（电气工程专业论文）交流励磁发电机励磁电源的研究与设计.pdf

重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h e r ei sab r o a dp r o s p e c tf o ra l t e r n a t i n gc u r r e n te x c i t a t i o ng e n e r a t o r ( a c e g ) i n i m p r o v i n g t h es t a b i l i t i e so fe x t r a h i 曲v o l t a g ep o w e rs y s t e ma n di nc o n s t a n tf r e q u e n c y g e n e r a t i o nw i t hv a r i a b l es p e e d ，b yu s i n gt h et h r e e - p h a s ea l t e r n a t i n gc u r r e n te x c i t a t i o n a n dr e a l i z i n gi n d e p e n d e n tr e g u l a t i o no f a c t i v ep o w e r , r e a c t i v ep o w e ra n dr o t a t es p e e d i ti st h ek e yp o i n tf o ra c e gt op l a yg o o dr e g u l a t i o np e r f o r m a n c e ，a g i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo fo p e r a t i o nt h a tu s i n ga p p r o p r i a t ee x c i t a t i o nc o n t r o ls t r a t e g ya n de x c e l l e n t e x c i t a t i o np o w e rs u p p l y i nt h i st h e s i s ，s e v e r a le x c i t a t i o np o w e rs u p p l i e sf o ra c e ga r e c o n t r a s t i v e l ya n a l y z e db a s e do nt h ep o w e rb a l a n c eo fa c e ga n dd u a l p a s s a g e e x c i t a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yo fd y n a m i c a ls y n c h r o n o u sr e f e r e n c ef r a m e t h r e e - p h a s e s y m m e t r i c a la l t e r n a t i n gc u r r e n t ，d u a ld i r e c t i o np o w e rf l o w i n ga n di n p u ta n do u t p u t c u r r e n to fl o wh a r m o n i c sm u s tb eo f f e r e db ye x c i t a t i o np o w e rs u p p l y a c c o r d i n gt os u c h c h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs u p p l nt h ed u a lp w mc o n t r o la c d c a cv o l t a g es o u r c e c o n v e r t e ri sp r o p o s e da st h ee x c i t a t i o np o w e rs u p p l yo fa c e g i nt h i st h e s i s ，t h ew o r k p r i n c i p l e ，m a t h e m a t i cm o d e la n dc o n t r o la l g o r i t h mo ft h ec o n v e r t e ra r ea n a l y z e di n d e t a i la n das i m u l a t i o nm o d e lo fa c e gs y s t e me x c i t e db yt h ec o n v e r t e ri se s t a b l i s h e d a n dc a l c u l a t e db yu s i n gm a f l a b s i m u l i n k t h em e c h a n i s mo fh a r m o n i ci n c r e m e n t s c a u s e db yp o w e rd e v i c ef o r w a r dv o l t a g ed r o pa n dd c l i n kc a p a c i t yv o l f a g ev a r i e t ya r e a n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h ec o m p e n s a t i o na l g o r i t h ma r ep r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n v e r t e r , t h es y s t e md e s i g ns c h e m eb a s e do nt h ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) a n di n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) i sp r o p o s e d ，a n dt h eh a r d w a r e d e s i g no fe x c i t a t i o np o w e rs u p p l yi sa c c o m p l i s h e d t h es o f t w a r ed e s i g na n ds y s t e m d e b u go ft h ec o n v e r t e ra r ea l s oa c c o m p l i s h e db yu s i n ga s s e m b l yl a n g u a g ep r o g r a m d e s i g no nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a a tl a s t ，e x p e r i m e n tr e s u l t sa r eu s e dt ov e i l f yt h eb a s i c c o n t r o ls t r a t e g yo f t h ec o n v e r t e ra n da n a l y z et h es t a b l ea n dt r a n s i e n tp e r f o r m a n c eo f t h e c o n v e r t e r t h er e s u l t si nt h i st h e s i sw i l lb eh e l p m lt od e s i g nt h ee x c i t a t i o np o w e rs u p p l y s y s t e r no f a c e g k e yw o r d s ：a l t e r n a t i n g c u r r e n te x c i t a t i o ng e n e r a t o r ( a c e g ) ，e x c i t a t i o np o w e r s u p p l y , d u a lp w mc o n t r o la c d c a cv o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1绪论 1 1 引言 现代电力系统的发展主要呈以下几个趋势：( 1 ) 发电机单机容量日益增大， 系统容量愈来愈大，输电电压等级越来越高，且输电线路民度不断增加；( 2 ) 电 网日负荷曲线的不均匀性不断加剧；( 3 ) 在我国以原子核裂变所产生的能量建立 的核电站数量逐渐增多；( 4 ) 充分利用水力、风力等可再生性资源，大力发展水 力、风力发电。现代电力工业的这些趋势，使得现行以传统同步发电机机组为基 础的电力系统，暴露出越来越多的技术问题急待加以解决“：| 。 目前，解决电站和输电线路的持续工频过电压及发电机系统运行稳定性问题 的方法主要有：同步发电机进相运行，在电站或线路上加装电抗器、静止无功补 偿装置或调相机等。这些方法可解决部分问题，但都存在一定的技术经济缺陷。 前苏联的理沦研究和工程实践表明：在电力系统中采用异步化发电机部分取代传 统的同步发电机，能够有效解决超高压输电系统中由于无功过剩问题而引起的持 续工频过电压及电力系统稳定性问题。为适应系统负荷曲线的变化，较好的解决 办法是在电力系统中建立有一定容量的抽水蓄能电站，这种电站能承担尖峰负荷 和填平负荷低谷，目前已被全世界公认为是最成熟有效的手段。“”“1 。国外的实践 己证明，抽水蓄能电站机组采用可逆型最佳，既可作水轮机运行，又可作水泵运 行，因此希望机组可在不同状态下变速运行。在日本，已在蓄能电站中采用了多 台交流励磁变速运行的电动一发电机组，并取得了良好的经济效益o 。另外，若 在水轮机组上采用可变速的交流励磁发电机组，则可使水轮机适应不同的水头， 持续运行在最佳工况。在风力发电系统中一般也采用变速恒频发电机系统，利用 交流励磁发电机组，通过控制励磁频率实现发电机转速的调节，以在风力发电系 统提高风力机的效率，充分利用风能。 交流励磁发电机是结合了异步发电机和同步发电机的优点而发展起来的一种 新型发电机，具有良好的调速性能、可调节电网的有功和无功功率、改善电网功 率因数、提高系统的稳定性等优点。在可调速发电和解决电力系统现存问题等多 种场合有着广阔的市场和发展前景。 为了有效地实现交流励磁发电技术，必须要有一套性能优良的变频电源装置 作为交流励磁发电机的励磁电源。目前针对交流励磁发电机提出的变频励磁电源 主要有两种：交一交变频器和交直交p w m 变频器。无论采用哪一种形式的变频 装置，都要求其具备以下一些特点：( 1 ) 输出励磁电压的幅值大小、频率、相位、 相序均可自由调节，以控制发电机励磁磁场大小、相对于转子的位置和电机的转 重庆大学硕士学位论文l 绪论 速“；( 2 ) 励磁电压、电流谐波小，以减小发电机定子方输出电压、电流谐波”3 ； ( 3 ) 功率可快速地进行双向流动，具有四象限运行能力，以符合交流励磁发电机 的运行要求，允许能量从发电机转子方通过励磁电源装置回馈给电网0 3 ：( 4 ) 作为 一种电能变换装置，在较高的功率因数下运行，输入、出谐波电流较小，以减小 对电网的谐波污染。因此交流励磁发电技术实现的关键在于寻求一种输入、输出 特性好，电力谐波小，功率可双向流动的“绿色”变频器，研究交流励磁发电机 的励磁电源有着重要的理论价值和工程意义。 1 2 交流励磁发电机及其励磁电源系统的研究现状 1 2 1 交流励磁发电机的研究现状 前苏联己在异步化发电机的理论研究和工业应用方面做了许多工作，并已有 多台异步化发电机投入运行。目前正在研制3 2 0 m w 异步化同步补偿机和8 0 0 m i w 异 步化汽轮发电机、异步化风力发电机以及用于异步化电机的变频励磁装置。 日本从二十世纪八十年代开始研究三相交流励磁发电技术，并在飞轮蓄能与 抽水蓄能电站取得了成功的应用。“”“1 。日立与关西电力公司合作，于1 9 8 7 年投运 了世界上第一台变速发电一电动机组( 2 2 m w ) ，并在1 9 9 3 年投运了4 0 0 m w 可变速 抽水蓄能机组。运行表明：通过水轮机变速运行可以提高水轮机的运行效率，增 加水泵运行工况下的自动调频能力，并可以通过有功、无功的快速调节提高系统 的稳定性。 欧洲、美洲一些国家也就交流励磁发电机及其系统进行了大量的理论和实验 研究工作，发表了大量的文章”“”“”1 。目前国内有少数单位在进行交流励磁发电 机方面的研究工作，从发表的论文来看主要有交流励磁发电机的基本原理“”“”“、 励磁控制策略。“”“”“”3 、稳态特性分析、运行特性分析。1 ，输出谐波分析州呻m 。 目前国内的研究单位已经开始对交流励磁发电机系统进行实验研究工作，如 我院建立的交流励磁发电机实验系统利用高速数字信号处理器的双c p u 结构，设 计完成了励磁控制系统的复杂算法，实现了交流励磁发电机的励磁控制。该实验 系统能够为交流励磁发电机的研究提供实验上的运行特性分析，为该种发电机的 实际应用提供实验上的控制策略分析比较及运行依据”“。 由于变频电源装置输出电流不可避免地含有谐波，导致了交流励磁发电机转 子和定子谐波电流的产生，因此抑制交流励磁发电机系统并网运行谐波、保证输 出电能质量已引起国内外研究的注意。 1 2 2 交流励磁发电机励磁电源系统的研究现状 交流励磁发电机的励磁电源系统主要有两种形式：交交变换方式和交一直一交 变换方式。对于传统的交交变频器而言，其主要用于大功率、低转速的交流调速 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 系统中，由于没有中间直流环节，只用一次变流，将电网频率的交流电直接变换 成不同频率的交流电，使用电网换相，所以有着较高的变流效率，而且可以方便 地实现四象限运行，功率可快速地双向流动，但是由于其采用相控方式，造成输 出电压中含有大量的谐波，低频输出时谐波含量尤其重，且其输入侧功率因数也 很低。在用作励磁电源时会在发电机定子方产生大量谐波电压，严重影响输出电 能质量。由此可见，选用传统的交一交变频器作为交流励磁发电机的励磁电源会对 电网和发电机产生严重的谐波污染和负面效应。随着电力电子技术、计算机技术 和控制技术的不断发展，一种具有良好输入、输出特性的功率变换器应运而生， 即矩阵式交交变换器，这种变换器被称作“绿色变频器”，是具有先进拓扑结构“全 硅组成”的功率变换器，作为电能直接变换的一种形式，其继承了传统交交变频 器的优点：频率一次变换；无需大容量的中间直流储能元件；功率双向流动；效 率高等。由于采用全控器件，运用先进的控制手段，又使得其具备交直一交变频器 的优点：输出电压灵活可控且其低频谐波含量大大减少。另外，其输入性能也十 分优良：输入电流保持正弦；输入位移因数可达到0 9 9 以上并可自由调节，且与 负载性质无关。因此近年来对矩阵式变换器的研究形成一个热点。目前国外矩阵 式变换器的研究工作尚未完全成熟”2 ”“2 4 “2 ”。“，国内一些研究单位才刚刚起步 开始对其进行研究”。”“，制约其实用化的根本原因有以下几点：目前尚无 商品化的真正意义上的双向开关器件；控制策略和保护方案都十分复杂。对矩阵 式变换器的理论研究多局限于其基本控制原理，控制方案的选择和实现，换流策 略的选择和实现，以及输入滤波器和保护电路的设计等方面。在这些理论研究的 基础上进行的实验研究多为设计矩阵变换器驱动小功率对象的原型样机”，以完 成对矩阵式变换器本身运行原理、控制方法和保护措施方面的功能性验证，目前 尚无将其作为交流励磁发电机励磁电源的实验研究。在双向开关器件没有商品化 之前，矩阵式变换器作为交流励磁发电机的励磁电源离实用还有距离。但是随着 电力电子技术和器件的不断发展，制约其发展的因素一旦得到解决，凭借其优良 的性能，矩阵式变换器应该在交流励磁发电机励磁电源系统中占有一席之地。 另一种得到广泛使用的变频器便是交一直一交变频器，其输出性能十分优秀。但 是若将传统的交一直交电压型变频器作为励磁电源，则会出现下述问题：输入采用 二极管不控整流，造成输入电流畸变、谐波增大，输入功率因数低，更为不利的 是能量无法从发电机转子方回馈给电网，只能在中间直流环节安装泵升电路和泄 能电路以消耗回馈能量，这样做很不经济，且对中间储能元件造成极大冲击。国 外有文献提出：当有能量回馈时，使原本工作在逆变状态的电路转换为二极管不 控整流状态，二极管整流电路则转换为逆变电路，完成能量从转子方向电网侧的 回馈。但由于对转子实行二极管不控整流，则转子电压势必会产生谐波，这样将 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 在定子方输出电压谐波，由于存在中间直流大惯性环节和二极管整流状态向逆变 状态的切换，能量也将不能及时得到回馈。 为解决传统交一直交电压型变频器存在的这些问题，可以采用双p w m 控制的 交直一交电压型变频器作为交流励磁发电机的变频励磁电源，这种变频装置已在调 速性能要求很高的变频调速系统中得到广泛应用“”。由于交一直一交电压型变频器 的主电路拓扑方案已经非常成熟，因此其体积小、成本低，技术上实现可靠，借 助于成熟的p w m 控制技术，在交一直一交变频器中对整流电路和逆变电路均采用可 控p w m 进行控制，可以将整个系统对电网和发电机的谐波污染控制得非常低， 同时具有较高的功率因数，不仅如此，通过p w m 控制还可以非常容易地实现四 象限运行，这样就基本上达到了和前述矩阵式变换器相近的优越性能，且其主电 路设计、驱动电路设计、保护电路设计及控制系统设计均比矩阵式变换器简易。 综上所述，目前双p w m 控制的交一直交电压型变频器在设计实现上易于矩阵 式变换器，在性能上优于传统交交变换器和交一直一交变换器，因此其非常适于用 作交流励磁发电机的励磁电源。 1 2 3 双p w m 变换器励磁的交流励磁发电机系统存在的问题 目前，国内外对于交流励磁发电机系统谐波问题的研究，已经发表了不少文 章，但是不少作者都集中在分析由变频器产生的谐波影响问题，而对如何消除谐 波的方法研究较少。另外，对包括整流桥和逆变桥在内的双p w m 控制方式的研 究也不多见。总的来讲，有以下一些不完善的地方需要进行深入的研究： ( 1 ) 用双p w m 控制的交一直一交电压型变频器为交流励磁发电机励磁时，交流励磁 发电机运行状态突变，将会对直流电容电压造成很大的影响，如何减小这个 影响，进而减小直流电容的容量，是对采用双p w m 变换器励磁的交流励磁 发电机系统研究的关键之一。 ( 2 ) 对于采用双p w m 变换器励磁的交流励磁发电机系统来说，整流桥和逆变桥 的控制方案是最终实现其性能的关键。对于整流桥控制，如何能够实现电网 侧功率因数校正，保证直流电容电压基本恒定；对于逆变桥控制，采用合适 的励磁控制算法，保证系统的稳定性和快速性；对于整个系统，要求工作可 靠、稳定，系统谐波小，能量可以快速双向流动等，都是系统研究的关键。 ( 3 ) 双p w m 变换器励磁的交流励磁发电机系统的谐波问题应该得到妥善解决。 对于交流励磁发电机，其励磁电压的幅值与发电机运行转差率的绝对值h 成 正比，一般情况下交流励磁运行在l s l 较小的工况，励磁电压的幅值较小，此 时逆变桥中电力电子器件的管压降影响不能忽略，其产生的谐波电压将达到 无法容忍的地步，因此研究消除交一直一交变频器因管压降产生的谐波的方法， 对降低交流励磁发电机系统的谐波具有重要的意义。 d 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 1 3 本文主要内容 本文根据交流励磁发电机的运行特点，结合双p w m 变换器的优点，提出采 用双p w m 控制的交一直交电压型变频器作为交流励磁发电机的励磁电源。论文详 细分析了双p w m 控制交一直。交电压型变频器的工作机理，建立了系统的数学模型 并提出了系统的控制模型，针对双p w m 变换器励磁的交流励磁发电机系统进行 了仿真分析，在此基础上提出了消除中间直流侧电压波动的功率直接反馈控制方 法和由逆变器管压降引起的谐波的消除方法。利用t i 公司针对数字控制领域专门 开发的c 2 0 0 0 系列高性能数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，设计完成了 双p w m 变换器的系统控制器，并完成了整个变换器的硬件、软件设计和系统调 试工作。最后利用实验系统进行实验分析验证了变频器的基本功能。本文的主要 工作有： ( 1 ) 建立双p w m 变换器励磁的交流励磁发电机系统的数学模型。根据交流励 磁发电机的运行特点，研究双p w m 控制励磁电源的基本原理和控制方法。 ( 2 ) 建立基于m a t l a b s i m u l i n k 的双p w m 变换器励磁的交流励磁发电机系统 的仿真模型。仿真研究交流励磁发电机系统的稳暂态特性，并作相应的谐波分析。 在此基础上提出提高系统运行性能的方法。 ( 3 ) 分析双p w m 变换器的设计任务，针对其控制系统和主电路的特点，选用 高速数字信号处理芯片和智能功率模块( i p m ) ，完成了基于d s p 的双p w m 控制 交直交电压型变频器的硬件设计。利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的汇编程序实现了双 p w m 变换器的软件设计和系统调试。 ( 4 ) 利用该交一直一交电压型变频器系统作实验，验证变频器的基本控制功能。 重庆大学硕士学位论文2 交流励磁发电机的励磁控制 2交流励磁发电机的励磁控制 交流励磁发电机采用转子对称三相交流电励磁，其灵活独特的运行方式和功 率平衡关系对励磁控制提出了特殊的要求。实现交流励磁发电机励磁控制的基本 要求是实现有功功率和无功功率的解耦控制，励磁控制方法的合理设计是充分发 挥该类电机特点的关键。基于动态同步轴系的双通道多变量反馈励磁控制系统， 由于在动态过程中具有良好的跟踪能力而具有良好的控制效果”1 。 本章在前人研究的基础上，分析了交流励磁发电机的电磁关系和机电能量转 换关系，讨论了现有的交流励磁发电机励磁控制策略，并给出了动态同步轴系下 的励磁控制数学模型，最后对比分析了几种交流励磁发电机的励磁电源。 2 1 交流励磁发电机的基本运行原理 交流励磁发电机的基本结构与绕线式异步电机相同，它是一种隐极电机，其 定子侧接电网，转子上采用三相对称分布的励磁绕组，由变频器提供对称交流电 励磁，可以通过调节励磁电压的幅值大小、频率、相位、相序来控制发电机励磁 磁场大小、相对于转子的位置和电机的转速“3 。交流励磁可运行于次同步和超同 步两种情况，在超同步运行条件下，能量可以在励磁电源和发电机转子问双向流 动。交流励磁发电机具有超越传统同步发电机的性能，主要表现为：( 1 ) 良好的 稳定性及转速适应能力；( 2 ) 独立的有功、无功调节能力：( 3 ) 较强的进相运行 能力。 2 1 1 交流励磁发电机的基本方程、等效电路和相量图 发电机定子方电压电流正方向按发电机惯例，转子方电压电流正方向按电动 机惯例，电磁转矩与转向相反为正，转差率s 按转子速度小于同步速度为正，参 照异步电机的分析方法，可得交流励磁发电机的等效电路。，如图2 1 所示。 根据等效电路图，可得交流励磁发电机的基本方程式： u l = - e l 一，1 ( r 。+ 弘。) 等= 一摩托( 墅s + 弘：，)f 2 1 1ji z - lj e 。= 耳= 一，。( 弘。) 1 1 = i ；一，。 式中，b 、五。分别为定子方的电阻与漏抗 蟛、z ；。分别为转子方且折算到定子方的电阻与漏抗 风为激磁电抗 重庆大学硕士学位论文 2 交流励磁发电机的励磁控制 玩、赢、j ，分别为定子方的电压、感应电势和电流 图2 1 交流励磁发电机等效电路 f i g2 1e q u i v a l e n tc i r c u i to f a c e g 图2 2 交流励磁发电机相量图 f i g2 2p h a s o rd i a g r a mo f a c e g 根据基本方程式( 2 1 ) 可得交流励磁发电机的相量图”，如图2 - 2 所示。图中。 为交流励磁发电机的气隙磁通，口为转子励磁电压相量啦s 超前于定子电压相量 的相角，矾为定子的功率因数角，p ：为转子电流丘滞后宜的相角，对于传统的异 步电机矗的大小和滞后宜的相角妒。在定子电压一定时，仅取决于运行时的转差率 s 和转子参数，也即当s 一定时对异步电机，是的大小和滞后岛的相位妒：也就确 定，从而使得其定子电流 的大小和相位以及定子有功、无功功率也就确定，且 7 重庆大学硕士学位论文 2 交流励磁发电机的励磁控制 不管s 为何值，异步电机都必须从电网吸收滞后无功激磁。而对于交流励磁发电 机，昱的大小不仅取决于s ，同时更重要的是它将随着转子励磁电压相量吠s 的 变化而变化，从相量图中可以看到，交流励磁发电机的转子电流矗，可认为是由 两个分量构成，一个是气隙电势岛确定的矗分量，另一个是转子励磁电压啦s 所 确定的立：，改变转子励磁电压啦的大小和相位，虽然定。不变，但由啦s 确定的恐 将随之改变，进而可改变矗的大小和相位，且可使其在空间任一位置，从而使得 交流励磁发电机可工作于任何有功、无功组合状态。 2 1 2 交流励磁发电机系统的功率平衡关系姐1 通过交流励磁发电机的等效电路，可以研究其功率平衡及功率的传递方向， 参照异步电机的分析方法可得到交流励磁发电机励磁系统输入电机的有功功率 弓e ( 嵋巧“( 2 2 ) = s p 。+ 群i 式( 2 2 ) 中，) 删表示经气隙传递的电磁功率，该式表明交流励磁发电机存在 一个临界转差率s 。，当s = s 。时励磁系统输出有功为零。当交流励磁发电机运行 于发电状态时，s 。为负值。而当交流励磁发电机运行于电动状态时，则刚好相反。 在超同步运行状况下，交流励磁发电机应用于变速恒频发电将可能运行于 j j 。的发电状态和s s 。的发电状态： 电机从定子方输出的电功率鼻 0 ，定子侧铜耗圪， 0 ，转子侧铜耗 圪： 0 ，励磁系统输入电机转子方的功率只 0 ： ( 2 ) j 0 ，定子侧铜耗辟。 0 ，转子侧铜耗 圪，： o ，励磁系统输入电机转子方的功率最 0 、& 0 、疋 0 _ 卜宣叠_ 1 n ( a )( b ) 图3 6 在d q 坐标系下整流桥的等效电路 f i g3 6e q u i v a l e n tc i r c u i to f r e c t i f i e ru n d e rd qc o o r d i n a t e s ( 3 1 8 ) 式( 3 1 8 ) 中的变量d 和一。分别为 一一筇一 (319)s 【一。= q 在d q 轴系下，定义输入电源电压空间矢量为正，电流空间矢量为t ，则有 2 ? ( 3 z 0 ) is = i 。d + j i5 q 、1 输入到整流桥的复功率可表示为 s = ；e f = 只+ ，绋 ( 3 2 1 ) 将式( 3 2 0 ) 代入到式( 3 2 1 ) 可得 f 匕= 昙眈。+ f ，) ：j ，a i s 。+ v ，b i s b + v s c i s 。 1 线：乳。) 。2 2 由此可见，整流桥输入侧的瞬时功率即为整流桥输入侧的有功功率。因为 = o ，所以改变0 的大小就可改变整流桥输入的无功功率，当i s q = 0 时整流桥 输入的无功功率为0 ，这时便实现了网侧功率因数为1 ，即交流侧输入的电压和电 流同相位，系统从电网吸收的有功功率为 乓= j 3 。 ( 3 2 3 ) 可以将公式f 3 1 8 ) 进一步简化为 2 0 重庆大学硕士学位论文3 双p w m 控制交直变电压型变频器系统的研究 ( 3 2 4 ) 3 2 3 双p w m 控制交一直一交电压型变频器分析 图3 1 给出了双p w m 变换器励磁的交流励磁发电机系统总体结构图。按照上 面的分析方法将整流桥从a b c 三相坐标系转换到d q 坐标系中，同时对整流桥和 逆变桥进行p w m 矢量控制，电网和发电机之间的能量通过中间的变换器进行传 递。当该系统达到稳态的时候，在忽略了系统中开关功率器件损耗的情况下，三 相电网向整流器中输入的功率等于逆变器输出的功率。若进一步忽略整流桥交流 侧串联电抗器的损耗，则可以认为电网向系统输出的功率与输入到发电机转子方 的功率相等。设逆变器三相输出电压瞬时值为、，电流瞬时值为t 、如、 i k ，则有 圪= 0 + l 。= z , o i 。+ k 6 屯+ 一。i 。= 屹i i + f f 6 + 屯= 吃， ( 3 2 5 ) 如果能够实时地控制整流桥输入和逆变桥输出之间的功率流向，就有可能提 高系统的动态性能。“。这部分内容将在3 5 2 节中作详细讨论。 3 3 整流桥功率因数校正环节的控制算法蚰m 4 ”h 日h 印h 4 4 町 通常使用的变频装置的整流桥，主要采用二极管不控整流和可控p w m 整流 控制方式。二极管不控整流方式结构简单，控制方便，在中小变频调速装置中有 较多的应用。但是，它在电网侧产生较大的谐波分量，功率因数也只能达到o 9 5 左右。另外，这种方式的致命缺点是只能将功率从电网侧传到直流侧，电机无法 四象限运行，只能在调速性能要求不高的场合使用。 如果在整流桥侧也采用可控的p w m 调制方式，虽然在成本上有所提高，但 它可以减小电网侧电压和电流的谐波含量，任意调节网侧功率因数，同时还可以 实现功率的双向流动，从而可以实现电机的四象限运行。可控整流桥有两个控制 目标：直流电压恒定在某个数值：功率因数任意可调。下面将对p w m 可控整流 桥控制系统进行详细的介绍。 三相交流电机矢量控制的思想是“：用坐标变换将三相静止坐标系变为两相 旋转坐标系来进行解耦，以速度调节为外环，电流调节为内环，通过控制电流来 控制磁场及调节速度。对p w m 可控整流桥也可采用类似的思想，通过控制电流 来调节电压。三相可控整流桥有快速和慢速两种动态过程，其中交流侧电流变化 快，直流侧电压波动慢，对应这一特点，控制系统一般都分为内环和外环两种方 式，内环控制交流电流，外环控制直流电压。 2 1 o b 肾毗 = = 瞳腑 重庆大学硕士学位论文3 双p w m 控制交。直交电压型变频器系统的研究 根据式( 3 1 6 ) 和( 3 1 8 ) ，在整流器稳态运行方程的基础上，结合系统的微分方 程，可构造p w m 可控整流桥的内环控制方程， l = _ 。一r + c o l , i ：q + ，+ i 。j o 出一k p ：+ 尼，：a i , 。d t 卢笋 ，“( 3 2 6 ) = 一心一c o l 。艺+ 七，：o + f a i s q d t + k p l a i s 。+ “f o 疵) 警 lj 式中， 0 、艺分别为d 、q 轴电流分量的给定值； 0 = i 。一0 、0 = i s q f 二； j j ，。、i ，：分别是d 、g 轴电流分量调节器的比例系数，均大于o ； k 。、k i ，分别是d 、q 轴电流分量h 调节器的积分系数，均大于0 ； 吃为整流器输入侧d 轴电压给定值； 吒为整流器输入侧g 轴电压给定值。 控制整流桥输入侧的d 、q r 轴电压分量，即可实现对整流桥的控制。式( 3 2 6 ) 中，k p + ia i , a d t 子项代表d 轴电流分量的调节作用对的影响， 一怔，：0 + 砖：i a i , q d t t 】( c o l 。r ) 子项则计及了g 轴电流分量对交叉耦合作用的影 响；对吃也有同样的分析。 由此可得三相整流桥的控制原理框图，如图3 7 所示。 图中， 儿 锁相环，用来获得电网电压的角度； 矢量旋转1 将三相交流电流由a b c 坐标系旋转到d q 坐标系； 矢量旋转2 将d q 坐标系中的量旋转到a b c 坐标系； p w mp w m 算法及脉冲控制。 外环电压反馈值和直流电容电压给定值吃综合，通过h 调节器运算后， 得到内环电流d 轴分量的给定信号f ，这样可以保证在稳态时实际直流电压和给 定电压相等。f 二和经过矢量旋转l 获得的d 轴电流分量f 。进行综合，经过f y 调节 计算，得到d 轴电流分量的调节项，然后按式( 3 2 6 ) 中的表达式进行综合，得 到d 轴电压的给定值y 0 。同样，为了任意调节网侧输入功率因数，例如要保证电 网电压和电流同相，将g 轴电流参考值f 二设定为o ，并和经过矢量旋转l 后得到的 k 进行调节计算，得到g 轴电流分量的调节项，然后按式( 3 2 6 ) 中的表达式 进行综合，得到口轴电压的给定值。对两个电压给定值经过矢量旋转2 后，得 到a b c 坐标系下给定电压实际值，通过p w m 算法，得到驱动功率开关器件的 p w m 脉冲信号，输出控制整流桥。 在系统稳态运行情况下，可以保证三相整流桥的直流电容电压稳定在给定电 重庆大学硕士学位论文3 双p w m 控制交真交电压型变频器系统的研究 压附近。同时，q 轴电流在零附近。这样就同时实现了电网功率因数为1 和直流侧 电容电压稳定的功能。 图3 7p w m 可控整流桥控制原理框图 f i g3 7b l o c kd i a g r a mo f p w m r e c t i f i e r 3 4 双p w m 变换器励磁的交流励磁发电机系统的仿真 结合三相整流桥的控制方法和基于动态同步坐标轴系的交流励磁发电机双通 道励磁控制算法，就可以获得双p w m 变换器励磁的交流励磁发电机系统的基本 控制算法。其中，整流桥采用p w m 控制方式，用来保证功率因数为1 、直流电容 电压的大小恒定；逆变桥用来完成交流励磁发电机的励磁控制。 本文的研究重点是双p w m 变换器整流桥控制系统部分的可行性，利用 m a t l a b s i m u l i n k 进行了仿真。仿真模型是一个用双p w m 变换器励磁的交流励磁 发电机开环系统，由电网、整流桥、逆变桥和发电机四部分组成。交流励磁发电 机模型采用m a t l a b s i m u l i n k 模板库中提供的绕线式异步电机模型；主回路中整流 桥和逆变桥采用m a t l a b s i m u l i n k 模板库中提供的三相通用i g b t 全桥模型，忽略 功率器件的管压降和死区作用影响；电网假设为三相对称理想电源。 为了全面研究双p w m 变换器的控制性能，本文从系统的几种典型运行工况 进行了仿真分析。 仿真系统的基本参数： 电网相电压幅值t 。；4 0 v ；电网频率厂= 5 0 h z ；进线电抗l ，= 5 m h ， 重庆大学硕士学位论文 3 双p w m 控制交直交电压型变频器系统的研究 r 。20 1 1 2 。 直流电容c = l o o o a f ；直流电容给定电压吃= 1 2 0 v ；电网电流g 轴分量 给定艺= 0 。 采用模拟机组绕线式异步电机参数，交流励磁发电机的额定功率7 5 k w ； 额定电压3 8 0 v 5 0 h z ；极数6 ；定子电阻、漏感t = o 8 2 8 5 n 、，。= 3 5 7 9 m 日； 转子电阻、漏感0 = 0 7 0 2 7 f 2 、l r = 3 5 7 9 h ；定、转子互感 ，= 6 2 6 4 m h ； 转动惯量j = 0 0 8 9 堙m 2 采用s p w m 调制方式，调制频率 f = 5 0 0 0 h z 。 系统仿真着重是研究动态过程中变换器的控制性能，因此针对突变励磁电压 大小、频率和原动机功率等不同运行工况进行了仿真研究。另外，针对能量可以 在交流励磁发电机转子方和电网之间双向流动，本文也仿真研究了在能量回馈时 系统的控制性能。 3 4 1 发电机空载运行系统仿真 图3 8 ( a ) 到( f ) 给出了突变励磁电压大小交流励磁发电机开环空载运行仿真波 形。励磁电压频率为f = 2 舷，逆变器初始调制系数口= 0 2 ，2 5 s 时突变为口= o ，3 。 5 0 u s a o - 5 0 5 i s ao 5 22 533 5 4 4 55 ( a ) 电网电压【乞( 矿) 和电流，。( 4 ) 2 0 1 0 划 0 垤 1 0 5 b0 - 5 t s 4 0 0 0r 。7 。p p 7 1 0 0 0 2 0 0 0 一一一j 一一一一ijp ? 一一：一一1 0 - 。，。“一一t ，一。、一 9 8 0 - 2 0 0 0 j 一一一一一一一一u 一一一- 一一卜1 - 4 0 0 0 l 二二：二二二j 己二二三二二二三二二二：二jt j s 9 6 0 2z 5 3 3544 55 一 i 一j t ? 一： 22 533 544 55 b ) 整流桥电流l 、i q 0 ) ( c ) 发电机单相有功p ( 矿) 、无功q ( v a r )( d ) 发电机转速n ( r m i n ) 蛹 一一 一粼一 重庆大学硕士学位论文 3 双p w m 控制交直交电压型变频器系统的研究 誓 u o c 、厂 ? o 心一l ?j j 5 i s a 0 - 5 2 z 533 544 554 94 9 24 9 44 9 64 9 8 5 ( e ) 直流侧电压u o ( v ) 、电流，女0 ) ( f ) 电网功率因数校正的验证 图3 8 突变励磁电压大小发电机空载运行仿真波形 f i g3 8s i m u l a t i o nw a v e f o r mo f a c e gn o - l o a do p e r a t i o nw h e nc h a n g i n ge x c i t a t i o nv o l t a g e 从图可知，电网电流的d 、口两个分量得到较好的解耦，整流桥输入电流基本 和电网电压同相，达到功率因数校正的目的；当励磁电压突变增大时，电网电流 有功分量迅速增大，无功分量则在整流桥控制器的作用下保持为0 ；直流电压和发 电机转速发生波动，直流电压在突变时刻下降，在整流桥控制器的调节作用下经 过一段时间重新恢复到设定值，转速经过一段时间后也重新恢复到设定转速；因 为发电机开环空载运行，所以发电机输出有功基本保持不变，由于励磁功率发生 变化，所以发电机输出无功也随着变化。 图3 9 ( a ) 到( f ) 给出了突变励磁电压频率交流励磁发电机开环空载运行仿真波 形。逆变器调制系数d = 0 2 ，励磁电压频率初值为f = 2 h z ，2 5 s 时突变为 ，= 1 5 h z 。 从图可知，发电机的转速随着励磁频率的变化而变化，符合交流励磁发电机 的速度耦合关系。 22 533 544 55 ( a ) 电网电压u 。o ，) 和电流l ) 1 0 5 h 0 “s _ 5 22 53a 544 55 5 j q0 垤 _ 5 22 533 544 55 ( b ) 整流桥电流l 、i q ) 赫。l 啪二 2 1-_w_1 _ ：战一 一一 加 0 重庆大学硕士学位论文3 双p w m 控制交一直一交电压型变频器系统的研究 i r 2z 533 544 5 5 l一一j 一一一1一一i h 二一一? 一一一一；一一6 1 一? 一一一! 22 53a 544 55 ( c ) 发电机单相有功p ( w ) 、无功o ( v n r ) 卜 u d c - 22 533 5 4455 ( e ) 直流侧电压，出( 旷) 、电流，。0 ) ( d ) 发电机转速”p m i n ) ( f ) 电网功率因数校正的验证 图3 9 突变励磁电压频率发电机空载运行仿真波形 f i g3 9s i m u l a t i o nw a v e f o r mo f a c e gn o - l o a do p e r a t i o nw h e nc h a n g i n ge x c i t a t i o nf r e q u e n c y 3 4 2 发电机负载运行系统仿真 交流励磁发电机应用于变速恒频发电将可能运行于超同步和次同步两种发电 状态。在超同步运行状态下，系统在超过某一运行点后会出现转子方的电功率向 电网回馈的情况。本节主要针对不同的能量流动情况，结合发电机带一定负载运 行的几种典型运行工况进行仿真研究。 首先分析发电机能量不回馈状态下的运行工况。图3 1 0 ( a ) 到( f ) 给出了突变励 磁电压大小情况下的仿真波形。励磁电压频率为f = 3 h z ，原动机转矩给定为 = _ 2 0 m ，逆变器初始调制系数a = o 3 5 ，2 5 s 时突变为a = 0 4 5 。 舞。舞裟。裟 嗣i i - _ 1了型 与一 柏叩 0 重庆大学硕士学位论文3 双p w m 控制交直交电压型变频器系统的研究 瓣圃如量巨皆两 5 0 u s a0 - 5 0 1 0 s a0 1 0 22 53a 544 55 ( a ) 电网电压u 。o ，) 和电流l ( 爿) 2 0 0 0 o - 2 0 0 0 _ 4 0 0 0 2 2 5335 445 5 5 o - 5 ? 一i 一一百一j 。r ；一，一。呻，_ 一- 一_ “响喇“_ - _ _ 叫 22 53544 55 ( b ) 整流桥电流l 、l q 0 ) f l ( c ) 发电机单相有功p ( 矿) 、无功q ( v a r ) n ，_ “r t t d c ： 22 ，53354455 ( d ) 发电机转速n p m i n ) 1 0 i s a 0 “s -