（电力电子与电力传动专业论文）三相逆变电源并联技术的研究.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 ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fm o d e mp o w e re l e c t r o n i ct e c h n i q u e ， p o w e rt e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n th a sa l s og o tc o r r e s p o n d i n gp r o g r e s s a st h em a i np a r to fd cp o w e r - s u p p l y , t h r e e p h a s ei n v e r t e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nt h ef i e l do fo f f i c ea u t o m a t i o n ，m e d i c a ls e r v i c e ，c o m m u n i c a t i o n ，a n dn a t i o n a l d e f e n s e i no r d e rt oi m p r o v et h ec a p a c i t ya n ds t a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y , m o d u l a r p o w e rs u p p l ys y s t e mh a sb e c a m ea ni m p o r t a n td i r e c t i o no ft h r e e - p h a s ei n v e r t e r p o w e rs u p p l y , m e a n w h i l e ，t h ep a r a l l e lt e c h n o l o g yo fi n v e r t e rp o w e rs u p p l yh a s b e e nt h er e s e a r c hh o t s p o ta sw e l l o nt h eb a s i so fd e e p l yr e s e a r c h i n go nc o n t r o lt h e o r yt e c h n i q u e so fi n v e r t e r p a r a l l e lo p e r a t i o n ，t h i s a r t i c l e f i r s t l y e s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h r e e - p h a s ei n v e r t e rp o w e rs u p p l yo nt h er e s e a r c ho fs i n g l ei n v e r t e r , w h i c hh a v e b e e na n a l y z e da f t e rt r a n s f e r r i n gi n t os y n c h r o n o u sr o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e m ， w h i c hd e s i g n e df i l t e rp a r a m e t e r sb yt h em e a n so fa n a l y z i n gf r e q u e n c yd o m a i n t r a n s f e rf u n c t i o no ff i l t e r s t h i sa r t i c l ed i s c u s st h ew a yo nc o n t r o l l i n gas i n g l et h r e e p h a s ei n v e r t e r p o w e rs u p p l y , a d o p t i n gt h ep r o p o s eo fd o u b l e l o o p c o n t r o l ，a n do nt h eb a s i so f c o n t r o lm e a s u r e so fi n d u c t o rc u r r e n ti n n e rl o o pw h i c hc a l lf e e d b a c kl o o p b y o u t p u t t i n gv o l t a g e ，a n du s i n gt h et h e o r yo fa u t o m a t i cc o n t r o l ，c o m b i n i n gw i t ht h e m o d e lo fi n v e r t e rt r a n s f e rf u n c t i o n t h u si tp r o d u c e dt h ep a r a m e t e ro fc o n t r o l l e r , a n dt h e ne s t a b l i s h e ds i m u l a t i o nm o d e lo nm a tl a b ，a n a l y s i n gi t sp e r f o r m a n c eb o t h o nd y n a m i ca n ds t a t i c d u r i n gt h ec o u r s eo fa n a l y z i n gt h ep a r a l l e lm o d e lo ft h r e e - p h a s ei n v e r t e r p o w & s u p p l y , t h ea r t i c l es t a r t e df r o ma n a l y z i n gi t sc i r c u l a t i 6 nc a u s e s t h e ni t d e s c r i b e dp o w e rc h a r a c t e r i s t i c sa n dv o l t a g ec l o s e d l o o pc h a r a c t e r i s t i c so fp a r a l l e l s y s t e mb yc a l c u l a t i n g a n dt h e nt h ea r t i c l e sa n z i l y z e dt h ed i f f e r e n c eo fa m p l i t u d e a n dp h a s e ，a n dt h ed i f f e r e n c e si nf i l t e rp a r a m e t e r so nt h ei m p a c to fc i r c u l a t i o nb y s i m u l a t i o n a tl a s t ，t h ea r t i c l e sp u tf o r w a r dp a r a l l e lc o n t r o lm e a s u r e so nt h eb a s i so f p r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t e ，w h i c he s t a b l i s h e d2t h r e e - p h a s ei n v e r t e rp o w e rs u p p l y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 s i m u l a t i o nm o d e lo nm a tl a b ，o nt h ec o n d i t i o nt h a tt h ep a r a m e t e rv a r i a t i o ni s s e r i o u s ，as a f eo p e r a t i o no ft h ep a r a l l e ls y s t e mc a nb ee n s u r e db yc o n t r o l l i n gt h e c i r c u m f l u e n c ea tal o w e rl e v e l ， k e yw o r d s ：t h r e e p h a s ei n v e r t e r , c i r c u l a t i o n ，p h a s e - l o c k e dl o o p ，d o u b l e 1 0 0 p c o n t r o l 西南交通大学曲南交通大字 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 不保密日，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：咆，) 香 指导老师签 日翌：1 b 1rf 西南交通大学学位论文创新性声明 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 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 嚼2 孝 q 仃厂7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 随着社会经济的发展，用电设备不断增加，对供电系统的容量、性能和 可靠性要求也越来越高。当今电网的供电质量普遍恶化，电网电压和频率的 急剧波动，短时的供电中断和电网的浪涌都有可能导致用电设备的损坏，造 成重大的损失 3 7 - 3 8 。为了保护一些关键性的设备不受损坏，以逆变电源为核 心的不间断电源系统大量运用于各种重要的场合【鸽】。 。 大功率供电系统可有两种构成方式：一是采用集中式供电方式；另一种 是采用多模块并联运行供电方式 4 9 - 5 0 1 。集中式供电方式采用单模块大功率系 统，这种方式已越来越不实用，因为它的成本高，体积大，安装困难，运行 可靠性差，单点故障就会使整个系统瘫痪。 多模块并联运行以扩大电源容量是当今电源变换的发展方向之一【1 1 【2 2 1 ， 它具有单模块大功率系统无可比拟的优点： ( 1 ) 电源采用了模块化的设计方法，可根据需要灵活扩大系统的容量，打 破了功率的限制， ( 2 ) 系统可采用冗余设计，增强了系统的安全性，当某一模块发生故障时， 可灵活的拆卸和更换，不影响系统的工作。 ( 3 ) 系统可采用标准化的设计，可减少重复投资。 但是，与直流电源所不同是，逆变电源输出的是交流，时变的正弦波， 其中包含幅值和频率两个量，所以与直流电源的并联相比，逆变电源的并联 更加困难，控制手段更加复杂。当逆变电源运行在并联的状态时，必须保证 每台逆变电源的输出幅值一致，相位相同，不然，在各逆变电源之间将产生 环流，而环流将加重开关器件的负担，增加系统的损耗，严重的将烧毁功率 模块，导致系统的全面崩溃，所以，在逆变电源的并联过程中，如何抑制环 流，是并联系统可靠运行的关键。 1 1 逆变电源控制技术概述 三相逆变电源的并联是建立在对单台三相逆变电源的控制的基础上，研 究并联技术，必须首先分析研究逆变电源的控制技术。三相逆变电源的控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 目标是提高其输出电压的稳态和动态性能。稳态性能主要是指输出电压的稳 态精度；动态性能主要是指输出电压的t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 和负载 突变时的动态响应水平。控制技术对逆变电源模块的输出起着关键性的作用， 也决定着逆变电源并联系统的结构形式和性能。目前，三相逆变电源的控制 技术主要有两大类：一类是在三相a b e 静止坐标系中对三相瞬时变量进行瞬 时值反馈控制，另一类则是基于p a r k 变换，在d q o 旋转坐标系下对d 、q 轴的 瞬时变量进行反馈控制。 目前，文献 2 7 介绍了几种主要的逆变电源的控制技术，可分为：数字 p i d 控制、重复控制、无差拍控制、滑模变结构控制、模糊控制和神经网络控 制等。 1 1 1 数字p id 控制 数字p i d 控制由于其参数简单、易整定等特点在控制领域得到了广泛的 应用。逆变器采用模拟p i d 控制时，如果只是输出电压的瞬时值反馈，其动 态性能和带非线性负载时的性能不会令人满意；如果是输出滤波电感或输出 滤波电容的电流瞬时值引入反馈，其性能将得到较大改进。数字信号处理芯 片的出现使这个问题得以迅速解决，如今各种补偿措施及控制方式可以很方 便地应用于逆变电源的数字p i d 控制中，控制器参数修改方便，调试简单。 1 1 2 无差拍控制 无差拍控制( d e a d b e a tc o n t r 0 1 ) 【3 1 】是一种基于电路方程的控制方式， 其控制的基本思想是将输出正弦参考波等间隔地划分为若干个取样周期，根 据电路在每一取样周期的起始值，用电路理论计算出关于取样周期中心对称 的方波脉冲作用时，负载输出在取样周期末尾时的值。如果系统模型预测的 非常准确，无差拍控制的逆变电源输出波形质量好，总谐波畸变率( t h d ) 低， 动态响应速度快。但是这种控制方式也有其局限性：对精确数学模型的依赖。 当理想模型与实际对象有差异时；这样做不仅达不到无差拍的效果，反而会 引起输出电压的振荡，不利于逆变器的安全稳定运行。 1 1 3 模糊控制 ，西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 复杂的电力电子装置是一个多变量、非线性、时变的系统，系统的复杂 性和模型的精确性总是存在着矛盾。而模糊控制能够在准确和简明之间取得 平衡，有效地对复杂事物做出判断和处理，近年来它在电力电子领域中的应 用引起了人们的重视。模糊控制，主要是模糊p i d 控制，是为了解决传统p i d 控制鲁棒性差的问题而提出的一种智能控制策略。它首先将输入的精确量( 一 般为跟踪误差及其导数) 转换为模糊量，按专家经验总结的语言规则进行模 糊推理，根据推理结果确定当前情况下最适合的p i d 控制器参数。模糊控制 系统就像个有经验的专家一样，能根据实际情况来变动控制器的参数，因 此大大提高了控制系统的鲁棒性，改善了逆变器系统对非线性负载的适应能 力。 1 1 4 重复控制 重复控制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一 原理。逆变器采用重复控制的目的是为了消除因整流桥负载引起的输出电压 波形周期性的畸变。其控制思想是假定前一周期出现的输出电压波形畸变将 在下一周期的同一时刻再次出现，控制器根据参考信号和输出电压反馈信号 的误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。重复控制器可以 消除周期性干扰产生的稳态误差，但是，由于重复控制延时一个工频周期的 控制特点，使得单独使用重复控制的逆变器动态特性极差，无法满足逆变器 性能指标的要求。 1 1 5 神经网络控制 神经网络控制是近几年来兴起的一种智能控制方法。它的最大优点是不 仅适用于线性系统，而且对非线性系统也适用，而大多数系统( 包括逆变电 源系统) 都或多或少的带有非线性的因素。神经网络的输出与参考给定相结 合构成逆变器的控制输入，神经网络学习所需要的各种实例来自于实验和仿 真所得到的数据，包括线性负载条件和非线性负载条件。选择一种学习算法， 应用所获实例，通过离线学习获得系统的最佳控制规律。然后，将这一控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 规律应用到实际系统中去，实现在线控制。由于其控制规律的获得不依赖于 系统模型，而且学习实例包含了各种情况，因此系统的鲁棒性特别强，适用 于各种负载情况，但实现起来相对比较复杂。 总之，随着控制理论的发展，逆变电源控制技术朝着全数字化、智能化 及网络化的方向发展，逆变电源的数字控制技术发生了一次大的飞跃。逆变 电源数字化控制的优点在于各种控制策略的硬件电路基本是一致的，要实现 各种控制策略，无需变动硬件电路，只需修改软件即可，大大缩短了开发周 期，而且可以应用一些新型的复杂控制策略，各电源之间的_ 致性比较好， 这样为逆变电源的进步发展提供了基础，而且比较容易组成可靠性高的大 规模逆变电源并联运行系统。 1 2 逆变电源并联技术概况 当今供电系统的发展趋势一个是高可靠性，一个是大功率化，这两者都 与逆变电源的并联( 逆变电源之间或与公共电网之间) 运行控制密切相关。逆变 电源的并联运行主要有以下优点：第一、可以用来灵活的扩大逆变电源系统 的容量；第二、易于实现逆变电源模块化，组成并联冗余系统以提高运行的 可靠性；第三、单台逆变电源的功率开关电流应力小；第四、具有极高的系 统可维修性能，在单逆变器出现故障时，可以很方便的进行热插拔更换或维 修。然而逆变电源的并联不同于直流电源的并联，逆变电源输出的是时变的、 交变的正弦波，并联时需要同时控制输出正弦波的幅值和相角，即同频率、 同相位、同幅值。逆变器并联系统不具备自同步能力，需要从控制电路解决 电压同步、稳态和动态均流、n 十1 冗余与热切换等技术。由于上述原因使得 对于逆变器并联系统的运行控制和设计仍具有相当大的难度。 1 2 1 逆变电源并联趋势 目前，世界上许多国家生产逆变器的公司都在其冗余并联方面做了大量的 工作，并有一系列的产品进行了批量生产，投入实用，综合其并联冗余的控 制技术，他们具有以下的特点： ( 1 ) 可并联单元数目较多，且并联控制方式多样化【1 4 1 从目前收集的资料来看，大部分逆变电源产品并不具备并联运行功能， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 几种知名品牌的逆变电源公司可以并联但最大并联单元数不超过l o 个，p k e l e c t r o n i c s 公司声称可以并联1 0 0 个以上。其中仅爱克赛公司为无互连线独 立控制的并联方式，而其他公司多以分散逻辑并联控制方式为主。 ( 2 ) 在小功率逆变电源中用较低成本实现了较先进的并联策略； 目前可并联逆变电源多为中、大功率逆变电源，因此为实现其并联运行， 控制电路成本增加一些对总成本影响不会很大。而普通小功率逆变电源的控 制电路一般都较为简单，性能也不如大功率逆变电源好，因此要实现其并联 运行，电路的设计就是比较困难的一件事情。在解决控制电路特性与成本的 矛盾这方面，各大公司都有一些独特的设计方法。 ( 3 ) 采用新型的高利用性电源系统设计方案 。 采用新型的高利用性电源系统设计方案，可确保整个系统的可靠性和灵活 性。这种新型的电源系统的设计方案一方面要满足大功率负载的需求和给电 源系统提高一定的冗余量，另一方面要以可靠性为依据，能消除系统中任何 一个单点故障的影响。因而，今后的电源系统大多以多模块化并联运行均流 控制的模式为主，并采用热插拔维修的方式来提高整个系统的工作性能。 ( 4 ) 采用高频链结构技术 为完成逆变电源的并联、提高逆变器的性能和减小逆变器模块的体积，各 公司大多采用采用高频链结构技术。逆变器中减少了工频变压器，装置的体 积和重量大为减轻，同时也节约了成本，减少了装置的复杂性。 ( 5 ) 采用新型的逆变电源控制技术 单台逆变器的控制技术对其输出性能至关重要。以往对逆变器的研究侧重 于采用新型功率器件来实现高频开关和s p w m 控制，减小滤波器的尺寸，通过 滤波器的优化设计，实现其输出低阻抗，从而达到抑制输出波形失真和改善 负载适应性的目的。在新型功率开关器件技术逐渐成熟以后，为了进步提 高逆变器的动态和静态特性，相应提出了许多新的控制方法，如：在瞬时值 电压控制基础上的电流前馈控制、基于变结构理论的滑模控制、在三相逆变 电源系统中采用空间矢量( s p a c e v e c t o r ) 控制、基于微处理器的无差拍控 制、滞环电流控制等。这些新型控制方法在很大程度上提高了逆变器的各项 性能指标。 ( 6 ) 采用全数字化控制技术 为了提高系统的控制性能和完成并联控制的复杂算法，逆变电源的控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 最好采用全数字化控制方案，如采用单片机或d s p 来完成系统的检测、运算 和控制 2 5 - 2 6 1 。 总之，逆变电源的并联运行控制可以保证电网供电的稳定性和扩容的灵活 性，并可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性，同时也使得整个系统具 有极高的可维修性能，因而，逆变电源的并联运行系统在各种应用领域必将 得到了广泛的推广和应用。 1 2 2 逆变电源并联控制策略 文献 2 9 介绍了几种逆变电源并联的常用方法，逆变电源并联控制方式 一般分为集中控制、主从控制、分散逻辑控制和无互连线独立控制四种控制 策略f 2 5 。 1 ) 集中控制方式 集中控制并联方案是一种最早提出的方案，在该方案中，并联控制模块 检测市电频率和相位，同时给出同步信号给每个逆变器。当市电掉电时，每 个逆变器的锁相环电路保证输出电压的频率和相位的一致。并联控制模块同 时还检测负载电流，除以参与并联逆变器的台数，作为每台逆变器的电流参 考指令。同时，每台逆变器检测自身的输出电流，与平均电流求误差用以补 偿参考电压指令，消除环流， 集中控制方式结构简单，均流效果较好，但是一旦公共控制电路失效， 整个并联系统就无法工作，因此可靠性不高。 图1 - 1 集中控制并联系统图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 ) 主从控制方式 主从控制方式【1 2 1 也是一种较早的并联控制方式。主模块控制整个并联系 统的输出电压幅值和频率，从模块输出的电流跟随参考电流的变化来实现负 载均分。主模块检测负载电流，并且分配每个从模块的参考电流。因为参考 电流跟随负载电流，因此从模块的输出电流按输出电压频率跟随负载电流， 响应速度很快：主从控制方式的结构框图如图1 2 所示。主从并联控制方式中 电压控制逆变器模块、电流控制逆变器模块均有独立的控制环，系统稳定性 好，易于容量扩展，能较好的实现负载均流，但是主模块一旦失效，从模块 将无法工作，系统没有实现冗余，可靠性低。 改进的主从并联控制方式 2 9 - 3 t 可以应用于多个相同的模块并联工作。通 过硬件开关选择或软件设置将任一电源模块设置为主模块，主模块控制输出 电压并且主模块的输出电流作为从模块的电流基准，使得从模块的输出电流 与主模块的输出电流相同，可以很好的实现静态均流。当主模块故障时，任 一从模块上升为主模块，就可以实现并联系统冗余控制，提高了系统的可靠 性。 1 一一一一。一i 图f 一2 主从并联系统图 3 ) 分散逻辑控制 分散逻辑并联控制技术n 纠8 1 是一种独立并联控制方式，不存在公共控制 电路，它将均流控制分散在各个并联模块中，并通过模块问的互连线交换信 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 息。 各逆变电源模块检测自身的输出电压、输出电流和直流母线电流，计算 出本模块的输出无功功率和有功功率。将无功功率信号发送到公共母线上进 行综合，并从公共母线上取回综合信号，作为各模块的无功基准。同样，各 逆变电源模块发出同步频率信号，到同步母线上进行综合，综合后的信号即 为同步基准信号。利用所获得的信息对逆变电源输出电压的幅值、相位作出 相应的调节，。实现输出电压的同步、无功功率和有功功率的均衡控制。分散 逻辑并联控制方式可以提高系统的可靠性，真正的实现冗余并联控制，但是 分散逻辑并联系统中各个逆变电源之间的互连线较多，并且大容量设备之间 的距离一般较远，使得并联信号线上引入的干扰较多。虽然一些厂家开发了 采用光纤进行通讯的完全无电气互连线的逆变器并联系统( 如意大利西力公 司) ，但是这种方法在提高系统可靠性的同时提高了系统的成本，并且使得控 制系统更加复杂。 4 ) 无互连线并联控制 为了减少并联模块间互连线的数目，近年来提出了无互连线控制方式 3 2 - 3 4 1 各模块间除了输出负载线外，没有其他信号线相互连接。这种并联控制 方式基于逆变器输出的外特性下垂特性，假设并联系统的各逆变模块相位、 幅值相差足够小的时候，可以认为并联系统的有功环流和输出电压相位差有 关，而无功环流则跟输出电压幅值差有关 5 1 j 。利用逆变器输出的软特性，各 模块以自身的有功和无功功率为依据，调整自身输出电压的频率( 相位) 和幅值 以达到各台逆变器的均流运行。无互连线控制方式在各并联模块间无通讯线 。独立控制，可以实现并联冗余控制，提高了并联系统的可靠性，并且并联方 式简单。但是由于逆变器的输出特性必须设计为软特性，即输出电压和频率 随着负载的大小而变化，稳态时会造成逆变器输出电压幅值、频率发生偏离， 而且这种控制方法仅能缩小有功和无功的差异，当初始偏差较大时均流的误 差也较大，并且这种方法存在稳态均流精度和动态调节速度之间的矛盾，所 以距离实用化还有很大的差距。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图1 - 3 无互联线并联系统图 1 3 本论文的研究内容 本论文将深入研究国内外逆变电源并联技术发展的趋势，比较各种常用 的逆变电源并联运行控制技术的优劣，重点研究基于改进的主从式逆变电源 并联运行的方法，其主要内容如下： 1 )分析了国内外逆变器多种并联控制技术及其发展趋势，确定论文将选 用的研究方案； 2 ) 分析了单台三相逆变电源的结构，构建相关的数学模型，为逆变电源的 并联的研究打下基础； 3 )依据单台4 0 0 h z 三相逆变电源的数学模型，研究控制性能好且适合并 联的控制方法，并进行仿真验证； 4 )以两台逆变电源为对象，分析其数学结构，研究基于主从方式的并联 控制方法，并进行仿真验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章三相逆变电源数学模型及调制 要研究逆变电源并联技术，必须先分析单台逆变电源的工作原理，因为 逆变电源的并联比直流电源更加复杂，它要求两台逆变电源的输出电压同幅 值，同相位，所以对单台电源提出了更加严格的控制要求。 ， 在本章中，我们首先建立单台三相逆变电源的数学模型，分析逆变电源 并联系统的工作原理，并对并联系统进行特性分析为本文后续章节的讨论提 供理论依据。 2 1 三相逆变电源的数学模型 本论文分析的逆变电源采用的是三相全控桥式电路，其结构如卞图所示： s 一 s 一丰s 一 i ；，。l 1 一- 上 了7 ， i +口 y 。l 2， y 、 工曰 u 酊 j 。 b v 1 l 3 。y y y l， t矿 、爪7 ， c 7 ry v y 1 一上1 一k s 一(事s 一 f c c 1 = 一c 2 t c 3 t s 4i 卜 n 图2 - 1 三相桥式电压型逆变器原理图 如图2 - 1 所示，设逆变器a ；b ，c 三点相对于n 点的输出电压为k 。，k 。，巧。，。 经l c 滤波器之后相对于n 点的输出电压为，n ，流过滤波电感的 电流为，流过屯容的电流为，输出电流为i d ，电感量厶：厶= 厶= ，电容 量c 1 = c = g = c ，定义开关量s 。表示a 相桥臂的导通状况：s o = 1 表示上桥臂 开关管s 1 开通，最：0 表示下桥臂开关管s 4 开通，足和& 表示b 相和c 相 桥臂的导通情况，根据基尔霍夫定律和三相平衡关系，可得出： 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 c 坐业：f 工。一f 。：dt 。 c 罂t = 么一f 。 dt 。4 c 坐立：，f 工：一f 。 dt 。 三坐纽= y l d - y d t 1 。4 1 三! 二量l = y l 矗一y 曰 d t 1 。4 。 l ! 三垃= y l 。一y c r d t 。 通过开关函数来表示k 。，巧6 ，巧。，则可得如下表达式： c 警= 屯 c d v d s t = i l b t 曲 c d v 乱c = i l c i o c 三鲁邓。一半肌以 三警亏( 墨一半吁 ld 疵i l c = ( s o 一半肌一 ( 2 - 1 ) 么，么，t 为a ，b ，c 相流过电感的电流，乙，么，t 为h ，b ，c 输出相电 流，咒，咒，疋为非线性的开关量，为滤波器电容中点与直流母线之间的 电位差，。定义a ，b ，c 三个桥臂的等效平均开关函塑为力，吃，吃，则 元= e 一半 以唱二半 q 书 d 。= s 。一鱼学 将式( 2 3 ) 带入式( 2 - 2 ) 可得系统的系统的状态空间平均方程： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 丢 耋 - 圭 萎 一圭 鍪 丢 篷 = 吉 耋 一吉 蓑 ( 2 - 4 ) 通过以- 上分析可以看出，在对称负载条件下，逆变桥任意确定开关状态 下的中点电压和其对应的各相电压都是可以确切知道的。三桥臂三相逆变器 共有8 种可能的开关状态，即六个非零状态和两个零状态。如表2 - 1 所示： 表2 - 1 不同开关状态下对应的电压矢量表 s c s b s o k 。k 6 k 。吃吃 0o00 o0 0 o o oo1 2 1 i o cc o 一 333 olo c。2 c 一cc o 333 01l c 2 。 0 一 3 33 1o0 c2 0 一c 3 33 lo l c 2 (c 。 o 333 l1o 2 cr c 一 0 3 。33 l11ooo0oo ， 2 2s v p w m 原理分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 多年来人们一致致力于研究出更好的p w m 控制方式，以满足如下条件： 宽的线性调节范围：高的直流电压利用率；低的谐波畸变率；简单 的数字实现方式。而经过多年的实践检验，真正在实际应用中取得良好效果 并广为使用的主要有两种方式：一种是s p w m 方式，另一种是空间电压矢量方 式s v p w m 3 - 1 4 1 。 本论文中，三相逆变器采用的是s v p w m 调制方式。s v p w m 是把三相变流器的 端部电压状态在复平面上综合为电压矢量，并通过不同的开关状态形成八个 矢量，利用这八个矢量来逼近电压圆，从而形成s v p w m 波。 s v p w l v l 控制方式具有以下特点： 1 ) 每个扇区虽然有多次开关状态的切换，但每次切换仅牵涉到一个逆变器 件；因而开关损耗小。 2 ) 它能在较低的开关频率下获得较好的谐波抑制效果和比s p w m 约高1 5 的基 波电压。 3 ) 利用s v 直接生成s v p w m 信号，计算比较简便。 s v p w m 算法是从电机控制中衍生出来的一种算法，鉴于其有以上种种好处， 所以对电源的控制也有帮助。 2 2 1s v p w m 基本原理 如图2 - 1 所示，六个开关管组成了三个桥臂，对于每个桥臂，假设“1 ”表 示上桥臂开通( 下桥臂必然是关断) ，“0 ”表示下桥臂开通( 上桥臂必然是关 断) ，三个桥臂可以形成( 1 0 0 ) 、( 1 l o ) 、( o l o ) 、( 0 1 1 ) 、( 0 0 1 ) 、( 1 0 1 ) 、( o o o ) 和( 1 1 1 ) 共八种开关状态，也就形成了八种基本电压矢量。其中( o o o ) 和( 1 1 1 ) 两种开关状态使逆变器输出电压为零，在每一个开关( 采样) 周期内插入零矢 量，从而达到变压的目的。其余6 个状态是上下桥臂均有器件参与导通。对于 方波逆变电路，一个工作周期中前6 个开关状态各出现一次，并且每隔x 3 ( r a d ) 就改变一次，而每种状态各保持万3 ( r a d ) 不变，对于每一个开关 状态，三相电压可用_ 个合成空间矢量表示，其幅值相等而相位各异。 u = u a o + o + o ( 2 6 ) 当三相电压为平衡正弦波时有 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 u = 吾吒 ( 2 - 7 ) 式中玑是相电压幅值，u 是合成空间矢量矿的幅值，当三相为平衡对称方波 时有 一 u = ( 2 8 ) 式中是方波幅值。 为简单起见，以下用玩，晚，0 3 ，以，眈，矾，玩，o o 依次表示1 0 0 ， l1 0 ，1 1 1 ，0 0 0 ) k 个开关状态的空间矢量，其在筇平面的相互关系如图 2 - 2 所示，由图2 - 2 可见，玩和玩( 代表0 0 0 和1 1 1 ) 由于幅值为零，也无相位， 故称零矢量，放置于六边形的中心，其他6 个矢量为非零矢量。 职( b 7 - ，rn 1n 、7 - 工( 1l0 ) 一 八 路口 脚a 0 1 1 vv 哆1 0 0 ) 7 配( 0 0 1 )醌( 1 0 1 ) 图2 - 2筇平面基本空间矢量分布 假设方波逆变电路的工作周期从1 0 0 状态开始，其中电压空间矢量k 置水 平轴线上，该矢量存在的时间为7 r 3 ( r a d ) 。经过这段时间之后，电路的开 关状态改为1 1 0 ，一电压空间矢量改为砭，k 和k 在空间相差z 3 ( r a d ) 。随着 逆变电路开关状态的不断更迭，电压空间矢量也不断更换，到完成一个周期 时，正好回到了矢量k 的位置。但是，方波逆变电路在一个输出周期中只有6 “次开关状态的切换，切换后所形成的电压空间矢量都保持恒值，因此输出的 波形所含的谐波含量增大，不利于滤波器的设计，因此，就必须使逆变电路 在一个周期中具有更多的开关状态切换，形成更多的空间矢量，这自然让人 想起p w m 逆变电路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 在p w m 逆变电路中，其基本空间矢量也只有o o 矾8 个，可以利用这 些基本矢量的线性组合以获得更多新的空间矢量。 2 2 2s v p w m 的调制方法 如图2 - 3 所示，在矢量玩与玩所在的扇区中i 中构成新的矢量o o ，假定新 矢量的幅值为u o ，。运行时间为互( 相当于图中的电角度秒= 够) ，新矢量所 代表的的开关状态必须在晚所代表的开关状态运行终了之后出现( 电路切 换) 。 图2 - 3电压仝1 日j 天- m 明线任组合 由图2 3 有 d l 玩+ d 2 以= o o 式中 日= 乏 0 = 乏 一空间矢量戤作用的时间，由图可见_ 尝； j 缈 乞一空间矢量玩作用的时间：由图可见乞 云： 系有 ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) q 一反占空比，即毛对互的标么值； d 2 一吹占空比，即t 2 对z 的标么值；按图2 3 各空间矢量间的相位关 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 u = u j z o 。 u 2 = u 2 2 6 0 。 砜= u o z e 式中u ，和分别是戤，吹和玩的幅值，有： u = = = 拿朋虬 其中朋为调制比 将式用直角坐标系表示得 l i s c 吖o s0 。1 乞叫嚣卜孚历。s c 血o s 秒e 协 解出 = t c m s i n ( 6 0 。- 0 ) ( 2 1 6 ) 乞= t c m s i n 口 式中乡的取值范围为o 6 0 。由上式得到的和如之和恒短于砜的作用 时间互，其差额将由零矢量玩和哦的作用时间岛和毛来填补，即 乏= t 7 + f 8 + + 乞 ( 2 一1 7 ) 按照不同的比例对岛和厶取值，对s v p w m 的直流电压利用率4 比其他方式 高，根据岛= 厶，上式可写成 t 7 = 气= 互一( + 乞) ( 2 1 8 ) 为了实现s v p i 瑚控制，把每一扇区再分成若干个对应于作用时间为z 的子 扇区，再按照上述方法插入若干个线性组合的空间矢量矾，。以获得更逼近于 圆形的旋转磁场。 每一个空间矢量瓯实际上相当于p w m 输出电压波形中的一个脉冲，根据上 述情况，图2 - 4 画出了第一扇区内电压空间矢量的序列与s v p w m 逆变电路三相 输出电压波形，由图2 3 可见，u o 是由酰和攻线性组合而成的，其中功和。攻 作用于和时区，不足部分由矾和玩作用，即对应于和，于是对空 间矢量玩的作用序列为8 1 2 7 7 2 1 8 力 动 心 1 1 _ 一 一 争 q ，k，k 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 ，u a 。d f u b o0 f u c od f 图2 4 第一扇区s v p w m 作用的序列和波形 2 2 3 坐标变换 瞬时矢量玩的确定是s v p w m 控制中的关键。实际中是通过坐标变换来求取 的，矢量控制算法中使用的变换主要有四种：三相静止a b c 坐标系至两相静止 坐标系的变换，称为c l a r k 变换；两相静止坐标系至两相旋转坐标系的变换， 称为p a r k 变换；这两种变换的反变换分别为c l a r k 一，p a r k 一。 设三相电压分别为： ( a t ) - - 圪c a ) s a t 。 v b n ( a t ) = 圪c o s ( 删一1 2 0 。) ( 2 1 9 ) ( 鲥) = 圪c o s ( 鲥一2 4 0 。) c l a r k 变换【2 7 】 。 将三相电压转换至图2 5 所示的口，静止坐标系内，口轴与a 轴重合； 转换后得到下列矩阵： i2 p = l0 l 压 l 了 将式( 2 - 1 9 ) 带入式( 2 2 0 ) 可得： 1 3 1 压 压 3 1 3 1 压 压 3 ( 2 - 2 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 圪= 匕c o s ，= 圪s i n g 式中口= 耐，为a 相电压的顺时相角， l 户 忒 、雾允 彳1 一 义 l仪主 _ ， ， f 图2 5 矢量变换坐标系 p a r k 变换及p a r k d 变换 通过选择d - q 旋转坐标系中d 轴的位置可以简化控制，提高精度。对三相 电压进行控制时，令d 轴和三相合成矢量v 重合，则d q 坐标系旋转的角速度为 _ ，和输出正弦一致，d - q 坐标系与输出矢量同步旋转。其变换式为： 阱瞄s 黝纠 式2 2 1 中p 为d 轴与口辐的夹角。 把式( 2 2 0 ) 代入式( 2 - 2 1 ) 中，可得： 雕乏劣二男 ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) 式中秒为给定相角，当口= 秒时，有屹= 圪，圪0 。这表明当d q 坐标系和输出矢量 同步旋转时，d - q 轴上的分量为常值。 从d q 坐标系至坐标系的p a r k 。1 变换为： 阱瞄瞄- s i n 汐倒 2 3 ， 由上述分析可以得到以下结论：对于式( 2 - 2 1 ) 所示的三相电压，其合成 + 矢量将在复平面内匀速旋转，轨迹为一半径为圪的圆。控制的目标就是在每 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 个开关周期发出一定的电压矢量，使一个基波周期内逆变器输出的矢量逼近 给定的这样一个圆轨迹。采样频率越高，则逼近越均匀，效果越好。桥式逆 变器任一时刻的输出矢量是由8 种矢量合成得到的。其中零矢量不在逆变器输 出端产生电压，但可以调整整个周期内输出电压的大小。当输入直流电压e 一 定时，零矢量作用时间越长则输出电压越低。 2 2 4s v p w m 算法的实现 由上一节对s v p w m 原理的分析可知，s v p w m 法就是用逆变器输出相电压的平 均矢量去逼近某一空间电压矢量o o0 3 1 。o o 以某一角频率在空间旋转，当它旋 转到六角空间电压矢量图的某个小区间时，如图2 5 所示，系统选中该区间 的基本电压矢量中所需的矢量，并以此矢量所对应的状态去驱动功率开关元 件动作。当控制矢量旋转到下一个小区间时，又选中对应区间的相应电压矢 量，并以其对应的状态去驱动功率开关元件动作。当控制矢量在空间旋转3 6 0 后，逆变器就能输出一个周期的正弦波电压。 s v p w m 调制原理可以大概分为以下6 个步骤： ( 1 ) 判断玩所在的扇区。s v p w m 的首要任务就是通过坐标变换之后的圪? 判 断参考电压矢量位于哪个区域及该区域中的哪个小三角形，然后就可以依此 确定出相应的输出电压矢量； ( 2 ) 判断玩所在的区域因为6 个扇区内的区域划分是相同的，所以可以根据 考矢量的角度将其旋转归一到第l 扇区再进行区域判断； ( 3 ) 计算区域内各矢量作用时间： ( 4 ) 作用时间分段； ( 5 ) 确定某一时刻的输出空间矢量。根据空间矢量的优化选择的原则，可以 确定出每个扇区每个区域的矢量组，列出表格，确定出空间电压矢量作用顺 序： ( 6 ) 空间矢量转化为触发脉冲。 2 3 三相逆变器在同步旋转坐标系下的模型分析 考虑三相平衡，根据变换前后功率不变的原则，有三相静止到两相同步旋 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 转坐标变换关系式如下1 0 1 ： 阱信 c o s 耐c o s ( 甜一1 2 0 。) c o s ( a t + 1 2 0 。) s i na is i n ( o r 一1 2 0 。) s i n ( a t + 1 2 0 。) lvldj_y厚3ecos甜at蛳cos(甜at一-：122萨0，。)哑cos耐(a+121萨20，。 ( 2 - 2 4 ) 纠 2 5 ， 圪j n n n n ，为，转换后的由量，乙，为o ，o h ，k 转换后的