（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的三相电压型整流器研究.pdf

浙江大学硕士论文 a b s t r a c t t h ec o n v e n t i o n a lr e c t i f i e r sp r o d u c em o s th a r m o n i cp r o b l e m si np o w e r s y s t e m w h i l e3 - p h a s ep w mv o l t a g es o u r c er e c t i f i e r s ( v s r ) c a no v e r c o m et h e p r e v i o u ss h o r t c o m i n g s ，i ti sg e t t i n ge o r ew i d e l yu s e d i tc a np r o v i d e c o n s t a n td cv o l t a g ea n da c q u i r e1 i n ep o w e rf e e d b a c kc a p a b i l i t y i nt h i s p a p e r ，3 - p h a s e r e c t i f i e ri st h e s t u d yp o i n t，i n c l u d i n g i t s p r i n c i p l e ，t o p o l o g y ，m a t h e m a t i c a lm o e d e l ，a n dt h ec o m p l e t i o no fi t sc o n t r o l m e t h o d so ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e i no r d e rt os t u d yv s r ，i t sm a t h e m a t i c a l m o d e li se s s e n t i a lt os e t u p t h u s ，i t sm o d e l s a r ee s t a b l i s h e d r e s p e c t i v e l yi na b cc o o r d i n a t e obc o o r d i n a t ea n dd qc o o r d i n a t e t h i s p a p e rf o c u s e so n2c o n t r o lm e t h o d s ：s v p w ma n dd p c s v p w mi st h ek e yp o i n to ft h es t u d y ，w h o s es i m u l a t i o nm o d e li ss e t u pw i t ht h ef i n a ls i m u l a t i o nr e s u l t s b a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo f d s p 2 4 0 7 ，p r o g r a mi sd e v e l o p e da c c o r d i n gt oi t sc o n t r o lm e t h o d s t h e e x p e r i m e n tp r o v e st h er e l i 8 b i l i t yo ft h i sm e t h o d t h ea d v a n t a g eo fd p c ( d i r e c tp o w e rc o n t r 0 1 ) 1 i e si nt h a ti t ss t r u c t u r e i ss i m p l e ，d y n a m i cr e s p o n s ei sq u i c k ，a n di th a st h ea b i l i t yt or e s i s t d i s t u r b a n c e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r yo fi n s t a n t a n e o u sp o w e r t h e p r i n c i p l eo fd p ca n dt h es e l e c t i o nm e t h o do fv o l t a g ev e c t o r t h ec o n m l o n s w i t c ht a b l ei sn o ti d e a l ，w i t hb a dc o n t r o lr e s u l to ft h er e a c t i v ep o w e r s oan e wm e t h o do fs w i t c ht a b l ei sp r e s e n t e d ，i no r d e rt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c e t h i sn e wm e t h o do fs w i t c ht a b l ei sb a s e do nt h et h e o r yo f a d d i n gal a g g i n gc o m p a r i n gp a r t t h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n tp r o v e t h eu t i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h en e wm e t h o d a n da tl a s t ，t h e s e2c o n t r o lm e t h o d sa r ec o m p a r e d ，b r i n g i n gr e s p e c t i v e l y t h es h o r t c o m i n g sa n ds p e c i a l i t i e s a st h en e c e s s a r yp a r to ft h ee x p e r i m e n t ，t h ep a p e ra l s op r e s e n t st h e d e s i g no fi n d u c t a n c ea n dc a p a c i t a n c ei nv s r ，t h em a i nf u n c t i o na b o u t d s p 2 4 0 7 。a n d t h eu s i n go fi n t e lli g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) ，a n dt h e p a r a m e t e r so fs a m p l i n gp a r t k e yw o r d s ：v s r ：d s p 2 4 0 7 ；s v p w m ，d p c ：i n s t a n t a n e o u sp o w e r n 浙江大学硕士论文 第一章绪论 在环境保护受到人们日益重视的今天，谐波污染问题逐渐受到了人们的重 视。但现在，大部分的电力电子装置所使用的直流电源是通过不控整流或相控整 流得到的，这些设备在运行中对电网注入了大量的谐波和无功，造成了严重的电 网污染。在电网污染越来越严重的情况下，人们更加重视电网质量的研究和保护， 同时各种方法和策略提了出来，研发了各种可以解决这个问题的新产品，三相p 删 整流器就是这个背景下产生的产品之一。 1 1 谐波问题 在工业应用中，最广泛应用的就是传统二极管不控整流和晶闸管相控整流， 它有很多的不足和缺点：整流装置的功率因数很低；电网侧会产生大量的谐波； 为了滤除纹波，输出侧需要较大的平波电抗器和滤波电容器；装置体积和重量增 大；损耗也相应上升；输出滤波时间常数通常比较大，系统动态响应慢啪3 。 谐波的危害具体有”】 删： 一、谐波增加了公用电网的附加输电损耗，降低了发电、输电设备的利用率。大 量的谐波流经中线会使中线发热厉害甚至可能发生火灾。 二、在输电线路阻抗上的压降会使电压波形产生畸变，从而可能影响电气设备的 正常工作，谐波电缆、电容器等设备过热，绝缘老化，影响设备的寿命。 三、谐波会引入附加铜损、铁损，以及过电压，导致局部过热，缩短设备使用寿 命，从而影响设备的正常工作。 四、谐波还引起某些继电器、自动装置的误动作，使测量仪表失灵，精度下降。 五、谐波使常规电气仪表测量不准确。 六、谐波容易产生电磁干扰，影响通信设备的正常工作。会产生噪音，降低通信 质量，甚至导致通信信息丢失，使得通信系统无法正常工作。 七、谐波可能使电网产生局部的谐振，导致的谐波放大效应又进一步恶化和加剧 了上述问题。 1 2 谐波标准 作为治理谐波污染的重要措施，一些国家和国际学术机构相继制定了相关标 准，来解决这个问题。有的标准是针对公共电网接点电压的谐波，有的是针对用 电设备的电流谐波，还有的是针对用户系统的电流谐波。 在中国，限定用户对电网标准是谐波标准g b t 1 4 5 4 9 - 9 3 “电能质量公用电网 谐波”，它规定了电网标称电压为0 3 8 6 l o 3 5 6 6 1 l o k v 公用电网中的电压总 畸变率和公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量。限制设备对电网污 染的德国标准是v d e 0 8 7 1 。欧洲标准是e n0 6 5 5 5 2 。国际上广泛接受的标准是 i e c 5 5 5 2 ，1 9 9 5 年改为i e c l 0 0 0 - 3 2 标准，它适用于每相输入电流小于1 6 a 的用电 设备，对于每相输入电流在1 6 a - 7 5 a 之间的用电设备，适用标准为i e c l 0 0 0 3 4 。 i e e e 和国际谐波限制标准分为三类： 1 用户系统谐波限制标准 i e e e5 1 9 - 1 9 9 2i e c1 0 0 0 - 2 2i e c1 0 0 0 3 - 6 2 设备谐波电流限制标准 i e c1 0 0 0 一3 - 2i e c1 0 0 0 - 3 - 4 3 谐波测量标准 浙江大学硕士论文 i e cl o o 一4 7 以上标准中，i e c1 0 0 0 - 3 2 和i e c1 0 0 0 - 3 4 对各次电压和电流谐波分量都有 具体的限制，其影响也很大。i e e e5 1 9 1 9 9 2 对各次谐波分量也有限制，但它主 要是针对公共电网接点的谐波。由于i e c1 0 0 0 - 3 4 标准不容易满足，有的企业采 用i e e e5 1 9 - 1 9 9 2 标准限制三项设备的谐波。 1 3 谐波污染和无功功率问题的解决方案 为解决谐波和无功功率问题，就要补偿无功和抑制谐波，主要的方法有两种： 在电网侧对已经产生的谐波和无功功率进行补偿；或是对产生谐波的电力电子装 置进行拓扑结构和控制策略的改进，消除其谐波，输入电流和电压同相，达到单 位功率因数的目标。 针对电网的谐波抑制和无功补偿的办法主要有： ( 1 ) 安装无源交流滤波装置。 ( 2 ) 采用有源电力滤波器。 ( 3 ) 防止并联电容器对谐波电流的放大作用。 ( 4 ) 加装静止无功补偿装置。 以上都是针对电网的方法，非常被动，积极的对策应该是找到谐波产生的根 源，想办法对其加以改进。从传统上说，相控或者不控的整流装置是电网中的主 要谐波污染源头，所以要解决谐波问题，首先要对电力电子现有的整流方式进行 改进，寻找高功率因数，低谐波电流输入的整流方式。 在二十世纪七十年代，人们开始将p 删技术进入整流领域，并取得了良好的 效果。采用p w m 整流可获得单位功率因数和正弦化输入电流。嗍整流器因此而受 到人们越来越多的重视。p w m 整流器具有以下的优点：对电容、电感这类无源滤 波元件或储能元件的需求大大降低；动态性能也有很大的提高。 然而，受限于当时的环境，受电力电子器件发展水平的制约，人们并没有给 予嗍整流器以足够的重视。随着相关谐波标准的制定和强制执行，以及谐波污 染问题的加重，p w m 整流器的研究和发展又有了新的发展。全控型电力电子器件 的成熟和大容量化，为中大功率p w m 整流器的研制奠定了坚实基础。 1 4p 删整流器的发展状况 1 4 1 应用场合 进入2 0 世纪9 0 年代以后，p w m 整流器一直是研究的热点。对p i r m 整流器相关的 应用领域的研究也越来越多，在有源滤波、超导储能、交流传动、高压直流输电 及统一潮流控制等方面的应用，使p w m 整流器进入了越来越多的应用阶段。而这 些应用领域的研究，又促进了p w m 整流器及其控制技术的进步和完善。 在小功率应用方面，p 删整流器主要用于通讯电源、家用电器等，其功率因 数近似为l ，而且系统效率在9 0 n 5 以上。许继电源公司在引入东芝技术基础上，开 发出p o w e r s t a r 系列u p si 输入功率因数大于0 9 7 ，电流失真率小于2 5 ，稳压精 度小于1 5 ，功率等级可以做到1 0 0k v a 。 在中等功率应用方面，p w m 整流器主要用于传动领域，即可以实现输入侧高 功率因数、减少直流电压波动，又可以使得能量回馈给电网。例如国外富士公司 2 浙江大学硕士论文 生产的r h c 系列双p w m 交流传动系统，输入侧功率因数近似为1 ，可以高效率地进 行能量再生。a b b 公司生产四象限运行的交流调速系统，如a c s 6 1 1 a c $ 6 1 7 ( 容量 在1 5 k w - 1 1 2 胛) 。 在大功率应用方面，p 删整流器主要应用于灵活交流输电( f a c t s ) ，如有源滤 波器( a p f ) 等，以及轻型直流输电( l h v d c ) 方面。但是由于p w m 整流器的成本较高， 控制过程较为复杂，限制了其推广应用的范围。目前，三电平p w m 整流器的研究 也进入了新的阶段，主要应用于高压大功率场合，与两电平整流器相比，其输入 电流畸变率低，且每只元件承受的电压较低。因此，三电平p _ | v m 整流器日益成为 新的研究热点。 1 4 2 数学模型的建立 研究p w m 整流器数学模型是p 删整流器及其控制技术研究的基础。出现基于坐 标变换的p 肼整流器的数学模型之后，人们对p 删整流器的数学模型进行了仔细的 研究。r 札，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 nt r i m 和d o n gy h u 等利 用局部电路的d q 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。在此基础上，h e n g c h u nm a o 等人又建立了一种新颖 的降阶小信号模型，从而简化t p w m 整流器的数学模型及特性分析。 1 4 3 拓扑结构 在主电路拓扑结构方面，传统全控型器件构成的整流桥模式仍然是主流。其 控制策略是决定p w m 整流器发展的关键因素，p 嘲整流器控制对象是输入电流和输 出电压，输入电流控制是整流器控制的关键。p 删整流器的目的是使输入电流正 弦化，单位功率因数运行。对输入电流有效控制，实质就是对电力电子变流器的 能量流动进行控制，进而控制输出电压；控制变换器有功功率和无功功率流动， 可以控制输出直流电压和输入电流，也得达到使系统处于单位功率因数运行状 态。 p w m 整流器拓扑结构可分为电流型和电压型两大类。在小功率场合，p w m 整流 器拓扑结构的研究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 h 等对 四开关三相电压型p w m 整流器进行了建模与分析“1 。一般b o o s t 型变换器直流侧电 压大于交流侧电压峰值，为了实现降压功能，有学者对拓扑结构进行了改造，并 取得一定的结果“1 。对于大功率嗍整流器，其拓扑结构的研究主要集中在多电 平、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。而对大电流应用场合，常采用变流器组合拓扑结构，即将独立的 电流型p w m 整流器进行并联组合。与普通并联不同的是，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高效的高频 控制，即降低损耗的同时，提高了电流、电压波形品质。 同样，可以将电压型p 硼整流器串联组合，以适应高压大容量的应用场合”1 。 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 7 1 c s ) 控制的拓扑 结构和相应的控制策略，然而这一技术有待完善。 浙江大学硕士论文 1 4 4 三相p w m 整流器控制策略的研究 为了使电压型p w m 整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的 研究显得十分重要。在p w m 整流器技术发展过程中，电压型p 删整流器网侧电流控 制策略主要分成两类：一类是由j w d i x o n 提出的间接电流控制策略”1 ；另一类 就是目前占主导地位的直接电流控制策略。间接电流控制就是所谓的“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。由于间接电流控制的网侧电流的动态响应慢，且对系统参数 变化灵敏，因此这种控制策略已逐步被直接电流控制策略取代。 直接电流控制以其快速的电流响应和鲁棒性受到了重视，出现了不同的控制 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；滞环电流 控制；为了提高电压利用率并降低损耗，基于空间矢量的p 删控制：等等。这些 方案在电压型p w m 整流器中取得了广泛的应用，并提出了许多新的方案。 目前电压型p 1 】| 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，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。 同时，将一些较为新颖的策略简述如下： i 无电网电动势传感器和无网倒电流传感器控制为简化信号的检测”1 。 i n o g u c h i 等学者提出了一种无电网电动势传感器p w m 整流器控制策略。这一 研究主要包括两类电网电动势重构方案：一种是通过功率估计，另一种是通过电 流的偏差求导重构电动势。m r i e s e 贝l j 通过直流侧电流的检测来重构交流侧电流， 进而实现无交流电流传感器控制。 i i 基于l y a p u n o v 稳定性理论的p w m 整流器控制”。 针对p w m 整流器的非线性多变量强耦合的特点，常规的控制策略和控制器的 设计一般采用稳态工作点小信号扰动线性化处理方法，这种方法的不足是无法保 证控制系统大范围扰动的稳定性。为此，有学者提出了基于l y a p u n o v 稳定性理论 的控制策略。这一新颖的控制方案以电感、电容储能的定量关系建立了l y a p u n o v 函数，并由三相p w m 整流器的d q 模型以及相应的空间矢量p w m 约束条件，推导出相 关的控制算法。这方案较好的解决了p 跏整流器的大范围稳定控制问题。 1 1 1 直流电压时间最优控制。 p 州整流器的时间最优控制一般通过前馈解耦控制，并采用两个独立的p i 调节器，分别控制相应的有功、无功分量。而有功、无功分量间的动态藕合和p w m 电压利用率的约束，影响了电压型p w m 整流器有功分量的动态响应。 针对这一问题，有学者提出了直流电压时间最优控制。其基本方法是根据时 问最优控制算法求解出跟踪指令电流所需的最优控制电压，并在动态过程中降低 无功分量的响应速度，提高有功分量的响应速度，实现了时间最优控制。 i v 电网不平衡条件下的p w m 整流器控制 一般的策略研究总是假设电网是平衡的。实际上，电网经常处于不平衡状态。 当电网出现不平衡时，以三相电网平衡为约束所设计的整流器会出现不正常运 行。不正常的表现：p i l l 整流器直流侧电压和交流侧电流的低次谐波幅值增大，且 产生非特征谐波，同时损耗相应增大；p w m 整流器的交流侧电流不平衡，严重时 可使整流器故障烧毁。为使整流器在电网不平衡条件下仍能正常运行，有人 提出了不平衡条件下，网侧电流和直流电压的时域表达式。 电网不平衡条件下，常规的控制方法会使直流电压产生偶次谐波分量，交流 侧会奇次谐波电流。d v i n c e n t i 等人较为系统地提出了正序d q 坐标系中的前馈控 浙江大学硕士论文 制策略，即通过负序分量的前馈控制来抑制电网负序分量的影响。但是由于该方 法的负序分量在d q 坐标下不是直流量，导致p i 调节不能实现无静差控制因此，有 学者提出了正、负序双旋转坐标系控制，该方法实现了无静差控制，是较完善的 理论。但是，双旋转坐标系控制的结构比较复杂，运算量大。 随着现代控制理论的发展，一些新的控制模式，如无差拍控制( d e a d b e a t c o n t r 0 1 ) 、重复控制( r e p e t i t i r ec o n t r 0 1 ) 等，在逆变电源中的应用逐渐增多。 另外，无差拍控制和极点配置控制在p w m 整流器中也有所应用，一些新的控制方 式如模糊控制、混沌控制以及神经网络控制也逐步进入电力电子控制电路中。 1 4 5 本文研究重点 本论文的研究对象是三相电压型p w m 整流器及其控制策略，先建立整流器的数 学模型，对常用的控制策略空间电压矢量控制、以及直接功率控制策略的比较研 究，加入改进环节，构建了新的直接功率控制方法的开关表和滞环控制环节，并 设计了一个完整的双闭环控制系统，通过编程和样机搭建，用仿真和实验波形验 证了改进后的效果。 全文的主要内容和研究成果概括如下： ( 1 ) 分析三相电压型p w m 整流器( vsr ) 在a b c ，o1 3 和d q 坐标系下的数学模型， 建立了其在m a t l a b s i m u l i n k 开发仿真模块。同时分析vsr 的工作原理，为以 后控制策略的分析奠定基础。 ( 2 ) 对空间电压矢量( s v p w m ) 控制原理进行分析，使用m a t l a b s i m u l n k 仿真证实 该方法的正确性。根据其控制原理，在d s p 2 4 0 7 的平台上，编写程序，搭建样机， 得到实验波形。 ( 3 ) 用瞬时功率理论分析整流器中有功功率和无功功率流动状况以及整流器功率 控制原理，通过开关逻辑表，选择开关函数，实现直接功率控制( d p c ) ，并用 m a t l a b 仿真验证了该方法的可行性。同样的编程调试，得到的实验波形与s v p w m 进行最终比较。 ( 4 ) 在对上述两种控制方法比较分析的基础上，提出新的改进方法。即在dp c 方法中添加功率滞环控制环节，使开关表更准确合理。通过仿真结果和最终的实 验验证，证明该方法确实可行。 ( 4 ) 设计一台输出功率为2 k w 的双闭环控制三相p w m 整流器系统，给出系统的硬件 构成和软件设计。分析主电路参数、p i 参数选择方法，并对整个系统进行仿真和 实验研究。 浙江大学硕士论文 第二章三相电压p 删整流器的原理、拓扑及数学建模 因为自关断功率器件的出现和日益发展成熟，p w m 控制技术得到了飞速发展， 成为电力电子技术中一个非常重要的组成部分，它对提高电力电子装置的性能， 推动电力电子的发展起着巨大作用。 p w m 作为现代电力电子装置中常用的一种功率变换方式，它的基本原理是通 过对功率器件的导通与关断进行控制，使输出一系列幅值相等而宽度不相等的脉 冲，并按一定的规则对脉冲信号的宽度进行调制，既可改变输出电压的大小，也 可改变输出频率，大大加快系统的动态响应。而一般的调制方法是把希望的波形 作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的p w m 波形。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度成线性关 系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如在交点时刻控 制电路中功率器件的通断，就可以得到幅度不变，宽度与调制信号的瞬时值成正 比的脉宽调制波。 将p w m 技术应用于三相整流器，是为了获得高功率因数和低谐波，从而更加 适应工业领域对整流器的要求。 2 1 整流器的拓扑的分类 关于p i l l 整流器拓扑结构的研究，对于小功率场合，主要集中在减少功率开关 和改进直流输出性能上。对于大功率的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面。对于p w m 整流器，电压型 一般为b o o s t 型变换器电路：电流型一般为b u c k 型变换器电路。 多电平拓扑结构的p w m 整流器主要应用在高压大容量场合，所以常采用变流 器组合的拓扑结构，即将独立的电流型p w m 整流器并联组合，或将独立的电压型 p w m 整流器串联组合形成新的拓扑结构。这样，就可以实现以较低的开关频率获 得等效的高开关频率的控制，适应了高压大容量场合的工作环境。在降低功率损 耗的同时，有效提高了p _ i j y m 整流器 的电流、电压波形。 目前，p 删整流器的拓扑结构也有基于软开关( z v s ，z c s ) 控制的，但这一技 术并不完善，有待进一步完善与改进。 总的来说，p w m 整流器的组成，拓扑结构形式多样，所以有很多种分类。 按照电网相数分有：单相、三相和多相。 按照p 删整流器开关调制分有：硬开关调制和软开关调制： 按照调制电平分有：两电平、三电平和多电平： 按p w m 开关调制分类有硬开关调制和软开关调制p w m 整流器： 按桥路结构分类，有半桥电路和全桥电路p 删整流器： 但最基本的也是常用的分类是：按照直流储能形式分有：电压型( v s r ) 和电流 型( c s r ) 两大类。 6 浙江大学硕士论文 电压型( v s r ) 和电流型( ( c s r ) p 跏整流器无论是在主电路结构、p 嘲信号发生 以及控制策略等方面各有自己的特点，并且两者间存在电路上的对偶性 电压型p w m 整流器( v o l t a g es o u r c er e c t i f i e r 简称v s r ) 显著的拓扑结构 特征就是直流侧采用电容进行直流储能，从而使v s r 直流侧呈低阻抗的电压源特 性。 电流型p 1 v m 整流器( c u r r e n ts o u r c er e c t i f i e r 简称c s r ) 的拓扑结构特点 是直流侧采用电感进行储能，使c s r 直流侧呈现高阻抗的电流源特性。 由于电压型p w m 整流器的实现相对容易，并且具有较简单的拓扑结构和控制响 应速度，配置简单的输入滤波器即可实现较低的电磁干扰等特点，目前的研究多 集中在电压型p w m 整流器上。木文的研究重点也集中在三相桥式v s r 拓补结构的 p w m 整流器。 2 2p 删整流器工作原理分析 2 2 1 三相p w m 整流器工作原理 n 2 2 2 a 三相p 硼整流器拓扑图 图2 2 2 a 是三相桥式电压型p 删整流器的电路拓扑。这是本文中研究v s r 的主要拓扑结构。v t i v t 6 是自关断器件，代表i g b t 。通过对电路进行p w m 调制， 使得整流桥的交流输入端产生正弦刚电压，对各相p 咖电压进行控制，就可以 使得各相电流i a 、i b 、i c 为正弦波且和电压相位相同，从而使功率因数为l 。 当工作在整流状态时候，能量从电网侧流向直流侧的负载；当工作于逆变状态的 时候，工作类似三相电压型逆变器，可以使直流侧的能量回馈到交流电网侧。 2 2 i 1 空间电压矢量概念的提出 十九世纪的9 0 年代末期，p a r k 提出了著名的p a r k 方程，为交流电机及电 力系统暂态过程分析奠定了基础。随后k r o n 将他的理论系统化，形成了“交流 电机统一理论”。按照这一理论，常对电机作如下假设： a 忽略空间谐波，假设三相绕组对称，且在空问上互差1 2 0 0 b 磁势沿着气隙圆周，按照正弦规律分布 c 忽略铁心损耗、磁路饱和 d 忽略温度和频率变化对三相绕组的影响 在三相v s r 中，不存在空间对称分布的三相绕组，但从纯数学的角度看，依 7 浙江大学硕士论文 然可以定义数学意义上的空间以及在它上三个互差1 2 0 0 的坐标系概念。这样交流 电机统一理论中的空间坐标系概念可以直接移植过来，可以定义出三相v s r 系统 中相应的电压电流合成矢量和开关函数向量。 对上述拓扑，用“1 ”表示某相上桥臂导通，下桥臂关断( 上下不能同时导 通或关断) ；用“0 ”表示上桥臂关断，下桥臂导通。构建开关函数如下： 辨 o 上桥臂关断1 i = a ，b ，c 上桥臂导通j 组合起来，共有8 种开关状态( 0 0 0 1 1 1 ) ，其中0 0 1 1 1 0 为6 个非零向量， 称为有效开关状态；0 0 0 、i i i 为2 个零向量，此时整流器只有上桥臂或下桥臂 的器件导通。一般应按照功率开关切换次数最少原则来选择零向量。三位的数值 分别对应a b ，c 三相的开关状态。 2 2 1 2 三相v s r 换流过程和工作原理 假定三相电压电源为正弦波，且三相对称。 可以看出，每隔6 0 0 就有一相电流改变极性。电流极性的变化会影响到主电 路的换流方式。当三相调制波沿着时间轴变化一周时，电压空间矢量旋转一周。 在每个6 0 0 的空间里，除了有6 个非零向量以外，都含有2 个零向量( 0 0 0 、1 1 1 ) 下面以其中一个u 矿u 萨u f o 为例，说明主电路的换流方式( 暂不考虑电路 的死区时间) 此区间情况设为u a o ，u b o ，u c ( o ，为了实现单位功率因数，则有 i a ) o ，i b o ，i c o 其换流过程如下： 设初始开关状态为0 0 0 ，此时三相下桥臂导通，电流极性决定了实际导通的 器件为t 4 、d 6 、d 2 ，桥臂输入端线电压为u 矿啦弘= o ，三相电感l 被充电； 然后进入1 0 0 的开关状态，此时a 相上桥臂导递，b 、c 相下桥臂导通。电 流极性决定导通器件是d 1 、d 6 、d 2 ，此时桥臂输入端线电压u 。= u d ，u 萨o ，u a = 一u 。， 三相电感向c 充电； 再进入1 1 0 开关模式，此时，a 相、b 相上桥臂导通，c 相下桥臂导通。电 流极性决定了导通器件为d 1 、t 3 、d 2 ，输入端线电压u , b = o ，u 矿u d ，u a = 一u 。， b 相电感对c 充电； 然后进入1 1 1 开关模式，此时a 、b 、c 相都是上桥臂导通，实际导通器件是 8 力力 3 3 2 2 一 + w w 瞄 渊 差宝 = j j = 虬以 浙江大学硕士论文 d 1 、t 3 、d 5 ，桥臂输入端相电压为u 艋- u 萨乩= o ，三相电感被充电 后面进行的开关模式分析方法同上； 对其他5 个电流换向的础扇区，换流方式和前类似。在单位功率因数条件 下，控制相应的开关器件的通断，也可以使得电源侧三相电压和电流方向相反， 实现单位逆变。 2 3 三相电压型p w m 整流器数学模型的建立哪嘲 建立数学模型是深入分析和研究p w m 整流器的机理和动静态特性的重要方 法。本章从低频和高频的角度，分别建立了v s r 在三相静止坐标系、两相静止坐 标系、两相旋转坐标系下面的低频模型和高频模型，为本文后续章节的研究奠定 了理论基础。 低频数学模型特点是忽略与开关频率相关的高频谐波，基于整流器的基波分 析得到的。通过低频模型，可以得出稳态时整流器的向量图，用几何图形可以清 晰表示出v s r 的工作机理和各物理量之间的关系。低频模型适合控制系统的设 计，可直接用于控制器的设计。由于低频模型忽略了开关过程的高频分量，不能 进行精确的动态波形仿真。 高频数学模型是基于开关函数建立的，适合于v s r 的波形仿真。但不能用于 指导控制器的设计，跟低频模型互相弥补。 2 3 1a b c 静止坐标系的低频模型 三相v s r 的主电路如图2 2 2 _ a ，整流器交流侧等效电路如下图2 3 1 a ， n 为电网中点，i 为输入电流，方向如图中箭头所示。u 。是v s r 输出直流电压， 方向是上而下，如箭头所示。u ，是整流器输入电压，为工频正弦波。g 为电容 中点，三相电路相互独立，图2 3 1 b 是a 相等效电路的向量图。 图2 3 1 a 输入侧等效电路 9 浙江大学硕士论文 e a i a * r s 图2 3 1 ba 相向量图 设三相电网电压为： l 玑= u n t o c o s w ll = c o s ( w t 一2 3 n - ) 【址= 吒c o s ( w t + 2 3 n ) j 设整流器输入电流基波为： f 乇= i 。c o s ( w t - 妒)1 毛= i 。c o s ( w t 矿一2 n 3 l 【t = i 。c o s ( w t 一声+ 2 n 3 ) j 设整流器控制函数为： i 睨= m c o s ( w t - a )i = m c o s ( w t 一口- 2 t r 3 ) 【= m c o s ( w t 一位+ 2 n 3 ) j m 是调制比，o m l ，忽略v s r 的时间滞后， 关系是： l a ( 2 3 1 - 2 ) ( 2 3 1 - 3 ) 整流器的输入电压和控制电压的 一u 2 0u d i 2 a ，b ，c( 2 3 1 4 ) 式中，是整流器输出电压。整流器瞬时输入功率为： p i 。= u ，。i i + u + u ，。i o ( 2 3 1 5 ) 将式式2 3 卜1 ，式2 3 卜2 ，式2 3 1 - 3 ，式2 3 卜4 代入式2 3 卜5 ，可 以得到： p i 。= 昙mi m c o s ( a - d ) 整流器瞬时输出功率为： p 州= u o i o ( 2 3 卜6 ) 不计输入电感的等效电阻，假设整流器是无损网络，根据功率平衡原理，瞬 时输入功率= 瞬时输出功率。联立2 3 卜6 式和2 3 1 - 7 ，可得输出电流为： l o 浙江大学硕士论文 毛= 兰m i c o 啦一 由上式可知，当三相输入电压和电流对称时，整流器输出电流为恒定的直流， 输出滤波电容无低频电流通过。三相p w m 整流器输入瞬时功率恒定，而单相整流 器输入功率不恒定，功率分量中有100t t z 的低频分量。因此，单相整流器输 出滤波电容有滤除高频纹波和低频纹波的双重功能，而三相p 州整流器输出滤波 电容只滤除高次谐波，容量可以比单相的小。整流器直流侧方程是： 净警+ ，r 将式2 3 卜8 代入上式，可以得到： c 警吲r = 互a mi m c 础钠 上式中，令皇錾：0 ，可以得到v s r 稳态时输出电压表达式： d t u o = i - m r i 。c o s ( 口一妒) 根据整流器等效电路，p 嗍整流器交流侧的低频方程： t 鲁 磅 厶鲁 = 一0 r s 。0 料2 0 1 000-rs0 01 = i l i 良l 一ll li hii u c b ( 2 3 ，l l o ) f 1 0 0 1 + l0 10i _ o1 j 虬 址 ( 2 3 1 - 1 2 ) 从上式可以看出，v s r 三相输入电流受调制电压的控制，不管采用什么策略， 对整流器输入电流的控制都是通过调节控制电压实现的，这是p 州整流器控制的 本质。从稳态向量图可以看出，通过调节控制电压的幅值和相位，整流器输入电 流向量可以位于任意象限，可以实现四象限运行。 2 3 2p 喇整流器的低频空间矢量图 按照图2 3 1 b 的向量图，是单相等效电路，对三相电路，可以引入矢量空 间的概念。按照p a r k 变换的原理，在静止坐标系上的三相正弦量，该矢量在静 止a b c 坐标轴上的投影即是三相正弦量。选定三相静止坐标的a 轴和p a r k 矢量 复平面的实轴重合，p a r k 矢量定义为： z ( f ) = 妄【吒( ，) + 口( f ) + 口2 矗( f ) 】 ( 2 3 2 - 1 ) 口为旋转因子，口= 一1 卯，x o ( t ) 、( f ) 、( f ) 是a b c 坐标系下的三相物理 量 根据p a r k 变换的定义，整流器电网电压空间矢量瓦定义如下： 浙江大学硕士论文 瓦= 委( u s a + p ，倒+ p 叫矿) = u m e j ( w - # ) j 整流器输入电流矢量定义为： 7 = 要( 乇+ 一1 舻+ i c e - j 啪- ) = l 。一埘_ ) j 整流器输入电压矢量定义： 万= 委( “。+ u d 1 酽+ t t r c e m 矿) = 【，二一忡一种 j 整流器交流侧的方程： l ，, 击+ r , 7 = 瓦一巧 ( 2 3 2 - 2 ) ( 2 3 2 - 3 ) ( 2 3 2 4 ) ( 2 3 2 - 5 ) 将方程2 3 2 5 表示成空问矢量图，在复平面表示如下图所示： 十jl u s 避k ， 2 3 2 p w m 变换器低频空间矢量图 如图所示，空间各矢量的相对位置保持不变，都以工频w 的角速度作逆时针 旋转。通过对整流器输入电压相位和幅值的控制，就可以控制电流空间矢量和电 网电压空间矢量之间的相对位置，实现p w m 整流器的四象限运行。 2 3 3 两相坐标系下低频数学模型“”鲫 两相坐标系包括两种：静止坐标和d q 旋转坐标。上面的分析是基于三相静 止坐标，通过坐标变换，可以把三相静止坐标变换到两相坐标。通过这样的变化， 降低了系统的阶次，系统的分析和处理变得相对容易。从三相静止坐标到两相静 止坐标的变换是： 阱店 1 一三一三 22 。 鱼一鱼 22 件圈 k jk j 从两相静止坐标到三相静止坐标的逆变化为： 1 2 浙江大学硕士论文 ：小 【专 压 2 压 2 阡m 嘲 考虑到c 3 s 2 s c 3 。，= j ( 单位矩阵) ，可得到p w m 整流器在n 猡静止坐标系下面 的状态方程： 厶鲁 磅 = ：c ：。t 。a c 。，。； ： c 。，：。s i c 。；，。u lr , , o ( 2 3 3 - 3 ) 式中： 常刈睥雕卜i i 司 将a ，马，岛代入2 3 3 3 ，可以得到n 移静止坐标系下面的状态方程： 鲁 哮 = 卜：删一 o l r u - 1 + 嘲列 下面推导p 删整流器在d q 同步旋转坐标系的数学模型。假设d q 坐标系的d 轴在t = o 的初始时刻和口轴重合，可以得到静止坐标系与旋转坐标系的变化关系 如下： 乏 = 。一c o 。s ，w 。w t 。i 三习 乏 = g 。， 乏 。c o ，脚s w 。t s c o 觚s - t 料j l x 。jg 。，翻 上述的变换是静止坐标和旋转坐标之闻的变换，必然是时间的函数，对变换 阵的求导应该考虑到其时变特性。这两种坐标系下的输入电流之间的关系： 浙江大学硕士论文 程： 甜如捌卜：制+ 争 朝 删十醐嘲 综合式2 3 3 - 1 2 3 3 - 7 ，可以得到p 啊整流器在d q 坐标下的交流侧状态方 t 鲁 磅 最：地 - ：蚴 从上式2 3 3 8 可以看出，在静止三相坐标系中解耦的状态方程经过d q 变 换后，相互耦合；a 猡变换和d q 变换将三相变量变换成两相，可以简化控制系统 的分析和设计。基于筇变换和d q 变换的控制策略在电气传动领域已经得到了广 泛的应用。 2 3 4 基于开关函数的高频通用数学模型嘲 在低频数学模型中，忽略了整流器输入电压中的高次谐波，实际上是一种状 态空间平均模型。低频模型适合于系统分析设计，但不能反映整流器的高频工作 机理。下文中，通过开关函数的定义，建立了整流器的高频数学模型。因为整个 建模过程很少引入假设条件，所以得到的模型称为高频通用数学模型。高频模型 能如实的反映整流器的高频运行机理，是p 删整流器的精确数学模型。 三相p 删整流器分为不带中线和带中线结构两种，本文中用到的是不带中线 的三相三线结构，其拓扑结构如下所示： p l = | 。 s c l = rj d e g f j c 2 一 亏 1 4 浙江大学硕士论文 图2 3 4 a 不带中线的p 咖整流器结构筒图 对上图设n 为电网中点，g 为电容中点，c ，= g ，u c 。= u 。：= u o 2 成立。定义开 关函数s a ，s b ，s c 如下： 。 1 1b 上桥臂导通 。1 1c 上桥臂导通 2 1 0 b 下桥臂导通5 6 c2 1 0 c 下桥臂导通 2 警( 2 只- 1 ) ；”m = ( 勰m = 专- ( 2 s o 1 ) 由k v l 可得下列方程： 一醌一t 鲁= + “1 一她一鲁= + 讲 k r # c k 氅g i g = u 略+ 。 ( 2 3 4 - 2 ) 综合式2 3 4 - i 、2 3 4 - 2 ，且+ + = o 可得电容中点电压： = 一；( 只+ 最+ s o + 三+ j 1 ( + 十虬) 若电网电压对称，+ + 虬= o ，上式可以简化为： = 一言( & + 墨+ 疋) + 寺 根据k c l ，对整流器直流输出节点列式可得： 屯鹕峨却鲁+ 等 综合式2 3 4 - 2 、2 3 4 - 3 、2 3 4 - 5 ，可得整流器数学模型： 击 三- 三 。出 d i 工i 。西 西 工o 毋 c 生 击 一