并网电池储能系统中双向变流器的研究.pdf

硕硕士学位论文士学位论文 并网电池储能系统中双向变流器的研究 bi-directional converter for grid battery energy storage system 武凤霞武凤霞 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2013 年年 6 月月 国内图书分类号：tm76 学校代码：10213 国际图书分类号：621.3 密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 并网电池储能系统中双向变流器的研究 硕 士 研 究 生 ： 武凤霞 导 师 ： 纪延超 教授 申请学位 ： 工学硕士 学科 ： 电气工程 所 在 单 位 ： 电气工程及自动化学院 答 辩 日 期 ： 2013 年 6 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 classified index: tm76 u.d.c: 621.3 dissertation for the master degree in engineering bi-directional converter for grid battery energy storage system candidate： wu fengxia supervisor： prof. ji yanchao academic degree applied for： master of engineering speciality： electrical engineering affiliation： school of electrical engineering and automation date of defence： june, 2013 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -i- 摘 要 电池储能系统因具有体积小、重量轻、使用周期长、投资相对较小、灵活 安装等优点，在新能源发电并网和电动汽车车载电源中得到广泛应用。随着电 池储能系统容量规模的不断扩大，可拓展模块化、高功率密度和高充放电效率 的双向变流器结构及其控制策略成为研究热点。 本文提出了由双向 ac-dc 变流器、双向 dc-dc 变流器两部分组成的集 充电和放电控制于一体的双向变流结构及其分布式控制策略。双向 ac-dc 变 流器选用三相桥式 ac-dc 拓扑结构，该结构直流侧输出电压高，变流器利用 率高；双向 dc-dc 拓扑结构选用的是 dab(dual-active-bridge)双有源全桥高 频隔离拓扑结构，dab 电路结构对称，控制简单，功率密度和充放电效率 高，适合大中型功率应用场合。 前级双向三相 ac-dc 变流器采用基于 d-q 坐标变换的空间矢量调制 (svpwm)算法控制，实现单位功率因数下整流和逆变，后级电路 dab 采用本 文提出的在传统相移控制方式基础上改进的基于小信号模型的相移控制，通过 仿真结果验证该方法能够改善电池侧电压纹波问题，提高系统响应速度。 最后通过 matlab/smulink 仿真以及实验结果验证，本文提出的双向变流器 结构及其采用的分布式控制策略是正确和有效的，而且该双向变流器具有低谐 波污染、高功率密度和高充放电效率等优点，减少了电池侧电压纹波，提高了 电池寿命。 关键词：电池储能系统；三相 ac-dc；dab；小信号模型；双向变流器 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -ii- abstract battery energy storage system has some advantages. for example, small size, light weight, long life cycle, relatively small investment, flexible installation, etc. in the new energy power generation grid network and electric vehicles are widely used. with the battery energy storage system capacity expands, scalable modular, high power density and high charge-discharge efficiency of the bi-directional converter structure and control strategy become a trend. this paper presents the main work that is bi-directional three-phase ac-dc converters and bidirectional dc-dc converter.they are two-part set of charging and discharging control in one variable flow structure and its distributed control strategy. bi-directional ac-dc converter topology chooses the three-phase bridge ac-dc converter, three-phase ac-dc converter has higher dc output voltage and utilization rate, bi-directional dc-dc topology chooses dab (dual-active-bridge) with high frequency isolated transformer. dab circuit has symmetry structure, simple control, high charge-discharge efficiency and power desity, which is suitable for large and medium power application. the first stage double-phase ac-dc converter is based on d-q coordinate transformations space vector modulation svpwm control to achieve unity power factor rectifier and inverter, post-stage circuit dab is used the improvement of small-signal-based phase shift control model based on the traditional phase-shift control method to improve the ripple of the voltage of the battery side and the syetem response speed. matlab/smulink simulation and experiment results demonstrate that the proposed bi-directional converter structure and its distributed control strategy correctness and validity, and the bi-directional converter have these advantages: low harmonic pollution, high power density and high charge-discharge efficiency and reducing the battery side voltage ripple, improving the batterys life. keywords: battery energy storage system, three-phase ac-dc, dab (dual-active- bridge), small signal model, bi-directional converter 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -iii- 目 录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题研究的背景和意义 . 1 1.2 储能技术的国内外发展现状 . 2 1.3 电池储能系统中变流器的研究现状 . 4 1.3.1 双向 ac-dc 变流器的研究现状 . 4 1.3.2 双向 dc-dc 变流器的研究现状 . 5 1.3.3 双向变流器的研究现状 . 6 1.4 本文的主要研究内容 . 6 第 2 章 双向三相桥式 ac-dc 变流器的研究 . 8 2.1 引言 . 8 2.2 三相桥式 ac-dc 工作原理分析 . 8 2.2.1 三相桥式 ac-dc 数学模型建立 . 8 2.2.2 基于 d-q 坐标的电流解耦控制研究 . 13 2.3 svpwm 控制算法的研究 . 15 2.3.1 改进型 svpwm 控制算法 . 15 2.3.2 改进型 svpwm 控制算法仿真模型建立 . 15 2.4 仿真结果分析 . 20 2.5 本章小结 . 21 第 3 章 双向隔离型 dab 变流器的研究 . 22 3.1 引言 . 22 3.2 双向隔离型 dc-dc 拓扑结构研究 . 22 3.2.1 隔离型 dab 拓扑结构组成 . 22 3.2.2 dab 拓扑结构选择 . 23 3.3 dab 电路工作原理分析 . 26 3.4 dab 电路控制方法研究 . 28 3.4.1 传统相移控制分析 . 28 3.4.2 双重相移控制分析 . 30 3.4.3 基于小信号模型的改进相移控制研究 . 32 3.5 仿真结果分析 . 36 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -iv- 3.5.1 dab 电路充电时波形图 . 36 3.5.2 dab 电路放电时波形图 . 38 3.6 本章小结 . 39 第 4 章 双向变流器的控制策略研究及仿真分析 . 40 4.1 引言 . 40 4.2 双向变流器的整体结构设计 . 40 4.3 主电路参数设计 . 41 4.3.1 三相 ac-dc 电路中参数设计 . 41 4.3.2 dab 电路中参数设计 . 42 4.4 控制策略研究及结果分析 . 43 4.4.1 分布式控制策略研究 . 43 4.4.2 仿真结果分析 . 44 4.5 本章小结 . 48 第 5 章 双向变流器的硬件设计及实验结果 . 49 5.1 引言 . 49 5.2 硬件电路的整体结构 . 49 5.3 三相桥式 ac-dc 环节硬件电路设计 . 49 5.4 后级 dab 环节硬件电路设计 . 50 5.4.1 高频隔离变压器 . 51 5.4.2 igbt 的选择 . 51 5.4.3 dab 电路参数选择 . 52 5.4.4 驱动电路 . 52 5.4.5 控制电路 . 53 5.5 实验结果 . 54 5.5.1 电池充电时实验波形图 . 55 5.5.2 电池放电时实验波形图 . 56 5.6 本章小结 . 57 结 论 . 58 参考文献 . 59 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 . 63 致 谢 . 64 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -1- 第 1 章 绪 论 1.1 课题研究的背景和意义 在当今全球绿色能源、节能减排的战略中，国家电网公司和南方电网都 在大力发展风力发电、核能发电以及太阳能家庭式发电等新能源发电技术。 以风力和太阳能为主的分布式发电在并网运行时因为其波动性、间歇性以及 不可预测性会给电网安全运行带来一定隐患。而储能技术可以很大程度上解 决新能源发电并网时存在的一些问题，使低密度、随机性的可再生新能源得 到广泛的利用，因此储能技术也成为目前大力发展的对象。目前针对新能源 分布式发电的中小型功率储能技术中，电池储能技术是应用最广泛的，因为 电池储能装置不仅安装方便，容量可灵活调节；还可以将夜间的谷电存起 来，或是将平时多余的电能储存起来，到供电紧张甚至中断时作为紧急电源 使用；而且也是电网运行削峰填谷的调度高手，更是风能太阳能并网的关键 技术。目前电动汽车的大力发展对蓄电池储能技术的要求也越来越高。所以 不管是新能源的发展、还是智能电网的发展都离不开储能技术1-3。 并网电池储能系统不仅可以应用在电力系统安全运行中的削峰填谷、新 能源接入、电能质量改善和应急电源等方面，而且在电动汽车车载电源系统 中也得到了广泛应用。并网电池储能系统主要实现能量的储存、释放以及快 速功率交换，一般由两部分组成：第一是由不同容量电池模块组成的储能部 分 bess(battery energy storage system)，主要负责能量的存储和释放；第二 是由电力电子器件组成的能量转换系统(或称充放电变流器)，它是并网电池 储能系统中功率传输的双向通道，确保电池充放电的安全和效率，二者缺一 不可。目前电池储能系统对充放电变流器的要求越来越高，不仅要求其具有 传统的充放电功能，而且还要满足电池电压的宽范围、瞬时大功率输出及多 组不同容量电池模块的充放电运行要求。能量转换系统主要实现以下功能： (1)充放电的控制；(2)ac-dc 双向变流、dc-dc 双向变流；(3)功率大小的调 节和方向控制；(4)运行时参数检测和监控；(5)安全保护等4-6。 目前双向变流器中 buck-boost 斩波电路应用比较广泛，但是在该结构中 为了实现电池侧与网侧的电压匹配和安全隔离，需要在网侧加入工频隔离变 压器，但是该变压器的体积、重量以及噪声都比较大，功率损耗也很高，使 得电池储能系统实现高充放电效率和高功率密度比较困难7。 所以，为了提高双向变流器的功率密度和充放电效率，以及实现储能系 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -2- 统的大容量化和模块化，研究电力电子器件组成的能量转换系统(或称充放电 双向变流器)的新的拓扑结构构成及其控制策略是很有意义的。 1.2 储能技术的国内外发展现状 目前的储能技术主要有物理形式储能和化学形式储能两种，其中化学形 式储能又分为电池储能和氢储能；物理形式储能分为机械储能和电磁场储 能。具体分类如图 1-1 所示。 动能：飞轮储能 机械能抽水储能 势能 压缩空气储能物理形式 电能储存 电场能：超级电容器 电磁场能 磁场能：超导磁储能 电池储能 化学形式 氢储能 图 1-1 电能存储技术分类 在以上的储能技术中，一般情况下，电能质量治理和电网调频选用超导 磁储能和飞轮储能，电网调峰选用压缩空气蓄能和抽水储能，电动汽车储能 选用超级电容器储能和电池储能，中小规模储能和新能源发电并网选用电池 储能8。 目前世界各国都在支持储能技术的研究和应用。日本 nedo(new energy and industrial technology development organization)在 09 年对各种电池储能 技术尤其是针对锂离子电池，钠硫电池和新型电池等技术进行了详细的发展 规划；美国能源部在 2010 年也发布了关于各种新型和先进电池发展与应用的 报告，未来 20 年将重点关注锂离子电池、功率型储能电池以及先进压缩空气 储能技术等研究9。 电池储能技术是目前大力发展的新型储能技术，电池储能系统中的电池 不再仅仅采用传统的铅酸蓄电池，像钠硫电池、锂离子电池和镍氢电池等也 在电池储能系统中广泛使用，其中锂离子电池是近年来主要研究的新型高能 量二次电池，锂离子电池单体输出电压高，工作温度范围宽，储存能量高， 自放电率低，在各种设备中获得广泛应用。其中以磷酸铁锂为正极材料的锂 离子电池有较好的高功率充放电性能和安全性，在新能源发电储能和电动汽 车车载电源中得到广泛应用10。 目前基于蓄电池储能的并网储能系统有以下三种主要形式11： 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -3- dc/dcdc/aces grid 图 1-2 顺序系统 dc/dc esdc/dc dc/ac grid dc bus 图 1-3 直流母线耦合系统 dc/ac dc/ac es ac bus grid dc/dc dc/dc 图 1-4 交流母线耦合系统 图 1-2 所示的顺序储能系统中，电池储能模块串联在电路中间，结构比 较简单，但是所有的新能源发电都要先把电能储存在电池中，然后通过电池 反馈给电网，增加了电池的充放电频率，降低了系统的效率，而且电池的容 量调节也不够灵活。 图 1-3 所示的直流母线耦合系统，在这种结构中，分布式发电与电池储 能模块是独立工作的，增强了系统的鲁棒性。但是直流耦合需要共用 dc-ac 模块给电网馈电，限制了储能系统的规模。 图 1-4 所示的交流母线耦合系统，分布式发电与电池储能是独立，且不 共用任何模块，系统容量调节比较灵活，容易实现模块化，可靠性也比较 高，适合不同容量的电池模块并联运行。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -4- 目前大部分的分布式发电储能采用的是直流母线耦合系统或交流母线耦 合系统。其中交流耦合系统比直流的优势要更多一些，因为该系统不仅容易 实现模块化，而且还可以增加更多的发电模块和电池模块并联。由于每一个 发电模块和储能模块都是独立与电网联系的，所以交流母线耦合系统的可靠 性和灵活性更好12。 1.3 电池储能系统中变流器的研究现状 由上节的交流母线耦合系统可看出，并网电池储能系统主要包括以下几 个关键的组成部分：电池模块、pcs(power conversion system)能量转换系统 以及系统集成部分。其中 pcs 能量转换系统是本文的主要研究对象，由于电 池模块的电压等级与网侧交流电压等级经常不匹配，因此需要 pcs 连接电网 与电池侧进行电压匹配、电压隔离以及充放电功率大小和方向控制。 根据目前储能技术的发展要求，电池储能变流器不仅要实现功率双向流 动、单位功率因数、低谐波污染，而且还要实现多组储能电池模块的同时充 放电。传统的电池储能变流器一般由分开的充电部分和放电部分组成，就单 个储能电路来说，电路控制比较简单，但对于整个系统而言，系统的模块数 量和控制难度大大增加，系统的功率密度变得比较低13。所以随着电池储能 系统规模容量的不断增大，模块化的双向变流器结构成为发展趋势。为了实 现变流器的高功率密度和高充放电效率，并且还可以实现电力系统运行的削 峰填谷，本文提出由双向 ac-dc 变流器、双向 dc-dc 变流器 dab(dual- active-bridge)两部分组成的集充电和放电控制于一体的双向变流结构及其控 制策略。 1.3.1 双向 ac-dc 变流器的研究现状 目前应用比较广泛的双向 ac-dc 变流器主要分为单相全桥和三相桥式 两种。为了并网方便，一般选用三相桥式 ac-dc 变流器，所以本节主要讲 述三相双向 ac-dc 变流器的研究状况。 三相桥式 ac-dc 变流器具有功率可以实现双向流动、单位功率因数、 低谐波并网等优点，因此得到广泛研究和应用。随着各国学者对三相桥式 ac-dc 变流器的不断研究，其控制技术和数学模型己经越来越成熟，软开关 pwm 调制技术也得到了应用，传输功率也达到 mw 级以上。 目前针对三相 ac-dc 变流器的研究主要有以下两种 (1) 三相三相桥式桥式 ac-dc 控制策略的研究控制策略的研究 目前的控制方法有基于 d-q 变换的空间矢量调制 svpwm 控制、滞环控 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -5- 制、滑模电流控制和模糊神经控制等技术。这些控制方法目的都是确保网侧 电流畸变在一定范围内，保证功率因数尽可能接近 1，逆变时电流低谐波入 网，整流时输出电压稳定14-17。 (2) 三相三相桥式桥式 ac-dc 变流器模型的研究变流器模型的研究 在基于 d-q 坐标变换的三相 ac-dc 变流器模型之后，国内外学者对三相 ac-dc 变流器的数学模型进行了更加深入的研究，时域模型、新颖的降阶小 信号模型和基于隔离变压器的低频数学模型等不断被提出18-20。 1.3.2 双向 dc-dc 变流器的研究现状 双向 dc-dc 变流器(bi-directional dc-dc converter)是指在保持两端输入 输出电压极性不变的情况下，能够根据电路需要自主调节功率传输方向的 dc-dc 变流器。与传统的利用两个单向拓扑结构来实现功率双向流动的系统 不同，双向 dc-dc 变流器具有使用开关管器件少，体积小，功率密度高以 及快速转换功率流动方向等优点。随着科技的快速发展，对双向 dc-dc 变 流器的需求也日益增加，主要体现在电动汽车与车载电源系统、新能源分布 式发电系统、不停电电源系统(ups)、电池充电器等应用场合。 对于双向 dc-dc 变流器的研究主要集中在其拓扑结构及控制策略两方 面。目前主要有清华大学、北京交通大学、eth zurich、日本东京工业大学 以及美国密歇根大学等对双向 dc-dc 变流器有比较深入的研究21-23。 目前，双向 dc-dc 变流拓扑结构主要有隔离型与非隔离型两种主要形 式。 (1) 隔离型双向隔离型双向 dc-dc 变流拓扑变流拓扑 隔离型双向 dc-dc 变流器的基本电路结构主要有：推挽电路、正激和 反激电路、半桥电路和全桥电路。文献24首次在 1991 年提出的单相全桥双 向隔离的 dc-dc 变换器(dual-active-bridge dab)由于当时功率器件发展的 限制，效率很低，但是随着 igbt 开关管的应用和以 sic 为材质的开关管的 发展，该拓扑结构充放电效率越来越高，被广泛应用在大功率密度能量转换 系统中。由于该变换器采用了高频隔离变压器用于电池和直流母线隔离，不 仅起到了隔离电压的作用还实现了电压较宽范围的变比，并且省去了电网侧 与 ad-dc 变流器之间的工频变压器，减小了系统的体积，以及变压器的费 用造价和一些无源器件，提高了功率密度。dab 两边均采用单相全控桥变换 器、可以实现零电压 (zvs)工作模式，功率损耗小，充放电效率高，适合大 中型功率系统，并且容易实现模块化25。 (2) 非隔离型双向非隔离型双向 dc-dc 变流拓扑变流拓扑 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -6- 非隔离型双向 dc-dc 变流拓扑结构主要有：双向 buck-boost 斩波电 路、双向 sepic 电路和双向 cuk 电路。目前比较常用的拓扑结构为 buck- boost 电路，该结构使用的开关器件比较少，控制简单。电池充电时工作在 buck 状态，电池给电网馈电时工作在 boost 状态。但是该变流器输入输出的 电流脉动比较大，容易产生电磁干扰，开关管承受的电压应力比较高，通常 适用于小功率场合。 (3) 双向双向 dc-dc 变流器控制变流器控制策略策略研究现状研究现状 隔离型双向 dc-dc 变流器的控制方法主要有传统相移控制、双重相移 控制和 pwm+相移控制，还有针对 z 源双向变流器提出的直通控制策略，针 对不同的拓扑结构有不同的控制方法26,27。双向非隔离型 dc-dc 变流器的 控制方法主要有简单 pi 控制、模糊神经控制、滑模控制28。 。 1.3.3 双向变流器的研究现状 目前双向变流器储能系统主要有非隔离型前级 pwm 变流器+后级 buck- boost 变流电路 29，该结构简单、使用的器件少，但是需要工频隔离变压 器，电路体积和质量比较大；单相 pwm 整流电路+单相普通 dab 或谐振 dab 双向变流电路30，电路不仅提升了安全性还减小了设备得体积，后级拓 扑 dc-dc 变流环节采用相移控制方式，实现开关管的零电压(zero-voltage switching，zvs)开通，开关损耗小，dab 中两侧对称全桥产生的矩形波之间 的相移角的大小和极性决定了功率的大小和流动方向；单相 pwm 整流电路+ 三相 dab 双向变流电路31，与单相 dab 电路工作原理一样，效率高，但后 级电路 dc-dc 需要三个高频隔离变压器和三个辅助电感，体积较大，功率 密度较低，电路控制复杂；单相 pwm 整流器+感应电能传输(inductive power transfer，ipt)高频隔离 dc-dc 两级结构的变流器拓扑，该拓扑采用 lcl 并联谐振的方式实现了 dc-dc 拓扑中 8 个开关管的零电压开通，通过 控制变压器副边电压与原边电压之间的相移角来实现输出功率的控制，但目 前该变流器中后级 dc-dc 部分的传输效率较低，只有 85%左右；高功率因 数单级双向全桥变换器(bi-directional single-phase single-stage full-bridge converter，bss-fbc)拓扑，该拓扑结构省去了中间直流母线环节，效率有所 提高，但是中间需要增加 rcd 馈能式电路，开关管易过压，可靠性低32。 1.4 本文的主要研究内容 电池储能系统因具有体积小、重量轻、使用周期长、投资相对较小、灵 活安装等优点，而且具有快速功率切换和四个象限工作的能力，在分布式发 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -7- 电中得到了广泛的运用。电池储能系统还可以治理新能源发电并网时的谐 波，提供无功补偿，提高电能质量等，同时还可以应用在电动汽车的车载电 源和紧急电源 ups 等方面。因此电池储能系统不论是应用在电网运行还是交 通工具上，高效的功率转换是一项非常关键的技术。 本文主要研究锂离子蓄电池储能系统并入发电网的双向充放电变流系 统，重点对功率双向流动变换器的拓扑结构及其控制策略进行研究。目的是 保证电网安全以及电能质量的情况下，提高系统的充放电效率和功率密度， 以及实现锂离子蓄电池的快速充放电过程。本文主要是对带有 20khz 高频隔 离变压器的双向 dab(dual-active-bridge)dc-dc 拓扑和三相桥式 ac-dc 拓 扑构成的 20kw 功率的并网电池储能系统双向变流器进行研究。该系统中的 双向变流器是容易实现拓展、模块化的变流结构，并且工作在一、四象限， 不对电网造成谐波污染，具有较高的功率因数和效率。 本文的主要工作包括以下四部分内容： (1) 提出并网储能系统的总体方案，确定双向 ac-dc 和双向 dc-dc 的 拓扑结构、参数设计以及控制方法研究。 (2) 分析双向 ac-dc 和 dc-dc 变流器的工作原理和控制方法，对比分 析各种控制方式下拓扑结构的充放电效率，功率损耗以及电池侧电压纹波分 析，提出改进的相移控制方式。 (3) 将 ac-dc 和 dc-dc 整合为双向充放电变流器，进行主电路参数设 计，提出针对整体变流结构的分布式控制策略。将整体变流结构并网，仿真 分析整体系统结构充放电时对网侧电压和谐波的影响，以及充电时电池侧电 压的纹波分析。 (4) 搭建双向变流器的实验室样机，通过对实验结果分析，进一步优化 控制系统，使双向变流器整体装置达到高充放电效率、高功率密度，低谐波 污染的要求。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -8- 第 2 章 双向三相桥式 ac-dc 变流器的研究 2.1 引言 并网电池储能系统中为了更好地实现双向变流器的大容量模块化，双向 变流器一般由前级 ac-dc 电路和后级 dc-dc 电路组成，前级 ac-dc 电路 是为了将网侧交流电压整流为稳定的直流电压，从而为后级 dc-dc 电路更 好地工作做准备，以及将直流母线侧直流电压逆变，从而实现单位功率因数 下的并网。本章主要工作是研究三相桥式双向 ac-dc 拓扑结构的数学模型 及其控制策略，实现单位功率因数下的整流和逆变状态。 2.2 三相桥式 ac-dc 工作原理分析 三相桥式 ac-dc 电路中每一相的工作过程与单相全桥类似，只是从单 相扩展到三相，在 pwm 控制中，只要合理控制网侧电压与电流的相位角就 可以控制变流电路工作在单位功率因数下，实现整流与逆变两种工作状态。 本节主要分析三相桥式 ac-dc 的数学模型与工作原理。 2.2.1 三相桥式 ac-dc 数学模型建立 本文采用的三相桥式 ac-dc 拓扑结构如图 2-1 所示，lf和 cf为谐波滤 波电路。由单相 ac-dc 电路工作原理可知，三相 ac-dc 电路中整流和逆变 同样可以实现，只需控制网侧电压和电流的相位角即可。整流时保证电压和 电流相位是同相的，逆变时电压和电流相位是反相的，而且都是工作在单位 功率因数下。 负 载 a b c lf cf lsrs sa u sb u sc u dc u c 图 2-1 三相 ac-dc 变流器拓扑结构图 忽略 ac-dc 电路中谐波滤波器的影响，可得变流器开关量等效电路如 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -9- 图 2-2，该图中 n 为直流侧滤波电容的中点，n为网侧中点， sa u、 sb u、 sc u分别为网侧三相相电压， a i、 b i、 c i为三相基波电流， dc u为直流侧电 压， rk u为变流全桥的输入电压。当网侧电压和变流器控制电压对称时，则三 相电路相互独立，且 nn uu。图 2-3 为 a 相等效电路的向量图：图 a)为整流 状态时向量图，图 b)为逆变状态时向量图。 dc u usa usb usc sbsasc sasbsc c1 c2 ls ls ls a b c n + + + rs rs rs n ia ib ic _ 图 2-2 开关量等效电路图 a）整流状态 0 a i sa u lsa u ra u sa ri b）逆变状态 0 a i sa u ra u lsa u sa ri 图 2-3 三相