（电力系统及其自动化专业论文）vsi型电力扰动发生装置的研制.pdf

华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 电力扰动发生装置诞生的背景 . 1 . 1 电能质量问题的提出 理想的供电电压应该是纯正弦波形，标称的幅值和频率。然而，由于供电电压 的非理想性，线路的阻抗，供电系统所承受的各种扰动，负荷的时变性与非线性， 供电电压常常呈现各种各样的电能质量问题。 对于电力系统特有的诸多电压和电流干扰电气设备正常工作的问题，早在电力 供应开始就引起电力研究者的注意。之后随着工业规模的扩大和科学技术的进步， 各种敏感电力电子设备在工业中广泛应用 ( 例如在现代企业中， 由于变频调速驱动 器、机器人、自 动生产线、精密的加工工具、可编程控制器、计算机信息系统的日 益广泛使用) ，这些设备对电能质量问题比一般机电设备更加敏感。因此， 电能质量 问题引起了世界各国相关部门专家学者的关注。 电压型电能质量问题通常表现为幅值或波形的异常:如电压幅值一段时间的跌 落，或称为凹陷、三相不平衡、电压波动与闪变、谐波及频率变动等。本文的研究 是针对电压型电能质量问题的。 这些电能质量问题的干扰源有两种，即自然干扰源和人为的干扰源。自然干扰 包括雷电引起的冲击电流和涌浪电压、鸟类和树木干扰等;人为的干扰包括电气、 电子设备对系统的电磁干扰，电力线操作千扰，开关操作，短路故障，功率开关通 断以及电网电压变动等原因引起。这些干扰的定义如下: 令 电压凹陷和凸起 凹陷是指工频条件下电压或电流有效值减小到 0 . 1 -0 . 9 p u之间，且持续工频 的0 . 5 个周波到 1 分钟。起因通常同系统故障相联系，另外重负荷或大型电机启动 吸取大电流也可能引起。 凸起含义是指在工频条件下，电压或电流有效值上升到 1 . 1 -1 . 8 p u之间，且 持续时间为0 . 5 周波到 1 分钟。与凹陷的起因一样，同系统故障相联系。比如单相 对地发生故障，非故障相的电压可能会短时上升。 令 电压不平衡 电压不平衡，时常被定义为与三相电压 ( 或电流)的平均值的最大偏差。并且 用该偏差与平均值的百分比表示。不平衡也可以利用对称分量法来定义，即用负序 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 或零序分量与正序分量的百分比加以衡量。 不平衡度 定义为: “ = m a x a b s ( u , 一 u n ) , a b s ( u , 。 一 u n ) , a b s ( u , 一 u aw, ( 1 . 1 ) 冷 电压波动与闪变 电压波动是一种电压变化的包络线或随机电压变动。由电压波动造成灯光的闪 烁称为电压闪变。 令 电力谐波 谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。 令 频率变动 供电频率发生变化。 1 . 1 . 2 电力扰动发生装置的必要性 近年来，电力科研工作者们开始根据当代电力系统的特点将电能质量现象视为 一个整体进行分类整理和研究，国外己经有较成熟的研究成果。随之，国内电能质 量问题在电工领域也成为前沿性课题:各个高等院校及科研院所和一大批电力科技 工作者投入其中并进行开拓性和开发性工作。要对上面提出的电能质量问题进行研 究和治理工作，必然会涉及到检验一个电能质量分析理论的正确性、检测一台电能 质量分析仪的效果、衡量一套电能质量控制设备的有效性或检测设备对电能质量的 敏感程度等问题。因此，建立检验平台是非常有必要的。我们提出研制电力扰动发 生装置正是为了实现这样的平台。该装置不但需要产生所需的波形，还必须具有足 够的带负载能力，因此，装置属于大功率电力信号发生装置。 1 . 2 国外电力扰动发生装置的研究现状 国外对电能质量问题的研究比较重视，许多国家为了配合研究，都在研制电力 扰动发生装置。下面举出国外的几种扰动发生装置的实现原理。 i . 利用变压器与开关的组合来实现电压凹陷之前和凹陷时的幅值变换，以及凹 陷发生时的相移、凹陷的起止和持续时间的变化。 这种主回路结构在变压器的选择和开关动作方式上也有多种方案，以下为常用 的两种。 a )主回路的一相由两个变压器组成， 一个用来产生凹陷之前的电压幅值， 而另 一个用来产生凹陷时的电压幅值。 这两个幅值的切换是通过手动开关切换方 式实现的。 .2_ 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 b )最典型的凹陷发生器如图1 . 2 . 1 中所示。 由可调的自 祸变压器和用来投切变 压器的微机控制开关组成。 凹陷发生器由市电供电，自 祸变压器用来设定期 望的凹陷电压幅值， 并通过自祸变压器抽头的变化来实现电压凹陷。 在产生 凹陷时， 设备的操作是受到监视的， 并且在测试中要用到一些使凹陷缓和的 措施。 2 1 c o m v u t c a n tr o lle d sw it c h n . m a ls a u n .e da nc e u n d 日 , t ea t v日 sue au 七 n t r -允rzne r f f ,w e a w 么助加 峨咤 傲g r n a r u mr 图 1 .2 . 1 典型的电压凹陷发生器 h.采用功率器件工作在线性放大区的方式产生所需的信号。 这类装置虽然具有波形丰富、动态特性好的特点，但存在造价高、功耗大，效 率低等问题。日 本关西电力公司的这类装置功率只有6 k v a ，投资达 2 0 0 0 万日 元， 约 1 . 6 立方米的功放单元内一半空间安装与散热有关的辅助设备，工作起来必须有 强迫风冷，进一步提高容量更为困难。3 1 h工 .基于t c r 晶闸管可控电抗器)的电压凹陷和凸起发生装置。 凹陷和欠电压可以通过电抗器上的压降来产生，其幅值和持续时间可以由 t c r 的触发角来控制。对于凸起和过电压，要用t c r 控制升压变压器的输出从而达到期 望的电压等级，在任何给定的时刻，通过触发角的延迟或关断，可以得到凸起或过 电压干扰。在保持系统电压在给定范围内时，还可以通过控制t c r 的触发角来产生 谐波电 流。a 1 该发生装置的主回路如图1 . 2 . 2 所示。 该装置由 一个升压变压器 ( t r , ) 、 两组电 抗器 ( x n . x 1 ) 和 ( t c r 2 , t c r 3 ) 组 成 1 2 脉动t c r( 两个相同的三相a 连接的晶闸管接至两三相变压器的二次绕组，两 变压器k 1 有3 0 度相移) 、 两台谐波滤波器和带重要负载的c p d ( c u s t o m p o w e r d e v i c e - 用户电力设备) 组成。 这是用于进行m v a 级额定功率的d v r和d s t a t c o m评估的 大功率凹陷与凸起发生器， 开关s wt 闭合时为电压凹陷发生器; 开关s w2 闭合时为 凸起发生器;利用旁路谐波滤波器或改变两变压器间相移的方法可以产生谐波。该 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 图 1 . 2 . 2 基于 t c r的电压凹陷和凸起发生装置主回路图 发生器的工作情况通过计算机仿真得到了验证。通常制造兆伏安功率等级的电力千 扰发生器造价昂贵， 从而造成实际条件下测试和评估大功率c p d非常困难。 本方案 是一种全新、经济的发生方法。 t v .通过工作在开关状态的功率器件实现所需要的电压凹陷和凸起。 典型的方案是直流电压源通过逆变器、不可控整流后再进行逆变产生或可控 整流后通过逆变产生所需波形。这些己 经通过计算机仿真得到了验证1 5 1 。这样的 装 置比起其它类型的装置功耗小、占地面积小、控制方便、产生波形精确，而且可以 得到形式多样的扰动波形。 1 . 3 国内电力扰动发生装置的研究现状 通常，在国内为了对用户电力设备电能质量相关的研究课题进行验证，常采用 阻抗短接的方法产生电力扰动。这个电路简单又容易实现，是在短时间内 产生扰动 最有效的方法。然而随着电力电子技术不断深入，对电能质量要求更加提高，因此 一部分工作人员开始制作符合国家标准的电力扰动发生装置。这些装置普遍采用交 流电子开关切换控制和变压器多抽头调压方式来产生电压凹陷、凸起、中断等扰动 类型。16 1 华北电力大学 北京)硕士学位论文 1 . 4 本文选题的意义及所做的工作 4 . 1 本文选题的意义 4 . 1 . 1 本实验室研究需要 华北电力大学电能质量监测与控制研究所的主要工作包括电能质量相关理论 的研究、与电能质量监测与治理相关的设备的研制开发。目 前已经开展的工作主要 有:电能质量实时监测网络、混合型 ( 有源+无源)电能质量调节器、新型电源及 其管理系统、基于蓄能技术的电压质量控制等。 要对这些装置的可靠性进行验证，须采用实际的电力扰动平台来检测。但是实 际应用中产生扰动的系统大多是不便移入实验室的大型设备，这对于实验是非常不 方便的。因此从实验室研究课题角度看，需要一个电力扰动发生装置。 4 . 1 . 2 国内电能质量研究领域的需要 国内电能质量的实验室测试通常是出于以下三种目的:测试电器设备在电能质 量受到干扰时的工作情况;测试电能质量控制装置减缓电能干扰的能力;决定电力 系统中电气设备产生的电能质量干扰的大小和类型。因此，电能质量实验室必须能 够形成反映电气设备在现场所受干扰的实验环境。电力扰动发生装置可以满足这个 条件。 另外， 供电部门、 电力用户和电力设备制造厂商也都需要这样一个检测环境。 1 . 4 . 2 本文所做的工作 1 ，从国内外电力扰动发生装置的调研工作开始着手，举出各种各样的扰动发生装 置的主电路，并对各个装置进行研究，总结优缺点，最终选择v s i 电压源型电 力扰动发生装置。 2 ，通过理论分析与软件仿真相结合的方法，对 v s i 型电力扰动发生装置的滤波器 设计、控制策略和电压提升方法进行研究。通过比较，提出可行的方案，并对 本装置采用的方案进一步进行系统的仿真，将其结果附在文中。 3 .通过上述分析， 确定电路拓扑、 元件参数， 选定材料的型号， 组装实验室样机， 进行实验研究。 4 .为了 使用时便于操作，编制友好的人机界面。 通过上位机实现数据通信， 对装 置各端采集的数据进行分析并显示结果。 5 ，最后对装置调试过程中遇到的问题和实验结果进行分析，并将前面仿真结果和 实验结果进行比较，证明了电路设计和控制方法的合理性。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章电力扰动发生装置的主电路的研究 2 . 1 三相电力扰动发生装置的使用示意图 用户电力设备 ( c p d ) 图2 . 1 . 1 电力扰动发生装置的使用示意图 所有的电力扰动发生装置， 都是为了测试与评估用户电力设备 c p d) ，因此系 统中接法如图2 . 1 . 1 所示。在设计电力扰动发生装置时， 首先需要考虑的是主电路结 构。因为不同的主电路结构会产生不同的效果， 而且会有不同的性能价格比。 本文下一部分提出了几种电力扰动发生装置主电路方案，并对它们进行了理论 研究与仿真分析，最终选择了适合我们需要的主电路结构。 2 . 2 各种主回路方案的提出及各自的特点 2 . 2 . 1 利用电抗器抽头实现 i . 线路图如图 2 . 2 . 1 所示: a b c 图2 . 2 . 1利用电抗器抽头实现的扰动发生器 图中开关使用接触器;每相投入的元件采用带抽头的电抗器;每相电抗器的大 小选择标准是全投入时保证负载端电压下降3 0 %， 另外两抽头的切换保证使负载端 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 电压下降2 0 %和 1 0 %a n ，控制策略: 投入电抗器元件的时间长短可由 程序来控制。 可设置几个档分别为i o m s , 2 0 m s , 5 0 m s , 1 0 0 m s 等。 对接触器可通过d s p 板的工 / 0 口 控制继电器，再由继电器控制接触器 的开断。 i i i ，计算实际需要的电抗器值: 负载 ac户 z l石 3 k va , co s (p 2 2 0 v z i i 砂u . 2 . 2 . 2 ( 1 ) 单相回路图 图2 . 2 . 2 ( 2 ) 向量图 图 2 _ 2 . 2 ( 1 ) 是实际单相回路图，计算时采用图中给出的参数 ( 3 8 0 / 2 2 0 v交流电 压、 3 k v a的负载， 功率因数从 i 到0 . 5 变化) 。 与之对应的向量图如图2 .2 . 2 ( 2 ) 中所 示。通过 ma t t a b的m 文件编写简单程序，得出与电压凹陷后的电压降和负载功率 因数相对应的需要投入的电抗大小 ( m h ) 。计算结果在表 2 . 1 中所示。 表 2 . 1 c o s 中 10 . 90 . 80 . 70 . 60 . 5 电压降% 1 0 y o2 4 . 91 1 . 18 . 87 . 66 . 96 . 5 2 0 i3 8 . 52 2 . 21 8 . 51 6 . 51 5 . 21 4 . 4 3 0 %5 2 . 43 4 . 63 0 . 02 7 . 32 5 . 52 4 . 2 i v .此种电路形式的优缺点: 这种方案电路简单、控制方便，但是产生的扰动类型单一，不能满足测试现代 精密设备的要求，只能在测试设备要求不高的场合使用;而且由于利用电抗器，存 在电感参数较大时电抗器体积增大、容易产生磁饱和等问题。因此将存在电抗器的 制造工艺复杂、造价高，且具有稳定性不高、精确性差等缺点。 2 . 2 . 2 功率放大型电力扰动发生装置 功率放大型电力扰动发生装置是通过波形发生器 ( 对应相应扰动电压的波形) ， 经过功率放大单元 ( p wm 调制)产生相应的电压扰动类型。这种装置通过有效地 .7- 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 控制各个开关的通断时间，得到波形发生器中已经定义好的波形，即预先设定的电 力扰动波形。当然在输出波形侧还要装设专门滤除开关频率倍数次附近谐波的滤波 器。考虑到以上方面，选择两种方案进行了研究。 i . 交流斩波方式 随着全控型器件和 p wm技术的广泛应用，人们提出了采用交流 p wm斩波方 式。通过调研、比较、研究等手段选择了以下两种交流斩波方式，下面进行简单介 绍。 今 典型的交流斩波方式 1 7 1 典型的交流斩波调压主电路如图2 .2 . 3 所示。其中v t 1 , v t 2为全控型功率开 关器件 ( 如 g t r . mo s f e t . i g b t等) ，它们与二极管 v d i , v d 2组成双向全控 电子斩波开关。通过脉宽调制信号控制功率开关器件的通断。显然负载上的电压有 效值随脉宽 信号的占空比 而变。图2 . 2 .4中( b ) 显示通过脉宽调制后输出的电 压波形 图。 v n 1 v d 2 负载 图2 . 2 . 3交流斩波调压主电路 0 0. 0 0 5 0 .0 1 5。 0 2 ( t ) 0 . 0 0 5 0 . 01 0 . 0 1 5a n 2 ( p ) 图 2 . 2 . 4系统 电压( b ) 负载电压 01a) 6u了. 令 一种新型的交流斩波方式 7 1 图2 . 2 . 5 中是一种新型的交流斩波主电路。 它由v d i -v d 4 四个二极管和三极 管v t 组成了双向电子开关。在图2 . 2 . 6 中区间2 . 4 ，电压、电流同相;在区间 1 , 3 ，电压、电流反相。在区间i 输入端电压a为正，o为负。当v导通时，电流流 通路径为:o -l -r -d 3 - v - - d 2 -ao v d i , v d 4 截止。而在区间2 , a o 端的电 压极性未变，电流的方向变了，其流通路径为:a - - v d i - - v - - d 4 - - r - - l - - o ，电 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 流可正反向流动。所以这种电路所用器件少， 驱动方法简单。 图2 . 2 . 5 新型交流斩波主电路 图2 . 2 . 6 r 一l 型负载电压、电流波形 特点: 这两种方式基于交流斩波，要实现谐波、闪变、频率变动等十分困难，且通过 仿真得出在驱动电感类负载时不稳定，需考虑续流问题，这样拓扑结构就会复杂， 功率器件并不能减少。这种方案比较适合在纯电阻负载时使用 ( 比如白炽灯) 。另 外在开关频率较大时会出现波形失真的情况，开关频率过小时很难滤除开关频率谐 波 ( 产生基波放大) ，因此开关频率也只能取一定范围内的值。 1 1 .利用三相电压源型p wm逆变器 这种方案的电力扰动发生装置主要由以下三个部分组成: a )要有直流电压源提供给系统; b ) v s i 电压源型逆变器 ( 产生电 压扰动) ( 1 2 个开关元件) c )输出侧的滤波器 而第一部分的直流电压又可由下面三种方案来提供: a )一个理想的直流电压源: b )三相不 可控整流器， 每相由 上 下两 个桥臂组成， 总共6 个二极 管， 另 外还有直 流稳压电容、直流电抗器; c )三相全控整流器， 每相上 下两个桥臂组成， 共 6 个全控器件， 另外还 有直流稳 压电容、直流电抗器; 特 点: 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 这种电路容易实现，控制方法简单，可以实现各种类型的扰动，并且保证精确 性。 能够产生符合标准的各类扰动类型， 对于测试和评估各类c p d 都非常方便有效。 不足之处是用到的开关器件较多 ( 1 8个) ，当开关频率过高会产生波形失真，开关 频率取得过小，也很难滤除开关频率谐波，易导致基波放大，开关频率只能取一定 范围内的值。 2 . 3 小结 通过上节各个主回路方案的研究，得到下面结论: v s 1电压源型逆变器组成的电力扰动发生装置，不仅解决了其它两种方案不稳 定的 ( 优于交流斩波电路，缓冲电路由逆变器自身携带)缺点，而且其电路简单、 容易控制、精度好、且波形丰富。只要取允许范围内的开关频率，通过控制开关通 断时间就可实现电压凹陷、三相不平衡、电压闪变、频率变化、电力谐波等扰动类 型。其中电力谐波的谐波频率，只能控制在开关频率以内一定的值。基于以上优点 我们采用 v s 1 电压源型电力扰动发生装置。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第三章v s i 型电力扰动发生装置仿真研究 3 . 1 仿真工具一m a t l a b介绍 在通用计算机仿真软件进入市场以前， 控制系统设计人员大多用f o r t r a n, c 语言开发各种软件，其缺点是使用面窄、接口简陋、程序结构不开放、没有标准的 函数库、易造成数据不稳定、计算结果容易出错等等。现在通用计算机仿真软件， 不断应用于各学科的发展领域。 m a t l a b ( m a t r i x l a b r a t a r y ) 是国际上流行的电 子仿真计算机辅助设计的大型数学 计算工具软件，是由美国学者c l e v e mo l e r 等人于 1 9 8 0 年首先提出的。开始的目的 是为线性代数等课程提供一种方便可行的实验手段，但由于该软件计算精确、编程 简单、使用方便、函数库可以任意扩充及图形功能强等许多优点而迅速得到科学工 作者及院校师生的普遍重视。随后由各个领域的专家学者相继推出的许多工具箱 ( t o o l b o x )， 使它更广泛地适用于各种领域的研究。目 前己成为多种学科领域的首 选计算机辅助工具软件，也是一种实用的全新计算机高级编程语言。 ma t l a b的出现 和不断完善， 使得越来越多的工程师意识到ma t l a b是解决许多实际问题的一种省时 省力的工具。 随着m a t l a b 的电 源系统模块集 ( p o w e r s y s t e m b l o c k s e t )的推出，也使m a t l a b 成为电力系统分析和设计的主要仿真工具。ma t l a b软件与 p s c a d等电力系统仿真 软件不同， 它购买方便， 又不存在花钱升级软件的问题， 只要一个版本的软件在手， 所有问题都可解决。 比起其它的成本高和升级麻烦的电力系统仿真软件相比， ma t l a b 是工科院校师生最实用的工具之一。本装置的仿真工作由m a t l a b 来完成。 3 . 2 主电路各个单元的介绍及仿真参数确定 3 . 2 . 1 主电路基本模型 根据上面研究的结果，利用 ma t l a b的 s i m u l i n k建立主电路基本仿真模型，基 本模型如图3 . 2 . 1 中所示; 3 . 2 . 2 负载参数 论文实现的扰动发生装置按3 8 0 v系统、1 2 k v a容量设计。 综合考虑仿真时间、 采样间隔等要求，仿真中开关频率选定为2 5 5 0 h z e 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 图3 .2 . 1 最初的仿真模型 高速数字信号处理器 d s p带有可灵活编程的p wm输出， 为实现各种扰动波形 的控制提供了方便。 因此本装置的控制系统采用d s p处理器。 仿真中控制单元利用 d s p的控制原理创建数学模型来实现。 3 . 2 . 3 整流单元 基于 p wm调制技术的p wm变频器中，由于逆变器具有调压作用，其整流器 绝大多数采用不可控桥式整流电路 无需控制等优点，但由于谐波较大 与晶闸管整流器相比，这种方案存在成本低、 正常情况需要加装滤波器。 我们选择三相不可控整流桥。该单元的主要功能是从系统吸取能量，建立直流 电容上的电压， 以便给输出侧提供能量。 3 . 2 . 4 直流环节 第一组 第二组 图3 . 2 . 2 直流环节中直流电容和均压电阻的接法 直流侧并联较大容量的滤波电容器，可以减小直流电压的纹波分量，保证直流 电压的稳定性。又由于扰动发生装置可能用于驱动单相负载，可从直流串接电容器 中间位置引出中线，形成三相四线制接线方式。 两个容量相等的电容器串联后跨接在直流输入的两端。在每个电容两端并联一 个电阻来解决电容器的均压问题。 资料显示目 前变频调速装置中常使用 7 5 u f 3 6 0 u f / k v a的滤波电容值 1 8 1 。这样 电容器电容足够大，逆变器工作时可认为电容器两端的电压保持不变，均为v d / 2 0 华北电力大学 北京)硕士学位论文 本次仿真中串联两组直流电容，每组电容8 0 0 0 u f ;均压电阻r ( 6 8 k ) 2 个。 3 . 2 . 5 功率放大单元一逆变器 在过去多年中，有很多种直流电压转化成交流电压的方法和器件。早在 1 9 7 0 年， 双极型功率晶体管 b j t成本较小， 得到了广泛的应用。随后出现了控制特性较 好的mo s f e t、 i g b t等功率器件12 4 1 。 在本装置的仿真中， 我们选择i g b t作为三 相全控逆变桥。因为它不仅将 mo s f e t的驱动功率小、控制电路简单和 b j t电流 大、电压高等优点集成为一体，而且是近年来发展最快并且应用前景广泛的新型功 率器件。与mo s f e t相类似，i g b t的门极为高输入阻抗型电压驱动控制，只要在 门极上施加电压就可保证器件的导通，其门控功率很小。它们的主要区别是 i g b t 在物理结构上比m o s f e t多一个半导体结， 该结提供电导率调节， 从而减少了通态 损耗， 并提高了器件的阻断电压水平， 但由此带来的问题是限制了器件的开关速度。 电力扰动发生装置中开关频率选取 1 0 3 0 k h z之间时能得到需要的扰动波形* 在仿真模型中将 i g b t与二极管的并联组合接成三相电压源型逆变器，再通过 改变i g b t的开关控制信号， 实现将恒定的直流输入电压调制为各种故障电压波形， 并做到控制输出电压的幅值和频率。我们把 v s i 型电力扰动发生装置又简称为 1 6 ( i n t e r r u p t i o n g e n e r a t o r ) . 3 . 3 控制策略的研究 3 . 3 . 1 关于 p wm 调制技术 3 . 3 . 1 . 1 p wm 调制技术介绍 p wm 调制技术是逆变技术的核心技术。它为交流传动的推广应用开辟了新的 局面。包括从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较、产生正弦脉宽 调制s p w m信号来驱动功率器件的开关开始， 到目前采用全数字化方案、 完成优化 的实时在线的p wm信号输出。 由于 p wm 同时可以实现变压变频、抑制谐波等特点，在交流传动及其它能量 变换系统中广泛应用。综观现有的文献，数字脉宽调制方法多采用规则采样技术求 取三角载波与所希望的调制函数相比较的直接数学方程式，p wm 信号是通过对规 则采样技术获得的数学方程式的计算得到的。这种数字脉宽调制方法仅仅是对模拟 自 然采样的三角波一正弦波s p wm方法的近似。 采用高速数字处理d s p ， 可灵活编 程p wm输出，能够为实现各种扰动波形的控制提供方便。 通过p wm调制，滤波后输出的波形与调制波的波形完全一样，幅值与调制波 的振幅成正比。 而输出电压的谐波分量均为高频分量， 比较容易滤除。 因此采用p wm 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 控制时，输出电压控制灵活，不存在低次谐波。 3 . 3 . 1 . 2 s p wm调制原理 逆变器的输出，属于 s p wm 控制模式。为便于以后 d s p处理器的控制单元处 理，采用了电平移位和单侧锯齿波采样的方法，如图3 . 3 . 1 中所示。 就一个采样周期来看， p wm 脉冲的宽度可通过几何关系近似获得。 当采样频 率足够大时， 可将任意采样周期内的调制波数值看作常数。 这样，第k个脉冲的宽 度为: 、 一 赘 ，一 一 ， ( 3 . 1 ) 其 中 ， 石 ，.f s 分 别 为 基 波 频 率 和 开 关 频 率 ( 采 样 频 率 ) ， a k 为 第k 个 脉 冲 中 心 位置对应的相角。a 为p wm调制系数。由此形成的相电压对应的脉冲如图3 . 3 . 2 ( c ) 所示， 为双极调制脉冲序列。图3 . 3 .2 ( c ) 所示的 波形可分解为图3 . 3 .2 ( a ) 所示的均 匀方波及图3 . 3 .2 ( b ) 所示的单极调制波。 对于图3 . 3 .2 ( a ) 所示的均匀方波， 显然， 开 关频率以下的谐波分量为零，低于开关频率的谐波成分由图3 . 3 .2 ( b )所示的单极调 制波决定。以基波分量为例，第k 个电压脉冲对应的宽度为: 。 a n f , _ : _ _ v ,. = -a i i iu “2 人 ( 3 . 2 ) 对该脉冲系列进行傅立叶分解有: m j , 1 ( 2 .f , ) v n ( t ) 一 y_ ( y4 vi sin k a k sin -) sin n co ,t ( 3 . 3 ) n= 1 k = 1 其中， v d 。 为 直 流母 线电 压， w j 为 基 波角 频率， 基波 分量的 有效值为: v ,= “ 掣 会 sin “一 警 ( 3 . 4 ) 图3 . 3 . 1 电平移位和单锯齿波采样 对于基波分量， .f s充分大时， 可认为 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 s in 玉_ ( 3 . 5 ) 么一2 由此可得相电压基波的有效值为 二 a v d,i 乙v 乙 ( 3 . 6 ) m 1f 呻111f1fim tl i litl p m9 强 班 迸 巾 观 吻 归 迫 归 迪 一h t i 0 du n s .ms住日 奋幻 与 图 3 . 3 . 2 扰动装置采用的 s p wm方案 对称无谐波情况下，对应的线电压为: 、 = a 粤 一 。 .6 12 a v d, z vz ( 3 . 7 ) 由式 ( 3 . 7 )可见，直流电压利用率只能达到0 . 6 1 2 a 倍，电压利用率较低。 3 . 3 . 2 两种调制方式及仿真验证 3 . 3 . 21 两种调制方式介绍 三相电压源型p w m 逆变器的开关控制策略是基于相电压的，它利用待输出的三 个相电 压、 。 ，u b u 。 作为调制波，同时 与一个三角波做比 较产生所需的 控制信号， 控制三相逆变器的开关动作。这里有两种控制方案可选择: i ， 基于相电压的调制方法 根据上述相电压的控制原理，控制三相逆变器的开关动作。 为了 满足扰动发生装置 ( i g ) 驱动单相负载或三相不平衡的情况，从直流串接 电容器中间位置引出中线，形成三相四线制接线方式。最终在逆变器输出侧就会产 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 。i n 生：垒 2 2 由此可得相电压基波的有效值为： = 象 图3 3 2 扰动装置采用的s p w m 方案 对称无谐波情况下，对应的线电压为 = 0 6 1 2 a ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 由式( 3 7 ) 可见，直流电压利用率只能达到0 6 1 2 a 倍，电压利用率较低a 3 3 2两种调制方式及仿真验证 3 3 2 1 两种调制方式介绍 三相电压源型p w m 逆变器的开关控制策略是基于相电压的，它利用待输出的三 个相电压吖。，k 作为调制波，同时与一个三角波做比较产生所需的控制信号， 控制三相逆变器的开关动作。这里有两种控制方案可选择； i ，基于相电压的调制方法 根据上述相电压的控制原理，控制三相逆变器的开关动作。 为了满足扰动发生装置( i g ) 驱动单相负载或三相不平衡的情况，从直流串接 电容器中间位置引出中线，形成三相四线制接线方式。最终在逆变器输出侧就会产 1 5 坐型查堂! j ! 塞! 堡主堂垡笙兰 生每相桥臀采用s p w m 波相应的“。，“。该s p w m 波经型l c 滤波器，滤 除开关频率及其倍频成份后，连接到负载回路即可使负载得到所需的各相电压。 i i 基于线电压的调制方法 控制单元依据所要产生的线电压波形的瞬时值，将其变成逆变器每相桥臂对应 的相电压。这样在控制原理上还是基于相电压的控制。只是把相电压用线电压来表 示作为调制波。 这里令u a = “咖u , b 2 0 ，收= 一? d b c ，其中“d 、“间相角差1 2 09 ( 因为“+ “6 。+ 。= 0 。 可由u 。、“。来确定“。) 。通过这- - $ n 调制波与同一个三角波进行比较产生三相逆 变器的开关控制信号。那么在逆变器输出侧就会产生每相桥臂采用s p w m 波相应 的，蛳，。该s p w m 波经剧1 , c 滤波器，滤除开关频率成份后，连接到负 载回路即得到负载所需的线电压。 这一方法必然会造成相电压畸变。所以并不适合驱动单相负载。为了解决这个 问题，我们可以采用滤波器输出侧连接一y 输出变压器。正弦对称的线电压经过这 个变压器后可获得相、线电压均为正弦的输出波形。 3 3 2 2 仿真验证 通过两种调制方案编写一个控制模型，在上述主电路基本模型( 图3 2 1 ) 的基 础上进行仿真，各端点电压仿真结果示于表3 2 ： ( 表中u 。为系统输入电压，可经过调压器改变；u 。为仿真中实际测得的整流侧输 入电压；u m 为直流电容器两端电压；u 州为逆变器输出侧电压的基波分量有效 值；) 表3 1 i 调制方式 u 。6 ( v ) u ( v ) u 女 ( v ) u r 、( v ) 相电压调制3 8 0 v3 7 04 8 82 9 8 9 l 线电压调制 3 8 0 v 3 7 7 5 0 5 61 7 1 4 图3 3 3 是线电压调制仿真中得到的逆变器输出侧的p w m 波形，当相电压调制 时仅幅值有所不同。 根据仿真结果得出以下结论： 1 表3 1 数据中得出整流结果满足不可控整流条件下的u 。= 1 3 5 u 。； 2 对于相电压调制满足式( 3 7 ) 1 1 1 】逆变结果满足理论值； 1 6 兰型型盔兰! ! ! 塞! 堡圭堂垡笙茎 3 线电压调制时由于其特性( 线电压瞬时值来构造逆变器每相电压，且线电压幅 值大) ，为了避免过调制，必然会导致e g 玉, n n 率下降。电压利用率远远不如 相电压调制。 4 相电压调制虽比线电压调制电压利用率高，但由于要控制三相，不如只控制两 相( b l a = u 。b ，u b = o ，b l c = 一“6 。) 的线电压调制方便。只要将线电压控制方式时提 高直流电压利用率，就可获得理想输出。 图3 33 线电压调制方式下逆变器输出侧p w m 波形 3 4 几种优化方案 3 4 1 滤波器设计 3 4 1 1 直流电抗器设计 不可控桥式整流电路由于中间直流回路采用大电容作为滤波器，整流器输入电 流呈脉冲状，其谐波分量较大，虽然基波位移因数接近l ，但总功率因数却不很高。 在对输入谐波和功率因数要求较高的场合，经常在交流进线处加设交流进线电抗器 三。或在直流侧加设直流电抗器工出。两种方法在重载时均可获得较好的效果，但在 轻载时电流畸变率及功率因数仍较差。 设置直流电抗器是降低谐波、提高网侧功率因数的有效方法。选择合适的电抗 器参数可将n 坝, r l 功率因数提高至o 9 o 9 5 。对于3 8 0 v 输入的变频装置，欲将其额 定状态下的功率因数提高到0 9 ，可按下式估算电抗器参数l ( m h ) 9 1 上1 5 p ( 3 8 ) 式中j p 为变频器额定输出功率。因此在本仿真中采用参数1 5 m h 的直流电抗器。 3 4 1 2 输出侧滤波器 在上面已经提到本装置主电路是由整流、逆变这些电力电子回路构成的。通过 p w m 调制后的逆变器输出的波形中不仅含有自身基波的频率成分，还含有与开关 一 些! ! 里翌奎堂! j ! 室! 堡圭堂垡笙壅 频率的整数倍相关的各种频率成分。那么谐波的次数就由开关频率整数倍与基波频 率决定。我们的扰动发生装置需要将这些高次谐波滤除。 工作过程中，其两侧形成的谐波会对负荷及供电网带来一系列影响：如增加交 流系统中旋转电机和其它电气元件的损耗与发热、缩短寿命、引起谐振过电压、产 生电磁干扰、使敏感仪器和设备不能正常工作。谐波含量与开关频率无关。开关频 率升高，不能降低谐波含量，仅有利于滤波器的设计。在扰动发生装置的设计中， 应该考虑这些问题。 下面对输出侧滤波器的设计过程进行介绍。 i 滤波器类型的选择 低通滤波器是扰动发生装置设计中的一个重要环节。出现最早的上c 滤波器， 存在一些较难克服的缺点，但由于其结构简单、设备投资较少、运行可靠性较高、 维护费用低等优点，至今仍是应用最多的方法。该滤波器可以采用下面两种方案： 串联三一c 型滤波器和并联三一c 型滤波器。 l o a d 图34 】( 1 ) 串联工c 型滤波器图34 1 ( 2 ) 并联一c 型滤波器 串联三一c 型滤波器，一般可取最低次谐波频率，但要避免上，c 工作于谐振状 态，工作在串联谐振工作状态时会导致高频短路，这是一个较难克服的缺点。 而并联上一c 型滤波器中基波电流要流过电抗器中，将导致电抗器设计困难。 因为当磁芯工作到饱和区，电抗器就会发出异常的声音，流过电容器的谐波电流大 增，开关器件会过热甚至损坏。因此电抗器的体积会相应的增大。这个问题可根据 具体情况，提高开关频率来解决。还有一个缺点是当前面的开关关断时，贮存在电 感中的能量，形成电压过冲尖峰，增加管子的电压应力。由于前面提到过我们采用 的逆变装置由1 2 个开关元件组成，已经自带着续流环节，这个问题也可解决。基 于以上原因我们在仿真中采用并联型l c 滤波器即删l c 。 i i 主电路中的连接 型l c 滤波器结构图同图3 , 4 2 所示，将其接入逆变器输出侧，再连接到负载 回路。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 1 参数确定 一 矾百、- t _ 一 ，确可、_ 卜斗1 一 工丁 图3 4 2 删l c 滤波器结构图 设计原理如下： 当采用，型l c 滤波器时，其幅频特性为： 砌班e 杀= 西瓦1 b 9 ) 其中，。= 了基，称为谐振频率。幅频特性曲线如图3 - 4 3 所示。 图3 4 3 滤波器传递函数幅频特性 由图可知的选择决定了幅频特性的基本特征a 越大，对高频的衰减能力越 差，越小，上，c 参数值增大，会造成滤波器成本的增加，且可能对基本段频率 放大。因此，在控制算法及功率器件频率允许的情况下，应尽可能地提高谐振频率。 这同时有利于滤波器的小型化。因此，c o o 应依据t h d 满足要求( 5 ) 时，尽可 能大的原则设计。 根据仿真波形数据u 一算出经过滤波后电压应为u 。= h ( c o 。) u i n ，由t h d 的 定义： 1 0 0 ( 3 1 0 ) 掣 一一m 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 就可确定c o 。为保证基波时电压的无损耗传递，令电压传输比尽可能接近1 ，那么 需要满足下面的阻抗匹配条件： 弘椭l + 瓦形j j c o 再i c 。z i 设每相负载阻抗为z ，由此确定l ，c 为： ，1 z ，i ( d o c 一击 ( 31 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 现在计算当系统和负载存在时发生谐振的情况：从系统侧看到的阻抗大小为 z 币 瓦l j c o 再l c 。z t 当发生串联谐振时阻抗z 应为纯电阻。由此得出 丘： 二工 1 q2 l c q 2 c 2 心2 ( 3 ，1 4 ) ( 3 1 5 ) 带入各个参数值得出片无解，说明不会发生串联谐振。 2 设计输出侧滤波器的具体步骤 在指定的开关频率、负载阻抗下，对系统进行仿真 对需要装设滤波器的地方( 逆变侧波形) 进行傅立叶分析，确定开关频 率及其倍数的频率为主要谐波频率。 通过传递函数与电压畸变率t h d 的关系确定谐振频率。 通过谐振频率、负载阻抗和电感、电容之间的关系确定参数。 i i i 滤波器的仿真验证： 图3 4 4 中两个波形分别是装设滤波器之前和装设之后的逆变器输出侧的波形 2 0 兰! ! 皇塑奎兰! j ! 壅! 堡圭堂垡笙塞 的幅频特性图，通过比较看出，加装了l c 型滤波器后明显地滤除了开关频率及其 整数倍的谐波。 1 0 0 5 0 0 ( 1 ) 装设滤波器之前逆变器输出的电压波形幅频特性 ( 2 ) 装设滤波器之后逆变器输出侧的电压波形幅频特性 图3 4 4 ( 图中横坐标为谐波次数；纵坐标为各次谐波的幅值百分数) 将上节两种调制方式仿真研究电路中加入这个滤波器进行仿真验证，通过滤波 器得到的波形分别如图3 4 5 ：( 仿真中忽略电容充电引起的暂态过程) 由图可知经过滤波器后逆变器输出侧的p w m 波形( 图3 3 3 ) 滤波成为正弦的 波形，滤波效果理想；经过滤波器后的两种方式下的基波分量有效值分别为2 9 7 ，5 v ， 1 7 0 v ，与上节p w m 波计算得出的基波分量有效值接近，没有出现基波放大现象。 图3 4 5 ( 1 ) 基于相电压调制时的输出电压 图3 4 5 ( 2 ) 基于线电压调制时的输出电压 通过以上研究得出结论： s p w m 波经删l c 滤波器可以滤除开关频率成份，同时保证足够宽度的低频 区段谐波幅值及相位的不失真传递。 需要指出的是，论文中滤波器的设计，其电抗器与电容器的结构设计与材料的 选择是经过缜密的研究与论证的。并且在实验的基础上，迸一步得到了改进。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 3 . 4 . 2 几种电压利用率提高方案的比较及选择 直接采用上面提出的调制方法进行 p wm控制会造成电压损失。事实上，采用 不可控整流时，直流母线电压为: 3 扼v , v d o = 汀 ( 3 . 1 6 ) 其中 歼 ， 为输入线电压，依据式 ( 3 . 7 ) ，在满调制时，发生器的最大输出线电压 、 一 鉴 、 一 0.83v, ( 3 . 1 7 ) 可见，这种方法造成电压的利用率下降1 7 %，无法达到设备的额定电压。 由于本装置采用三相不可控整流装置，只能通过提高直流电压利用率来得到所 需的交流输出电压。 i . 电压提升方法 1 . 二相调制方法 为增大电压输出能力， 可通过对任一时刻电压三相量的平移来改善。 原理如下: 因a . b . c 三相调制波u q r u b i u c 中 最大的有可能 超过三角波正峰值u,. ， 而最 小的 有可能 超过三角波负峰值一 u m , ， 故 对正 过调制只需依据三相中 瞬时 值最大的 一 相注入u 、 进行补偿，对负过调制只需依据三相中瞬时值最小的一相进行补偿。其 控制策略由图3 . 4 . 6 所示。 图3 . 4 . 6改进的s p wm原理框图 最终， 选择补 偿量较多的 一 方 来 作为 三 相的 共同 注 入。 数学表 达式 如( 3 . 1 8 ) : f i l l 式中u , ， 是三 角波的 峰值。 华北电力大学 北京)硕士学位论文 u n . 双 n - 一 、 、 一 m a x 和 ， , u r u r - u ， 一 m 4a . ,u e f ,u c . ( 3 . 1 8 ) 、!户!j 若 一 u 、 十 之 u ,y _ 若一u n , “ ， _ +l nn 砚u 干、|、 一一 刀 u 下 面针对我们上面提出的线电压调制方法进行说明: u a =u o b +d u b=d u 二 二一u b c +d ( 3 . 1 9 ) ( 3 . 2 0 ) ( 3