（电力电子与电力传动专业论文）基于可逆pwm整流器的蓄电池充放电装置的研究.pdf

安徽理工大学硕士学位论文 a b s a c t w i mm o r ea i l dm o r e 、v i d eu s eo f s t o r a g eb a 佳e r yi nm o s tf i e l d s ，h o wt oc h a 唱et h e b a t t e 巧q l l i c 心y s a f c l y ，a f l de 饪i c i e n n yb e c o m e sv e r yi m p o r t a l l t r e c t i 母i n gu s i n g t 1 1 y r i s t o ri sa d o p t e d 访m o s t 仃a d i t i 伽l a ld c v j c e s t h o u 曲i th a sc o m p 】e t et e c h i l i q u e 如d l o wp r i c e ，i ta l s oh a sm 越玎d i s a d v a n t a g c s ，s u c h 雒，l o wi n p u tp o w e rf a c t o rc a u s i f l gt l l e c 岍c n ta b e m 吡，l o ww d r k i n g 丘明u e n c ym a k i n gt h ed e v i c eh u g ea i l do n i y o n e - 、v a y t r a n s f o m a 蛀o no f e n e r 留w h ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e re l e c 哟i l i cd e v i c e 觚dc o n 昀l t e “q u e ，t 1 峙s t o r a g eb a t t e l yc ：i l a l 氍s y s i e m 埘l lh a v ec h a m c t e 心o f h i g h 船q u c n c y ， h i 曲e 佑c i 胁c y 锄d 锄a l lv o l 啪e ah i g l l - e 伍c i e n c y ，h i g l l - p o w c rf a c t o r 趾d e n e r g y 。s a v i n gp w ms t o r a g eb a _ r yc l l a r g i n g 柚dd i s c h a r g i n gs y s t 锄i sp r 豁e n t e di l l t h i sp a p e l r e v e r s i b l ep w mc o n v 嘶e rc a nr e a l i z e 疵tp o w e rf a c t o r ，c o n s c a mv o l t a g eo 咖u t a n dt 、v o w a yt r a i i s f o m i a t i o n o f e n e r g y i nt h i sp a p e r ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l ca l l dc o m r o l m e t h o do f s i n g l e - p h a s ca n dt 1 1 r e e - p h a s ec o n v e n e ri sa 1 1 a l y z e d 1 1 1 e 埘n c i p l eo f v o l t a g e s p a c ev e c t o r sa n dh o w t oa c h i e v es v p w mi sp r e s e n t e d t h et h r e e - p h a s ec o n v e 蹴r b 黜d o nt h ei n t e l l i g e mp o w e rm o d u l e ( 删) i sd e s j 卸e d 1 kc o n t r o la l g o r t t h mi sw m t e nw 妯t l l et i c o m p y sc o m m o nd g i t a ls i g 脚p r o c c s s o r1 m s 3 2 0 f 2 4 0 ar e v e r s i b l ed c 册cc h o p p e rc u 主ti sd e s i 卸e da 1 1 di tc a nr e a 王i z e 吐i ec o i m o lo f c h a r g ea l l dd i s c h 鹕ec u r r e n to f b a n e t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f i ti nd i 戢r e mw a y si s a n a l 弘r e d a c c o r d i l l gt oi t sp e c i l l i 撕t y ，w ea d o p tt i l ei n t e l i e c t u a lc o n t r o im e t l o d t 砖c o n 臼d l m o d e if o rc h a 唱ei sb i l i l da n dt l 他s i m u l a t i o n 锄a i y s i si sg i v e n t h cd e s i g no f c o n n d lh a r d 呲o f s y s 蛔mb 越e do nt m s 3 2 0 f 2 4 0i s 锄a l y 臻d s o 呲 i m p o r t a mh a r d w a r es c l e m a t i c s 锄ds o r w a 糟f l o 、- c h a r ta r ep 豫s e n t o di nm i sp a p t h e e x l ) e r i m e m a lr e 砌t so f t l l es y s t e mi n d i c a t et l l a tt l l ei n p u tp o w e rf 如t o ri sc l o s e t o1 ，t l l eo u t p u t v o l t a g eo f t l l er e c t i f i e ri ss t a b l ea n dt l l eb a n e r yc h 鹕e - r e c h a r g ec u r r e n t o f h i 曲q u a l i t yi sa c h i e v 甜 f i g u r e 【8 0 】t a b l e1 2 】t e f e r e n c e 【3 2 】 k e y w o r d s ：s t o r a g eb a n e 吼c h a 唱ea n dd i s c h a r g e ，p w mr e c t i f i e r v o l t a g es p a c e v e c t o r s d s p c h i n e s eb o o l 【sc a t a l o g ：t m 9 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞徼堡三太堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：畏并 签字日期：j * 声6 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞筮堡三太堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞缝堡三 态堂可以将学位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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 学位论文作者签名：关屏导师签名： 签字日期：2 占年g 月，日 签字日期：巧月7 日 引言 引言 蓄电池是化学电池的一种，所谓化学电池是指能将化学能直接转换为电能的 装置。一般使用的化学电池分为原电池和蓄电池两种。原电池只能使用一次，即 我们所说的干电池，蓄电池可以多次反复使用。用适当的反向电流通入蓄电池， 则可将电能转化为化学能储存起来，这种反向充电补充能量的过程即是蓄电池充 电过程；而蓄电池将自身的能量以电能的形式供给外线路的过程即放电过程。目 前主要的蓄电池有多种，如：密封铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、镍氢蓄电池和锂离 子蓄电池等。作为一种储能设备，蓄电池具有电压稳定、供电可靠、移动方便等 优点，它广泛应用于国民经济的各个部门，如电动交通车辆、煤炭矿山、不间断 电源等。 在蓄电池生产过程中，为了保证产品质量，常需对成品蓄电池进行几次充放 电处理。蓄电池的充、放电技术是与蓄电池相伴而生的，与蓄电池的发展和应用 有着密切的关系。蓄电池充、放电装置性能直接影响着蓄电池的技术状态、使用 寿命，并决定着放电时对电网污染程度。 传统的充放电设备大部分采用充电器和放电器两套独立设备，充电器主要由 晶闸管可控整流器组成，存在装置比较复杂、网侧功率因数低、谐波污染严重等 问题；放电器主要以纯电阻为负载，将大量的电能转变为热能而浪费了，若采用 可控硅有源逆变的方式进行放电，一方面容易发生逆变颠覆现象，另一方面深度 相控下对电网的污染也相当严重。现阶段大部分蓄电池充、放电装置采用的是相 控式低频晶闸管整流电路，该类装置不但动态响应差，而且庞大、笨重、效率低、 可靠性差；同时这种装置功率因数较低，而且向电网注入了大量谐波。这样不仅 造成了电网的谐波污染，更使电能传输和利用效率降低。 近几年来，国内外广泛开展了对智能控制蓄电池充放电装置的研究，也提出 了一些产品，如基于s p w m 技术的蓄电池充放电装置等，能够达到较高的功率因 数，具有一定的节能效果，但仍然存在消除谐波效果不佳，直流电压利用率不高 等不足。 考虑到以上蓄电池充放电方式所存在的不足，本文设计了一套集充、放电于 一体的蓄电池智能充、放电装置：采用空问电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术， 以高频p w m 可逆整流电路为基础，把蓄电池充、放电装置中的p w m 可逆整流电路 的入端电压在复平面上合成为空间电压矢量，并通过不同开关状态构成的八个空 间矢量去逼近电压圆以此在p w m 可逆整流电路的交流输入端得到等效的三相正弦 安徽理工大学硕士学位论文 s v p w m 波形；同时采用一种可逆d c d c 变换电路，根据充放电指令要求产生的电 流指令与检测到的电流反馈信号和电流调节器构成电流闭环控制。该装置具有以 下特点： ( 1 ) 可逆p w m 整流器既使该装置既能工作于整流状态又能工作于逆变状态、 即实现能量再生。 ( 2 ) 实现了网侧单位功率因数，大大降低了装置对电网的谐波污染。 ( 3 ) 采用馈能放电，将蓄电池电能回馈到电网，大大节省了电能。 ( 4 ) 可逆p w md c d c 控制使该装置既能充电又能放电。 ( 5 ) 蓄电池工作模式和参数设定非常方便。 ( 6 ) 友好的人机界面。 2 第1 章绪论 1 1 概述 1 绪论 蓄电池作为一种储能设备具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点，在电 动交通车辆、电力系统、不间断电源( u p s ) 等工业领域获得了广泛应用。 蓄电池的充放电装置和蓄电池生产相伴而生的，根据对蓄电池充电方法的不 同有不同的蓄电池充电装置f l 】。例如，蓄电池用户对蓄电池充电装置的要求是在最 短的时间内充足电能，且要保证蓄电池的使用寿命。通常使用二阶段充电工艺， 即第一阶段为恒流充电，第二阶段为恒压充电。充电过程的电压u 、电流i 曲线如 图l 所示。对蓄电池的要求是只充不放，因此充电装置的要求比较低。 li 。 二 二二j = 二互孑 图1 蓄电池两阶段充电曲线 f i g lt h et w 0 - s t a g ec u r v eo f c h a 唱i n gs t o 阳g eb a n e r y 对于蓄电池生产厂家，生产的蓄电池在出厂前，需要对蓄电池的性能进行测 试，通常是通过三充、两放的充放电过程后，测试每节蓄电池的性能。通常的工 艺要求是恒流充电3 小时，放电2 小时，再充电3 小时，再放电2 小时，最后再充电3 小时。为此，对蓄电池的要求是能充、能放，即要求具有可逆充电功能。 目前，对于能充能放的充电装置，有以下几种方案： 1 晶闸管整流器充电，通过电阻放电 主电路结构如图2 所示。当开关s 打到l 位时，晶闸管整流器对蓄电池充电；当 s 打到3 位时，蓄电池对电阻放电。这种方案的优点是电路结构简单，造价低，但 具有效率低，功率因数低的缺点。 3 安徽理工大学硕士学位论文 s 图2 晶闸管整流器充电、对电阻放电装置 f i 9 2t h ed e v i c eo f c h a 画n gl l s i n gt l l y t i s t o h 优t i f i e ra n dd i s c h a r g m gu s i n gr e s i s t a | 1 c c s 2 用开关换向的晶闸管可逆充放电装置 主电路如图3 所示。当开关s l 、s 2 闭合，s 3 、s 4 断开时，晶闸管整流器v 对蓄电 池e 充电，v 工作在整流状态；当开关s 卜s 2 闭合，s 3 、s 4 断开时，v 工作在有源逆 变状态，蓄电池向交流电源放电。这种方案的特点是运放效率高。 s 3 s 2 图3 用开关换向的晶闸管充放电装置 f i 醪t h ed e v i c eo f c h a r g i n g 粕dd i s c h a 唱i n gu s i n gs w i t c h e s 3 反并联晶闸管充电装置 主电路如图4 所示。当v f 工作在整流状态时，对蓄电池充电；当v r 工作在逆 变状态时，蓄电池对交流电源放电。 图4 反并联晶闸管充电装置 f i 9 41 1 l ec h a 画n gd e v i c eo f p 锄l l e lc o n n c c t i o ni nr e v e r s e 卜上工矿 一 第l 章绪论 上述三种充放电方案都存在晶闸管整流装置的功率因数低，谐波电流大，滤 波电抗器体积大的缺点。 本文提出的基于可逆p w m 整流器的充放电装置可以克服上述方案存在的缺 点。基于可逆p w m 整流器的充放电装置结构如图5 所示。p w m 整流器将交流电转 变成电压稳定的直流电源u d ，经由v l 、v 2 、v d 卜v d 2 组成的d c d c 变换，对蓄电 池充电及放电。 上v l 。吲 一 l i i上厂 j ft u d 1 k 本 i v zl j v d 2 i l e p w m 豫褫器 图5 基于p w m 整流器的充放电系统 f i 9 5t h es y s t e mo f c h 嘴i n g 柚dd i s c h a 喀i n gb a s c do np w m r e c t m e r 本装置能够减小对电网的污染，增加智能控制功能，即实现充、放电过程无 人值守，全部实现自动控制，可以提高生产效率。 1 2 电力电子技术的发展 蓄电池充放电装置的高频化、提高能源利用率等离不开电力电子技术的发展。 电力电子技术( p o w e re l e c 仃o i l i c st c c h n o l o g y ) 是利用电力电子器件对电能进行控 制和转换的新型学科，广泛应用于机电一体化、电机传动、新能源、航天、核电、 激光、材料等领域。因而，电力电子技术的发展是以电力电子器件为核心，并伴 随着变换技术和控制技术的发展而发展的【2 】。 1 2 1电力电子器件的发展 电力电子技术真正的丌始是由于1 9 5 7 1 9 5 8 年第一个反向阻断型可控硅s c r ( s i l i c o n c o n n d l l e dr e c t m e r ) 的诞生，后称晶闸管( 廿l 徊s f o r ) 。一方面由于其功率 变换能力的突破，另一方面实现了弱电对以晶闸管为核心的强电变换电路的控制。 在随后的2 0 年内，随着晶闸管特性不断的改进及功率等级的提高，晶闸管已经形 成了从低压小电流到高压大电流的系列产品。同时还研制出一系列晶闸管的派生 器件，大大地推进了各种电力变换器在矿山、电力等行业的应用，促进了工业的 5 安徽理工大学硕士学位论文 技术进步。 但是下述几项缺点阻碍了晶闸管系列器件的继续发展：半控型器件的关断 必须另用由电感、电容和辅助电源组成的强迫换相电路，结果使得电路复杂、整 机体积增大、效率降低、可靠性下降。由于器件的开关速度难以提高，一般情 况下低于4 0 0 h z ，大大限制了它的应用范围。由于相控运行方式使电网及负载上 产生严重的谐波，不但电路功率因数低，而且对电网产生“公害”。随着工业生 产的发展，迫切要求新的器件和变换技术出现，以改进和取代传统的电力电子技 术。 2 0 世纪7 0 年代后期，尤其是2 0 世纪8 0 年代以后，各种高速、全控型的器件先 后问世，并获得迅速发展。如可关断晶闸管g t o ( g a t e t 啪o f f t h y r i s t o r ) 、大功率 ( 巨型) 晶体管g t r ( g i a n tn 锄s i s t o r ) 、功率场效应晶体管p o w e rm o s f e t ( m e t a l o ) 【i d es e l l l i c o n d u c t o r ) 、绝缘栅双极晶体管i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a r t m s i s t o r ) 、静电感应晶体管s i t ( s 惦t i ci n d u c t i o n 仃狮s i s t o r ) 、静电感应晶闸管s 肺 ( s t a t i ci n d u c t i o nt l l 蜘s t o r ) 、m o s 晶闸管m c t ( m 0 sc o n t m l l e dm 蜘s t o r ) 等。变 流装置中的普通晶闸管逐渐被这些新型器件取代，新的结构紧凑的变流电路随之 出现，它具有功率增益高、控制灵活、动态特性好、效率高等优点。 随着集成工艺的提高和突破，2 0 世纪8 0 年代中期电力电子的另一重要的进展 是诞生了功率集成电器，也称p i c ( p o w e r i c ) 和智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n t p o w e r m o d e l ) ，这些器件实现了功率器件与电路的总体集成，它使微电子技术与电力电 子技术相辅相成，把信息科学融入功率变换。器件实现了多功能化，不但具有开 关功能，还增加了保护、检测、驱动等功能，有的器件还具有放大、调制、振荡 及逻辑运算的功能，使强电与弱电达到了完美的结合，应用电路结构大为简化， 电力电子应用范围进一步拓宽。功率集成电路又分为高压集成电路h v i c 和智能功 率集成电路s p i c ( s m a i t p o w e r i c ) ，而i p m 则是i g b t 的智能化模块。目前p i c 和i p m 器件的发展非常迅速。 目前，电力电子器件的发展向着大容量、高频、易驱动和智能化发展。已商 品化的全控型器件将朝着大功率、易驱动和高频率这三个方向继续发展。随着新 器件的成熟和实用化，i g b t 电压、电流容量的进一步提高，g t 0 快速性能的改进 等，普通晶闸管和电力晶体管的应用范围将被迫缩小。功率集成电路集电力半导 体器件、驱动电路、传感器和诊断、保护、控制电路之大成，这些智能化的功率 集成电路的诞生预示着电力电子技术即将进入智能化的时代。 一6 一 第l 章绪论 1 2 2电力电子变换器的发展 电力电子器件特性的每一步新发展都引起了变换电路和控制技术的相应突 破。首先是在变换器主电路上，各种各样优化的主电路拓扑结构相继产生，如高 功率因数p w m 整流器，以满足高效、高可靠变换的要求。其次是器件的驱动和保 护电路的日益完善，并逐渐模块化和集成化。目前电力电子变换器绝大多数用于 功率变换，如a c d c 变换、d c a c 变换、d c ，i ) c 变换和a c a c 变换等。在某些变 换装置中，可能同时包含两种以上变换器。 本文所提及的蓄电池充放电装置就包括可逆a c ，d c 交换和可逆d c d c 变换两 种变换器。 把交流电压变换成固定或可调的直流电压，即为a c d c 变换，如晶闸管可控 整流器、p w m 整流器等。传统的a c d c 变换是利用晶闸管和相控技术，依靠电网 电压换流实现的。相控晶闸管具有对称的阻断特性和较低的响应速度，这类整流 的特点是控制简单，运行可靠，适宜超大功率应用。而存在的问题是产生低次谐 波，对电网是滞后功率因数的负载，这种非线性负载的迅速增多对电网产生了严 重影响。传统方法是采用笨重的无源滤波器，同时使用开关电容或可变电抗器并 联电容对其进行无功补偿。 p w m 整流器的研究始于2 0 世纪8 0 年代，这一时期由于自关断器件的日趋成熟 及应用，推动了p w m 技术的应用与研究。1 9 8 2 年b l l s s ea i f r e d 、h o l t zj o a c h i m 首 先提出了基于可关断器件的三相全桥p w m 整流器拓扑结构及其网侧电流幅相控制 策略，并实现了电流型p w m 整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制。1 9 8 4 年 a k a g ih i r o f i l i n i 等提出了基于p w m 整流器拓扑结构的无功补偿器控制策略，这实 际上就是电压型p w m 整流器早期设计思想。到2 0 世纪8 0 年代末，随着a w g r e e n 等人提出了基于坐标变换的p w m 整流器连续、离散动态数学模型及控制策略， p w m 整流器的研究发展到一个新的高度。自2 0 世纪9 0 年代以来，p w m 整流器一直 是学术界关注和研究的热点。随着研究的深入，基于p w m 整流器拓扑结构及控制 的拓展，相关的应用研究也发展起来，如有源滤波器、超导储能、交流传动、高 压直流输电以及统一潮流控制等。这些应用技术的研究，又促进了p w m 整流器及 其控制技术的进步和发展。 把固定或变化的直流电压变换成可调或恒定的直流电压即为d c d c 变换器。 按变换电压体制可分为降压式、升压式和升降压式。按线路拓扑可分为单端、双 端及桥式电路。通常以直流p w m 方式控制。d c d c 变换器是电力电子变换器的一 安徽理工大学硕士学位论文 个重要部分。随着电力电子技术和计算机科学与技术的发展，以d c d c 变换器为 核心的开关电源应用越来越广，得到各国电力电子专家和学者的重视，目前己成 为一个重要的新兴产业。 1 2 3电力电子变换器中的p w m 技术 随着a c d c 变流器在交流传动、u s p 电源和有源滤波器等中的广泛应用，以及 高速全控开关器件的大量出现，p w m 技术【3 】已成为变流技术的核心，因而受到了 人们的高度重视。尤其是最近几年，微处理器应用于p w m 技术和实现数字化控制 以后，更是花样翻新，到目前为止仍有新的p w m 方式在不断出现。 作为现代电力电子装置中常用的一种功率变换方式，p w m 的基本工作原理是 通过对功率器件的导通和关断进行控制，使输出一系列幅值相等而宽度不等的脉 冲序列，并按一定的规则对脉冲的宽度进行调制，既可以改变输出电压的大小， 也可以改变输出频率，从而大幅度提升系统的动态响应。 p w m 技术的发展过程是：1 9 6 3 年，f g t 啪b i l l i 提出了消除特定谐波法；1 9 6 4 年，a s c l l i l o u n g 和h s t e 咖l e r 把通讯系统的调制技术应用到交流传动变流器中， 产生了正弦脉宽调制技术( s p w m ) ，后由英国b r i s t o l 大学的s r b o w e s 于1 9 7 5 年 进行了推广和应用，使s p w m 调制技术成为广泛注意的热点。后来，b o w e s 又相 继提出了全数字化s p w m 方案，规则采样数字化p w m 方案及准优化p w m 技术 ( s i l l ) 0 d t i n l a lp w m ) ，以提高直流电压利用率。1 9 8 3 年，j h o l t z 等又提出了空间 矢量p w m 技术。 以t 啪b u l l 的消除特定谐波法为基础，出现了最大和最小值的优化p w m 概念， 由此于1 9 7 7 1 9 8 6 年，g s b u j a ，f c z a c k 和k t 锄g u c i l i 等提出了电流谐波畸变 率( 1 1 i d ) 最小，效率最优的p w m 法。由于这些方法具有电压利用率高，开关次 数少，可以实现特定优化目的等优点，所以人们一直在这方面研究。随着微处理 器运算速度的不断提高，j s u n 等于1 9 9 4 年提出了实时完成优化的p w m 方案。 此外，还应提到的是a b p l u n k e t t 于1 9 8 0 年提出的电流滞环比较p w m 技术，以 及在此基础上发展起来的全数字化无差拍( d e 曩d b e a t c o n 仃0 1 ) p w m 技术，都具有 容易实现的特点。为了消除噪声，1 9 9 3 1 9 9 4 年，由m t r 锄a d l o w s k y ，v b a g e l i d i s 等提出了随机的p w m 法，它是从改变谐波的频谱分布入手，使谐波均匀分布在较 宽的频带范围内，以达到抑制噪声和机械共振的目的。 p w m 技术从大的方面可以分成三大类，即波形调制p w m 技术、优化p w m 技术和随机p w m 技术。p w m 技术可以用于电压型变流器，也可以用于电流型变流 8 第l 章绪论 器，它对交流技术的发展起到了很大的推动作用。主要优点有： 1 ) 电路简单，只用一个功率控制级就可以调节输出电压和输出频率。 2 ) 可以同时进行调频、调压，与中间储能元件的参数无关，系统的动态响应 速度快。 3 ) 可以获得非常好的波形改善效果。 正是由于这些优点，使p w m 脉宽调制技术在当今变流领域占据了绝对的主导 地位。 1 3 课题意义及论文主要内容 本课题的研究实现蓄电池充放电装置集充、放电功能于一体，即可作为蓄电 池的充电电源，实现对蓄电池恒流充电，又可作为蓄电池放电的负载，把蓄电池 恒流放电时的能量回馈到电网。且在蓄电池充、放电的过程中，均可以实现网侧 电流的正弦化和高功率因数、低谐波污染，节能效果显著，具有推广应用的价值。 本文围绕p w m 蓄电池充放电控制技术中理论和问题展开了深入的讨论和分 析。内容安排如下。 1 可逆p w m 整流器的研究 可逆p w m 整流器是本系统研究的基础，担负着为蓄电池充电提供直流电源及 向电网馈电的功能。本文在第二章给出了单相及三相可逆p w m 整流器的电路拓扑 结构，并对它们的工作原理及换流方式进行了分析。 2 对p w m 整流器控制策略的研究 本文在第三章中简要介绍了多种p w m 整流器的控制策略，详细介绍了 s v p w m 控制原理，给出了s v p w m 的简要算法及实现方法，并且建立了基于电压 闭环控制的控制框图。 3 蓄电池充放电装置研究 d c d c 变换是实现蓄电池恒流充电、放电过程的核心。第四章给出了一种特 殊的双向升压降压电路，并分别对降压和升压变换器的工作原理进行研究，建立 了对应于恒流充电的控制框图。 4 系统仿真 在第五章中介绍了m l a t l a b s i m u l i n k 仿真软件的特点，列举了电力电子系 统的建模和仿真工具s i n 巾o 、v e r s y s t e m 的特点及功能，给出了系统各个仿真模 型。 9 一 安徽理工大学硕士学位论文 5 系统的硬、软件设计 本文第六章介绍了本系统的硬件总体结构，主回路设计，驱动电路设计和控 制电路设计。同时介绍了系统的软件结构，描叙了各个组成模块的功能和处理流 程。最后给出了系统运行的实验结果，获得了一些有价值的结论。 1 4 本文创新点概述 1 给出了可逆p w m 整流器基于s v p w m 控制技术的简要算法及实现措施，具 有计算简单，容易实现，性能优良的特点。 2 提出了基于d c d c 变换器的可逆充放电系统的控制策略，具有结构简单的 特点。 3 对可逆充放电系统进行建模，并给出了电流调节器的动态设计方法。 1 0 第2 章p w m 整流器 2 p w m 整流器 2 1p w m 整流器基本原理概述 从电力电子技术发展来看，整流器是较早应用的一种a c d c 变换装置。整 流器的发展经历了由不控整流器( 二极管整流) 、相控整流器( 晶闸管整流) 到 p w m 整流器( 门极关断功率开关管) 的发展历程。传统的相控整流器，虽然应 用时间较长，技术也较成熟，且被广泛使用，但仍然存在以下问题： ( 1 ) 晶闸管换相引起网侧电压波形畸变。 ( 2 ) 网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”。 ( 3 ) 深控时网侧功率因数降低。 ( 4 ) 闭环控制时动态响应相对较慢。 虽然二极管整流器，改善了整流器网侧功率因数，但仍会产生网侧谐波电流 而“污染”电网；另外二极管整流器的不足还在于其直流电压的不可控性。针对 上诉不足，p w m 整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面改进。其关 键性的改进在于用全控型功率开关取代了半控型功率开关管或二极管，以p w m 斩控整流取代了相控整流或不控整流。因此，p w m 整流器【4 】可以取得以下优良性 能： ( 1 ) 网侧电流为正弦波。 ( 2 ) 网侧功率因数控制( 如单位功率因数控制) 。 ( 3 ) 电能双向传输。 ( 4 ) 较快的动态控制响应。 显然，p w m 整流器已不是一般传统意义上的a c d c 变换器。由于电能的双 向传输，当p w m 整流器从电网吸取电能时，其运行于整流器工作状态：而当p w m 整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工作状态。所谓单位功率因数是指： 当p w m 整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相( 正阻特性) ；当p w m 整流器运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相( 负阻特性) 。进一步研究 表明，由于p w m 整流器其网侧电流及功率因数均可控，因而可被推广应用于有 源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合。 综上可见，p w m 整流器实际上是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变 流装置。为便于理解，以下首先从模型电路阐述p w m 整流器的基本原理。 图6 为p w m 整流器模型电路。从图6 可以看出：p w m 整流器模型电路由 安徽理工大学硕士学位论文 交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势e 以及网侧电感l 等；直流回路包括负载电阻r l 及负载电动势e l 等：功率开关管 路桥可有电压型或电流型桥路组成。 e 图6 p w m 整流器电路 f i 9 61 1 1 ec i r c 曲o f p w mr e c t i f i e r 当不计功率开关管路桥损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得 1 1 ，2 ，出 ( 2 - 1 ) 式中v 、f 模型电路交流侧电压、电流； 。、模型电流直流侧电压、电流。 由式( 2 - 1 ) 不难理解：通过模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧， 反之亦然。以下着重从模型电路交流侧入手，分析p w m 整流器的运行状态和控 制原理。 稳态条件下，p w m 整流器交流侧矢量关系如图7 所示。 b a ) a ) 纯电感特性运行 b b ) b ) 正阻特性运行 b c ) c ) 纯电容特性运行 肛变漉电罔电动势矢量卜交流侧电k 欠量 吒一交流侧电感电压矢量卜交流侧电流矢量 b d ) d ) 负阻特性运行 c 圈7p w m 整流器交流侧稳态矢量关系 f 追7 ，r h er e l a t i o no f s 协b l ev c c t o ro fa l t e m a t i n gs i d eo f p w mr e c t i f i e r 为简化分析，对于p w m 整流器模型电路，只考虑基波分量而忽略p w m 谐 波分量，并且不计交流侧电阻，这样可从图7 分析：当以电网电动势矢量为参考 时，通过控制交流电压矢量y 即可实现p w m 整流器的四象限运行。若假设ij 1 2 第2 章p w m 整流器 i 不变，因此l 圪i - u lji 也固定不变，在这种情况下，p w m 整流器交流电 压矢量y 端点运动轨迹构成了一个以l 圪i 为半径的圆。当电压矢量y 端点位于 圆轨迹爿点时，电流矢量j r 比电动势矢量e 滞后9 0 。，此时p w m 整流器网侧呈 现纯电感特性，如图7 a 所示：当电压矢量v 端点运动至圆轨迹b 点时，电流矢 量| r 与电动势矢量e 平行且同向，此时p w m 整流器网侧呈现正电阻特性，如图 7 b 所示；当电压矢量矿端点运动至圆轨迹c 点时，电流矢量j 与电动势矢量e 超前9 0 。，此时p w m 整流器网侧呈现纯电容特性，如图7 c 所示；当电压矢量y 端点运动至圆轨迹d 点时，电流矢量，与电动势矢量e 平行且反向，此时p w m 整流器网侧呈现负阻特性，如图7 d 所示。以上，a 、b 、c 、d 四点是p w m 整流 器四象限运行的四个特殊工作状态点，进一步分析，可得p w m 整流器四象限运 行规律如下； ( 1 )电压矢量y 端点在圆轨迹4 曰上运动时，p w m 整流器运行于整流状 态。此时，p w m 整流器需从电网吸收有功及感性无功功率，电能将通过p w m 整 流器由电网传输至直流负载。值得注意的是，当p w m 整流器运行在b 点时，则 实现单位功率因数整流控制：而在a 点运行时，p w m 整流器则不从电网吸收有 功功率，而只从电网吸收感性无功功率。 ( 2 )当电压矢量y 端点在圆轨迹曰c 上运动时，p w m 整流器运行于整流 状态。此时，p w m 整流器需从电网吸收有功及容性无功功率，电能将通过p w m 整流器由电网传输至直流负载。当p w m 整流器运行至c 点时，p w m 整流器将 不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收容性无功功率。 ( 3 )当电压矢量y 端点在圆轨迹c d 上运动时，p w m 整流器运行于有源 逆变状态。此时，p w m 整流器需从电网传输有功及容性无功功率，电能将从p w m 整流器直流侧传输至电网。当p w m 整流器运行至d 点时，便可实现单位功率因 数有源逆变控制。 ( 4 )当电压矢量v 端点在圆轨迹脚上运动时，p w m 整流器运行于有源 逆变状态。此时，p w m 整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能将从p w m 整流器直流侧传输至电网。 显然，要实现p w m 整流器的四象限运行，关键在于网侧电流的控制。一方 面，可以通过控制p w m 整流器交流侧电压，间接控制其网侧电流；另一方面， 也可通过网侧电流的闭环控制，直接控制p w m 整流器的网侧电流。 1 3 安徽理工大学硕士学位论文 2 2 单相电压型p w m 整流器 2 2 1 电路结构 单相电压型p w m 整流器( v 0 l t a g es o u o c cr e c t m e 卜v s r ) 的主电路拓扑结构 如图8 所示。这是一种全桥式电路【5 】，每个桥臂由一个全控型器件( 如g t r 、 g t d 、m o s f e t 、i g b t 等) 和反并联整流管组成，图中等效电阻r 包括外接电 抗器的电阻和交流电源内阻；交流侧电感l 包括外接电抗器的电感和交流电源内 部电感，它起传递能量、限制谐波电流和平衡电网电压与桥臂终端电压的关系等 作用；直流侧电容c 为高次谐波电流提供低阻抗通路。 卫 斟。彳 、 + v d 3 兰蝴jf 1 c = 一 一j蚤d j v d 4 、 v t 2 札 r o 图8 单相电压型p w m 整流电路原理图 f i 9 8 t h ec i r c 洫o f s i n g i e - p l l a s ev s r 值得注意的是：主电路中的全控型器件必须反并联一个续流二极管，以缓冲 p w m 过程中的无功电能。 2 2 2 工作原理 图9 为其开关等效电路。图中用四个开关s l 、s 2 、s 3 、s 4 代替开关位置的标号， 并与桥臂开关元件标号相对应，设负载为电阻性，对应于四个开关的不同开闭状 态，电路共有三种工作模式： 图9 单相电压型p w m 整流器开关等效电路 图9t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fs i n g i e - p h a s ev s r 第2 章p w m 整流器 1 ) 工作模式i ：只有s l 、s 3 闭合或s 2 、s 4 闭合，等效电路如图1 0 ( a ) 所示，交流 电源向l 中储能，”。= 0 ，= o ； 2 ) 工作模式i i ：只有s 1 、s 4 闭合，等效电路如图l o ( b ) 所示，。= 蚴，在的 正半周， o ，在的负半周， o ，警 o ，f 上升，电网中的 能量向l 中转移，而l 中的磁能随f 而增加，此时输出电流= 0 ，电路工作在模式 i 状态：当v t 2 关断时，为了维持f 原来的流向，v t l 不能导通，电路转为v d i 、 v d 4 导通，“。= ，此时，l 中的能量开始转向负载侧，向直流侧电容充电，“。 0 ， 譬 o ，电路工作在模式i i 。 1 5 安徽理工大学硕士学位论文 在v t 2 、v t 3 同时导通的情况下，“。= 一，= 0 ，电网和负载中的能量同 时向l 转移，电路的输出功率小于o 电路工作在模式 在的负半周，桥中由v i ，v t i 、v d 2 、v d 3 、l 和v t 4 、v d 2 、v d 3 、l 组成两个升 压斩波电路。工作原理和甜。的正半周类似。 随着桥臂全控元件门极控制脉冲时序状态的变化，整流桥入端电压也相应变 化( + ，o ，一) ，因而电网电流0 也相应变化。但由于电感l 的存在，知不能突 变，其波形呈正弦规律变化。可以推见，电路载波比越高，f 的波形越接近正弦 波。 由前述分析可知，图2 3 所示的单相全桥电压型p w m 整流器主电路在电源电压 正半周且电路工作在模式i ，全控器件导通时，或在电源电压负半周且电路工作 在模式i i ，全控器件导通时，电流均出现负值，相应输出功率的瞬时值小于o ， 能量从直流侧反馈到电网侧，这就给l 提供了所需的无功能量。 若采用适当的p w m 方式，例如正弦p w m 方式对全控型器件v t l v t 4 进行控 制，则在桥的交流输入端可产生一个正弦调制p w m 波“。，忽略高次谐波的影响， 则。“。中只含有和被调正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量，即由于电感 l 的滤波作用，使得高次谐波对网侧电流f 的影响很小。在这种理想情况下，f 为 与网侧电源电压同频率的正弦波。若网侧电源电压不变，由电路结构可知，f 的 幅值和相位仅由“。中基波分量材。的幅值及其与电压的相位差决定，控制“。中 基波电压“。的幅值和相位即可控制整流器功率的流向和功率因数角，如图1 l 所 示。因此，p w m 整流电路在单位功率因数下，既可以运行在整流状态，也可以运 行在逆变状态。 疑 巩墨么芝习仇 环珥 p w m 可逆整流器的另一种运行方式是交流侧电流超前电压某一个角度，这时， 一方面电网向整流器提供有功功率，另一方面p w m 整流器亦向电网提供无功功率。 极端情况下，p w m 整流器工作在无功补偿器运行方式，向电网提供动态无功补偿。 - 1 6 - 第2 章p w m 整流器 鉴于课题所研制的装置未涉及此种运行方式，故未分析其各种向量之间的关系。 2 2 3 控制方法 电压型p w m 整流电路的控制目标【6 】有两个：一、保持输出电压在允许的范 围内；二、控制交流侧的电流尽可能地接近正弦，交流输入功率因数接近1 。 为实现上述目标，电压型p w m 整流电路的控制系统结构如图1