（电力电子与电力传动专业论文）三相电流型多电平整流器的研究.pdf

a b s t r a e t a b s t r a c t m u l t i l e v e lc o n v e r t e r so f f e rb e n e f i t so fi n c r e a s e dp o w e rr a t i n g s ，l o ws w i t c h i n g f r e q u e n c y , r e d u c e do u t p u th a r m o n i c s ，f a s td y n a m i cr e s p o n s e a n d g o o d e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) ，w h i c hw i l lm a k ei tp o s s i b l et oe n l a r g et h e p o w e rr a t i n g a n di m p r o v et h e o u t p u tp e r f o r m a n c es i m u l t a n e o u s l y w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g et e c h n o l o g i e s ( s m e s ) a n d t h es e m i c o n d u c t o rd e v i c e s 谢t l lh i g hb l o c k i n gv o l t a g e ( s u c ha sm c ta n di g c t ) t h e e f f i c i e n c yo ft h ec o n v e n t i o n a lc s i sw i l lb eo v e r c o m ea n dh e n c et h e yw i l lb ei na m o r ea t t r a c t i v e p r o p o s i t i o n ，p a r t i c u l a r l y f o rh i g h e rp o w e ra p p l i c a t i o n s c a r r i e r p h a s e s h i f t e ds p w m ( c p s s p w m ) c a nh e l ps p w mb eu s e di nh i g h e rp o w e r a p p l i c a t i o n ss i n c ei tc a l ld ob e n e f i t sf o ri m p r o v i n gw a v e f o r m sg r e a t l ya n dr e s t r a i n i n g h a r m o n i c s s oi tc a ns o l v et h ep r o b l e mo f p o w e ra n df r e q u e n c yt h a tc a n tb ei n c r e a s e d t o g e t h e r t h et o p o l o g yc o n s t r u c t i o n t o g e t h e rw i t hi t sp w ms t r a t e g ya r ep r e s e n t e di n t h i sd i s s e r t a t i o nd u et oc p s s p w ma n dm o d u l e p a r a l l e l i z i n gt e c h n i q u e s t h ec o n t e n t s a r ea sf o l l o w i n g a f t e rr e a d i n gl o t so fr e l e v a n tp a p e r s ，t h et o p o l o g yt o g e t h e rw i t hi t sp w m s t r a t e g i e sw e r ed i s c u s s e d a n d7l e v e lr e c t i f i e rw a st a k e na sa ne x a m p l et oi l l u s t m t e t h ew o r k i n gp r o c e s s ，s e l fc u r r e n t - b a l a n c i n gc h a r a c e r i s t i c sa n ds oo n ，w h i c hw a st h e b a s i ct h e o r yo f c o n t r o l l i n gs t r a t e g i e si nc l o s e d l o o p o nf i n i s h i n ga n a l y z i n gt h ed i f f e r e n th a r m o n i cc h a r a c e r i s t i c so f2 - l o g i ca n d 3 - l o g i cc p s s p w mt e c h n i q u e ss e p e r a t e l l y , t h e3 - l o g i cc p s s p w mt e c h n i q u ew a s c h o s e na st h es t r a t e g yi nt h i sd i s s e r t a t i o n a f t e rl e a f i n gt h ee x p e r i e n c eo fp e o p l e sa b o v e ，ad i g i t a lp l a t f o r mc o n s i s t i n go f d s pa n dc p l dw a ss e tu po nw h i c hat e c h n i q u en a m e dp h a s el o c k e d - l o o pw a s s t u d i e d t h i st e c h n i q u ec a nm a k et h ec o m p a r e ds i n ew a v e f o r ms y n u e h r o n i z ew i 也a c s o l l l c eb o t hi np h a s ea n df r e q u e n c e 7l e v e lt h r e e - p h a s er e c t i f i e ro fc u r r e n t - s o u r c ew a sc h o s e na sa l le x a m p l et o i l l u s t r a t ei t sp a r a m e t e r s t h r e em e t h o d so f3 - l o g i cc p s - s p w mt e c h n i q u e sw e r e d i s c u s s e da n dt h em o s ts i m p l ed i g i t a li m p l e m e n t a t i o nm e t h o df o r3 - l o g i cs p w mw a s p r e s e n t e di nt h et h e s i so nt h eb a s i so f w h i c ha 1 1t h e18p w ms i g n a l sw e r eg e n e r a t e d a ne x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eo f7 - l e v e lr e c t i f i e rw a ss e t u pt ov e r i f yt h e p r o p o s i t i o n i no r d e rt om a k el i n ep o w e rf a c t o re q u a lt o1 ，a ni n d i r e c t - c u r r e n t c o n t r o l a b s t r a c t s t r a g e g yb a s e do nt h ec u r r e n tb a c kf r o ma c s o u r c ew a sp r e s e n t e d a f t e rc o m p a r i n gt h em u l t i l e v e lr e c t i f i e rw i t hm u l t i - p u l s a t i o nr e c t i f i e rf r o m v a r i o u sa s p e c t s ，ac o n c l u s i o nw a sd o n ew h i c hp o i n t e do u tt h a tt h ef o r m e ro n ew a s m u c hb e t t e ra n di th a dm o l ep r a c t i c a lv a l u ea n dw i d e ra p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：t h r e e p h a s em u l t i l e v e lr e c t i f i e r so fc u r r e n t - s o u r c e ；s m e s ；3 - l o g i c c p s s p w m ；d s p + c p l d ；d i g i t a lp h a s el o c k e d - l o o p ；l i n ep o w e r f a c t o r ；a p p l i c a t i o np r o s p e c t i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 随着电力电子装置在工业市场和应用领域的不断扩大，特别是电力变换器的 大功率化，带来了谐波污染、无功功率损耗等问题。为了达到节约能源、降低成 本、减少污染的目的，越来越多的电气设备对电能的品质提出了新的要求。世界 各国学者对电力电子技术进行了广泛的研究，取得了大量的科研成果。 电力系统谐波的主要来源之一是电网中的电力电子设备【1 , 2 1 ，在这些设备中， 各种整流装置所占的比例最大【】。而目前常用的整流装置几乎都采用二极管不控 整流电路或晶闸管相控整流电路1 3 , 4 1 ，它们对电网注入大量谐波及无功功率，网 侧电流波形畸变严重，谐波含量高，造成严重的电网“污染”。随着这类非线性 负载容量的增大和应用的不断普及，电力电子装旨的谐波污染问题成为电气工程 领域关注的焦点问题之一。不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波 和用电设备谐波的标准和规定【5 一，其中较有影响的是i e e e 5 1 9 1 9 9 2 和i e c 5 5 5 2 。 我国也先后于1 9 8 4 年和1 9 9 3 年分别制定了限制谐波的规定和国家标准【7 ，s l 。这有 力地促进了学术界和工程界对谐波抑制问题的研究。 解决谐波问题的思路无非两种：一是在谐波产生后用滤波装置进行滤除：二 是对污染源进行改造，从根本上消除谐波。当然，用有源滤波( a p f ) 或者无源 滤波的方式进行谐波抑制都是被动的方法，积极的方法应该是消除污染源。 不控整流或相控整流使输入电流产生很大的畸变，解决此问题的很自然的想 法就是尽可能地使输入电流正弦化。用阶梯波逼近正弦波的想法应运而生。 最传统的方法是采用多重化技术增加交流器的相数或脉动数1 9 1 ，消除较大的 低次谐波，提高交流器功率因数。例如大功率u p s 通过1 2 相整流可以将输入功 率因数提高到o 9 5 以上。多重化技术的缺点是需配备专用的变压器，装置和变 压器的结构复杂，却无法消除高次谐波【3 6 1 。将多重化技术和p w m 技术结合可以 获得较好的效果。 几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用p w m 整流技术。迄今为 止，对多电平逆变器的研究已经很充分，但对多电平整流器尤其是电流型多电平 整流器的研究则相对较少。多电平整流器可以实现交流侧电流j 下弦化，且运行于 第一章绪论 单位功率因数或者可做到功率因数可调，谐波含量很小，被称之为“绿色电能变 换器”。由于多电平整流器可以实现能量的双向流动，不但能实现由交流侧电网 向负载传送能量的整流特性，而且能实现由直流侧向交流侧回馈能量的逆变特 性，被称为新型四象限运行的整流器，有效的节约和利用了能源。 1 2 电流型多电平的调制策略1 4 3 j 选择何种开关调制策略，对于多电平变流器的工作性能而言，将是至关重要 的。目前，p w m 技术无疑是一种比较理想的开关调制方案，但采用何种p w m 调制方案又要取决于多电平变流器具体的拓扑结构。对于电压型多电平变流器， 将传统的二电平p w m 开关调制方案经过适当的拓展，产生多种多电平p w m 调 制策略，最基本的主要有以下几种：即阶梯波脉宽调制技术、基于多载波垂直分 布的s p w m 技术、多电平电压空间矢量调制技术、载波相移s p w m 技术等。 然而，对于三相电流型多电平变流器，由于其工作原理的特殊性，首先要保 证直流侧电流始终是连续的；其次三相电流之间通常是相互耦合的。因此，并非 三相电流型多电平变流器都可以直接采用电压型多电平p w m 技术进行调制。下 面，对几种p w m 调制方法的工作原理、基本优缺点以及在电流型多电平变流器 中的具体应用分别进行介绍。 1 2 1 阶梯波脉宽调制技术 阶梯波脉宽调制技术是利用阶梯波来逼近正弦波，阶梯数越多，输出波形就 越接近正弦。在阶梯波调制中，可以通过设定每个阶梯电平持续时间的长短，来 抑制和消除某些低次谐波，这些谐波次数由电平数决定。该种调制策略的主要优 点是控制简单、工作可靠、对开关器件的工作频率要求较低( 一般等于基波频率) ， 因而可以使用低开关频率的大功率半导体器件。主要缺点在于通常是先离线求 解、然后以在线查表的方式使用，动态响应性能受到了影响；另外，由于每一级 电平都采用与基波频率相同的方波控制，这种调制策略下的传输带宽较低。因此， 阶梯波脉宽调制技术一般适用于一些对输出电压或电流调节要求不高的场合，如 静止无功补偿器等。 由于阶梯波各台阶的脉宽是固定的，如要改变输出电流幅值，通常要依靠调 节直流侧输入电流来实现，影响了其动态响应性能。 第一章绪论 1 2 2 基于多载波垂直分布的s p w m 技术 这种调制技术的基本原理是：若要输出n 电平的电压或电流，则要采用( n 一1 ) 个频率和幅值都相等的三角载波，将其并排放置以形成载波组，将载波组的水平 中线选为参考零线。在每一瞬时，( n 1 ) 个三角载波与同一个正弦波进行比较， 得到相应的二电平开关信号，再根据多电平的产生机理，将这些开关信号进行重 新组合并分配给相应的开关器件。根据三角载波的相位分布，可分为三种基本的 s p w m 调制方式：( 1 ) 从上至下，每个三角载波的相位保持一致，称为p d p w m 方式。( 2 ) 零参考线以上，三角载波相位一致：零参考线以下，三角载波相位也 一致，但与零参考线以上的三角载波相位相反，称为p o d p w m 方式。( 3 ) 从 上至下，三角载波的相位依次交替相反，称为a p o d - p w m 方式。 这种p w m 技术的主要优点是变流器的输出特性好，单个器件的开关频率较 低而等效开关频率较高，输入与输出成线性关系，能够输出一定的带宽：但开关 器件的导通负荷不一致，尤其在深调制的情况下，处于变流器外围的功率器件几 乎不会开通，而变流器内部的器件则切换频繁，工作频率较高。 从调制原理上看，如果电流型多电平变流器在电气关系上与电压型多电平变 流器完全对偶，那么基于多载波垂直分布s p w m 技术的三种基本调制方式即 p d p w m 、p o d p w m 、a p o d p w m 也可以在电流型多电平变流器中使用，并 且可以获得相同的谐波消除性能。 1 2 3 载波相移s p w m 技术( c p s s p w m ) 载波相移s p w m 技术的基本思想是：n 个变流器单元均采用低开关频率的 s p w m 技术，并采用相同的频率调制比k 、幅度调制比m 。和调制波信号( 周期 为2 7 【) ，将各变流器单元的三角载波相位依次错开2 x ( n k ) 。这样，n 个变流器 单元分别采用s p w m 技术进行调制后，所形成的s p w m 波形经过叠加后就产生 t ( 2 n + i ) 个电平的输出波形。载波相移s p w m 技术主要有以下几个特点： i 、单个变流器单元中的器件开关频率低，可采用大功率的半导体器件g 1 d 、 i g c t 等组成更大功率的电力电子变流装雹，并降低器件的开关损耗。 2 、输出谐波特性好，可减小输出无源滤波装置的容量和尺寸。 3 、等效开关频率高，传输频带宽；传输线性好，容易引入优秀的控制方法。 4 、各变流器单元的电路结构和系统参数完全相同，易于模块化实现；开关 第一章绪论 器件的工作负荷比较均衡。 载波相移s p w m 技术最初就是基于组合型变流器而提出的一种开关调制策 略，后来又被拓展应用到级联型电压型多电平变流器中。对于三相电流型多电平 整流器而言，载波相移s p w m 技术无疑是一种比较理想的调制方案。 1 2 4 多电平空间矢量p w m 技术 多电平空问矢量脉宽调制技术( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 。 s v p w m ) 是两电平s v p w m 技术在多电平交流器上的一种扩展应用。本质上 说，两电平s v p w m 技术是基于空间旋转坐标系的一种矢量合成的p w m 调制方 法。多电平s v p w m 技术的基本原理与两电平s v p w m 技术相似，只是开关组 合方式随着电平数的增加而呈立方关系增加，即对于n 电平变流器，其电压空 间矢量的数目为n 3 个。这样，在空间旋转坐标系下，根据矢量合成原理，任意 时刻的矢量由与其相邻的三个非零矢量合成，并在一个开关调制周期里对三个非 零矢量与零矢量的作用时间进行优化安排，就可以得到多电平p w m 输出波形。 由于输出电平数与电压空间矢量个数之问呈立方关系，所以多电平s v p w m 技 术在输出电平数较高时受到很大的限制，目前关于多电平s v p w m 技术的实用 化研究一般只限于五电平及五电平以下。 一 声 ? n饼j 。 淤彪。 彪淑吒 v 八n j j 卢 漆 娑 ( a ) 5 电平电压空间矢量图( b ) 5 电平电流空间矢量图 图1 - 15 电平空间矢量图 s v p w m 技术在电压型多电平变流器中已经得到了广泛的应用，并在此基础 上提出了许多新的优化方案。如将s v p w m 技术应用于三相电流型变流器中， 则可以提高变流器直流侧电流的利用率、减小输出电流谐波、降低开关损耗，控 4 第一章绪论 制电路也易于数字化实现。对于三相电流型多电平变流器的s v p w m 技术，可 以利用电流型多电平变流器开关矢量的分稚特点推导出电流空间矢量的作用时 间、作用次序、判断扇区等，然后直接用于电流型多电平变流器的驱动。图1 - l ( a ) 、 ( b ) 分别表示同一坐标系下5 电平电压和电流的空问矢量分布，可以发现，将图 1 - l ( a ) 中各个电压空间矢量逆时针旋转3 0 0 后就可得到图1 1 ( b ) 所示的电流空间矢 量分布图。对应矢量之间存在3 0 0 的相位差是由于三相电流型变流器通常需要有 一个二逻辑到三逻辑的转换过程，这一点在采用s p w m 技术进行调制时体现的 比较明显。 三电平电流型变流器的s v p w m 技术已经取得了一定的研究成果，而对于 五电平甚至更高电平数的三相电流型变流器而言，假如其三相电流之间不是完全 解耦的，要实现多电平s v p - w l v l 技术还是具有一定的难度。 1 2 5 其他调制方法 除了以上介绍的这几种常用的p w m 调制策略，还出现了其它的一些调制策 略，如滞环电流控制1 2 1 1 、单周控制【2 2 删、滑模变结构控制【删等。采用现代控 制理论或智能控制( 神经网络控制、模糊自适应控制等) ，以及在原有调制策略 基础上通过拓展和综合等方法所得到的一些控制策略，如相移s v p w m 技术、 错时采样s v p w m 技术、相移开关频率优化s p w m 技术等，都将有助于改善大 功率变流器的工作性能。 1 3 课题的引入及其意义 多电平变流技术作为其中一种具有代表性和较为理想的解决方案，因其固有 的功率容量大、开关频率低、输出谐波小、响应速度快、电磁兼容性好等一系列 优点，受到越来越多的关注、研究和应用 2 9 - 3 。大功率变流装置中，电力电子器 件的开关频率较低，单个变流器难以得到较好的控制效果。载波相移正弦波脉宽 调制技术【3 ”4 1 ( c p s s p w m 技术) 由于能在大功率场合实现s p w m 技术，可以 极大地改善输出波形，减小输出谐波，解决开关器件功率与频率的矛盾，从而相 应减小滤波器的容量，降低成本。同时因其等效开关频率高、传输带宽宽，可以 引入各种先进的控制策略，优化整个系统的性能指标嗍。 目前针对电流型整流器的主要研究成果是电流型p w m 整流器。其主要特点 第一章绪论 是主电路是单个模块，交流侧电流是三电平波形，经过l c 滤波电路后网侧电流 波形接近于正弦，从根本上改善输入电流得谐波特性。鉴于此，若能使交流侧电 流是多电平p w m 波形，那么网侧电流的正弦化程度将更高，谐波特性将会更好。 不仅如此，电流型多电平整流器的经济效益将是非常可观的。它虽然增加了控制 需要的数字平台的费用，但是却节省了有源滤波和无源滤波装置的费用，不仅从 根本上解决了谐波污染的问题，而且给电力电子装置节省了成本。 1 4 本文采用的数字平台介绍 1 4 1 本文采用的d s p 平台介绍 t m s 3 2 0 f 2 0 0 0 系列的d s p 芯片已经广泛的应用于数字电机控制( d m c ) 、 工业自动化( i a ) 、不间断电源( u p s ) 等电力电子的控制领域中。f 2 4 x 专为数 字电机控制应用而设计，该芯片构成的系统结构框图如图1 2 ： f 2 4 0 x 将高性能的d s p 内核和丰富的微控制器外设功能集于单片之中。d s p 内核为1 6 位字长定点格式，采用外部1 0 m h z 晶振时通过内部可编程p l l 选择 最高执行速度达4 0 m i p s ，芯片采用四级流水线工作，如此高的性能可以对非常 复杂的控制算法进行实时运算，f 2 4 0 7 芯片跟本设计有关的特点有”： d s p 2 4 0 7 l f 图1 - 2d s p 评估板框图 1 、采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的 功耗，4 0 m i p s 的指令执行速度和流水线工作模式使几乎所有的指令都可在2 5 n s 的单周期内完成，这对于a p f 这样对实时性要求较高的应用提供了方便； 2 、两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括： 6 第一章绪论 两个1 6 位通用定时器； 3 个具有死区功能的全比较单元； 3 个单比较单元； 3 个捕获单元，其中两个具有直接连接正交编码器脉冲的能力； 1 6 通道1 0 位a d 转换器，最小转换时问5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理 器来触发的两个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器； 8 个1 6 位脉宽调铜j ( p w m ) 通道，同时可以对两个三相变流器控制；p w m 的对称和非对称波形发生；可编程的p w m 死区控制以防止上下桥臂直通；4 1 个可单独编程或多路复用的通用i 0 引脚； 3 、5 个外部中断( 电机驱动保护，复位和两个可屏蔽中断) 。 本实验系统的数字控制电路直接采用合众达公司提供鲰2 4 0 7 l f 评估板，如 图1 1 3 所示板上资源包括：t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片，1 2 8 k 字的外扩s r a m ，4 通道 1 2 一b i t 的d ，a 转换模块，r s - - 2 3 2 异步串口，j t a g 仿真接口等。 1 4 2 本文采用的c p l d 平台介绍 本文在研究中采用型号为e p l k 3 0 t c l 4 4 3 的c p l d 芯片是a l t e r a 公司在 2 0 0 0 年底新推出的一种基于查找表结构的低价产品。采用s r a m 工艺，具有高 性能、低价格特性。工作频率可以达到上百兆赫兹。它带嵌入式存储块，与 f l e x l 0 k 系列的结构类似。该芯片具有3 万逻辑门，管脚1 4 4 个，其中有1 0 2 个i o 口，芯片供电电源电压为2 5 v ，i o 口的供电电源电压为3 3 v ，与d s p 的i o 口电平完全兼容，可以直接连接。 a l t e r a 的可编程逻辑器件能达到最高性能和集成度，不仅是因为采用了先进 的工艺和全新的逻辑结构，还得益于a l t e r a 提供了现代的设计工具m a x + p l u s i i 。这一软件是一种与平台无关、与结构无关的设计环境，它使设计者能方便的 进行输入、快速处理器件和编程”。其操作环境具有开发周期短，易学，易 用，支持符合工业标准的其他e d a 设计工具的特点： 1 、“自顶向下”的设计方法：首先从系统设计入手，在顶层进行功能方框图 的划分和结构的设计，在方框图一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层 次的系统行为进行描速，在系统一级进行验证。最后用综合优化工具生成具体门 电路的网表，对应物理级的印刷电路板或专用集成电路； 第一章绪论 2 、支持多种输入方式：m a x + p l u si i 的设计可以是图形输入、文本输入或 波形输入。图形输入简明直观，便于顶层设计。文本输入支持v h d l 和v e r i l o g h d l 两种i e e e 标准硬件描述语言，可以跨平台编译。波形输入便于时序逻辑仿 真和纠错； 3 、面向对象：使用m a x + p l u si i ，设计者无需精通器件内部的复杂结构， 就可在所选的c p l d 器件内物理地实现所需要的逻辑。由于有关结构的详细内容 已封装入开发工具，设计者不需手工设计自己的设计，因此设计周期大为缩短。 m a x + p l u si i 的编译器可以将设计输入文件自动生成用于器件编程、波形 仿真以及延时分析等所需的数据文件，并可通过仿真器和时延分析器进行设计仿 真调试以及器件编程等工作。使用m a x + p l u si i ，设计者无需精通器件内部的 复杂结构，就可在所选的c p l d 器件内物理地实现所需要的逻辑。由于存关结构 的详细知识已装入开发工具，设计者不需手工设计，因此设计速度非常快。 1 5 本文研究的主要内容 一 本文研究的数字控制三相电流型多电平整流器，是国家自然基金项目电流 型多电平变流器拓扑和控制技术的研究的一部分，它吸收了多电平拓扑与调制 策略的精华，结合现代最先进的数字控制处理器，搭建软、硬件平台。本文选择 以7 电平这个颇具代表意义而又相对简单的电平等级为例，着重分析了三相电流 型多电平整流器主电路的参数设计过程、控制策略、调制方法及其仿真，并最终 通过建立样机，对主电路及其调制策略进行了实验验证。 ( 1 ) 在阅读相关文献的基础上，给出了三相电流型多电平整流器的拓扑结构， 并选择以7 电平这个颇具代表意义而又相对简单的电平等级为代表，着 重分析了三相电流型7 电平整流器的工作过程、自均流特性等，为闭环 控制提供了理论基础； ( 2 ) 在分析对比了二逻辑和三逻辑载波相移s p w m 的谐波特性之后，提出了 本文的调制策略三逻辑载波相移s p w m 技术； ( 3 ) 在学习前人的基础上搭建了d s p + c p l d 的数字控制平台。d s p 和c p l d 型号分别是l f 2 4 0 7 a 和e p i k 3 0 t c l 4 4 3 ，操作平台分别是c c s 2 0 和 m a x + p l u s1 1 ，分别使用的是汇编语言和v h d l 语言； ( 4 ) 以7 电平为例，对主电路的参数进行了设计： 第一章绪论 ( 5 ) 分析对比了三种产生三逻辑信号的方法，并选择了一种相对简单而又容 易实现的方法，使用对称规则采样，实现了三相电流型7 电平整流器三 逻辑载波相移s p w m 信号的数字化以及1 8 路p w m 信号的产生； ( 6 ) 着重研究了基于d s p + c p l d 的数字锁相技术，使三相调制波在频率和相 位上完全与电网同步； ( 7 ) 建立了一套三相电流型7 电平整流器的实验样机，对主电路及其调制策 略进行了实验验证。并采用基于交流侧指令电流的间接电流控制作为系 统的闭环设计方案，实现了单位功率因数整流； ( 8 ) 从不同角度将三相电流型多电平整流器与多脉波电流型相控整流器进行 了对比，指出了前者具有很高的实用价值和深远的应用前景。 9 第二章三相电流型多电平整流器的工作原理 第二章三相电流型多电平整流器的工作原理 三相电流型多电平整流器的主电路原理图如图2 1 ，每个模块( 本文称每个 整流器单元为模块) 都由三相半桥电流型p w m 整流器组成，所有模块在直流侧 通过分流电感进行并联以获得更大容量的直流电流，在交流输入侧不需要移相变 压器跟电网连接。对于n 个模块整流器所组成的三相电流型多电平整流器，在 交流侧可以获得2 n + l 电平的p w m 电流。 图2 - 1 三相电流型多电平整流器拓扑图2 - 2 三相电流型7 电平整流器拓扑 2 1 工作原理分析 本文选择以7 电平这个颇具代表意义而又相对简单的电平等级为代表，着重 分析了三相电流型7 电平整流器的工作过程，如果没有特别声明，后续章节也是 基于三相电流型7 电平整流器而说明。 与电压型变流器不同，电流型变流器上桥臂三个开关器件、下桥臂三个开关 器件在任意时刻都必须有而且仅有一个导通”“。因此在三相桥臂对中总有 一相的上下管都不开通，记为s 。= 0 ( j = a 、b 、c ) 。上组桥臂导通记为s j = l ；下组 桥臂导通记为s j - 一1 。本文将电流型变流器的这种开关函数称为三逻辑开关函数。 为保证三相电流型7 电平整流器正常工作，图2 2 中各个开关管的开通方式要满足 如下条件：任意时刻，s 。、s 。、s 。或s 。s 。、s 。( n = l ，2 ，3 ) 中有且仅有一个导 通；另外，当直流侧电感续流时，同一桥臂的两个开关才能同时导通。用开关函 数表达式表示如下： 1 0 第二章三相电流型多电平整流器的工作原理 s n + s o + s ，5 = 1 s ，1 + sn 4 + s ，6 = 1 lx s 。3 = 鼠i a n 5 = 最3 s n 5 = 0 最2 s n 4 = 最2 s n 6 = 瓯4 s n 6 = o ( n = 1 , 2 ，3 ) 式( 2 1 ) 中，开关导通时，s , j = 1 ；开关关断时， j = l ，2 ，3 , 4 ，5 ，6 。 ( 2 1 ) s 。j = o 。其中，n = l ，2 ，3 ； 假设直流侧电感流过的电流都为等，则a 相产生7 电平电流i 。的原理如下： 1 、当s 、s ：。、s 。同时导通并且s 。、s 。、s “同时不导通时，i f i a ； 2 、当s 、s ：、s 。有且仅有2 个导通并且s m 、s 。、s 。同时不导通时，1 8 - 2 1 a ； 3 、当s 、s 2 ，、s 。，有且仅有1 个导通并且s 、s 。、s 。同时不导通时，i - - 皂； 4 、当s 、s ，。同时导通或s 。s ：。同时导通或s 。s 。同时导通时，i 。= o ： 5 、当s m 、s ：。、s 。有且仅有1 个导通并且s 、s ：，、s 。同时不导通时，i a - 皂； 6 、当s ，。s 。s 。有且仅有2 个导通并且s 儿、s ：。s 。同时不通时，l = - 三刍； 7 、当s 。s 。、s 。同时导通并且s 。、s ：。、s 。同时不导通时，i a - 一i 。 同理，可以推导出i b 和i 。产生7 电平的工作机理。由于三相电流的产生需要 满足式( 2 1 ) 的约束关系，所以三相之问不是独立工作的，而是存在着相互耦 合关系。 上述每相7 电平电流波形各经过一次l c 滤波理论上就可以使三相网侧输入 电流趋于正弦化。电平数越多，输入电流的正弦化程度越高，t h d 越小。 2 2 自均流特性分析 对于三相电流型多电平整流器的自均流特性可以等效参照文献1 4 3 关于l i 类交流器自均流特性进行分析。文献1 4 3 中分析的是逆变器，若逆变器的输出端接 电压源负载，且滤波电感内阻为1 q ，则三相电流型多电平整流器的自均流特性 可以参照上述方法分析。分析过程如文献1 4 3 1 ，首先分析分流电感上l l 的均流作用， 并仅考虑a 相输出正电流时的工作情况，一共有四种电平( o 、等、孚和i a ) 的电流产生方式。 第二章三相电流型多电平整流器的工作原理 结论如下：当负载是电压源时，理想情况下电压源的内阻r s 近似为零，不 均流电流之差在r s 上产生的电压降为近似为零，电压差为零对分流电感电流 不具有调节作用，此时整流器无自均流能力。然而，实际的电压源虽然都有定 的内阻，在风上也会产生一定的电压降，但由于内阻胄s 一般都非常小，即使 产生的电压降可以对分流电感电流起调节作用，其均流特性也较差。但是，由于 分流电感内阻的存在，弥补了电压源内阻非常小的缺点，所以三相电流型7 电平 整流器具备了自均流能力。根据文献m 】可以推导出式子世= 一生3 五毒 i i 是冬、兰刍电平偏离平衡点的电流值) ，由于电感内阻( 1q ) 相对于负载 电阻( 6 6 7 ) 来说可以忽略，所以可以近似认为冬、兰拿电平偏离平衡点 的值i 很，j 、。 所以，在有很小电感内阻的情况下，图2 2 所示的三相电流型7 电平整流器 拓扑具有自均流能力，该结论同样可以推广到图2 - 1 所示的三相电流型多电平整 流器拓扑。所以第四章的闭环控制系统的研究重点不是针对模块的均流问题，而 是对网侧电流的相位进行控制，即输入功率因数校正。 2 3 调制策略载波相移s p w m 技术 由于载波相移s p w m 技术最初就是基于组合型变流器而提出的一种开关调 制策略，能在较低的开关频率下实现高载波频率的调制效果，对于三相组合型变 流器而言，载波相移s p w m 技术无疑是一种比较理想的调制方案。 2 3 1 载波相移s p w m 技术的基本原理 艨j 心、膝艨， ，、衬、。、a n 糊 图2 - 3 单相载波相移s p w m 技术原理图 单相载波相移s p w m 技术的基本原理如图2 3 ：n 个变流器单元模块均采用 低开关频率进行s p w m 调制，并具有相同的幅度调制比、频率调制比和共同的 第二章三相电流型多电平整流器的工作原理 即瑚m 。c 。s ( 吖圳+ 芝型雩塑s i n ( 乌c o s c ，+ 冲 + 砉，薹半踟n 、k + n m 麓州沙2 咖川川q 。 第二章三相电流型多电平整流器的工作原理 黔s1 ，剖 割 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 由式( 2 - 4 ) 可得二逻辑信号与三逻辑信号的对应关系如表2 1 所示。 表2 1 二逻辑信号与三逻辑信号的转换 电压型p w m 整流器电流型p w m 整流器电流型整流电流型 二值逻辑信号三值逻辑信号器导通元件 开关状 五乜尼& 上管下管 态 十1+ 11o+ 11 t 3t 2群l + 11+ l+ 110 t lt 6 撑2 + 111+ 101 t l t 2群3 一l+ 1+ 1一lo+ 1 t 5t 4槲 1+ 111+ 1o bl 群5 11+ 1o1+ l t 5t 6拍 111 t ll 撑7 oo o群o + l+ l+ l t 3t 6撑8 t 5t 2群9 表2 1 中x j ( j _ a ，b ，c ) 是电压型p w m 整流器的开关函数，x j 只有两种状态： 当x j = l 时表示j 相上管导通；玛= 一1 表示j 相下管导通。而电流型p w m 整流器 中开关函数s j ( j = 如，c ) 有三种状态s j = o 表示j 相上下管都不导通；s j = 1 表示j 相上管导通；s j = 一1 一表示j 相上管导通。 1 4 0 o ，o 1 _。l i i 1jp 第二章三相电流型多电平整流器的工作原理 2 3 4 三逻辑载波相移s p w m 的谐波特性分析 k 旷3 x f 3 2 m ! c 。s ( 吖+ 丸+ 一砉薹芝k n 芋z m o 咖。t k + n 咖似宁7 。扣胁玎。叩小纠q 呦 2 3 5 三逻辑与二逻辑载波相移s p w m 的谐波特性对比 ( d ) 经过二逻辑到三逻辑的转换，基波幅值有损失，是原来的等倍。 2 3 6 三相调制波信号的解耦预处理 为此采用解耦预处理的方法“6 , 2 0 1 ，控制框图如图2 - 4 所示。根据文献 4 5 】可得整 阡每雕玳捌 p ， 第二章三相电流型多电平整流器的工作原理 卧阱吲 任s ， 吣，= 三罩 c z - 9 ， 1 6 第二章三相电流型多电平整流器的工作原理 ：生 2 v 。 2 3 l 3 l 3 l 3 2 3 l 3 言 三? 兰! ( 2 1 0 ) 鱼羔些：0 ( 2 1 1 圈寺层 协 0 o o 0 生巩 = k h h 第三章三相电流型多电平整流器的开环设计 第三章三相电流型多电平整流器的开环设计 本章以三相电流型7 电平整流器为例，给出了控制系统框图，通过分析对比 了产生三逻辑信号的不同方法，最后选择了一种既合理又便于实现的方法三；在 学习前人的基础上搭建了基于d s p + c p l d 的数字控制平台，实现了控制系统的 全数字化；对主电路参数进行了设计，在开环仿真结果正确的基础上建立了实验 样机，验证了三相电流型多电平整流器拓扑和控制方案的正确性和可行性。 3 1 开环控制系统介绍 本章研究的是三相电流型7 电平整流器的开环控制系统，框图如下： c l k i o m h z ) | s m a 主嚣挲犁：一m b：波的产生：一 ：广- 中断信 - d s p 0 计算占i l f 2 4 0 7 a - 1 空e l 蕊。网 c p l d a c e xe p1 k 3 0 t 1 4 4 3f 惑 一：i o i 。 数据锁存器l 二逻辑信号 发生器1 三逻辑信号 发生器1 二逻辑信号 发生器2 三逻辑信号 发生器2 二逻辑信号 发生器3 三逻辑信号j 发生器3 | r t 厂t f 一 审审下寸_ ，_ 审审下t 下下vt s 1 1 s 1 6 $ 2 1 $ 2 6s 3 1 $ 3 6 图3 - 1 三相电流型7 电平整流器开环控制框图 图3 1 是基于d s p + c p l d 的控制框图。其中虚线表示该部分既可以由模拟 电路实现又可以由d s p 实现。本章后续小节的介绍将按照上述框图顺序进行。 1 8 第三章三相电流型多电平整流器的开环设计 3 2 电网a 相电压同步方波信号产生原理 图3 1 中，s i n a + 表示电网a 相相电压的同步方波信号，由模拟电路实现。 从交流调压器原边( 交流2 2 0 v ) 拉出a 相信号和中点电位两根线，接到一 个降压变压器的原边，变压器副边输出的信号幅度大约为6 v ，再通过一个整形 电路整成同步方波信号。整形电路如图3 - 2 ，同理可以产生s i n b + 和s i n c + 。 由于比较器l m 3 2 4 是+ 1 5 v 供电，故在其输出端增加了一个电平转换电路。 e d 疗 堍一攀 攮文 图3 - 2 电网同步信号产生电路原理图 适当选择电容的大小( 本文中c = 1 6 8 0 p f ) ，可以做到既消除电网的干扰又使 延迟时间尽量小，最终使得s i n a + 与电网几乎完全同步。 3 3 三逻辑载波相移s p w m 的全数字化实现 3 3 1 调制方法的分类及其数字化实现 本文根据调制波是否与电网同步，将调制方法分为调制波与电网同步的调制 方法和调制波与电网异步的调制方法，不同调制方法将导致调制波的产生原理也 不同。所谓调制波与电网同步，本文指用来进行s p w m 调制的三相正弦波的频 率和初相均与相应的电网电压保持一致；否则称之为调制波与电网异步。 资源配置：硬件产生的s i n a + 信号如图3 2 ；d s p 内部资源主要使用了捕获1 ( c a p l ) 和捕获4 ( c a p 4 ) 中断，它们对应的时基分别为定时器t l 和t 3 ，d s p 的系统时钟是4 0 m h z ，t l 和t 3 的预分频数均为1 2 8 。c a p l 用来捕获s i n a + 的上 升沿、c a p 4 用来捕捉c p l d 产生的中断信号；c p l d 自带晶振1 0 m h z ，内部设 计了数据锁存单