（电力电子与电力传动专业论文）pwm整流器直接功率控制研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：p w mr e c t i f i e rc a n p r o v i d ec o m t a n td ob u sv o l t a g ea n dg e tl o wh a r m o m c d i s t o r t i o no fi n p u tc u r r e n t i ta l s oh a sl i n ep o w e rf e e d b a c kc a p a b i l i t y , p w mr e c t i f i e r si s t os o l v ee l e c t r i cn e t w o r kp o l l u t i o na n da c h i e v e g e e nt r a n s i t i o n , i m p r o v i n gt h e e f f e c t i v e n e s so fu t i l i z a t i o na n dt r a n s m i s s i o o ni tc a na d a p t st oa p p l yi nh i g h - p o w e rw i n d p o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z et h ed e v e l o p i n gs t a t u sa n dt h et e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t t r e n do fp w m r e c t i f i e r , i ti n t r o d u c en e wc o n t r o ls t r a t a g e mo fp w mr e c t i f i e r , p w m r e c t i f i e rp l a yai m p o r t a n tr o l ei nw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m t h ed i s s e r t a t i o ni s m a i n l ya b o u tt h ec o n t r 0 1s y s t e mi np r i n c i p l ea n a l y z i n g , s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t v a l i d a t i n g t h i sd i s s e r t a t i o nm i a n l yr e s e a r c ho nt h et w oc o n t r o ls t r a t a g e mo f b a s e do nv o l t a g e o r i e n t e dd i r e c tp o w e rc o n t r o l ( c ) a n db a s e do nv i r t u a lf l u x - l i n k a g eo r i e n t e dd i r e c tp o w e r c o n t r o lw i t h o u tl i n ev o l t a g es e n s o r s ( v f o - d p c ) ，t h et o p o l o g y , o p e r a t i o np r i n c i p l e a n dm a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fp w mr e c t i f i e r sa r ed i s c u s s e d ，i n t r o d u c e dt h ec o n t r o l s t r u c t u r eo f v o - d p c ，t h e nb a s e do nt r a d i t i o ns w i t c ht a b l e ，i m p r o v e do ns w i t c ht a b l e ， t h i sp a p e rp r e s e n t st h et h r e es w i t c hs t a t ec o n t r o ls t r a t a g e mt oa c h i e v eb e t t e rc o n t r o l p e r f o r m a n c e , a n a l y z ea n dc o m p a r et h en e ws w i t c ht a b l ew i t ht r a d i t i o ns w i t c ht a b l eb y s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tv a l i d a t i n g ，v e r i f yi t sf e a s i b i l i t y t h i sd i s s e r t a t i o ni m p o r t st h ev i r t u a lf l u x - l i n k a g ec o n c e p t i o n ，t h r o u g hv o l t a g e ， e l e c t r i cc u t t e n ta n de s t i m a t ef l u x l i n k a g e ，v f o - d p cc o n t r o ls t r a t e g yi sg i v e n ，鲥d v o l t a g es e n s o r l e s sc o n t r o lo fp w m r e c t i f i e ri sr e a l i z e d c a r r i e do nt h es i m u l a t i o na n d t h ee x p e r i e n c e , v f o - d p cc a na c h i e v et h es a l n ec o n t r o lp e r f o r m a n c ea sv f o - d p c v o - d p ca n dv f o - d p cp w mr e c t i f i e r ss y s t e ms i m u l a t i o nm o d u l ei sb u i l tb y m a t l a b s i m u l i n k ，b e f o r ea n da f e ri m p r o v e ds w i t c ht a b l e ，t h r e es w i t c hs t a t e ， s e n s o d e s sc o n t r o l s t r a g e a r er e s e a r c h e d b ys i m u l a t i o n m o d e lb a s e do n m a t l a b s i m u l i n ka n dg e tt h er e s u l t s f i n a l l yt h ed i s s e r t a t i o nb u i l d se x p e r i m e n tr o o f t h ed p cs y s t e m e x p e r i m e n t a c c o m p l i s h e di nl o w - p o w e rp w m r e c t i f i e rs y s t e ma n da d j u s t e dt h ec o n t r o lp a r a m e t e r d u r i n gt h ee x p e r i m e n t a t i o n t h ee x p e r i m r n t a lr e s u l tb a s e do nv o - d p cc o n t r o ls t r a t e g y i n d i c a t e st h a td p cs y s t e mh a st h ea d v a n t a g eo fh i g hp o w e rf a c t o r , h i g he f f i c i e n c y , s i m p l ea r i t h m e t i ca n ds y s t e mc o m p o s i n g , b e t t e rd y n a m i cr e s p o n s ea n ds oo n v f o _ d p cc a na c h i e v et h es a l t l ec o n t r o lp e r f o r m a n c ea sv f o - d p c k e y w o r d s ：w i n dp o w e rg e n e r a t i o n ；p w mr e c t i f i e r ；d i r e c tp o w e rc o n t r o l ； i m p r o v e do ns w i t c ht a b l e ，v o l t a g es e n s o r l e s s c l a s s n o ：t m 6 1 4 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 稃孽 签字日期：年月日签字日期：7 年7 月2 日 致谢 本论文的工作是在我的导师梁晖副教授的悉心指导下完成的，从论文的选题 立意、控制方法的理论指导、实验调试，一直到最后论文的修改付梓，梁老师都 给了我极大的指导和帮助，我所取得的每一分进步，都浸透着导师的心血和汗水。 梁老师严谨的作风、正直的为人、宽广的胸怀、丰富的专业知识和实践经验也将 对我的将来产生深远的影响，并使我终身受益。此外，在平时的学习和生活中， 梁老师也给予了我很大的关心和帮助，在临近毕业之际，特向梁老师表示最诚挚 的敬意和感谢! 在平时的实验室学习中，苏晓东、唐廷等师兄在硬件电路调试方面对我进行 了很多指导，在平时的学习中，与实验室石磊、刘纯金，赵新等同学多次讨论， 也使我受益匪浅，在此向他们表示衷心的感谢。 另外也感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 1 绪论 1 1 研究背景及意义 随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断提高，这些变流装 里在国民经济各领域中取得了广泛应用。但是，目前这些变流装置很大一部分需 要整流环节以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路 或晶闸管相控整流电路，因而对电网注人了大量谐波及无功，谐波的危害十分严 重，主要表现在增加设备损耗、产生振动和噪声，谐振过电压以及对外部产生电 磁干扰，降低设备的工作效率和使用寿命。同时，大量的无功功率使本来就电力 供应不足的公共电网的电能利用率大幅度降低，并造成了严重的电网“污染 。 治理这种电网“污染”最根本措施就是，要求变流装置不产生谐波，实现网 侧电流正弦化且运行于单位功率因数。由于p w m 整流器实现了网侧电流正弦化， 运行于单位功率因数还可以进行电网无功调节，能够实现能量的双向流动，因而 能真正实现了“绿色电能变换，开发p w m 整流器成为解决谐波污染的重要途径。 另外，近期出现的无交流电压传感器控制策略研究，省去了交流侧传感器，大大 简化了控制硬件的复杂程度。 风能的大规模应用将是2 1 世纪人类社会发展的一个重要标志。然而要实现这 一目标，首先必须完成风能由补充能源向替代能源过渡，使风能的利用由边远无 电地区向有电地区的常规供电方向发展。这就要求开发性能优越的并网发电系统。 网侧变流器完成向电网的馈电控制，并实现网侧单位功率因数正弦波电流控制， 是风力发电变流系统的重要组成部分。为进一步建设资源节约型、环境友好型社 会，实施“国家中长期科学和技术发展纲要”，适应我国风力发电的跨越式发展， 设计一种对电网谐波污染小、功率因数高、能量双向流动、动态响应快、可靠性 高的网侧变流器以成为当务之急。 1 2p w m 整流技术的现状与分析 1 2 1p w m 整流器技术要求 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( 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。 近年来，p w m 高频整流器研究的主要集中在控制技术的更新，其研究紧紧 围绕以下几个方面的要求： 1 ) 减少a c 侧输入电流畸变率，降低其对电网的负面效应。一般要求在整个 负载波动范围内，a c 侧输入电流的总谐波畸变率( t h d ) 低于5 ； 2 ) 提高功率因数，减小整流的非线性，使之对于电网而言相当于“纯阻性负 载； 3 ) 提高系统的动态响应能力，减少系统的动态响应时间 4 ) 降低系统的开关损耗，提高整个装置的效率； 5 ) 减少直流侧纹波系数，缩小直流侧滤波器体积，减轻重量； 6 ) 提高直流侧电压( 电流) 利用率，扩大调制波的控制范围。 1 2 2p w m 整流器控制策略1 一些较为新颖的策略简述如下： ( 1 ) 无电网电动势传感器和无网侧电流传感器控制为简化信号的检测， t 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 则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。 ( 2 ) 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 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。这种方案 较好的解决了p w m 整流器的大范围稳定控制问题。 ( 3 ) p w m 整流器的时间最优控制是基于d q 模型的电压型p w m 整流器控制， 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 2 最优控制。其基本方法是根据时间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。 ( 4 ) 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 w m 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。文章认为电网负序分量是导致网侧电流畸变的原因。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。 1 3p w m 整流器在风力发电中的应用 1 3 1直驱式风力发电技术 如图1 - 1 为直驱式永磁同步风力发电机系统，此系统中风轮与永磁同步发电机 直接连接，无需升速齿轮箱。首先将风能转化为频率和幅值变化的交流电，经过整 流之后变为直流，然后经过三相逆变器变换为三相频率恒定的交流电连接到电网。 通过中间电力电子变化环节，对系统有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率 跟踪，最大效率利用风能。 ! r e c t i f _ z r i l l , o r l e t g r i d - i d e； 玲 图卜l 直驱永磁同步风力发电机系统 f i g 1 一ld i r e c t d r i v ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o rs y s t e m 3 此系统采用交一直一交结构，通过全功率变流并网。同步电机的工作频率与电 网频率互相独立，发电机在可利用风速范围内无转速调节限制，且不存在同步电机 的失步问题。该系统主要特点有： ( 1 ) 无需齿轮箱，机械损耗小，运行效率高，维护成本低： ( 2 ) 消除励磁铜耗，功率密度高，转子惯性低，转子结构简单； ( 3 ) 可实现有功功率和无功功率的完全调节； ( 4 ) 与双馈风力发电机组相比，低风速时效率更高； ( 5 ) 采用全功率变流，对电力电子器件的耐压和电流等级要求较高，成本亦 相应提高； ( 6 ) 多极发电机的体积和重量较大。 乒一 i n v e r t e r 图1 2 三相p w m 整流器 f i g u r e1 - 2t h r e e - p h a s ep w m r e c t i f i e r 风力发电系统中p w m 整流器的应用如图1 2 所示。风力发电机的并网发电， 传统上常采用同步或异步发电机并网发电系统。同步发电系统需一套结构复杂的 调速机构，以稳定发电机转子转速；而异步发电系统在发电的同时，需向电网吸 取无功功率，或由自备电容器提供无功电能，并且发电机转速变化范围较小。若 采用交直交型风力发电机并网发电系统，就能较好地克服同步、异步发电系统的 不足，如图1 2 采用了双p w m 整流器的结构【2 1 。 其中，风力发电机侧的p w m 整流器控制风力发电机运行，且输出电流为正弦 波，从而提高了风力发电机的运行效率。同时，通过发电机转矩的调节，以满足 风力机的最大功率点运行；而网侧的p w m 整流器则完成向电网的馈电控制，并实 现网侧单位功率因数正弦波电流控制。 1 3 2双馈式风力发电技术胡 双馈发电机结构类似于绕线式感应电机。系统由双馈发电机、电机侧p w m 整 流器、网侧p w m 整流器和微机实时控制系统组成。其定子绕组直接接入电网，转 子侧绕组通过双向变频器，经由变压器接入电网，供给三相低频励磁电流，如图 1 3 所示。 4 当该系统正常运行时，转子绕组中的三相低频电流会形成一个低速旋转磁场。 该磁场的旋转速度( ) 与转子机械转速( n r ) 叠加，令其等于同步转速啊，即 刀，惕= ，l i ，从而在发电机定子绕组感应出工频电压。当风速变化时，电机转速珥 随之改变。根据电机调速的原理，通过控制电机转子电流的频率以改变旋转磁场 的速度，补偿电机转速的变化，保持定子侧输出频率恒定。 t u r b i n e 图1 - 3 双馈风力发电机系统 f i g u r e1 - 3d o u b l y f e dw i n dt u r b i n es y s t e m s 发电机既可以超同步运行( 转子旋转磁场方向与机械旋转方向相反，为负) ， 也可以次同步速运行( 转子旋转磁场方向与机械旋转方向相同，为正) 。对前 者，除定子向电网馈送电能外，转子也向电网馈送一部分电能；而后者，在定子 向电网馈送电能的同时，转子需要从电网吸收部分电力。由于电力电子装置在发 电机的转子回路，其容量一般不超过电机额定功率的3 0 。 因此该系统与其他变速恒频风力发电系统相比有如下特点【2 】： 一具有转速变化范围的限制，一般为额定转速的3 0 + 2 0 ； 一电力电子装置的功率等级较小，故电能损耗和成本都不大； 一既可调节有功功率也可控制无功功率； 一高风速时效率较高； 一与多极同步电机相比，双馈发电机体积小，安装和运输方便； 一需要齿轮箱，增加了机械维护成本； 一转子侧有滑环和电刷，需要一定的维护和检修。 1 4直接功率控制策略 从能量的角度看，在交流电压一定的情况下，如能控制p w m 整流器的瞬时功 率( 有功和无功) 在允许的范围内，也就间接控制了瞬时电流( 有功和无功) 在允许的 范围内，此种控制策略即为直接功率控f l 列( d p c ) 。在2 0 世纪9 0 年代初，t o k u oo h n i s h i 提出了一种将瞬时有功功率、无功功率用于p w m 变换器闭环控制系统中的新型控 5 制策略，随后t 0 s h 诚k on o g u c h i 等学者进行了研究并取得了进展。整流器d p c 系统 结构为直流电压外环、功率控制内环结构，根据交流源电压及瞬时功率在开关表 中选择整流器输入电压所需的开关量，实现高性能整流。与通常的电流控制策略 相比，直接功率控制p w m 整流器具有更高的功率因数、低的t h d 、高效率、算法 和系统结构简单等优点，日益引起国内外学者的关注。 目前的电压型p w m 整流器直接功率控制策略主要有电压定向p w m 整流器直 接功率控制( v o d p c ) 、基于虚拟磁链定向的直接功率控制( v f o d p c ) 及基于 输出调节子空间的直接功率控制策略( o r s d p c ) - - - 种【4 】。本论文主要研究电压定向 直接功率控制( v o d p c ) 和虚拟磁链定向的直接功率控制( v f o - d p c ) 控制策略。 1 5本文研究内容 本文以国家科技部计划支撑项目“m w 级风力发电机组电控系统研制 为研 究背景，重点研究了直驱式风力发电变流系统中网侧变流器。为了适应我国风力 发电的跨越式发展，设计一种对电网谐波污染小、功率因数高、能量双向流动、 动态响应快、可靠性高的并网发电系统以成为当务之急。 并网变流器采用三相电压型p w m 整流器结构，本文分别采用电压定向直接功 率控制( v o d p c ) 年i 虚拟磁链定向的直接功率控制( v f o d p c ) 控制策略，对p w m 整流器直接功率控制系统进行了理论分析，对其工作原理和控制方法进行了深入 探讨，并对传统丌关表进行了改造，建立了控制性能更好的新开关表，最后通过 仿真和实验对理论分析进行了验证，得出了相关的结果和结论，具体内容如下： 本文第一章绪论介绍了开发p w m 整流器成为解决谐波污染的重要途径，并对 p w m 整流技术的现状进行了分析，介绍了当前比较新颖的p w m 整流器控制策略， 最后介绍了p w m 整流器在风力发电中的应用。 第二章首先介绍了p w m 整流器的工作原理，并给出了其在不同坐标系下的数 学模型。然后了分析电压定向直接功率控制( v o d p c ) 系统的组成、功率控制原理， 传统开关表构造原理，研究d p c 系统的结构设计，并在传统开关表的基础上，对 开关表进行改造，并提出了三状态开关信号的控制策略，消除了无功功率不可控 区域，控制效果得到了改善，把功率信号有效地控制在滞环边带内。 第三章重点研究了基于虚拟磁链定向的无交流传感器直接功率控制 ( v f o d p c ) 的工作原理，引入了虚拟磁链的概念，省去了交流侧传感器，简化 了电路硬件结构，并给出了虚拟磁链定向下p w m 整流器的数学模型，分析了虚拟 磁链定向的无交流传感器直接功率控制系统的组成，本文通过虚拟磁链观测器由 惯性环节代替纯积分环节，解决了与积分初值有关的直流偏置的问题。 6 第四章在m a t l a b s i m u l i n k 环境下，分别对基于电压定向的直接功率控制 ( v o d p c ) 和基于虚拟磁链定向的无电压传感器直接功率控制( v f o d p c ) 系 统两种控制策略进行了仿真验证，得出了仿真结果，并对波形进行了详细分析。 第五章介绍了小功率p w m 整流器的实验主电路以及控制系统的软、硬件设 计，基于d s pt m s 3 2 0 2 8 1 2 适合于p w m 控制的特点，介绍了以d s p 为控制核心 的控制系统，d s p 的外围电路，以及其主要的硬件功能模块。给出了控制系统软 件结构框图，并对软件的程序设计进行了详细说明。包括主程序、中断程序、保 护程序、p i 调节器控制程序以及信号同步程序。 第六章给出了在实验系统下分别对基于电压定向的直接功率控制( v o d p c ) 和基于虚拟磁链定向的无交流传感器直接功率控制( v f o d p c ) 系统两种控制策 略进行了验证，得出了结果，并对波形进行了详细分析。实验结果表明，基于电 压定向的直接功率控制( v o d p c ) 具有高功率因数，高效率、算法及系统结构简 单，动态响应快等优点。基于虚拟磁链定向的无交流传感器直接功率控制可以获 得与电压定向直接功率控制类似的控制效果。 本文最后一章对研究的内容作了总结和展望。主要总结了本课题的完成情况， 还有待完善的地方以及下一步的工作计划。 2 基于电压定向p w m 整流器直接功率控制( v o d p c ) 本章先介绍p w m 整流器的工作原理及其数学模型，然后了分析电压定向直接 功率控$ 1 ( v o - d p c ) 系统的组成、功率控制原理，传统开关表构造原理，研究d p c 系统的结构设计，并在传统开关表的基础上，对开关表进行改造，并提出了三状 态开关信号的新控制策略，新开关表使无功不可控区交短，无功功率的超调幅值 变小，电流波形的正弦度和平滑度都得到了改善。并对p w m 整流器直接功率d p c 系 统的性能在m a t l a b s i m u l i n k 环境下进行仿真，验证了新开关表的控制效果及 可行性。 2 1p w m 整流器工作原理嘲 2 1 1p 删整流器的原理及拓扑结构 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，其运行于整流工作状态：而当p w m 整流器向电网传输能量时，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( 诈阻特性) ，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) 。忽略交流侧等值 电阻，其在理想状态下运行的电压矢量关系如下图： 图2 1 整流：【况 f i g 2 一ls t a t eo f r e c t i f i e r 整流时p w m 的原理图，逆变时电流i 与电压e 反向。 图中：u n _ 网侧输入交流电源 i l r 网侧输入电流 u r - p w m 整流器的交流侧电压 9 n 土i r i 一 ! 蚍彳 l1 三相桥骘 图2 - 2 为p w m 整流器模型 f i g 2 - 2t h r e ep h a s ev o l t a g es c o u r g ep w m r e c t i f i e r 从图2 - 2 可以看出：p w m 整流器模型电路由交流回路、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“以及网侧电感等；直流回路包括负 载电阻尺，及负载电动势“，等；功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组成。 当不计功率开关管桥路损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得 i v = 也 ( 2 1 ) 式中，、f 模型电路交流侧电压、电流； 、t 模型电路直流侧电压、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2 3 所示。 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2 3 分析：当以电网电动势矢量为参考时， 0 d d d b a ) b b ) 口 c ) i c b d ) 图2 - 3p w m 整流器交流侧稳态矢量关系 a ) 纯电感特性运行b ) 正阻特性运行c ) 纯电容特性运行d ) 负阻特性运行 f i g 2 3v e c t o rr e l a t i o no fp w m r e c t i f i e ra c s i d e e 交流电网电动势矢量v 交流侧电压矢量 圪变流侧电感电压矢量i 交流侧电流矢量 1 0 c 通过控制交流电压矢量y 即可实现p 1 j m 整流器的四象限运行。若假设i ，i 不变，因 此i 巧i - m l l j l 也固定不变，在这种情况下，p w m 整流器交流电压矢量v 端点运动 轨迹构成了一个以i 巧l 为半径的圆。当电压矢量y 端点位于圆轨迹彳点时，电流矢 量，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2 3 a 所示；当电压矢量y 端点运动至圆轨迹b 点时，电流矢量j 与电动势矢量e 平行且 同向，此时p i c m 整流器网侧呈现正电阻特性，如图2 3 b 所示；当电压矢量矿端点 运动至圆轨迹c 点时，电流矢量，比电动势矢量e 超前9 0 。，此时p w m 整流器网 侧呈现纯电容特性，如图2 - 3 c 所示；当电压矢量矿端点运动至圆轨迹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 2 - 3 d 所示。以上，爿、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a b 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；而在彳点运行时，p 删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v 端点在圆轨迹b c 上运动时，p f f d 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 l o d 整流器运行至f 点时，p 删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v 端点在圆轨迹凹上运动时，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。当p 嘲整流器运行至口点时，便可实现单位功率因数有源逆变控 制。 ( 4 ) 当电压矢量v 端点在圆轨迹删上运动时，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感性无功功率，电能将从p w m 整流器直流 侧传输至电网。 显然，要实现p 1 i l 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，也可以 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。 2 1 2p w m 整流器的数学模型 为了简化分析作如下假设： ( 1 ) 电网电动势为三相对称正弦理想电压源( u 。，u b ，畋) ； ( 2 ) 网侧三相滤波电感各相相等，且认为是线性的，不考虑饱和； ( 3 ) 功率开关管损耗与交流电感及网侧电阻以电阻值刀等效表示； ( 4 ) 直流侧负载用电阻r ，表示，系统运行于整流状态。 1 三相静止坐标系( 口一b c ) 下的数学模型 首先定义三相p w m 整流桥单极性二值逻辑开关函数 10 上桥臂关断，下桥臂导通 ，、 s i - - 1 1 下桥臂关断，上桥臂导通 2 口d c j 则有u k h = ， 三拿= u k - - 以叫。 出 “ 式中心o = ( “埘+ o ) 。 此处仅考虑三相平衡无中线系统，故 z u 。= = o 可襻”a 。 扣m 玑。 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 三云d i = 一以一( 一等，互，_ ) ( 后= 啪 c ) ( 2 - 4 ) 对直流侧分析得 c 誓= 。娶& 一t 整理得到三相电压型p w m 整流器开关函数描述数学模型 嗉= 畋一戤一( & 一等，荟，。_ ) ( 后= 口，6 c ) c 鲁= 。娶“ ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 式中t 为直流负载电流。 引入状态变量x ，且x = 吃t 】7 ，则采用开关函数描述的三相电压型p w m 整流器数学模型的状态变量表达式为 zx=ax+u(2-8) 式中 a = 一只。一l 一鼍学) 。以。一( 一半) 。一尺一( 一半) s n s bs。0 z = d i a g i t , ，厶厶c u = 【心i 飞 ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 2 两相静止坐标系陋一) 下的数学模型 通过坐标变换，可以将p w m 整流器三相对称静止坐标系的数学模型转换成在 两相垂直静止坐标系( 口一f 1 ) 下或者以电网基波频率同步的同步旋转坐标系( d - q ) 下的表示形式。这样做的主要目的是为了简化控制系统的设计，例如，在三相对 称静止坐标系下的基波正弦变量转换到同步旋转坐标系下，正弦变量就成了直流 变量。 从三相静止坐标系( a - b c ) 变换到两相垂直静止坐标系( a - f 1 ) ，其中a 轴与 a 轴重合，而1 3 轴超前a 轴9 0 度相角。两坐标系的位置关系见图2 - 4 。 图2 4 三相静止坐标系( 口一b - c ) 到两相垂直静止坐标系( 口一矽变换 f i g u r e2 4s t a t i o n a r yf r a m e ( 口一6 一dt o ( 口夕a x e st r a n s f o r m a t i o n 采用等功率变换方式，变换矩阵，。k 为 压 ，幽2 ； 令零轴分量为 1一!一1 22 o 鱼一笪 22 1 3 ( 2 - 1 2 ) 而= 三( 艺+ 而+ ) 则矢量j 从( 口一b c ) 坐标系到( 口一) 坐标系下的变换为 h 压 时、j 1 一! 一三 22 o 鱼一鱼 22 111 222 ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 对式( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 进行，。6 c 变换，可得到两相静止坐标系( 口一) f 的开关函 数的数学模型表达式 三鲁= 一r i 吨( 2 - 1 5 ) 鲁= u p - r 叫，( 2 - 1 6 ) c d 出v d o = 三( 帆+ 俩) 一t ( 2 - 1 7 ) 该坐标系下对应的状态变量表达式为 z x = 似+ e ( 2 - 1 8 ) z = d i a g 三，l ，c ) x = 【i p 】r 彳= 融吉- - $ a e = e e e pt ( 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) 3 两相旋转坐标系( d g ) 下的数学模型 将两相静止垂直坐标系( 口一矽中的数学模型进一步变换为两相同步旋转坐标 系( d g ) 中的数学模型。两相同步旋转坐标系( d g ) 以电网电压基波角频率彩在逆 时针旋转，口轴与口轴央角为0 ，坐标系( 口一) 与坐标系( d g ) 的位置关系如图2 5 所示，变换矩阵为 1 4 附耋弓 砌sinsl90嘲jkxsin0 i g ?功 x、 程j ( 2 - 2 3 ) 图2 5 两相静止垂直坐标系( 口一矽到两相同步旋转坐标系( d g 冬甍、 f i g u r e2 5s t a t i o 舱r yf r a m e ( 口一) t os y n c h r o n o u s l y r o t a t i n gl d g 畔厶舶一1 2 ) 2 3 ) 得到庭蕊舭而_ 至| j 两相同步旋转坐标系 联合式( 2 一 、( 2 2 3 ) 得到从三相静止坐标系( a 而刮剑网棚i _ 丌j 少服千i 里例、刀号 ( d 呦的坐标变换矩阵毛，咖。 匿r s i n 0s m ( o 一2 万3 ) s i n ( o + 2 n 3 ) - l ( 2 - 2 4 ) 出2 、j 亏lc o s 0 c o s ( p 一2 7 r 3 ) c o s ( o + 2 万3 ) j 从而，得到两相同步旋转坐标系( d g ) 中的数学模型，其模型结构如图2 6 所 示。 嵯d 4 ：一嘲一r 一s 。 ( 2 2 5 ) 嗉= u + r o l i 。以一劫 c ( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) 图2 - 6 两相同步旋转坐标系( 加) 中数学模型 f i g u r e2 6m a t h e m a t i c a lm 。d e l 。fp 删r e c t i f i e r i ns y n c h r 。n o u s l yr o t a t i n gf r a m e ( 删 1 5 2 2 电压定向直接功率控制 2 2 1瞬时功率的定义嘲 关于功率的定义，传统理论中的有功功率、无功功率等都是在平均值基础上 或向量的意义上定义的，它们只适用于电压、电流均为正弦波的情况。三相电路 瞬时功率理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功 功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为u a 、u 。、心和、t ，经过 坐标变换到( 口一f 1 ) 下，可以得到两相坐标系下的电压“。、“声和电流、，电压 和电流可以分别合成旋转的电压矢量和电流矢量，两个矢量的夹角为p ，定义三相 电路的瞬时有功电流定义三相电路的瞬时有功电流f 。和瞬时无功电流分别为电 流矢量往电压矢量圾其法线方向的投影，即： j 刮c o s 口( 2 - 2 8 ) 【q = i s i n 0 定义三相电路瞬时有功功率p 为电压矢量的模和三相瞬时有功电流的乘积，三 相瞬时无功功率g 为电压矢量的模和三相电路瞬时无功电流的乘积，即： j 胪“2 u i c o s o ( 2 - 2 9 ) 【g2 u q = u i s i n 0 ( 1 ) 三相直角坐标系下的功率定义 令瞬时相电压、相电流在三相直角坐标系( a 、b 、c ) 下各轴分量为 “= 【“。u bu c 】1 ，f = 【毛f 6t 】7 。 ( 3 3 0 ) 向量甜的长度= 以+ 以+ 材； 2 ，撇l i l = 艺+ + 2 定义瞬时有功电流向量为向量f 对向量甜切线方向的投影，瞬时无功电流 为向量f 对向量“法线方向的投影，则= f 一，与“同相，与“垂直，i p 与也 垂直，定义瞬时有功功率p 为u 、i 的标量积，瞬时无功功率g 为u 、i 的矢量积， 则瞬时有功功率为 p = u i = u a i a + “6 + “。= u ic o s 0 ( 2 3 1 ) g = 删= 去【( 一蚺也一喊+ ( u a - - u a ) 之 ( 2 - 3 2 ) 其中0 是“、f 问的夹角，无功功率矢量g 方向垂直于“、f 所在平面。 ( 2 ) 两相静止坐标系( 口一) 下的功率定义 设三相电压平衡，三相电路各相电压、电流的瞬时值分别为u 。、u b 、u 。和乞、 1 6 、t ，经过式( 2 3 3 ) 等功率坐标变换到( 口一p ) 坐标系下，可以得到两相坐标系下 的电压、u b 和电流乞、知分别为电压矢量“和电流矢量f 在( 口一矽轴上的投影。 电压和电流两个矢量的夹角为缈。 压 k 5 、- l 口 珞= - 孚( i a + 4 三i b ) i ( 2 - 3 3 ) 。、f 互姗 = 半( “口+ 厄6 ) 定义三相电路的瞬时有功电流和瞬时无功电流分别为电流矢量维电压矢 日 * u ，1 1 “l n 目，口n