（电机与电器专业论文）电网电压不平衡时三相pwm整流器控制策略的研究.pdf

山东大学硕士- - w - 位论文 基于虚拟磁链的网侧瞬时功率控制策略，它是在双电流控制策略的基础上，利 用虚拟磁链的概念来预测不平衡的电网电压，从而省掉了交流电压传感器，仿 真结果表明，该控制策略可以较好的预测实际电网电压，并得到与双电流控制 策略相似的控制效果但在这种控制策略下，输出的直流电压会受到三相电感 上2 次脉动瞬时功率的影响，因此，经进一步深入研究，本文提出了另一种基 于虚拟磁链的整流桥交流输入侧瞬时功率控制策略，利用虚拟磁链的概念，可 以很方便的预测整流桥交流输入侧的瞬时功率，实现直接对整流桥交流输入侧 瞬时功率的控制，使输出的直流电压不会受到三相电感上2 次脉动瞬时功率的 影响，电网电压严重不平衡的条件下，仍可以有效抑制直流电压2 次谐波，仿 真结果验证了该控制策略的可行性。 最后本文设计了基于d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的三相p w m 整流器的实验 系统，完成了实验系统的硬件电路设计和实现s v p w m 的软件设计。 关键词：p w m 整流器电网电压不平衡双电流调节器虚拟磁链仿真 无交流电压传感器控制 n ， 山东大掌硕- a 学位论文 a b s t r a c t u n d e rt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fu n b a l a n c e di n p u tv o l t a g e ，t h e r ee x i s t s c h a r a c t e r i s t i ch a r m o n i c ss u c ha s6 ，1 2 ，1 8e t ca n du n c h a r a c t e “s t i ch a r m o n i c ss u c ha s 2 ，4 ，8 ，1 0e t ci no u t p u td cv o l t a g eo f3 - p h a s ep w mr e c t i f i e r , w h i c hw i l lt r e a to d d h a r m o n i c si na cc u r r e n tt h r o u g ht h es w i t c h i n gf u n c t i o n t h es e c o n d o r d e rd cv o l t a g e a n dt h r e e o r d e r a cc u r r e n tc a n c a u s ep e r f o m a n c ed e t e r i o r a t i o no fp w mr e c t i f i e rd u e t oi t sl o wf r e q u e n c ya n dr e l a t i v el a r g ea m p l i t u d e b e c a u s eo ft h i st h es e c o n d o r d e r 。 h a m o n i c si nd cv o l t a g ec a u s e db yt h eu n b a l a n c e di n p u tv o l t a g es h o u l db ee l i m i n a t e d i nt h i sp a p e rd u a lc u r r e n tc o n t r o ls c h e m ef o rp w mr e c t i f i e ru n d e ru n b a l a n c e d c o n d i t i o n si s a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n ds i m u l a t i o ni s c o n d u c t e d b a s e do nt h e c o n t r o ls c h e m et h ep a p e r p r o p o s e sav i r t u a l f l u x - b a s e da cv o l t a g e s e n s o r l e s sc o n t r o l s c h e m ef o rp w mr e c t i f i e ru n d e ru n b a l a n c e di n p u tv o l t a g e f i r s t l y , t h es i m u l a t i o nm o d e lo fd u a lc u r r e n tc o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e du s i n g t h em a t l a bs i m u l a t i o nt o o l s s i m u l a t i o n sa r ec o n d u c t e di no r d e rt oa n a l y s ea n d r e s e a r c ht h ec o n t r o ls c h e m e s e c o n d l y , t h es i t u a t i o no fr e a c t i v ep o w e ri sv e r y c o m p l e xu n d e ru n b a l a n c e dc o n d i t i o n si n3 - p h a s en e t w o r ka n dd i f f e r e n td e f i n i t i o no f r e a c t i v ep o w e ri ss u i t a b l ef o rd i f f e r e n tc o n t r o la r e a d u et ot h i s ，t h ea p p l i c a t i o no f t w od i f f e r e n tr e a c t i v ep o w e rd e f i n i t i o n si np w mr e c t i f i e ru n b a l a n c e dc o n t r o ls c h e m e i sd i s c u s s e d f i n a l l y , t h ed e s i g np r i n c i p l eo fa ci n p u ti n d u c t a n c eu n d e ru n b a l a n c e d c o n t r o ls c h e m ei sd i s c u s s e d ，w h i c hi sc o m p a r e dw i t ht h ed e s i g np r i n c i p l eu n d e r b a l a n c e dc o n t r o ls c h e m e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g np r i n c i p l eo fa ci n p u t i n d u c t a n c eu n d e ru n b a l a n c e da n db a l a n c e dc o n t r o ls c h e m ei sv e r yd i f f e r e n t u n d e r b a l a n c e dc o n t r o ls c h e m es e c o n d - o r d e rh a r m o n i c si no u t p u td cv o l t a g ei se l i m i n a t e d t h r o u g hr e s t r a i n i n gt h en e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t t h ea ci n p u ti n d u c t a n c ei sl e s s ， s e c o n d - o r d e rh a r m o n i c si nd cv o l t a g ei s l a r g e r t h e r e f o r , i no r d e rt o e l i m i n a t e s e c o n d o r d e rh a r m o n i c so fd ev o l t a g e ，t h ev a l u eo fa ci n p u ti n d u c t a n c es h o u l db e l a r g ea sp o s s i b l ea so nt h ep r e m i s et h a tt r a n s i e n tc u r r e n tt r a c k i n gf u l f i l l t h e r e q u i r e m e n t w h i l eu n d e ru n b a l a n c e dc o n t r o ls c h e m es e c o n d - o r d e rh a r m o n i c so fd c i 山东大学硕士掌位论文 v o l t a g ei se l i m i n a t e dt h r o u g ha d d i n gt h en e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t b e c a u s eo ft h e a d d i t i o n a l n e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t ，t h e3 - p h a s e a ci n d u c t a n c ew i l l p r o d u c e i n s t a n t a n e o u sp o w e rw i t hs e c o n d o r d e rr i p p l e ，w h i c hw i l ll e a do u t p u ti n s t a n t a n e o u s p o w e r t oc o n t a i ns e c o n d - o r d e rr i p p l eu n d e rt h ec o n s t a n to fi n p u ti n s t a n t a n o u sp o w er t h ea ci n p u ti n d u c t a n c ei sl a r g e r , s e c o n d o r d e rh a r m o n i c so fd cv o l t a g ei sl a r g e r s o ， i no r d e rt oe l i m i n a t es e c o n d o r d e rh a r m o n i c so fd ev o l t a g e ，t h ev a l u eo fa ci n p u t i n d u c t a n c es h o u l d b es m a l la sp o s s i b l ea so nt h ep r e m i s et h a tt h eh a r m o n i cd i s t o r t i o n o fa cc u r r e n tc a nf u l f i l lt h er e q u i r e m e n t s i m u l a t i o ni sc o n d u c t e df o rc o n f i r m a t i o n i na d d i t i o n ，t h ep a p e rp r o p o s et w on e wa cv o l t a g e - s e n s o r l c s sc o n t r o ls c h e m e s b a s e do nv i r t u a lf l u x o n ei sv i r t u a l - f l u x b a s e di n s t a n t a n e o u sp o w e ra tt h ei n p u to f t h er e c t i f i e rc o n t r o ls c h e m e ，w h i c hi so nt h eb a s i so fd u a lc u r r e n tc o n t r o ls c h e m ea n d e s t i m a t et h eu n b a l a n c e di n p u tv o l t a g eu s i n gt h ec o n c e p tv i r t u a lf l u x s i m u l a t i o n s c o n f i r mt h a ts e n s o r l e s ss c h e m ec a ne s t i m a t es o u r c ev o l t a g ev e r yw e l la n dt h es a m e c o n t r o lp e r f o r m a n c ec a nb ea c h i e v e da st h ed u a lc u r r e n tc o n t r o ls c h e m e b u tu n d e r t h ec o n t r o ls c h e m et h eo u t p u td cv o l t a g ew i l lb ea f f e c t e db yt h es e c o n dr i p p l eo f i n s t a n e o u sp o w e ro nt h e3 - p h a s e i n p u ti n d u c t a n c e s ot h ep a p e rp r o p o s e sa n o t h e ra c v o l t a g e s e n s o r l e s sc o n t r o ls c h e m e ，t h a ti s ，v i r t u a l - f l u x b a s e di n s t a n t a n e o u sp o w e ra t t h ep o l e so ft h er e c t i f i e rc o n t r o ls c h e m e i tc a nb ec o n v e n i e n t l yt op r e d i c tt h e i n s t a n t a n e o u sp o w e ra tt h ep o l e so ft h er e c t i f i e ru s i n gt h ec o n c e p to fv i r t u a lf l u x t h u st h ec o n t r o lo fi n s t a n t a n e o u sp o w e ra tt h ep o l e so ft h er e c t i f i e rc a nb cr e a l i z e d t h eo u t p u td cv o l t a g ew i l ln o tb ea f f e c t e db yt h es e c o n d o r d e rr i p p l eo fi n s t a n e o u s p o w e ro nt h e3 - p h a s ei n p u ti n d u c t a n c e t h ec o n t r o ls c h e m es t i l l c a ne l i m i n a t e s e c o n d h a r m o n i c so fd cv o l t a g ee f f e c t i v e l ye v e nu n d e rt h ee x t r e m eu n b a l a n c e di n p u t v o l t a g e s i m u l a t i o nr e s u l t sc o n f i r mt h ef e a s i b i l i t yo f t h ec o n t r o lm e t h o d a tl a s tae x p e r i m e n ts y s t e mo f3 - p h a s ep w mr e c t i f i e ri sd e s i g n e db a s e d0 nd s p t h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i ta n ds v p w ms o f t w a r ea r ef i n i s h e d k e y w o r d s ：p w mr e c t i f i e r u n b a l a n c e di n p u tv o l t a g e d u a lc u r r e n tr e g u l a t i o n s v i r t u a lf l u x s i m u l a t i o n a cv o l t a g e - s e n s o r l e s sc o n t r o l 山东大学硕士学位论文 符号说明 变量说明： 电网电压 交流电流 电网电压角频率 输出直流电压 交流侧电感 交流侧等值电阻 直流侧电容 负载电阻 整流桥交流输入端电压 开关函数 电网电压的正序d 、q 分量 电网电压的负序d 、q 分量 交流电流的正序d 、g 分量 交流电流的负序d 、q 分量 整流桥交流输入端电压的正序d 、q 分量 整流桥交流输入端电压的负序d 、q 分量 电流内环p i 调节器的比例调节增益 电流内环p l 调节器的积分调节增益 电压外环p i 调节器的比例调节增益 电压外环p l 调节器的积分调节增益 网侧视在复功率 v 焘 ， 小， 聃。 ， 驴， ， “们“n已趾乳删纠蛳”州纠跏孙乳 山东大学硕士学位论文 r o l l 矗，f l o ： 网侧有功、无功功率平均值 易，易：网侧2 次有功余弦，正弦项谐波峰值 网侧2 次无功余弦、正弦项谐波峰值 整流桥交流输入侧视在复功率 整流桥交流输入侧有功、无功功率平均值 整流桥交流输入侧2 次有功余弦、正弦项谐波峰值 整流桥交流输入侧2 次无功余弦、正弦项谐波峰值 9 ：品质因数 妒o 妒：，中： l ，：，甲：； 下标说明： f l ，b ，c ： 口，口： d ，g ： 上标说明： 尸o 虚拟磁链合成矢量 虚拟磁链的正序d 、g 分量 虚拟磁链的负序d 、q 分量 三相静止坐标系中a 相、b 相、c 相分量 两相静止坐标系中口轴、轴分量 两相旋转坐标系中d 轴、g 轴分量 正、负序分量 给定值 v i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：焦塾连日期：盘丛：茎 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅：本人授权山东大学可以将本学位 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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：缝托毪导师签名：曼遛。氐j 日期：2 1 堕：梦 山东大掌硕士学位论文 第一章引言 1 1 三相p w m 整流器的发展与现状 近2 0 年来电力电子技术得到了飞速发展，己广泛应用到电力、冶金、化工、 煤炭、通讯、家电等领域多数电力电子装置通过整流器与电力网相接，因此 三相整流器的研究得到了关注整流器经历了不可控整流、相控整流和p w m 整 流三个阶段的发展 传统的由二极管构成的不控整流具有电路结构简单。可靠性高的特点，但是 由于从电网中吸收高峰值的脉冲电流，因此网侧功率因数通常较低，且存在输 出电压不可调节的问题与之相反，由晶闸管构成的相控整流可以获得较宽的 输出电压调节范围，而且相控整流由于采取自然换流方式，无须附加强迫换流 电路，因而主电路结构简单，控制方便，易于实现，技术成熟但由于输出电 压的调节是通过控制晶闸管导通延迟角实现的，在深控状态下，网侧的功率因 数比前者更低，另外电网电压也因晶闸管的换流作用而产生畸变，网侧电流含 有很高的谐波成分，因此电网谐波污染严重，供电质量受到很大的影响并且 不控整流和相控整流都存在直流侧能量无法双向流动，滤波器的体积笨重，动 态响应慢等缺点 近年来提出的高频p w m 整流器可以克服相控整流和不控整流的缺点，它不 仅具有可控的a c d c 变换性能，而且可以实现网侧单位功率因数和正弦电流控 制，甚至能使能量双向流动，因而可以减少网络中的电流纹波和电压畸变，实 现了“绿色”电能的变换随着p w m 控制技术的发展。如空间矢量 p w m ( s v p w m ) 、滞环电流p w m 控制等方案的提出，以及现代控制理论和智能 控制技术的发展和应用，p w m 整流器的性能得到了不断提高，功能也不断扩展。 p w m 整流器网侧独特的受控电流源特性，使p w m 整流器作为核心被广泛应用 于各类电力电子应用系统中，这些应用系统主要有功率因数校正，静止无功补 偿( s v g ) ，有源电力滤波( a p f ) ，统一潮流控制器( u p f c ) ，超导储能( s m e s ) ， 高压直流输电( h v d c ) ，可再生能源并网发电，交直流电气传动等p w m 整流 器及其控制技术以其广泛而重要的应用前景，近年来备受学术界的关注p w m l 山东大学硕士学位论文 整流器可分为电压源型p w m 整流器和电流源型p w m 整流器两种，与电流源型 整流器相比，电压源型整流器直流侧脉动小，输入电流连续而且简单易行，因 此电压源型p w m 整流器成为当今主要研究对象 1 2p w m 整流器电流控制策略概述 电压型p w m 整流器的控制思路是：保证直流侧输出电压恒定情况下，使交 流侧输入电流尽可能为与电网电压同相位的正弦波，从而达到提高功率因数和 消除谐波的目的。电压源型p w m 整流器的控制方法很多，一般分为间接电流控 制和直接电流控制 间接电流控制( 亦称幅相控制) 是基于稳态的电流控制方式i i i l 2 i 通过适当 调节整流桥交流输入端电压的大小和相位，就能控制输入电流的大小和相位， 从而得到功率因数为l 的控制效果。幅相控制的电路结构简单，不需检测电网 电流，而且可以采取优良的开关方式以减小电流谐波但其动态响应慢，存在 直流电流偏移，而且交流侧电阻越小，电流偏移越严重，电流偏移又会使瞬态 直流输出电流和电压波形发生畸变，尤其是瞬态直流过冲电流几乎是稳态值的 两倍。所以目前实用的整流器均是带有电流内环和状态反馈的直接电流控制方 式1 3 1 直接电流控制是一种通过对交流电流的直接控制而使其跟踪给定电流信号 的控制方法，具有系统动态响应快、限流容易、电流控制精度高等优点。根据 控制算法的不同，这种控制方法又可分为：滞环电流控制( h c c ) 、预测电流控 制、电流跟踪控制1 4 1 、滑模变结构控制 s l l 6 1 等近年来又发展了几种新型的控制 策略，有：单周期控制1 7 1 、占空比控制i s l 、基于李雅普诺夫非线性大信号控制”、 输出直流电压的优化前馈补偿控制p o 、以及神经网络和模糊逻辑控制等 滞环电流控制( h c c ) p i l l ”i 是一种电流瞬时值反馈控制，在此控制方式中， 把给定电流信号与交流电流实际信号进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的 输入，通过滞环比较器产生控制主电路开关通断的p w m 信号，该p w m 信号经 驱动电路控制主电路开关的通断，从而控制交流电流信号的变化。采用滞环比 2 山东大学硕士学位论文 较的电流控制系统优点是结构简单，电流响应速度快，控制运算中未使用电路 参数，系统鲁棒性好，应用较广缺点是开关频率在一个工频周期内不固定， 谐波电流频谱随机分布，因而给滤波器的设计带来困难。目前，滞环电流控制 方式研究的主要问题是改进频率不恒定的缺点，如将滞环控制与恒频控制相结 合呻l ，但这又增加了控制的复杂程度。 ， 预测电流控制“思想是从开关的在线优化出发，由磁场定向控制系统提 供的定子电流矢量分量来控制复平面里的电流矢量轨迹，使它相对于参考电流 矢量保持最小的空间误差换句话说，它根据负载和给定的电流矢量变化率， 推导出使电流误差矢量趋于零的电压矢量去控制p w m 整流器的功率开关预测 电流控制具有良好的控制效果，但在采样频率不高或受微处理器运算速度限制 的情况下，它的电流误差比滞环电流控制要大，另外，其控制精度依赖于系统 的参数 模糊控制1 1 6 1 ”1 是1 9 9 8 年d a t o r r o y 等将此控制策略引入p w m 整流器领域 的，对系统某个局部的控制进行模糊化以期获得较好的动态性能，但从他们的 f 实验结果来看，效果不如一般的控制方法。其主要原因是由于模糊控制需要较 f 精确的专家系统提供对系统加以模糊的依据，然而目前这方面的研究工作还不 能提供所需的知识其它的控制策略这里就不一一介绍了。 在这些常规的三相p w m 整流器控制策略中，一般均假设三相电网电压平衡， 但是在实际三相p w m 整流器运行时，由于各种原因常常造成电网电压的不平 衡，一般来说，造成电网电压不平衡主要有以下几方面原因：( 1 ) 三相电网配 电时，三相负载不平衡；( 2 ) 大容量单相负载的使用；( 3 ) 不对称故障造成系 统三相不对称这样一旦实际电网电压不平衡出现时，在电网电压平衡条件下 设计的控制策略，将使三相p w m 整流器直流侧电流产生6 、1 2 、1 8 等6 的整数 倍的特征谐波和2 、4 、8 、1 0 等次数的非特征谐波i ”h 州而直流电流谐波又导 致产生三相p w m 整流器直流电压谐波，直流电压谐波通过p w m 作用反过来又 会影响三相p w m 整流器交流电流波形，使交流电流波形中含有奇次谐波。其中 直流电压2 次谐波和由其产生的交流电流3 次谐波，因频率低、幅值高严重影 响了三相p w m 整流器的运行性能，严重时会烧坏整个装置，因此有必要研究电 3 山东大学硕士学位论文 网电压不平衡条件下三相p w m 整流器的控制问题。 大量文献表明：到目前为止，有两大类方法可抑制因电网电压不平衡而导 致的直流电压2 次谐波。( 1 ) 在平衡控制策略下，适当增大三相p w m 整流器交 流侧电感和直流侧电容取值可以降低谐波幅值【l ”但电感、电容取值过大，也 会影响三相p w m 整流器运行性能。如损耗增大，动态响应变慢等。( 2 ) 采用不 平衡控制策略h ”1 ，从控制策略上抑制电网电压不平衡时的直流电压2 次谐波， 改善三相p w m 整流器的运行性能文献【2 l 】提出了一种对三相p w m 整流器网 侧瞬时功率的控制来抑制直流电压2 次谐波的方法，它是通过控制网侧瞬时有 功功率2 次脉动分量为零、平均无功功率为零，以抑制直流电压2 次谐波，并 实现网侧最大功率因数运行在此控制策略的基础上，文献 2 5 】提出了一种基于 正、负序旋转坐标系下的双电流控制策略，它仍是通过控制网侧瞬时功率来抑 制直流电压2 次谐波，但对于电流内环的控制，是在正、负序旋转坐标系中分 别对正序电流和负序电流独立进行控制由于两组调节器都是对直流量进行控 制，所以不用增大控制增益，减小了系统的不稳定因素，还可以实现正、负序 电流的无静差控制。本课题针对基于正、负序旋转坐标系下的双电流控制策略 进行深入的研究与探讨，在此基础上，提出了基于虚拟磁链的无交流电压传感 器控制策略，它是利用虚拟磁链的概念来预测不平衡的电网电压，进而实现电 网电压不平衡条件下无交流电压传感器的控制。 1 3 本课题的研究内容 ( 1 ) 首先利用m a t l a b 中的s i m l i n k 模块函数建立基于正、负旋转坐标系 下双电流控制系统的仿真模型，对该控制策略进行仿真研究 ( 2 ) 在基于正、负旋转坐标系下双电流控制策略的基础上，讨论两种不同 定义的无功功率在p w m 整流器不平衡控制系统中的应用电网电压不平衡条件 下，三相电路的无功功率情况比较复杂，有各种各样的无功功率定义1 2 9 1 1 3 0 1 ，但 是通常不同的无功功率定义适合不同的控制领域。因此，本文讨论了两种不同 定义的无功功率在不平衡控制策略下p w m 整流器中的应用 ( 3 ) 不平衡控制策略下，交流侧电感的取值对直流电压2 次谐波产生很大 4 山东大学硕士学位论文 的影响，直接影响了整流器的性能，并且不平衡控制策略下交流侧电感的设计 原则至今还没有文献进行过研究，因此本文探讨了基于正、负旋转坐标系下的 双电流不平衡控制策略交流侧电感的设计原则，并与平衡控制策略下交流侧电 感的设计原则进行了对比，最后进行了仿真验证 ( 4 ) 提出了利用虚拟磁链的概念来预测实际不平衡电网电压的方法，进而 提出了两种基于虚拟磁链的无交流电压传感器控制策略。一种是建立在双电流 控制策略上的基于虚拟磁链的网侧瞬时功率控制策略，但在该控制策略下，输 出的直流电压会受到三相电感上2 次脉动瞬时功率的影响，因此，本文又提出 了另一种基于虚拟磁链的整流桥交流输入侧瞬时功率控制策略，该控制策略下 输出直流电压不会受到三相电感上2 次脉动瞬时功率的影响，电网电压严重不 平衡的情况下，仍可以有效抑制直流电压2 饮谐波对这两种无交流电压传感 器的控制策略均建立了m a t l a b 仿真模型，进行了仿真研究 ( 5 ) 最后设计了基于d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的三相p w m 整流器的实 验系统，完成了控制系统部分硬件电路设计和实现s v p w m 的软件设计，实验 验证了s v p w m 软件的正确性 5 。 山东大学硕士掌位论文 第二章三相p w m 整流器的工作原理与数学模型 2 1 三相p w m 整流器的工作原理 三相电压型p w m 整流器的拓扑结构如图2 1 所示，它主要包括交流侧电感 工、交流侧等值电阻r ，直流电容c 、以及由全控开关器件和续流二极管组成的 三相全桥电路 n 图2 - 1 三相p w m 整流器的拓扑结构 图中，e 。、e 。、为电网电压：也为负载电阻。交流侧电感包括外接电 抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必须的：交流侧等值电阻r 包括外接电抗器中的电阻和交流电源的内阻。其单相( 以a 相为例) 基波等效 电路如图2 2 所示，对应的向量图如图2 3 所示 加 图2 2 单相( a 相) 等效电路图图2 3a 相对应的向量图 “。代表对电路中的功率开关器件进行p w m 调制时，在整流桥的交流输入 端产生的p w m 电压的基波分量，由向量图2 3 可以看出：在电网电压e 。一定的 情况下，交流电流的幅值和相位仅由加的幅值及其与e 。的相位差来决定。适 6 山东大掌硕 i t 掌位论文 当调节n a o 的大小和相位，就能控制输入电流的相位以控制功率因数近似为l 。 对其余两相的控制与a 相相同，也是对电路中的功率开关器件进行p w m 调制， 在整流桥的交流输入端b 、c 同样可得到p w m 电压，对b 、c 相也按图2 3 的 向量图进行控制，这样就可以使b 、c 相电流为正弦波且和电网电压相位相同， 功率因数近似为l 。 2 2 三相p w m 整流器的一般数学模型 止坐标系( a , b ，c ) 中，利用电路基本定律( 基尔霍夫电压、电流定律) 对p w m 整流器所建立的一般数学描述。 针对主相p w m 整流器一般数学模型的建立，通常作以下假设： ( 1 ) 电网电压为三相平衡的纯正弦波电压( 巳、巳) ( 2 ) 交流侧电感工是线性的，且不考虑饱和 毒义单极性二值逻辑开关函数( 2 口、b 、c ) 为： i1 ，上桥臂开关器件墨导通，下桥臂开关器件墨关断 o 一1 1 0 ，上桥臂开关器件墨关断，下桥臂开关器件瓯导通 采用基尔霍夫电压定律建立三相p w m 整流器a 相回路方程为： 哮+ r e a 删+ “肋) ( 2 - 1 ) 当e 导通而豇关断时，开关函数s a = 1 ，且”。= ；当咒关断而咒导通 时，开关函数j 。= 0 ，且= 0 由于“删= s 。，式( 2 1 ) 可改写成： d 口f i 4 + r i , , = e a - o 。+ “m ) ( 2 - 2 ) 同理，可得b 相、c 相方程如下： 哮+ 她= 一瓴+ 。) ( 2 - 3 ) 7 山东大学硕士学位论文 工! + r f c ：e 。一( s 。+ “加) ( 2 4 ) a t 考虑三相对称系统，则： e 。+ e + e 。= 0i o + + f c = 0 ( 2 5 ) 联立式( 2 2 ) ( 2 5 ) ，得： u n 0 ：一阜屯 ( 2 - 6 ) 在图2 - 1 中，任何瞬间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： t l i c = l o s 再c + l 庐0 4 + t 3 4 七q o + t o s o s 再c + ( i o + i ) s o s 3 , + ( + f f ) s 。瓦+ ( + f + i ) s o s 6 s = i o s 。+ i b $ b + 讧 ( 2 7 ) 另外，对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律，得： c 警都。坤以旷 ( 2 8 ) 式( 2 - 2 ) ( 2 4 ) 和式( 2 - 8 ) 就构成了三相静止坐标系下三相p w m 整流器一 般数学模型 此数学模型是研究电网电压平衡条件下p w m 整流器控制的基础，但是在实 际的三相电网中，由于各种原因常常造成电网电压的不平衡，由文献【1 9 】的分析 可知：当电网电压不平衡时，在电网电压平衡条件下设计的控制策略，将使三 相p w m 整流器直流侧电流产生6 、1 2 、1 8 等次数为6 的整数倍的特征谐波和2 、 4 、8 、1 0 等次数的非特征谐波而直流电流谐波又导致产生直流电压谐波，直 流电压谐波通过p w m 作用反过来又会影响整流器交流电流波形，使交流电流波 形中含有奇次谐波其中直流电压2 次谐波和由其产生的交流电流3 次谐波， 因频率低、幅值高严重影响了三相p w m 整流器的运行性能，严重时会烧坏整流 器装置，因此有必要研究电网电压不平衡条件下三相p w m 整流器的控制问题， 以抑制或消除电网电压不平衡时三相p w m 整流器直流电压的2 次谐波 山东大学硕士学位论文 适当的增大三相p w m 整流器直流侧电容和交流侧电感的取值，虽然可以降 低直流电压谐波和交流电流谐波，但是电感、电容取值过大，也会影响三相p w m 整流器的性能，如损耗增大、动态响应变慢等。为此必须进一步探讨电网电压 不平衡时三相p w m 整流器的控制策略，从控制策略上抑制整流器的直流电压谐 波和交流电流谐波。研究电网电压不平衡条件下三相p w m 整流器的控制策略问 题，首先必须建立电网电压不平衡条件下三相p w m 整流器的数学模型 2 3 电网电压不平衡条件下三相p w m 整流器的数学模型 2 3 1电网电压不平衡条件下正，负序电压描述 昏b 叠期 c o s ( r o t + a ) 1f c o s + ) 1 + 彤 1cocos(s(耐研+口a+-1122。0。o)jj+或【ccoos(s(研rot+口a。o)lco$(at+a120j 2 - 9 ) lj 式中，彰、，e 为正序、负序、零序基波电压峰值；郎、为 对于三相无中线连接的三相p w m 整流器，一般不考虑零序电压e 的影响， 即令e 。= 0 考虑三相静止坐标系( a , b ，c ) 和两相同步旋转坐标系( d ，叮) ，则 医 = 乞r c 口) 孑 + 已r c 胡， 嚣 c z 舢， 9 山东大掌硕士学位论文 c 2 ，= l0 l压 22 1 i 22 ：胛脏序旋转坐标系变换黼即，= 瞄：髫 ； 为负序旋转坐标系变换腓= 盛 分别为三相电网电压的正、负d ，口分量 s 船i n b e f e ：、e q p 、e ：、e ： 2 3 2电网电压不平衡条件下三相p w m 整流器的数学模型 在两相静止坐标系( 口，) 中，三相p w m 整流器电网电压复矢量为： = 罢k 。+ 棚螺叫 ( 2 1 1 ) 若三相电网不平衡，则电网电压复矢量存在正、负序分量。显然，式( 2 1 1 ) 可改写成为同步旋转坐标系( d , q ) 复矢量表达式，即 e 审= e 2 e j 。+ e 0 j 。 ( 2 1 2 ) 式中，m 为电网电压角频率；p 、碟分别为坐标系( d , q ) 中正、负序电 网电压复矢量。 e ：l = e ：+ j e ：e 翟= e ：+ j e ： ( 2 - 1 3 ) 由式( 2 1 2 ) + 可以看出：坐标系( a , p ) 中，电网电压正序复矢量f 埘p 是 一模为i 磁i 且按逆时针方向以角频率m 旋转的空间矢量；而电网电压负序复矢量 e 。似碰则是模为l i 且按顺时针方向以角频率国旋转的空间矢量 根据三相p w m 整流器的拓扑结构和三相静止坐标系下的数学模型，可以得 到坐标系( 口，口) 中复矢量模型方程为： = + 上等+ ( 2 - 1 4 ) 山东大学硕士掌位论文 为坐标系( 口，) 中整流桥交流输入端基波电压合成矢量；为坐标系 ( 口，) 中三相p w m 整流器交流电流合成矢量。当电网电压不平衡时，、 均含有正、负序分量，类似式( 2 1 2 ) 可记为： j 2 呓+ 蟛e 州( 2 - 1 6 ) v 邮= l 鼍e ”+ l 鼍e - m 式中，吆、嗤分别为同步旋转坐标系( d , q ) 中整流桥的交流输入端基波 电压的正、负序复矢量。 v ；= y ：+ j y ：v i = v ：+ j y ： t 2 - 1 7 ) l 毛= l ：七j i ：i 瓷= i ：+ j i ： ( 2 一、 将式( 2 1 2 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 - 1 6 ) 联立，可求出坐标系( d ，q ) 中三相p w m 整 流器正、负序复矢量模型方程为： p 工警删刎州 协 k | ：| = l a - 7 ；- 啦巾u 婶； 将式( 2 1 3 ) 、( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 代入( 2 1 9 ) 可得电网电压不平衡条件下。 三相p w m 整流器在正、负序同步旋转坐标系下的模型方程： e ：= l 等+ 戳冲：制： 。 弘l 鼍? 卟啦础 ? 2 蝴 啦l 等删川删： e ：= l 萼+ 卟y ? 一： 此数学模型是研究电网电压不平衡条件下，三相p w m 整流器不平衡控制策 略的基础。 l i 山东大学硕- - a z 学位论文 第三章基于正、负序旋转坐标系下双电流控制策略的讨论 为了抑制因电网电压不平衡而导致的直流电压2 次谐波，文献 2 5 1 提出了一 种三相p w m 整流器的不平衡控制策略，即基于正、负序旋转坐标系下的双电流 控制策略本章对该控制策略进行了深入的研究及讨论，首先对该控制策略进 行了仿真研究，其次讨论了两种不同定义下的无功功率在双电流不平衡控制系 统中的应用，最后重点探讨了不平衡控制策略下交流侧电感的设计原则。 3 1 基于正、负序旋转坐标系下双电流控制策略的工作原理 3 1 1电网电压不平衡条件下三相p w m 整流器网侧功率描述 在电网电压不平衡条件下，三相p w m 整流器网侧视在复功率s 为： s = p o ) + j q ( f ) = e 印7 ；= ( e 三e 。+ e ：p 一“) ( ，品e “q 。n p 一7 “) ( 3 1 ) 式中，喝p 。“+ 路p 一埘为，三p 。+ 1 f f ，e 一”的共轭复矢量；p ( f ) 、g ( f ) 分别为三 相p w m 整流器网侧瞬时有功功率、瞬时无功功率。 求解式( 3 - 1 ) ，得： p ( f ) = 昂+ 只2e o s ( 2 c a ) + p , 2s i n ( 2 t o t ) ( 3 - 2 ) g ( f ) = q o + q 。2c o s ( 2 e o t ) + q ，2s i n ( 2 e o t ) ( 3 - 3 ) 式中，昂、q o 分别为瞬时有功、无功功率平均值；只：、只：分别为2 次有 功余弦、正弦项谐波峰值：姨2 、q l ：分别为2 次无功余弦、正弦项谐波峰值 由前面的矢量关系式易推得： p q = 、5 幔：i ：+ e ：i ：+ e ：l ：+ e ：i ：1 p n = 、5 旺：i ：+ e 4 1 。i p i + e ：l ：+ e ：i ：、 = l s 瞄j ：一e ：l ：一e pn 七e p l ：1 【j 4 、 q o = 、5 幔q p i d p e ：i ：+ e ：i ：一e ：i ：、 q c t = 1 文e ：l ：一e ：l ：+ e ：l ：一e ：l ：、 q n = 1 5 t e ：l ：+ e ；i ：一e