（电力电子与电力传动专业论文）大容量400hz中频航空地面电源的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c si no u rc o u n t r y , t h a tl o c a l i z a t i o ng r o u n d p o w e ru n i t ( g p u ) r e p l a c ed i e s e lp o w e rc a ra n da u x i l i a r yp o w e ru n i ta st h eg r o u n dp o w e r e q u i p m e n tu s e di nd o m e s t i ca i r p o r th a sb e e ng r a d u a l l yc h a n g e di n t or e a l i t y , a n da l s ow a sa n i n e v i t a b l et r e n di nt h ed e v e l o p m e n to fl o w c a r b o ne n e r g yo fp r e s e n td o m e s t i cs o c i e t y b a s e d o nt h ed i g i t a lf p g aa n dd s pd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，h i 曲p o w e rg p uw a ss t u d i e dd e e p l yi n t h i sp a p e r a tf i r s t ，s e v e r a le x i s t i n gt o p o l o g i e sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e so fh i g hp o w e ri n v e r t e rs y s t e mw e r e i n t r o d u c e da n dc o m p a r e d c o m b i n e dt h r e e p h a s ei n v e r t e rt o p o l o g ya d o p t e di nt h i sp a p e rw a s e m p h a t i c a l l ya n a l y z e d m o n o v e r s t a t i o n a r yc o o r d i n a t em o d e la n ds y n c h r o n o u sc o o r d i n a t e m o d e lo ft h i si n v e r t e rm o d e lw a sa l s od e r i v e d b yi m p r o v i n gt h et r a d i t i o n a lp ic o n t r o l l e r , an e wu n i f o r mc o n t r o ls t r a t e g yo ft h r e e - p h a s e i n v e r t e rw a sp r o p o s e d ，w h i c hw a sb a s e do nt h es e p a r a t i o nc o n t r o lo ff u n d a m e n t a la n d h a r m o n i ci ns y n c h r o n o u sc o o r d i n a t e t h es t r u c t u r eo ft h en e wp ic o n t r o l l e rw a sa n a l y z e di n d e t a i l ，w h o s es i m u l a t i o nm o d u l ei nm a t l a bw a se s t a b l i s h e da c c o r d i n g l y c o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a lp ic o n t r o l l e r , t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e st h a t ，t h es e p a r a t i o nc o n t r o l l e rh a s r e l a t i v e l yb e t t e rs t e a d y - s t a t ea n dd y n a m i cc o n t r o lp e r f o r m a n c ee v e nw h e nt h ei n v e r t e r s y s t e mi sc o n n e c t e dw i t hn o n l i n e a rl o a d b e s i d e s ，t h et e c h n o l o g yo fc a b l ev o l t a g ed r o p s c o m p e n s a t i o nf o rh i g hc u r r e n to u t p u ts y s t e ma g a i n s tt h eg p up o w e rs u p p l ys t r u c t u r ew a s r e s e a r c h e d t h ec o m p e n s a t i o ns c h e m eb a s e do nc a b l ep a r a m e t e rw a sd i s c u s s e di nd e t a i l s o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e so ft h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mw e r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g a l g o r i t h mc o n t r o ls y s t e mb a s e do nf p g aa n dd s pc h i p sa n dr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do na r m c h i p t h es o f t w a r ed e s i g no ff p g ab a s e do nq u a r t u si ia n dt h et a s kd e s i g n o fd s pb a s e do nd s p b i o sa n dt h et h r e a dd e s i g no fa r mb a s e do np r o t o t h e a d sw e r e a n a l y z e di nd e t a i l t h ef i n i t es t a t em a c h i n em o d u l eo ff p g aa n dt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n t a s ko fd s pa n dt h ee t h e m e tc o m m u n i c a t i o nt h r e a do f a r mw e r ed i s c u s s e ds p e c i a l l y f i n a l l y , a9 0 k wg p ue x p e r i m e n t a ls y s t e mi sd e s i g n e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r ec a r r i e d a n da n a l y z e d ， i n c l u d i n go p e n - l o o pe x p e r i m e n ta n dc l o s e - l o o pe x p e r i m e n t b a s e do n s e p a r a t i o nc o n t r o lm e t h o da n dc o m p e n s a t i o ne x p e r i m e n tb a s e do nc a b l ep a r a m e t e r i ts h o w s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 t i 页 t h a tt h ea n a l y s e sa n dd e s i g ni nt h i sp a p e ra r er e a s o n a b l e k e yw o r d s ：g p u ；s e p a r a t i o nc o n t r o l ；c a b l ev o l t a g ed r o p sc o m p e n s a t i o n ；f p g aa n dd s p ； r e m o t em o n i t o r i n g 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 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 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“妒) 学位论文作者签名：湿告哥 日期u l o ，多，7 量 指导老师签名： 日期： 铆0 r 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 总结了大功率逆变系统存在的技术难点，结合静变电源的特点提出解决技术难点的 方案，对传统的三相控制策略加以分析改进，提出一种新型三相统一控制的p i d 控制 策略，建立了相关仿真模型并进行仿真验证，提出了一种解决大电流输出系统的线缆 压降补偿方案，在9 0 k w 静变电源实验平台上对数字化控制系统的进行编程实现，并 进行了大量的实验验证了仿真结果和理论分析。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 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已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：显占矛 日凝：阳f o 。2 客 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 航空静变电源 第1 章绪论 静变电源【l 】诞生于8 0 年代中期，它广泛应用了电力电子行业的尖端技 术，具有高性能、低污染、高效利用电能的特点。机场使用静变电源在国外 已有很成熟的运行历史，而在国内仅仅是刚刚起步。其工作原理是将5 0 h z 工频电源通过整流变为直流电源，然后经由i g b t 组成的具有脉宽调制( p w m ) 型的逆变器、变压器的滤波器，逆变成4 0 0 h z l l5 2 0 0 v 的高品质交流电源， 该电源用于向飞机和机载设备提供启动、检查或维修电能，是机电必需的地 勤保障设备。 1 1 1 航空地面电源发展状况 随着我国航空事业的不断发展，飞机地面供电装备也在逐步发展，目前 在用主要的飞机地面电源装备都是属于移动电站式的飞机电源车，它们大多 用汽车底盘经改装后装载各种发电与供电系统，电源车发耗油量大，故障率 高，每小时最低耗油量为10 公斤，污染机场环境，而且操作复杂、维修麻 烦、培训难度大，地面供电保障单位的体制及技术力量难以适应，给外场供 应保障带来许多意向不到困难【2 】。 由于社会和技术的进步，许多旧机场进行了扩建和改建，并新建了许多 现代化的大机场，这些机场均铺设地下电缆，使以市电为动力的低成本、无 环境污染的第二代大功率静变电源的使用变为可能，从技术方面来看，近年 来，电力电子技术，特别是微计算机控制技术的迅速发展使得大功率逆变器 的研制成为了现实。 目前静变电源厂家主要有两大品牌，分别是丹麦的a x ap o w e r 和美国 的h o b a r t ，具有多种容量和不同安装结构，就电气性能而言，最大容量可达 18 0 k v a ，而国内自主研制的静变电源产品不多，容量都比较小。静变电源输 出频率为4 0 0 h z ，这对逆变器的控制方法和开关频率都有较高的技术要求。 1 1 2 地面静变电源的供电结构 如图1 1 所示独立式静变电源供电结构【3 1 ，每个登机桥下配有一个独立 静变电源，远距离的3 8 0 v 5 0 h z 交流动力电加至每个独立静变电源下，距离 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 较长，静变电源输出“5 v 4 0 0 h z 电压，通过4 0 0 f i z 专用电缆加至飞机上供 电，距离较短；如图卜2 所示中央式静变电源供电结构，把一个大容量的静 变电源放至一个固定电站内，通过4 0 0 h z 专用电缆引至登机桥外的飞机供电。 图1 1 独立式供电结构 图1 - 2 中央式供电结构 独立供电结构是单独对每架飞机供电，需要购置的设备较多，中央式供 电结构通过电缆分别向多架飞机供电，容易发生严重超载，当静变电源发生 故障时会影响多台飞机不能工作，而独立式供电结构仅仅影响一架，而且 4 0 0 h z 专用输入电缆昂贵，同时由于频率较高、传输电缆越长，衰减越大， 线缆压降越大，这种供电结构对静变电源的电压调整要求较高，但好处就是 投入的设备费用较低，机场可以根据不同的需要配备不同的供电结构。 1 1 3 静变电源输出特性 静变交流电源系统有其本身的行业标准卜j ，需要严格按照标准进行电源 系统的研制，其输出额定电压为115 v 2 0 0 v ，额定频率为4 0 0 h z ，相序为a b c 的三相四线制的星形连接系统。在各种负载条件下( 包括空载到额定负载，功 率因素由0 8 滞后到1 0 及不平衡负载条件下) ，由插头处所测定的任意相电 压及三相电压的平均值应在1 12 , - - 118 v 范围内，三相电压最大差值不超过3 v ； 在各种负载条件下，三相电压波形过零点间的相位移应在1 1 8 0 一1 2 2 0 范围内； 相电压波形波峰系数在1 31 1 5 1 之间，总谐波含量不超过基波的5 ，单次 谐波含量不超过基波电压的4 ；在各种负载条件下，稳态平均频率应保持 在3 9 0 4 lo h z 范围内。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 大功率逆变器概述 近年来，国内学者对大功率逆变器的研究并不多，国内使用的大功率逆 变器一般依靠进口获得，其主要原因是由大功率逆变器设计研制的自身特点 制约了国内大功率逆变器技术的发展，大功率逆变器存在的技术问题： 1 主电路功率器件上流过的电流大，可达数百安，这对功率器件技术 及其散热条件要求较高，虽然目前市场上存在额定电流大的i g b t 型号，但 器件价格较高，而且设计逆变器对功率器件的选型上要保留余量，所以器件 技术及成本等原因是制约大功率逆变器技术发展的个重要因素。 2 大功率逆变器往往伴随着比较大的耗散功率，功率器件、变压器及 其他电路元器件的散热问题严重，使得逆变器的热设计变得十分重要，所以 如何降低发热量改善散热条件都是逆变器设计时需要认真考虑的问题。 3 控制方法的最终目的保证输出符合技术要求的电压波形，使得负载 能良好运行，故逆变器输出必须有良好的稳态和动态性能。目前的控制方法 有p i d 调节，重复控制，差拍控制，以及现代控制理论( 自适应控制、模糊 控制、神经网络控制、复合控制等) 的应用。 4 可靠性要求高，需要完善的自保护和负载保护功能。大功率逆变器 主要应用于机场地面电源系统、船用集中供电系统、电力系统等，不但大功 率逆变器主电路成本高，而且负载的制作成本也很高，一旦出现故障影响很 大，因此对大功率逆变器的可靠性要求是非常高的。 大功率逆变器功率开关器件需要流过大电流，当器件额定电流达不到要 求时，通常会采用以下几种解决方案进行处理：功率器件并联均流、采用适 当的三相逆变电路拓扑结构 5 - 7 1 或直接采用大电流功率器件。然而器件在并 联使用时，由于各器件的动态电阻和极电容不同，存在着器件均流等一系列 的问题，给控制系统带来更大的难度。随着半导体技术的发展，功率开关器 件的容量不断的提高，使用大电流功率器件成为可能，但器件价格昂贵，使 得成本大大提高，所以目前处理的办法一般是通过选用拓扑结构使得对器件 要求降低的折衷办法。目前常见的大功率逆变电路有以下几种： 1 传统的三相逆变器：这种拓扑结构比较简单，为了获得大功率只能依 靠器件的串并联来实现，而且对三相输出的独立控制难度大，不易实现，在 负载出现不平衡情况下输出波形不理想； 2 多电平逆变器：日本长冈科技大学的a n a b a e 等人于19 8 0 年在i a s 年会上首次提出三电平逆变器，又称中点箝位式( n p c ) 逆变器，在此基础上 经过多年研究发展，研究出二极管箝位式、电容筘位式、带分离直流电源串 联式和三相逆变器串联式四种主要拓扑结构【8 1 。这种电路结构更适合大容量 高电压的场合，可产生m 层阶梯形输出电压，谐波含量小，电磁干扰的问题 大大减轻，可用较低频率进行开关动作，损耗小，效率高； 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 3 组合式三相逆变器【9 】：采用三相全桥结构，一共六个桥臂，每两个桥 臂构成一个单相逆变器，三个单相逆变器组合为一个三相输出系统，由于每 个桥臂流过的电流为相电流，在同样功率输出的情况下，器件流过的电流仅 1 仅是传统三相逆变结构的，对器件要求低，代价就是器件数量增多了， 3 不过带来了三相均可独立控制的好处，即使负载不平衡也通过较简单的控制 方法获得良好的三相对称波形，故比较适合大电流的大功率三相逆变器。本 文就采用了这种组合式三相逆变电路。 1 3 逆变器控制技术的发展 目前最为成熟，应用最为广泛的逆变器控制技术是p w m 技术。p w m 技 术的发展可分为四个阶段n 。第一阶段，此阶段开关器件以低速器件为主， 逆变器的开关频率较低，输出波形改善主要是利用输出变压器组合多个方波 产生阶梯波输出，以减少谐波量，用于早期的多重化逆变器中；第二阶段， 主要试验各种波形开环的p w m 实现技术，在傅立叶分析的基础上计算、比 较各种开关时刻情况下的谐波含量，对开关死区效应考虑较少；第三阶段， 此阶段开关器件以高速器件为主，采用以模拟电路为基础的实时闭环控制， 在改善输出波形质量的同时还提高系统的瞬态响应性能；第四阶段，随着电 子技术的发展，使得数字化控制变为现实，以提高逆变器的综合性能为控制 目标，高性能环保逆变技术开始出现，数字化控制的p w m 技术解决了逆变 器在非线性负载下模拟控制难以解决的波形畸变及快速响应等问题。 近年来，由于电子技术的发展，处理芯片运算速度及性能不断提高，数 字处理器已经可以实时地读取逆变器的输出，并实时计算出p w m 开关周期， 使得一些先进的控制策略应用于逆变电源成为可能，同样逆变器的通信及显 示功能也得益于现代电子技术的发展，在电源的设计中利用微处理来处理数 字显示、信息存储、网络化监控维护已成为了现实，逆变电源的数字化、智 能化和网络化程度得到了极大的提高。 对于恒压恒频、p w m 控制的( c v c f p w m ) 逆变器而言，输出电压的畸 变来源于谐波电流在逆变器输出阻抗上的压降【l l ，1 2 】。因此解决电压输出畸变 的有效方法就是降低逆变器的输出阻抗，可以采用合理的控制方法，减小输 出阻抗，研究发现采用瞬时值反馈控制技术可以使逆变器的闭环输出阻抗大 大降低。波形控制技术一直是p w m 逆变器领域的研究热点，主要的方案包 括p i d 控制、重复控制、无差拍控制和状态反馈控制等。下面将对它们的主 要特点加以阐述【l o ，1 3 。7 】。 pld 控制 p i d 控制以其结构简单、鲁棒性好、参数易于整定等特点广泛应用于工 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 皇皇! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! i i i m_ _m m _ - - i omm 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼! 蔓曼曼曼! 曼曼曼 程实践中。p i d 控制是将给定量和实际输出量的偏差的比例、积分和微分通 过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。p i d 控制算法包括了动态控 制过程中过去、现在和将来的信息：比例环节蕴含了动态控制过程中现在的 主要信息，能够校正偏差；积分环节代表了过去积累的信息，能消除静差， 改善系统的静态特性；微分环节代表了将来的主要信息，可超前控制信号变 化，在过程开始时强迫过程加速进行，过程结束时减小超调，克服震荡，提 高系统的稳定性，加快系统的过渡过程，然而实际工程应用中一般只使用比 例环节和积分环节，因为微分环节不易于实现，如果微分环节实现不好往往 带来严重的不稳定性。 重复控制 重复控制是基于周期的控制。它是一种基于内模原理的控制方法，内模 原理是把作用于系统外部信号的动力学模型植入控制器内，以构成高精度反 馈控制系统的一种设计原理。应用中，重复控制器都是采用数字方法实现， 它主要用于消除死区效应和非线性负载等周期性扰动的影响，改善输出电压 的波形质量，其基本思想是假定前一个基波周期中出现的畸变将在下一基波 周期的同一时间重复出现，控制器根据参考信号和输出电压反馈信号的偏差 来确定所需的校正信号，然后在下一个基波周期将此校正信号叠加在原控制 信号上，这样就可以消除输出电压的周期性畸变。 无差拍控制 无差拍控制在控制对象离散数学模型的基础上，根据正弦参考指令和测 量的状态反馈变量，由微处理器来计算下一个开关周期的脉冲宽度，控制逆 变器开关动作以使下一个采样时刻的输出电压准确等于正弦参考指令，故由 负载扰动或非线性负载引起的输出电压偏差可在一个采样周期内得到修正， 具有极高的动态性能，输出能够很好地跟着给定值，但无差拍控制需要精确 的数学模型，而这在逆变器控制系统中是很难达到的，故系统鲁棒性不强， 容易造成输出性能恶化甚至不稳定。 状态反馈控制 状态反馈控制在系统状态空间的分析中，利用输出反馈和状态反馈来配 置极点，得到最优的控制规律，抑制或消除扰动的影响，它最大优点是可以 大大改善系统的动态品质，因为它可以以任意配置闭环系统的极点，但系统 建模时难以把负载特性考虑在内，所以状态反馈只能针对空载或者预先考虑 在内的负载进行，如不进行负载电流前馈补偿或鲁棒分析等，则负载的变换 会导致偏差的出现和动态特性的改变。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 j_： _ _ m m l _ i m m i i ii i i 曼曼曼! 曼 1 4 本文研究意义和主要内容 本文是结合9 0 k w 大容量4 0 0 h z 中频航空地面静变电源的研制项目而进 行的，开关管损耗跟系统开关频率成正比，大容量的逆变系统输出电流较大， 故开关频率对系统损耗及散热设计有很大的影响，故系统的开关频率要求比 较低，而静变电源的输出频率是4 0 0 h z ，如何在低载波比情况下实现良好的 输出特性是本项目研制的一个关键问题。本文在组合式三相逆变拓扑结构上 采用三相统一控制策略，利用一种改进型的p i d 瞬时反馈的波形控制方法实 现对逆变器的控制。 本文围绕d s p + f p g a 数字控制系统控制组合式三相逆变电源，将主要研 究如下工作： 1 总结大功率逆变系统存在的技术难点，结合静变电源的特点提出解决 技术难点的方案，组合式拓扑结构和低开关频率大大降低了开关管的损耗， 提高了系统散热效果及其稳定性； 2 建立静变电源的p w m 逆变系统的三相静止坐标系下的数学模型，推 导并分析了其d q 旋转坐标系模型，为控制策略的选择和控制器的设计提供 了理论基础； 3 对传统的三相控制策略加以分析改进，提出一种新型三相统一控制的 p i d 控制策略，详细讨论了该改进型p i d 控制器的设计方法，建立了相关的 仿真模型，对仿真结果作了详细的分析； 4 根据静变电源的使用特点，研究了长线缆大电流输出系统的线缆压降 补偿问题，提出了一种基于线缆参数的补偿方案，并给出了实现的策略，满 足静变电源的电压调整要求； 5 以实际控制系统需求为基础，设计了一个完整的数字化控制系统，包 括了以f p g a + d s p 为控制核心的控制平台和以a r m 为核心的监控平台，详 细讨论了系统软件的架构和设计实现； 6 设计了一台9 0 k w 静变电源的样机，根据前面的分析搭建了实验平台， 进行了详细的实验研究，包括了不同的负载实验、控制策略对比实验和线缆 补偿实验，各种试验都取得了预期的效果，与仿真结果和理论分析一致。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ! 曼! 曼曼曼曼曼! ! 曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼寰_ 一一一_ ：一= i i i _ i；i_ ii l l 鼍曼兰! 曼曼! 曼曼曼曼曼 第2 章静变电源的p w m 逆变系统模型 本章将对系统的f w m 逆变数学模型进行分析，包括静止坐标和旋转坐标 的数学模型分析，后面章节涉及到的仿真模型设计和控制设计都是在本章理 论基础上进行的。 2 1 静变电源的主电路 凡是能将直流电能转换成交流电能的变换电路泛称逆变电路 1 8 - 1 9 】，在应 用中构成静止式交流电源系统。航空静变电源将5 0 h z 工频电源通过整流变 为直流电源，然后经由i g b t 组成的具有脉宽调制( p w m ) 型的逆变器，逆变 成4 0 0 h z l15 2 0 0 v 的高品质交流电源，如图2 1 所示为本文所研究的组合式 三相逆变电源主电路。本章后续的坐标模型分析均基于此电路结构。 图2 1 静变电源主电路 如图2 1 所示，由5 0 h z 三相电接入经过功率二极管整流、滤波、稳压 等处理后获得一个稳定的直流电压作为逆变器的直流输入，逆变器采用组合 式三相逆变器拓扑结构，共有三个单相逆变桥臂，每一相4 0 0 h z 正弦电压输 出通过一个单相全桥逆变电路获得，并且三相相序对称，输出通过变压器隔 离，输出接成三相四线制结构，电阻r 为变压器及电感等效电阻之和，电感 l 为滤波电感和变压器等效电感之和，电容c 为滤波电容。 2 2 三相静止坐标模型 对于本文采用的组合式三相逆变拓扑结构的控制技术分为两大类。其中 一类是三相独立控制，这种控制技术是基于单相逆变器的控制方法【2 0 2 1 1 ，把 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 每一相看作一个独立的逆变器去控制，基本上可以采用所有单相逆变器的控 制方法，如双闭环控制、复合控制等，而与单相逆变器的区别在于要确保三 相输出的相位差是12 0 。，三相对称，在控制上就要考虑锁相的问题，此外， 各种控制器的设计都基于三相静止坐标系下进行。 如图2 1 所示电路图，逆变器输入直流电压值为玑，设“。、“。分别 代表三个单相逆变器输出电压，“。、材。分别代表经过变压耦合之后的 副边电压，为简化模型分析，假定变压器为理想变压器，变比为l ，逆变器 输出可用如下开关矩阵表示 疋、瓯、为数学开关函数，函数定义如下： t 1 、t 4 开通，t 2 、t 3 关断 t 1 、t 4 关断，丁2 、丁3 开通 t 5 、t 8 开通，t 6 、t 7 关断 t 5 、t 8 关断，t 6 、t 7 开通 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 四_ 1 2 1 曩一1 0 。1 1 登( 2 - 4 ) t 9 、t 1 2 关断，t 1 0 、t 1 1 开通 如图2 1 所示，也、么、也为三相电感电流，乙、f d 6 、k 为三相负载电流， u 。、u o b 、材。为滤波电容电压即三相输出电压，其零电位参考点为变压器星 形连接点n ，设三相滤波电感电感量为l ，滤波电容电容值为c ，根据电路 分析的基尔霍夫定理得： 电压方程 ”c 厂屯乩等栅。 r 么“警栅曲 ，么“警栅 电流方程 ( 2 5 ) 1j 1l，上，i 一 一 一 疋瓯墨 2 2 2 。l l i 1j “ ” p。l = 1j 口 6 c “ 甜 1 o 1 o l o r，气l r，l，l i l = i l & & & 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 舅舅曼蔓曼i i ； 一 _ i。l 皇曼曼蔓蔓璺尝鼍曼寰曼曼舞 也= c 警+ 乙 么= c 警+ 屯 么= c 警+ 。 以电感电流、电容电压作为状态变量可得矩阵表达式 o0 1 一一 u 三 ，、 1 u 一一 三 oo o0 0o + o0 00 o0 1 一一 u c 1 o 一石 0o 三o0 工 。三0 oo 土 000 00 o ooo ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 由式2 1 知，“。t 、i g cf 并不是一个连续分量，是一个离散分量，对 于p w m 逆变电路可以采用平均值模型分析法【1 8 2 2 彩1 进行等效，当载波频率 z 远高于输出基频时，把、i , c , 在一个载波周期疋中的平均值、 一u c 看作输出电压的瞬时值1 8 1 。 甘如研 ( 2 - 8 ) 其中m 。、m 。、加。分别为a 相、b 相、c 相的s p w m 调制比，且其值均 不大于1 。将式2 8 代人2 7 中并整理得： o o o o o 1 一c 1 一三 o o o o 0 一o o 厂 o o 一c o ，一l o o 。一c o ，一三 o o 一c 0 o m 鼬 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 一二00 三 0一二0 三 0 0 二 三 土 oo c o 土 o c oo 土 c 0 oo ooo o 1 c o o o o l c o o o 0 1 c 1 ，、 一 u ，、 1 u 一 o0 oo oo oo u 。 _ s 1 n c o t + 0 o丝s i i l 研。 上 oo丝s i n 耐 三 ( 2 9 ) ： = j 匮 + 毒詈 匕。证研 c 2 1 。， 负载电流乞，的s 域表达式为l 。( s ) ，系统输出“。的s 域表达式为玑，( s ) ，可得控 制信号( s ) 和负载电流l ，( s ) 双输入同时作用时系统的s 域输出响应关系式： 啪) = 面u a i u , ( s 甭) 十嚣渊 ( 2 1 1 ) kk 11ll卜ililj o o o ，三 o o o 口 f 曲 地 儿 “ “ 甜 “ ，切：枷k耽脾耽 o o o o o o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 的模型框图，通过引入个或多个反馈量进入控制器，经过处理后作为控制 信号，各种的控制器加入之后所获得的逆变器模型框图不一样，因为控制器 和引入的反馈量都不一样，但分析所得的输出特性都是一致的，即所有的控 制的最终目的就是使得逆变器跟随给定信号而输出。 图2 - 2 单相逆变器数学模型框图 由上面三相组合式拓扑结构平均值模型可以知道整个三相系统的数学 模型实际上为三个独立的单相逆变器模型构成【26 1 ，模型之间不存在耦合关 系，唯一的联系就是三个模型的给定信号要符合三相对称关系，此模型的控 制目标是一个交流正弦信号。 2 3dq o 旋转坐标模型 相对于三相独立控制策略，组合式三相逆变系统的另一类控制方法就是 三相统一控制策略，它基于坐标变换的数学方法，分有p a r k 2 7 2 9 变换和 c l a r k e 变换2 8 1 两种，本文主要研究了基于p a r k 变换下的控制方法，设计控 制器实现d q o 旋转坐标轴下对d 、q 轴的瞬时变量的反馈控制，逆变系统的 d q 轴坐标模型是控制器设计的基础。 图2 - 3 静止坐标系与旋转坐标变换图 逆变电源系统的坐标变换是基于三相输出电压的空间电压矢量，把三相 逆变输出电压u 。、甜w 分别定于在如图2 3 所示三相静止a 、b 、c 坐标 轴上，在坐标系中输出电压采用矢量表示，分别为瓦、一v o b 、瓦，矢量方向 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 为对应轴箭头所指方向，幅值按三相电压实际输出幅值一样随时间变化，可 得三相输出电压的矢量表达式： ( 2 - 1 2 ) 其中万、亏、石为a 、b 、c 三个坐标轴的单位方向矢量，由于a b c 静 止坐标系统在空间上各轴互差12 0 。，对于其单位矢量有关系式： pp ：互 协 【7 二c - e 巧 、。 期望三相输出为对称三相电压则有 f = c o s c o t 甜钟= u 二c o s ( c o t 一1 2 0 。) ( 2 1 4 ) 【u 。= c o s ( c o t + 1 2 0 。) 其中砜为三相输出电压幅值，g o = 2 z f 为输出角频率，为输出频率。把 式2 13 和2 1 4 代人2 12 得： i 吃= c o s c o t 1 a 瓦= u , c o s ( c o t 一1 2 0 。) e j l 2 1 r - 1 a a ( 2 15 ) i 瓦= u mc o s ( c o t + 1 2 0 。) p 倒i 空间三相输出电压矢量合成统一电压矢量 2 8 , 3 0 1 为： k = 吃+ + 吃 = 虬一i 一 c o s c o t + c o s ( c o t 一1 2 0 。) p 皿矿+ c o s ( c o t + 1 2 0 。) e 。2 孵】 = u m l 月 c o s c o t + c o s ( c o t 一1 2 0 。) ( c o s l 2 0 + j s i n l 2 0 。) + c o s ( c o t + 1 2 0 。) ( c o s 2 4 0 。+ j s i n 2 4 0 。) 一气 1 = l ( 二c o s 研+ - 署j s i n c o t ) = 昙玑巧 ( 2 1 6 ) 由2 16 表达式可以看到三相电压合成矢量幅值恒定为委吒，方向是以输 出基波角频率的速度在空间中旋转，根据对d q 0 坐标系的定义，选取d q 0 旋 转坐标系旋转的角频率与输出基波角频率相同，则在d q 0 坐标系中，合成矢 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 曼曼曼曼曼曼皇曼i i i i m i 一_ _ 一一 ；一一一 一一m 鼍曼曼篡 量相对于d q o 坐标系是静止的，假设合成矢量和d q o 旋转坐标在a b c 静止 坐标系的初始相角之差为0 ，则合成矢量在d q o 旋转坐标系下的向量为一幅 ， 值不变，方向不变的向量，合成矢量在d 轴下的投影为妄c o s o ，在q 轴下 z 2 的投影为丢s i n 0 ，由此可以看到经过坐标系变换后，可以把实际输出的三 二 相对称正弦电压看成在另一个坐标下系统期望控制的输出目标为直流分量， 这使得控制器的设计变得简单一些。 如图2 3 ，取旋转坐标轴在0 时刻开始选择，d 轴与a 轴重合，在a 、b 、 c 三轴上的向量e 、以、丘在时刻t 在d 、q 两轴上进行投影，三个投影的 合成向量即为旋转坐标轴上的向量，同时，对于d q o 坐标系定义一个o 轴分 旦 里： 1 k = 亡( x a + 以+ & ) ( 2 - 17 ) v 上 定义a b c 三相坐标到d q o 坐标的变换矩阵为乃。畸2 ，矩阵满足。k 、如 与其投影至d q 0 坐标后的向量局、以、有如下关系： 阱圈 根据空间向量的投影关系及式2 - 17 对0 轴的定义可推出五，+ ：元素定义： k 矿伊 c o s ( c o t - 1 2 0 。) 一s i n ( c a t - 1 2 0 。、 l 压 c o s ( c o t + 1 2 0 。) - s i n ( c o t + 1 2 0 。) 1 压 ( 2 - 1 9 ) 根据线性代数知识可以知道五：的逆矩阵即向量在d q o 坐标系到a b c 坐标系的变换矩阵互_ ，。： ， 个 一l 2 1 2 - - + 3 52 3 s _ 2 。i j c o s c o t- s i n c o t c o s ( c o t - 1 2 0 。) - s i n ( c o t - 1 2 0 。) c o s ( c o t + 1 2 0 。) - s i n ( c o t + 1 2 0 。) 1 压 1 压 1 压 ( 2 2 0 ) 根据2 2 0 式，可对图2 1 所示静变电源主电路图上的三相电感电流、三 相输出电压、三相负载电流、三相变压器输出电压分别进行坐标变换获得其 在d q o 坐标系下的值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 设0 、k 、屯。为三相电感电流分别在d 、q 、0 轴下的表达式，“耐、“叼、 “加为三相输出电压分别在d 、q 、0 轴下的表达式，进行坐标变换得关系式： 么c o s 研一ks i n 耐+ 击屯。 v 二 i 朋c o s ( 研一1 2 。) 一ks i n ( 耐- 1 2 0 。) + 去 g c o s ( 硝+ 1 2 。) 一s i n ( 研+ 1 2 。) + 万1 屯。 c o s 研一s 协研+ 疆1 “加 u o d c o s ( c o t - 1 2 0 。) - - u o qs i n ( c o t 一1 2 0 。) + 万1 “。 c 0 s ( 纠+ 1 2 0 0 ) - 唧s i n ( c o t + ) + 万1 甜。 ( 2 2 1 ) 设0 、0 、i 0 0 为三相输出电流分别在d 、q 、0 轴下的表达式，、甜。、 为三相变压器副边电压通过平均模型分析法得出的等效电压值u 。、u 。分 别在d 、q 、0 轴下的表达式，进行坐标变换后得关系式： z l o b z o c u 口 u f 乙c o s 研一。s i n 研+ 击乇。 乙c 。s ( 硝一1 2 。) 一。s 缸耐- 1 2 0 。) + i 2 i 。 乙c o s ( 研+ 1 2 。) 一ks i n ( 耐+ 1 2 。) + 忑1 c o s 耐一s 试耐+ 去 蚴c o s ( 国f 一1 2 0 。) - u qs i n ( 研一1 2 。) + 万1 蚴c o s ( 研+ 1 2 。) - u qs i n ( 耐+ 1 2 。) + 万1 f 2 2 2 ) 将式2 2 1 和2 2 2 代入三相静止坐标系的状态空间模型式2 7 中，并进行 整理得d q o 坐标系下的状态空间模型为 kkk 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 曼皇_ 一ii i 一一 ：一；i i ：一i 皇曼曼曼舅曼皇曼皇曼曼曼曼曼蔓 ， 一一 国 工 ， 一国 一一 三 oo i 一 o c o 三 c 00 00 1 一一 u 上 ，、 i u 一一 上 o o0 0o + ooo 三 o o 0000二0 1 00000 二 1 一三 o o o o o c o 一三0o0o oo一! ooo o k 乞o “g ( 2 2 3 ) 与静止坐标系下状态空间模型同样处理，进行s 域变换，设么、k 、t 。、 “耐、“加、0 、k 、i d q 、u o 共12 个时域变量对应的s 域变量表达 式为l ( s ) 、k ( s ) 、l ( s ) 、( s ) 、( s ) 、虬。( s ) 、乙( s ) 、k ( s ) 、k ( j ) 、( s ) 、 u q ( s ) 、u o ( s ) ，对式2 - 2 3 进s 域变换并整理得f 歹u 方程： 乞( s ) = i 乇( 缈工么( s ) + ( s ) 一( s ) ) ( 2 2 4 ) s l + r 。 l ( s ) 2 赤( ( s ) 一( s ) - a , l 1 ( s ) ) ( 2 - 2 5 ) t 。( s ) = 了乇( ( s ) 一u o 。( s ) ) ( 2 2 6 ) s l + r ( s ) 2 玄( l ( s ) + 缈c ( j ) 一乙( s ) ) ( 2 - 2 7 ) ( s ) 2 面1 ( ( s ) + c o c ( s ) 一k ( s ) ) ( 2 - 2 8 ) ( j ) 2 琵1 ( 丘。( s ) 一乞。( s ) ) ，(2-29) 根据式2 2 4 到2 2 9 的s 域系统方程组可以画出三相逆变系统的数学模 犁信号流稗图： ：忉：伽彬咖细 。一三 o o o 哪 o o o 厂 o o 。一c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图2 4 三相逆变系统数学模型框图 如上图所示，、“。作为输入的给定信号，0 、k 、i o 。负载电流作 为系统的干扰源，u 一、u 。、“。作为系统的输出，三相逆变系统期望输出的 是对称三相电压，根据前面的a b c d q 坐标变换矩阵可知三相输出变换后d 轴为直流分量，而q 轴和o 轴分量均为0 ，所以给定信号也同样是直流分量， 而扰动信号经过变换后为一直流量和交流量叠加的信号，控制系统就得到了 简化，控制目标为直流量，从而可以按照控制直流分量的控制策略来控制三 相逆变电源，控制的作用就是消除扰动造成的影响，本次电源的控制方案就 采用d q 0 坐标系下的三相统一控