 。 实际上，当基于p w m 整流器拓扑结构的有源环节只向电网注入无功电流而不 补偿谐波电流时，该有源环节相当于个静止无功补偿器( s v g ) 。 2 、统一潮流控制器( u p f c ) 统一潮流控制器( u p f c ) 是柔性交流( f a c t s ) 技术中最引人注目、最有应用 前景的种电力补偿装置。u p f c 用于输电网，主要起控制有功潮流和吞吐无 功功率的作用，其主电路拓扑结构如图1 2 所示。u p f c 主电路主要由串联变 流器和并联变流器组合而成，其串联变流器通过变压器向电力网引入一个幅值 可变、相位可任意调节的电压源，从而能对线路的有功、无功功率进行控制： 而并联变流器则采用了p w m 整流器拓扑结构，它通过变压器向电力网引入 个幅值可变、相位可任意调节的电流源，从而具有快速吞吐无功功率的能力， 并联变流器的另一个主要作用是提供一个稳定的直流电压，以确保串、并联变 流器的正常运行。 ， 东北大学硕上学位论文第一章概述 串联变流器井联变流器 图i - 2 统一潮流控制器( u p f c ) 的拓扑结构 f i g 1 - 2u n i f o r mp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ( u p f c ) a n a l y s i s s i t u ss t r u c t u r e 3 超导磁能储存( s m e s l 随着超导材料及应用技术的发展，超导磁能储存的研究与应用引起了工程与 学术界的关注。超导磁能储存主要用于电力网的调峰控制以及其他需要短时补偿 电能的场合。在电力网用电量正常时，电网中的电能通过变流装置的超导线圈储 存足够的能量，而当用电量很大( 用电高峰) 时，超导线圈的能量则通过变流装 置向电力网馈能，从而起到调峰作用。超导磁能储存( s m e s ) 系统主电路拓扑结 构如图1 3 所示。 超导 线圈 图l - 3 超导磁能储存( s m e s ) 系统的拓扑结构 f i g ，1 - 3s u p e rm a g n e t i ce n e r g ys t o r es y s t e ma n a l y s i s s i t u ss t r u c t u r e 一般而言，s m e s 主电路常由电流型p w m 整流器组成，将损耗极小的超导 线圈串入p w m 整流直流侧，使其既是电流型p w m 整流器的直流缓冲电感，又是 其直流侧的负载线圈，这种设计简化了电流型p w m 整流器缓冲主电路结构，并克 服了常规电流型变流器损耗大的不足。 s m e s 中的p w m 整流器在使电能双向传输的同时，还可以利用其快速的电 流响应解决电力系统中的一些问题，如切换低功率数负载所引起的电压冲击和短 时间的供电失败等。 4 四象限交流电动机驱动系统 在常规的由电压型逆变器组成的交流电动机驱动系统中，为实现电动机的四 象限运行，必须在逆变器直流侧加装耗能或馈能装置，这主要是由于常规的电压 型逆变器交流电动机驱动系统采用了交直交拓扑结构，而整流环节大都采用二极 管整流器，因而无法实现电能回馈，并且将给电网造成一定的谐波“污染”。若将 p w m 整流器取代二极管整流器，不仅可实现交流电动机的四象限运行，以及网侧 东北大学顼一l 学位论文第一章概述 单位功率因数正弦波电流控制，还可使直流侧获得足够高且稳定的直流电压，从 而改善了电动机的驱动性能。另一方面，通过引入适当的控制策略，还可以大大 减少直流侧电容的电容量，提高装置运行可靠性。四象限交流电动机驱动系统主 电路拓扑结构如图1 - 4 所示。 p w m 整流器p w m 逆变器 图1 - 4 四象限交流电动机驱动系统的拓扑结构 f i g 1 4f o u rq u a d r a n ta ce l e c t r o m o t o rd r i v es y s t e ma n a l y s i s s i t u ss t r u c t u r e 5 太阳能、风能等可再生能源的并网发电 太阳能、风能的大规模应用将是2 1 世纪人类社会发展的一个重要标志。然而 要实现这一目标，首先必须完成太阳能、风能由补充能源向替代能源过渡，使太 阳能、风能的利用由边远无电地区向有电地区的常规供电方向发展。这就要求开 发性能优越的并网发电系统。 太阳能光伏并网发电将主要用于调峰电站以及屋顶光伏系统。目前美、日、 德等发达国家已推出相应的屋顶光伏计划，仅美国预计1 0 年内安装容量约为 3 0 0 0 m w 。太阳能光伏并网发电系统结构如图1 5 所示。 太阳电 池阵列 图1 - 5 太阳能光伏并网发电系统的拓扑结构 f i g 1 - 5s u n ) , p o w e rl i g h ta p p o s ee l e c t r i cs y s t e ma n dg e n e r a t ee l e c t r i c i t ya n a l y s i s s i t u ss t r u c t u r e 太阳能光伏并网发电系统由太阳电池以及p w m 整流器组成，p w m 整理器经 过最大功率点寻优控制将太阳电池电能并入电网，并实现网侧单位功率因数正弦 波控制。 风力发电机的并网发电，传统上常采用同步或异步发电机并网发电系统。同 步发电系统需一套结构复杂的调速机构，以稳定发电机转子转速；而异步发电系 统在发电的同时，需向电网吸取无功功率，或由自备电容器提供无功电能，并且 发电机转速变化范围较小。若采用交一直一交型风力发电机并网发电系统，就能交好 地克服同步、异步发电系统的不足，其拓扑结构如图1 - 6 所示，图中采用了双p w m 4 东北大学硕上学位论文 第一章概述 整流器结构。其中，风力发电机侧的控制风力发电机运行，且输出电流为正弦波， 从而提高了风力发电机的运行效率。同时，通过发电机转矩的调节，以满足风力 机的最大功率点运行；而网侧的p w m 整流器则完成向电网的馈电控制，并实现网 侧单位功率因数正弦波电流控制。 风力 风力机发电机 图1 - 6 风力发电机并网发电系统的拓扑结构 f i g 1 6w i n d yp o w e rg e n e r a t e ra p p o s ee l e c t r i cs y s t e ma n dg e n e r a t ee l e c t r i c i t ya n a l y s i s s i t u s s t r u c t u r e 1 2p w m 整流器研究概况 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 技术的应用与研究。1 9 8 2 年b u s s e a l f r e d 、h o l t zj o a c h i m 首先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。1 9 8 4 年a k a g ih i r o f u m i 等提出了基于p w m 整流器拓扑结构的无功补偿器控制策略，这 实际上就是电压型p w m 整流器早期设计思想。到2 0 世纪8 0 年代末，随着 a w , g r e e n 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，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。 这一时期p w m 整流器的研究主要集中于以下几个方面： ( 1 ) p w m 整流器的建模与分析； ( 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。 具体简述如下： 1 、关于p w m 整流器的建模研究 p w m 整流器数学模型的研究是p w m 整流器及其控制技术研究的基础。自 东北大学硕士学位论文 第章概述 a w g r e e n 等提出了基于坐标变换的p w m 整流器连续、离散动态数学模型之后， 各国学者以不同方法从各方面对p w m 整流器的数学模型进行了深入仔细的研 究，其中r w u 、s b d e w a n 等较为系统第建立了p w m 整流器的时域模型，并 将时域模型分解成高频、低频模型，且给出了相应的时域解。而c h u nt r i m 和 d o n gy h u 等则利用局部电路的d q 坐标变换建立了p w m 整流器基于变压器的 低频等效模型电路，并给出了稳态、动态特性分析。在此基础上，h e n g c h u nm a o 等人又建立了一种新颖的降阶小信号模型，从而简化了p w m 整流器的数学模型 及特性分析。 2 、关于电压型p w m 整流器的电流控制策略研究 为了使电压型p w m 整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制的研究显得 十分重要。在p w m 整流器技术发展过程中，电压型p w m 整流器网侧电流控制策 略主要分成两类：一类是由j w d i x o n 和b z o o i 首先提出的“间接电流控制”策 略：另一类就是目前占主导地位的“直接电流控制”策略。“间接电流控制”实际 上就是所谓的“幅相”电流控制，即通过控制电压型p w m 整流器的交流侧电压基 幅波值、相位，进而间接控制其网侧电流。由于“间接电流控制”其网侧电流的 动态响应慢，且对系统参数变化灵敏，因此这种控制策略已逐步被“直接电流控 制”策略所取代。“直接电流控制”策略以逐步被“直接电流控制”策略所取代。 “直接电流控制”策略以其快速的电流响应和鲁棒性受到了学术界的关注，并先 后研究出各种不同的控制方案，主要包括以固定开关频率且采用电网电动势前馈 的s p w m 控制，以及以快速电流跟踪为特征的滞环电流控制等。为了提高电压利 用率并降低损耗，基于空间矢量的p w m 控制在电压型p w m 整流器电流控制中 取得了广泛应用，并先后提出了多种控制方案。目前，电压型p w m 整流器网侧电 流控制有将固定开关频率、滞环及空间矢量控制相结合的趋势，以使其在大功率 有源滤波等需快速电流响应场合获得优越的性能。此外，在具体的控制策略上还 相继提出了状态反馈控制等。 3 关于p w m 整流器拓扑结构的研究 就p w m 整流器拓扑结构而言，可分为电流型和电压型两大类。而对于不同功 率等级以及不同的用途，人们研究了各种不同的p w m 整流器拓扑结构。在小功率 应用场合，p w m 整流器拓扑结构的研究主要集中在减少功率开关和改进直流输出 性能上。j js h i e h 等对四开关三相电压型p w m 整流器进行了建模与分析，并阐述 了这类电路的工作特点。然而，般的电压型p w m 整流器为b o o s t 型变换器，正 常工作时，其直流侧电压须高于交流侧电压峰值，那么如何利用电压型p w m 整流 器输出相对较低的直流电压呢? c h i n g t s a ip a n 等学者对一般的p w m 整流器拓扑 结构进行改进，并取得了一定结果。对于大功率p w m 整流器，其拓扑结构的研究 主要集中在多电平拓扑结构以及软开关技术上。多电平拓扑结构的p w m 整流器主 要应用于高压大容量场合。而对于大电流应用场合，常采用编整流器组合拓扑结 6 东北大学硕士学位论文第一章概述 构，即将独立的电流型p w m 整流器进行并联组合。与普通并联不同的是，每个并 联的p w m 整流器中的p w m 信号发生采用移相p w m 控制技术，从而以较低的开 关频率获得了等效的高开关频率控制，即在降低功率损耗的同时，有效地提高了 p w m 整流器的电流、电压波形品质。与此相似，也可将独立的电压型p w m 整流 器进行串连移相组合，以适应高压大容量的应用场合。此外，在大功率p w m 整流 器设计上，还研究了基于软开关( z v s 、z c s ) 控制的拓扑结构和相应的控制策略， 然而这一技术还有待进一步完善和改进。 4 p w m 整流器系统控制策略的研究 随着p w m 整流器及其控制策略研究的深入，研究人员相继提出了一些较为新 颖的系统控制策略，分述如下： ( 1 ) 无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制为进一步简化电压型p w m 整流器的信号检测，t o s h ih i k o n o g u c h i 等学者提出了一种无电网电动势传感器的 p w m 整流器控制策略。随后b h b w o n 等人也提出了类似的研究报告。这一研究 主要包括两类电网电动势的重构方案：其一是通过复功率的估计来重构电网电动 势；其二是基于网侧电流偏差调节的电网电动势重构。前者是一种开环估计算法， 因而精度不高，并且在复功率估计算法中，由于含有微分项，因而容易引入干扰； 而后者则是一种闭环估计算法，它采用网侧电流偏差的p i 调节来控制电网电动势 的重构误差，因而精度较高。另外，m r i e s e 则通过直流侧电流的检测来重构电压 型逆变器的交流侧电流，从而为无交流电流传感器的p w m 整流器研究奠定了基 础。 ( 2 ) 基于l y a p u n o n 稳定性理论的p w m 整流器控制针对具有非线性多变量耦 合特性的电压型p w m 整流器模型，常规的控制策略及其控制器设计一般采用稳态 工作点小信号扰动线性化整定方案，这种方案不足之处在于无法保证控制系统大 范围扰动的稳定性。为此，h a s a nk o m u r c u g i l 等学者提出了基于l y a p u m o v 稳定 性理论的控制策略。这一新颖的控制方案以电感、电容储能的定量关系建立了 l y a p u n o v 函数，并由三相p w m 整流器的d q 模型以及相应的空间矢量p w m 约束 条件，推导出相关的控制算法。从相关实验结果来看，这一方案较好地解决了p w m 整流器的大范围稳定控制问题。随后，h a s a nk o m u r e u g i l 等又针对单相电压型 p w m 整流器的l y a p u n o v 控制方案进行了系统研究。 ( 3 ) p w m 整流器的时间最优控制常规的基于d q 模型的电压型p w m 整流器控 制，一般通过前馈解耦控制，并采用两个独立的p i 调节器，分别控制相应的有功、 无功分量。而有功、无功分量间的动态耦合和p w m 电压利用率的约束，影响了电 压型p w m 整流器有功分量( 直流电压) 的动态响应。针对这一问题，j o n g w o oc h o i 等学者利用晟优控制理论，提出了确保直流电压响应的时间最优控制。其基本思 路就是，根据时间最优控制算法求解出跟踪指令电流所需的最优控制电压，并在 动态过程中降低相应无功分量的响应速度，实现了三相电压型p w m 整流器直流电 东北大学碳十学位论文 第一章概述 压的时间最优控制。 ( 4 ) 电网不平衡条件下的p w m 整流器控制在三相p w m 整流器控制策略研究 过程中，一般均假设三相电网是平衡的。而实际上，三相电网常处于不平衡状态， 即三相电网电压的幅值、相位不对称。旦电网不平衡，以三相电网平衡为约束 所设计的p w m 整流器就会出现不正常的运行状态，主要表现在：p w m 整流器直 流侧电压和网侧电流的低次谐波幅值增大，且产生非特征谐波，同时损耗相应增 大：p w m 整流器网侧电流亦不平衡，严重时可使p w m 整流器发生故障，甚至烧 坏装置。 为了使p w m 整流器在电网不平衡条件下仍能正常运行，必须提出相应的控制 策略。l u i sm o r a n 等学者于1 9 9 2 年提出研究报告，分析并推导了三相电压型p w m 整流器在三相电网不平衡条件下，网侧电流以及直流电压时域表达式。l u i s m o r a n 等通过理论分析认为，电网负序分量是导致网侧电流畸变的原因；同时指出，电 网不平衡条件下，常规的控制方案将使直流侧产生偶次谐波分量，且通过p w m 控 制，p w m 整流器交流侧会产生相应的奇次谐波，从而导致网侧电流畸变。然而， l u i sm o r a n 并没有从控制策略上改进设计，而只是提出了电网不平衡条件下，电 压型p w m 整流器网侧电感、直流侧电容的设计准则。为此，d v i n e e n t i 等人较为 系统地提出了工f 序d q 坐标系中的前馈控制策略，即通过负序分量的前馈控制来抑 制电网负序分量对p w m 整流器控制的影响。但这一方案使正序d q 坐标系中的负 序基波分量呈现出2 次谐波形式，显然，采用p i 调节器无法获得负序基波分量的 无静差控制，因此不能完全消除负序基波分量的影响。作为改进研究，h o n g s e o k s o n g 等学者提出了一种采用正序、负序两套同步旋转坐标系的独立控制方案，该 方案在各自的同步旋转坐标系中，将正序、负序基波分量均转换成直流分量，从 而通过p i 调节器即可实现无静差控制，因此，这是一个理论上较为完善的控制方 案，该方案不足之处就是控制结构复杂，且在线运算工作量大，一般需采用双数 字信号处理器( d s p ) 控制。 5 关于电流型p w m 整流器的研究 虽然，b u s s e a l f r e d 等率先提出了电流型p w m 整流器网侧电流幅相控制策略， 但长期以来，电压型p w m 整流器以其简单的结构、较低的损耗、方便的控制等一 系列优点，一直成为p w m 整流器研究的重点。而电流型p w m 整流器由于需较 大的直流储能电感，以及交流侧l c 滤波环节所导致的电流畸变、振荡等问题，使 其结构和控制相对复杂化，从而制约了电流型p w m 整流器的应用与研究，但是 随着超导技术的应用与发展，电流型p w m 整流器在超导储能中取得了成功应用。 由于超导线圈损耗极低，并且可直接作为电流型p w m 整流器直流侧储能电感，因 此这类应用克服了电流型p w m 整流器原有的不足。由于在超导储能变流环节中 应用的电流型p w m 整流器无需另加直流电感，并且具有良好的电流保护性能，因 此与电压型p w m 整流器相比，电流型p w m 整流器更为合适。显然，经过数年的 东北大学硕上学位论文 第一章概述 研究，电流型p w m 整流器技术同样得到了发展，其研究主要集中在以下几个方 面。 ( 1 ) 数学建模及特性分析； ( 2 ) 三值逻辑p w m 信号发生技术； ( 3 ) 网侧电流畸变、谐振抑制及控制策略； ( 4 ) 网侧滤波参数的优化设计： ( 5 ) 不平衡电网条件下的控制系统设计。 1 3 本文所做工作 本文主要研究了电压型三相半桥v s r 系统的固定开关频率直接电流控制，主 要考虑了三相v s r 系统在满足性能指标要求前提下的实用化控制手段和设计方 法，所做的主要工作包括： ( 1 ) 详细论述了电压型p w m 整流器的拓扑结构及原理；并分别建立了三相 半桥v s r 在( a ，b ，c ) 坐标系下，基于开关函数和基于占空比描述的一般数学模型； 应用等量变换建立y ( d ，q ) 坐标系下的整流器数学模型，从而使控制系统的设计 变的容易； ( 2 ) 提出了一种改进的三相v s r 双闭环控制系统，深入研究了三 h v s r 双 闭环控制系统的工程化设计方法和控制器参数整定算法。应用本文提出的这种改 进的工程化方法，为电力变换及自动控制系统的a c d c 环节设计了基于d q 模型 的单位功率因数p w mv s r 控制器，并对该控制系统进行了仿真。仿真分析表明， 这种改进的双闭环控制系统的工程化设计方法和控制器参数整定算法对v s r 系 统是适合的，具有较强的实用性： ( 3 ) 提出了基于同步旋转坐标系的电压前馈控制策略，减小了稳态误差，提 高了控制精度。并采用了固定开关频率直接电流控制技术，对三相p w mv s r 系 统进行了基于同步旋转坐标系统的分析和设计，并给出了二值逻辑单极性调制的 p w m 丌关脉冲生成方法，给出了了8 种开关模式的电流回路； ( 4 ) 仿真分析表明，双闭环控制器的工程化设计方法完全可以应用于固定开 关频率直接电流控制的p w m 整流系统中。并且获得了单位功率因数和满意的系统 性能指标。 东北大学1 以上学位沌文 第一章p w m 整流器的拓扑结构b 建模 第二章p w m 整流器的拓扑结构与建模 2 1p w m 整流器基本原理 从电力电子技术发展来看，整流器是较早应用的一种变换装置。整流器的 发展绎历了由不控整流器( 二极管整流) 、相控整流器( 晶闸管整流) 剑p w m 整 流器( 门极关断功率开关管) 的发展历程。传统的相控整流器，虽应用时间较长， 技术也较成熟，切被广泛使用，但仍然存在以下问题： ( 1 ) 晶闸管换相引起网侧电压波形畸变。 ( 2 ) 网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”。 ( 3 ) 深控时网侧功率因数降低。 ( 4 ) 闭环控制时动态响应相对较慢。 虽然二极管整流器，改善了整流器网侧功率因数，但仍会，叫i 网侧谐波电流 而“污染”电网；另外二极管整流器的不足还在于其直流电压的不可控性。针对 上述不足，p w m 整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面改进。其关键 性的改进在于用全控功率形状管取代了半控型功率开关管或二极管。因此，p w m 整流器可以取得以下优惠性能： ( 1 ) 网侧电流为正弦波。 ( 2 ) 网侧功率因数控制( 如单位功率因数控制) 。 ( 3 ) 电能双向传输。 ( 4 ) 较快的动态控制区响应。 显然，p w m 整流器己不是一般传统意义上的a c d c 变换器。由r 电能的双 向传输，当p w m 整流器从电网吸取电能时，其运行于有源逆边工作状态。所谓单 位功率园数是指：当p w m 整流器运行于褴流状态时，网侧电压、电流同相( 正阻 特性) ：当p w m 整流器运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相( 负阻特 性) 。进一步研究表明，由于p w m 整流器其划侧电流及功率因数均可控，因而可 被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合。 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交流装置。 为便于理解，以下首先从模型电路阐述p w m 整流器的基本原理。 图2 1 为p w m 整流器模型电路。从图2 - 1 可以看见：p w m 整流器模型电路 交流删路、功率扦关管桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势g 以及网侧电感等；直流回路包括负载电阻凰及负载电动势“等；功率开关管桥 以及网侧电感等；直流回路包括负载电阻凰及负载电动势“等；功率，t 关管桥 东北大学硕士学位论文 第二章p w m 整流器的拓扑结构与建模 第二章p w m 整流器的拓扑结构与建模 2 1p i ) 1 7 j “i 整流器基本原理 从电力电子技术发展来看，整流器是较早应用的一种变换装置。整流器的 发展经历了由不控整流器( 二极管整流) 、相控整流器( 晶闸管整流) 到p w m 整 流器( 门极关断功率开关管) 的发展历程。传统的相控整流器，虽应用时间较长， 技术也较成熟，切被广泛使用，但仍然存在以下问题： ( 1 ) 晶闸管换相引起网侧电压波形畸变。 f 2 ) 网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”。 ( 3 ) 深控时网侧功率因数降低。 ( 4 ) 闭环控制时动态响应相对较慢。 虽然二极管整流器，改善了整流器网侧功率因数，但仍会产生网侧谐波电流 而“污染”电网；另外二二极管整流器的不足还在于其直流电压的不可控性。针对 上述不足，p w m 整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面改进。其关键 性的改进在于用全控功率形状管取代了半控型功率开关管或二极管。因此，p w m 整流器可以取得以下优良性能： ( 1 ) 网侧电流为正弦波。 ( 2 ) 网侧功率因数控制( 如单位功率因数控制) 。 ( 3 ) 电能双向传输。 ( 4 ) 较快的动态控制区响应。 显然，p w m 整流器己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 整流器从电网吸取电能时，其运行于有源逆边工作状态。所谓单 位功率因数是指：当p w m 整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相( j 下阻 特性) ；当p w m 整流器运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相( 负阻特 性) 。进一步研究表明，由于p w m 整流器其网侧电流及功率因数均可控，因而可 被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合。 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。 为便于理解，以下首先从模型电路阐述p w m 整流器的基本原理。 图2 1 为p w m 整流器模型电路。从图2 1 可以看见：p w m 整流器模型电路 交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势e 以及网侧电感上等；直流回路包括负载电阻r l 及负载电动势气等；功率开关管桥 东北大学硕士学位论文 第二章p w m 整流器的拓扑结构与建模 路可由电压型或电流型桥路组成。 图2 - 1p w m 整流器模型电路 f i g 2 - 1p w mr e c t i f i e rm o d e lc i r c u i t 当不计功率开关管桥路损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得 i v = ”出( 2 - 1 ) 式中p ，- 一模型电路交流侧电压、电流： 蜥如模型电路直流侧电压、电流。 由式( 2 - 1 ) 不难理解：通过模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧， 反之办然。以下着重从模型电路交流侧入手，分析p w m 整流器的运行状态和控制 原理。 稳态条件下，p w m 整流器交流侧矢量关系如图2 2 所示。 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 揩 波分量，并且不计交流侧电阻。这样可从图2 2 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 即可实现整流器的四象限运行。若假设l ，l 不变，因 此1 几 = 工i ，i 也固定不变，在这种情况下，p w m 整流器交流电压矢量y 端点运 行轨迹构成了一个以lv l i 为半经的圆。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e 滞后9 0 0 ，此时p w m 整流器网侧呈现纯电感特性，如 图2 2 a 所示；当电压矢量y 端点运动至圆轨迹曰点时，电流矢量，与电动势矢量