（电气工程专业论文）变频器中pwm整流的研究.pdf

较多的方法：规则采样法。 ( 4 ) 介绍了三相v s r 拓扑结构，研究了三相v s r 空间电压矢量分布及其矢量 合成，根据三相p w m 可逆整流器的矢量变换关系和控制方程，得到了高功率因数 整流器控制结构。 ( 5 ) 介绍了m a t l a b 及其基本界面，介绍了s i m u l i n k 及其基本界面，介绍了 p o w e r l i b 及其基本界面，给出了三相v s r 仿真模型，并使用m a t l a b 进行仿真，验 证了三相v s r 高功率因数的能量双向流动的正确性。 ( 6 ) 通过对电力电子技术的展望，p w m 整流器控制向无电网电动势传感器 及无网侧电流传感器控制、基于l y a p u n o v 稳定性理论的p w m 整流器控制、电网 不平衡条件下的p w m 整流器控制、智能控制等方向发展。 本文所做的研究，对电力电子、变频器和p w m 的研究具有一定的理论意 义和实际应用价值。 关键词：变频器，p w m ，m a t l a b ，p w m 整流器，矢量控制 s t u d yo fp w m r e c t i f i e ri nt r a n s d u c e r a b s t r a c t t r a n s d u c e ri sd e v i c et h a tc o n v e r t so n ef r e q u e n c yo far a d i os i g n a lt o a n o t h e r p o w e r w i t h e l e c t r o n i cd e v i c e s i ti s a l r e a d yw i d e l y u s e d i n i n d u s t r y , f o re x a m p l e ，a p p l i c a t i o no ff r e q u e n c yc o n v e r s i o ns p e e dc o n t r o l o n h o u s e h o l de l e c t r i c a la p p l i a n c e sa n dm a c h i n et 0 0 1 n o wt h e r ea r e m a n y t r a n s d u c e r t y p e s ，s u c h a ss i e m e n sa n da b bi na m e r i c aa n de u r o p e ， f u j i a n dm i t s u b i s h ii n j a p a n ，d e l t aa n d t a i a n i nt a i w a n n o wt r a n s d u c e r m a i n l ya d o p tw a y s o fa c d c - a c ，w h i c hf i r s t w i l lc o n v e r ta ca t5 0c y c l e sp e rs e c o n di n t od i r e c tc u r r e n t t h e nw i l l c o n v e r t d c i n t oa ct h a t f r e q u e n c y a n d v o l t a g e c a nb e r e g u l a t e d t r a n s d u c e r c o n s i s t so ff o u rp a r t st h a t r e c t i f i e r , i n t e r m e d i a t el i n k s ， i n v e r t i n gc i r c u i ta n dc o n t r o l l e dc i r c u i t r e c t i f i e r i su n c o n t r o l l e dr e c t i f y i n g c i r c u i t ，i n v e r t i n gc i r c u i t i si g b tt h r e e - p h a s e i n v e r t i n gc i r c u i to fb r i d g e ，a n d o u t p u tp w mw a v es h a p e ，i n t e r m e d i a t el i n k sc a nf i l t e r , s t o r ed ce n e r g y a n db u f f e rr e a c t i v ep o w e r c i r c u i to ft r a n s d u c e rm a yg e n e r a l l yb ed i v i d e di n t o t w o k i n d s ：v o l t a g es o u r c ei n v e r t i n gc i r c u i t w i l l v o l t a g ed cs o u r c e si n v e r t a c ， f i l t e ri nd ci s c a p a c i t a n c e ，c u r r e n ts o t n c ei n v e r t i n gc i r c u i t w i l lc u r r e n t d cs o u r c e si n v e r ta c f i l t e ri nd ci si n d u c t a n c e r e c t i f i e ri sa ni m p o r t a n tp a r to ft r a n s d u c e r , i t su s ei sc o n v e r ta ca t5 0c y c l e s p e rs e c o n d i n t od i r e c tc u r r e n t a n dn o wr e c t i f i e r t e c h n i q u e i s m a i n l y u n c o n t r o l l a b l ew i t h ，r e c t i f i e rd i o d e m a i nw e a k n e s so fr e c t i f i e rw i t hd i o d e i sh a r m o n i ca n du n c o n t r o l l a b l e p o w e rg r i d sa r es e r i o u s l y p o l l u t e d w i t h h a r m o m c u n c o n t r o l l i n gb r i n go n e w a ye n e r g yf l o wf r o ma ct o d ca n dm a y n o tb ea d j u s t e df o rf i t t i n gg r e a ta n ds m a l l m o s tb a s i c m e a s u r e i st h a t p w mi sl e dt or e c t i f i e rt o b r i n ga b o u t c u r r e n to fe l e c t r i c n e t w o r k ss i d es i n e o p e r a t i n g u n i t p o w e r f a c t o rt od e l e t ef r o m t h i s p o l l u t i o n t h e p a p e r s t u d i e st h e t o p o l o g i c a l s t r u c t u r ea n dc o n t r o l s t r a t e g y o fp w mr e c t i f i e rf r o mp w mb a s i c p r i n c i p l e ，p w m r e c t i f i e rb a s i c p r i n c i p l e i ti n t r o d u c e sv e c t o rc o n t r o la n di sd e m o n s t r a t e dt h e v a l i d i t yb y s i m u l a t i o n m a j o rw o r k o ft h e p a p e rc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) e l a b o r a t e st h ep w m r e c t i f i c a t i o nf u n c t i o na n dt h ei m p o r t a n c e ，f r o mt h e 6 m a i nc i r c u i tt o p o l o g yr e s e a r c h t h ev o l t a g ep w mr e c t i f i e r e l e c t r i cc u r r e n tc o n t r o l s t r a t e g yr e s e a r c h ，t h ep w mr e c t i f i e r m o d e l l i n ga n dt h ea n a l y s i s ，t h ee l e c t r i cc u r r e n t p w mr e c t i f i e r r e s e a r c h ，t h e i n t e l l i g e n c e a n dt h e f u z z y c o n t r o lr e a l i z a t i o n r e s e a r c h ，b r i e f st h ed o m e s t i ca n df o r e i g np w mr e c t i f i e rr e s e a r c hp r e s e n t s i t u a t i o n ( 2 ) e l a b o r a t e dt h e f r e q u e n c yc h a n g e r b a s i c p r i n c i p l e a n dt h e f r e q u e n c y c o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o np r i n c i p l e ，s t u d y e dt h e f r e q u e n c yc h a n g e r m a i nc i r c u i ta tp r e s e n t ，a n a l y z e dt w os h o r t c o m i n g si nt h ef r e q u e n c yc h a n g e r t h e d i o d er e c t i f i c a t i o n ：f i r s t ，p r o d u c i n gt h e o v e r t o n e ，s e c o n d ，u n c o n t r o l l i n g i th a s s u m m a r i z e dt h eo v e r t o n eh a z a r d o u s n a t u r e ( 3 ) i t e l a b o r a t e st h ep w mb a s i cp r i n c i p l e ：w i t has e r i e so ft h es a m es c o p e p u l s e t h a th a s n ts a m ew i d t ht or e p l a c eas i n eh a l f _ w a v e ，i t se f f e c ti ss a m e ； i n t r o d u c e dt h ep w mr e c t i f i e rp r i n c i f l l eo fw o r k s t u d i e dt h e p w mr e c t i f i e rf o u r q u a d r a n t sm o v e m e n t a n di t st h ec o n t r o l ；i n t r o d u c e d t h ep w mr e c t i f i e rc l a s s i f i c a t i o n a n dt h et o p o l o g y ，e l a b o r a t e dt h ep w m r e c t i f i e rm e r i t ；s t u d i e dh o wo b t a i n st h e p w m p r o f i l eu s i n g m o d u l a t i o n b ys i n g l ep o l e p w m c o n t r o l l i n g ( s i n g l e - p h a s eb r i d g ei n v e r s i o n ) ，d o u b l ep o l e p w m c o n t r o l l i n g ( s i n g l e - p h a s eb r i d g ei n v e r s i o n ) ，d o u b l ep o l e p w m c o n t r o l l i n g ( t h r e e - p h a s eb r i d g ei n v e r s i o n ) ，s t u d i e dt h em e t h o d su s e dw i d e l yi nt h e p r o j e c t ：w a y s o f r e g u l a rs a m p l i n g ( 4 ) i n t r o d u c e dt h et h r e e - p h a s ev s rt o p o l o g y ，s t u d i e dt h et h r e e p h a s e v s r s p a c ev o l t a g ev e c t o rd i s t r i b u t i o na n di t st h ev e c t o r i a lr e s u l t a n t ，a c c o r d i n gt ot h e t h r e e p h a s ep w mr e v e r s i b l er e c t i f i e rv e c t o r t r a n s f o r m a t i o nr e l a t i o n sa n dt h e c o n t r o l l i n ge q u a t i o n ，o b t a i n e dc o n t r o ls t r u c t u r eo f t h ep o w e rf a c t o rr e c t i f i e r ( 5 ) i n t r o d u c e dm a t l a ba n di t st h eb a s i cc o n t a c t s u r f a c e ， i n t r o d u c e d s i m u l i n ka n di t st h eb a s i cc o n t a c ts u r f a c e i n t r o d u c e dp o w e r l i b a n d i t st h eb a s i cc o n t a c ts u r f a c e 。h a v ep r o d u c e dt h et h r e e p h a s ev s r s i m u l a t i o n m o d e l ，a n du s e sm a t l a bt oc a r r yo nt h es i m u l a t i o n ，h a s c o n f i r m e dt h et h r e e - p h a s e v s r p o w e rf a c t o re n e r g yt w o w a yf i o w a c c u r a c y ( 6 ) t h r o u g h t ot h ee l e c t r i c p o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g yf o r e c a s t ，t h e p w m r e c t i f i e rc o n t r o lt o w a r d st h en o n e l e c t r i c a ln e t w o r ke l e c t r o m o t i v es e n s o ra n d t h en o n - n e ts i d ee l e c t r i cc u r r e n ts e n s o rc o n t r o l ，p w mr e c t i f i e rc o n t r o lb a s e do n l y a p u n o vs t a b i l i t yt h e o r ya n ds oo nu n d e r c o n t r o l ，p w mr e c t i f i e rc o n t r o lu n d e r e l e c t r i c a ln e t w o r ke q u i l i b r i u mc o n d i t i o n ，i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 t h er e s e a r c ho ft h i sa r t i c l eh a st h ec e r t a i nt h e o r y s i g n i f i c a n c ea n dt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o nv a l u et ot h ee l e c t r i cp o w e re l e c t r o n ，t h e f r e q u e n c yc h a n g e ra n dt h e p w mr e s e a r c h ， 7 k e yw o r d s ：t r a n s d u c e r , p w m ，m a t l a b ，p w m r e c t i f i e r ，p h a s e a n d a m p l i t u d e c o n t r o l 8 插图清单 图1 - 1 三相电压型p w m 整流器3 图1 - 2电压定向控制( v o c ) 矢量图4 图i - 3电压定向控制( v o c ) 系统框图4 图1 - 4 等效的虚拟电动机4 图i - 5 虚拟磁链定向控制( v f o c ) 矢量图5 图i - 6 虚拟磁链定向( v f o c ) 的系统框图6 图i - 7 基于电压的直接功率控制( v - d p c ) 系统框图7 图1 - 8 直接功率控制( v f - d p c ) 系统框图8 图2 一l 变频器的基本构成1 l 图2 - 2交直交变频器的主电路1 3 图2 - 3不控整流输出电压波形1 4 图2 - 4 不控整流输入电压波形1 4 图2 - 5变频器产生的3 次、5 次谐波示意图1 5 图3 - 1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲1 6 图3 - 2正弦半波等效成等幅不等宽脉冲列过程1 7 图3 - 3 正弦波等效成等幅不等宽脉冲列方法一1 7 图3 - 4 正弦波等效成等幅不等宽脉冲列方法二1 7 图3 - 5p w m 整流器模型电路1 8 图3 - 6p w m 整流器交流侧稳态矢量关系1 8 图3 - 7 单相v s r 拓扑结构图2 0 图3 - 8 三相桥式v s r 主电路拓扑结构2 0 图3 - 9 单相桥式p w m 逆变电路2 l 图3 - 1 0 单极性p w m 控制方式2 2 图3 - 1 1 双极性p w m 控制方式波形2 2 图3 - 1 2 双极性p w m 控制方式2 3 图3 - 1 3 三相桥式p w m 逆变电路波形2 3 图3 - 1 4 同步调制三相p w m 波形2 5 图3 - 1 5 规则采样法2 6 图4 - 1 三相v s r 拓扑结构2 7 1 2 图4 2 图4 - 3 图4 4 图5 1 图5 一z 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 5 三相v s r 交流侧空间电压矢量3 0 三相v s r 空间电压矢量分布3 0 高功率因数整流器控制结构3 2 a t l a b 默认设置的桌面平台3 3 三相v s r 仿真模型3 5 整流时p w m 交流侧a 相电压与电流的波形1 3 6 整流时p w m 交流侧a 相电压与电流的波形2 3 7 p w m 交流侧a 相电压与电流从整流到逆变时的波形3 7 p w m 交漉侧a 相电压与电流逆变对的波形3 8 表格清单 表卜1开关状态与瞬时有功和无功的对应表6 表4 - 1不同开关组合时的电压值2 9 表4 2n 与扇区对应3 l 1 4 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，也不包含为获得金世王些太堂 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。 姗躲锄2 豇咖撕期：矿7 年妇7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。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 权金b 王些太堂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：龟身e 姒 签字日期： ，产w 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：安徽职业技术学院 通讯地址：合肥市包河大道2 6 8 号 3 导师签名： 柳扒 签字日期：0 7 年r 月二7 日 电话：3 4 2 3 9 5 03 5 5 5 2 0 9 邮编：2 3 0 0 5 1 致谢 自2 0 0 3 年1 2 月开始攻读学位以来，至今已近三年。在这段时间里，从专业 学习、全国工程学位水平考试、到论文的完成，无不得到导师杜少武教授的不 倦教诲。导师认真的工作态度，严谨的治学作风和探索创新的精神，时刻在鼓 励和鞭策着我。在杜少武教授的指导下，使我确定了自信心，学会了科研的方 法，开阔了视野，也学到了许多做学问、做人的道理。在此向导师表示深深的 谢意l 感谢安徽电力超高压公司李冀高级工程师的指导与关心! 感谢所有参考文献的作者和同行的工作，给予我莫大的启发。 感谢我的妻子洪淑华三年来给予我极大的理解、支持和鼓励，这三年来我 对家庭的关心太少，在此深表歉意l 9 作者： 2 0 0 7 年4 月 第一章绪论 1 1 p w g 整流的作用及重要性 随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件的性 能不断提高，已从早期的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管( s c r ) 发展 到现在的全控型功率开关，如双极型晶体管( b j t ) 、门极可关断( g t o ) 晶 闸管、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、集成门极换向晶闸管( i g c t ) 、功率 场效应晶体管( m 0 s f e t ) 、场控晶闸管及后来的智能型功率模块( i p m ) 等。 新功率半导体器件的不断出现，并结合计算机、智能控制，推动了电力电子变 流装置技术的迅速发展，产生了以脉宽调制( p w m ) 控制为基础的各种各样变 流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源及各类特种变流器等，这些装置 在工业上获得了广泛的应用。 1 2 国内外p w g 整流器研究现状 2 0 世纪8 0 年代，人们就开始了p w m 整流器的研究，自关断器件的成熟和应 用，推动了p w m 技术的应用与研究。1 9 8 2 年b u s s ea 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。t 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， 开始了电压型p w m 整流器的设计。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，使p w m 整流器研究发展达到了一个新高度。 2 0 世纪9 0 年代以来，p w m 整流器研究已成为热点。对p w m 整流器拓扑结 构及控制策略的研究、拓展的p w m 整流器拓扑结构及控制策略的研究也发展起 来，如有源滤波器，交流传动、高压直流输电、超导储能及统一潮流控制等。 这使得p w m 整流器及其控制技术不断进步和完善。 研究的主要方面： ( 1 ) 主电路拓扑结构研究； ( 2 ) 电压型p w m 整流器的电流控制策略研究i ( 3 ) p w m 整流器的建模与分析； ( 4 ) 电流型p w m 整流器研究； ( 5 ) 智能型、模糊型控制实现研究。 1 2 1关于p w m 整流器主电路拓扑结构的研究 依据p w m 整流器拓扑结构不同，可将p w m 整流器分为电流型和电压型两 大类。为适应功率等级及用途的需要，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 j s h i e n 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。一般的电压型p w m 整流器为b o o s t 型变换器，正常工作时，其直流侧电压高于交流侧电压峰值，能不能利用电压 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了改进，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、变流器组合以及软开关技 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。将独立的电 流型p w m 进行并联组合而形成的变流器并联组合拓扑结构则应用在大电流场 合，此并联采用了移相技术，即每个并联的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， 使得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。 也可将独立的电压型p w m 整流器按类似的办法进行串联移相组合，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。 1 2 2关于电压型p w g 整流器的电流控制策略研究 为了能够使电压型p w m 整流器网侧呈现受控电流源特性，必须对其网侧电流 控制策略进行研究。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 b t 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”是一种“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波幅值、相位，进而间接控制其网 侧电流。“间接电流控制”的缺点是其网侧电流的动态响应慢，且对系统参数 变化灵敏。“赢接电流控制”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、以快速电流跟踪为特征的滞环电流控制及矢量控制等， 多数系统采用矢量控制，其优点是电流响应快和鲁棒性好。为了提高电压利用 率并降低损耗，基于空间矢量的p w g 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。 2 ( 1 ) 矢量控制 矢量控制也称磁场定向控制。是2 0 世纪7 0 年代初由德国f b l a s s c h k e 等人 首先提出，并以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，第 一次提出了把交流电动机等效为直流电动机进行控制的理论。根据磁场等效基 本原理，三相静止坐标、两相静止坐标和两相旋转坐标系之间可以进行相互转 换，这样就可以把对交流量的控制转变成对直流量的控制，使控制要求变得简 单、系统也能得到较好的动静态性能。电压定向控制和虚拟磁链定向控制都是 以矢量控制为基础的，下面详细介绍这两种控制策略。 1 ) 电压定向控制 电压定向控制( v o l t a g eo r i e n t e dc o n t r o l ，v o c ) 又称基于d q 坐标变换的矢 量控制，下面以三相电压型p w m 整流器为例进行说明。三相电压型p w m 整流器如 图i - i 所示。 图i - i 三相电压型p w m 整流器 图1 - 2 和图卜3 分别给出了电压定向控制的矢量图和系统框图。由图i - 2 的矢 量图可知，经过坐标变换，整流器的交流输入侧的电压和电流矢量，在三相静 止坐标系中表示为v a ，v b ，v c 及i 。i b ，i 。，在两相坐标系下表示为圪，及0 ， ，在两相旋转坐标系中表示为，圪及，。由坐标变换的基本原理，可 以把对交流量的v a ，v b ，v c 及i 。，i b ，i 。的控制转变为对直流量屹，圪及，乇的 控制。由图卜3 的v o c 系统框图知，电压外环用来保持整流器的直流侧电压恒定， 电压调节器输出有功电流给定力，又因为整流器要达到单位功率因数，所以无 功电流给定厶= o ，接着有功和无功电流给定与d q 轴电流分量的反馈值进行比较 后分别送入两个电流调节器，调节器输出经矢量变换后，通过空间矢量调制器 对整流器中的开关器件进行控制，使得整流器的输出侧电流波形为正弦且和电 源电压波形同相位，达到功率因数为1 的控制要求。 3 新6 图1 - 2电压定向控制( v o c ) 矢量图 图1 - 3电压定向控制( v o c ) 系统框图 这种策略不仅具有直接电流控制的动态响应快、稳态性能好、自身有限流 保护能力等优点，而且还可以消除电流稳态误差，达到单位功率因数，所以在 工控领域应用十分广泛。 2 ) 虚拟磁链定向控制 虚拟磁链定向控俸l j ( v i r t u a l f l u xo r i e m e dc o n t r o l ，v f o c ) 是在电压定向基 础上发展起来的，如图1 4 所示。 图卜4 等效的虚拟电动机 将p w m 整流器输入侧用虚线隔开，把前部分中的三相交流电源、r s 、l 看 作是一台虚拟的交流电动机，r s 和l 分别代表虚拟电动机定子的电阻和电感， 虚拟电动机输出侧线电压、k 。、吃经坐标变换后得到圪、，再合成为矢 t v ，对v 进行积分矿= j 渤，从而得到虚拟磁链虚拟磁链定向控制( v f o c ) 矢量图如图i - 5 所示。 4 泰多，4 。臆 图1 5 虚拟磁链定向控制( v f o c ) 矢量图 使用基尔霍夫电压定律，对图1 1 的p w m 主电路建立整流器回路方程为 圪，一( 工! + 疋) = 口吃+ 巧 ( i - 1 ) “ j ： k ，一( 兰+ 兄) = 6 吃+ 巧旧 ( i - 2 ) 圪，一( = + e ) = c + 巧阳 ( i = 3 ) a 上式中，v d 。为直流输出电压；a , b ，c 为整流器开关状态函数；a = 1 时，v l 开 通，v 4 关断，a = 0 时，v l 关断，v 4 开通；b = l 时，v 3 开通，v 6 关断，b = 0 时，v 3 关断，v 6 开通；c _ 1 时，v 5 开通，v 2 关断，e = 0 时，v 5 关断，v 2 开通；i a , i b ，i c 为交流侧每相电流；v n o 为中性点间电压；圪，、圪f 、砭，为每一相输入到整流 器电压。 设系统为三相对称的理想输出，根据系统特性及回路方程，经推导可得 = 【a - 1 3 ( a + b + c ) 】 ( 1 - 4 ) 虼，= 【b - 1 3 ( a + 6 + 纠珞 ( 1 - 5 ) 圪，= 【c - 1 3 ( 口+ 6 + c ) 】 ( 1 = 6 ) 囊 = 孚 三三； i k = + _ ， 矿= 儿+ j v q 巧= + r e + 哮一础e 巧= _ ，+ r l ：+ 哮一础e ( i - 7 ) ( i - 8 ) ( 1 - 9 ) ( i 一1 0 ) ( 1 1 1 ) 式( 1 - 7 ) 中，t ，吃经三相坐标到两相坐标变换后为，经式( 1 8 ) 合成矢量后为v ，代表整流器输人侧的电压矢量；式( 1 - 9 ) 中，矿是经坐标变换 后整流器的输入侧的电压给定信号，含直轴分量和交轴分量屹匕；式( 1 1 0 ) 和式( 1 一1 1 ) 为圪k 的求解公式，其中i d 是电流参考信号，。为输入频率 图1 - 6 给出了虚拟磁链定向控制系统框图，与矢量控制相同，电压外环用来 保持整流器的直流侧电压恒定，电压调节器输出为有功电流给定0 。为了使整 流器达到单位功率因数，设定无功电流给定乞= o 。有功和无功电流输人电压矢 量计算器( 按式( 1 - 1 0 ) 和式( 1 - 1 1 ) ) ，输出直轴和交轴电压给定值，经过坐标 变换后，由空间矢量调制器对整流器中的开关器件进行控制，达到所需控制要 求。 虚拟磁链定向控制是基于坐标变换的矢量控制，算法虽复杂，但相对于v o c ， 它的显著优点是输入侧省去了电流传感器，控制回路也省去了两个电流调节器， 它使电路结构得到简化，系统性能得到优化，有着良好的动态性能和高的功率 因数。 图1 - 6 虚拟磁链定向( v f 0 c ) 的系统框图 ( 2 ) 直接功率控制 在p w m 整流器的主电路中，对应的不同开关状态，列出系统的功率方程，可 以得到系统的有功和无功功率表达式如表i - i 所示。 表卜1 开关状态与瞬时有功和无功的对应袭 a ，b ，cp q i ，0 ，0 工i d i o 屯+ 鲁屯+ 百d i c , ) + 玩 万1l ，- 百d i c 俨d 硪6i j - 一瓴一) 】 l ，1 ，0 三嗡d l a ”o 鲁屯+ 鲁伊去【3 工磅卜面d i a 伊, 、v 出( i o 制 0 ，1 ，0 畴乞嗉屯+ 石d e 坩, - 去【3 工学一百d i e 沪( 一) 】 0 ，1 ，1 工( 警+ 警t + 鲁) - 吃屯击【3 工譬卜d 衍i bi 舻- 吃( 一f c ) 】 0 ，0 ，1 三( 鲁+ 警屯+ 鲁) + 去阱磅一鲁沪以吲】 1 ，0 ， 1 工e 屯哮t + 釉一吃击 3 三咯一知+ r m ( i o 圳】 o ，o ，o 百d i a 。+ 鲁t + 石d i c 七j 击p 畴乞每乇， 1 ，l ，l ( 鲁屯+ 鲁屯+ 鲁)去p 工e 一釉 6 简化表1 - 1 中的方程，可以得到有功和无功功率与开关状态的简单对应关 系，由整流器的开关状态来估计有功和无功功率。将给定功率和估测功率进行 比较，其误差经过迟滞比较器和整流器状态选择器，就可以输出整流器下一次 的开关状态，达到了直接功率控制的要求。 直接功率控制就是对瞬时有功和无功功率的直接控制，其控制策略有如下 显著特点： 通过选择最优开关状态来直接控制有功和无功； 因为不需要检测交流侧的电压信号，所以省去了网侧的电压传感器； 控制系统中不含有电流调节块和电压调节块： 由整流器的交流侧电流、直流侧电压及功率器件的开关状态来估算有功 和无功。 下面介绍基于电压的直接功率控制( v d p c ) 和基于虚拟磁链的直接功率控 制( v f d p c ) 。 1 ) 基于电压的直接功率控制 基于电压的直接功率控制( v o l t a g e - b a s e dd i r e c tp o w e rc o n t r o l ，v - d p c ) 是以 电压定向控制为基础的，从电网侧输入的有功和无功为 尸- 三咯乞+ 鲁毛+ 警咖v 由( a i o + h i , t ) ( 1 - 1 2 ) q 2 去 ? 咯一等伊缃( 一i c ) 伉一i o ) + c ( i o 吲 n - 1 3 ) 基于电压的直接功率控制是一种对功率的迟滞控制策略。图1 7 给出了 v d p c 的系统框图，外环电压闭环保证整流器直流侧的电压恒定，反馈的直流 电压和给定电压比较后经p i 调节器，输出为电流给定，它与反馈的直流电压同 时进入乘法器，乘法器输出为有功功率的给定值，。为保证整流器的功率因数 为l ，设无功功率给定值q = o 。再根据式( 1 一l z ) 、式( 1 1 3 ) ，由电压矢量及功率 鉴别器估算有功和无功功率，给定与估算有功和无功功率比较后，分别通过滞 环比较器和复平面的扇区识别器来实时地控制整流器的下一次开关状态，最终 实现对有功和无功的直接控制。 图l 7 基于电压的直接功率控制( v - d p c ) 系统框图 2 ) 基于虚拟磁链的直接功率控制 7 基于虚拟磁链的直接功率控制( v i r t u a l f l u xb a s e dd i r e c tp o w e rc o n t r o l ， v f d p c ) 是以虚拟磁链定向控制为基础的，从电网侧输入的有功和无功为 p ：睁址+ 哮】。珏州气知一屹) ( 1 _ 1 4 ) q ：_ 粤l 绉+ 哮】，知+ 烈咒。一) ( 1 1 5 ) 式卜1 4 和卜1 5 v e ：为网侧的虚拟磁链矢量；。，为在两相静止坐标系中 的虚拟磁链矢量的ob 轴的分量；为输入频率。 这也是一种对功率的迟滞控制策略。图1 - 8 为v f - d p c 的控制系统框图，由图 卜8 可知，基于虚拟磁链的直接功率控制与基于电压的直接功率控制系统的组成 和实现很相似，这里不再叙述。 。 图1 - 8 直接功率控制( v f d p c ) 系统框图 1 2 ：3p w m 整流器的建模研究 p w m 整流器及其控制技术研究的基础是p w m 整流器数学模型的研究 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，r w u 、s b d e w a n 等较为系统地建立了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。c h u n t r i m 和d o n g y h u 等则利用局部电路的d p 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。以此为基础，h e n g c h u nm a o 等人建立 了一种新颖的降价小信号模型，使p w m 整流器的数学模型及特性分析得到了简 化。 1 2 4 关于电流型p w m 整流器的研究 对于电流型p w m 整流器的研究，b u s s ea 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，但电流型p w m 整流器的缺点是需较大的直流储能 电感且交流侧l c 滤波环节能导致电流畸变、振荡等问题，因而其结构和控制相 对复杂，其应用与研究受到限制。随着超导技术的应用与发展，电流型p w m 整流 8 器在超导储能