（电力电子与电力传动专业论文）飞轮电池控制系统研究.pdf

l 、 1 t h es t u d y o fc o n t r o ls y s t e mo f f l y w h e e lb a t t e r y b y h ey i b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 5 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g e l e c t r i cd r i v e i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n g x i n g g u i a p r i l ，2 0 1 1 1 l j ， 1 - r 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：久可翼 日期：d 口i j 年月- 7 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本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和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：寻f 年名月7 日 日期卅年多月勿日 r 4j r 硕士学位论文 目录 摘i i 要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 概述1 1 2 飞轮电池关键技术的研究现状2 1 3 飞轮电池的结构一 。3 1 4 飞轮电机的选取6 1 5 本课题的研究内容7 第2 章飞轮电池能量转换系统的分析一8 2 1 飞轮电池能量转换方式8 2 2p w m 交流器的工作原理_ 1 1 2 3 三相电压型p w m 变流器的数学模型1 4 2 4 三相电压型p w m 变流器的数学模型精细化1 6 2 5 本章小结1 8 第3 章飞轮电池能量转换系统的控制策略1 9 3 1 永磁无刷同步电机的数学模型1 9 3 2 永磁无刷同步电机的控制策略2 l 3 3 空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术2 6 3 4 本章小结3 l 第4 章系统硬件电路与软件实现3 2 4 1 系统总体方案设计3 2 4 2 功率开关器件的选取3 4 4 3i g b t 的保护与驱动3 6 4 4 控制电路设计3 8 4 4 1 控制器的选择3 8 4 4 2 检测与保护电路4 0 4 4 3 控制电源4 3 4 5 系统软件设计4 3 4 6 本章小结4 5 第5 章系统仿真与实验4 6 5 1 系统仿真4 6 5 2 飞轮电池实验4 8 5 3 本章小结5 0 - ， 飞轮电池控制系统研究 曼曼曼皇曼皇曼皇曼曼曼曼量曼! 曼曼! 皇曼量鼍曼曼曼曼曼皇曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼! ! ! 曼曼! 曼皇曼曼曼蔓曼! ! 蔓曼鼍曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼舅曼曼曼曼曼鼍曼曼量量曼皇曼曼i iii 曼曼曼曼 结论5l 参考文献5 2 致 射5 5 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 7 i i 一 硕士学位论文 摘要 飞轮电池是一种具有高储能密度的新型机械储能装置。本课题将飞轮电池用 做不间断供电，当市电或其它独立供电电源断电或故障后，由飞轮电池来提供市 电和柴油发电机组这两个供电电源切换时的不间断供电，保证给负载供电是连续 不断的，并保证各项供电性能和参数指标不会因为市电故障而发生变化。 本文首先结合飞轮电池对驱动电机的具体要求选用永磁无刷同步电机作为本 系统中飞轮电池的驱动电机。针对永磁无刷同步电机，阐述了可实现飞轮电池能 量转换的三种控制方案，并且详细分析了电压型p w m 变流器的工作原理及其数学 模型。 在理论分析的基础上，本实验采用d s p 芯片作为核心控制器，以三相全桥i g b t 逆变电路和不可控整流桥作为主电路，重点进行了飞轮电池能量转换技术的研究 和控制系统的设计，然后利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具和以d s p i c 3 0 f 3 0 1 1 为核 心的硬件平台，进行了仿真和实验研究。仿真与实验结果表明方案的正确性，因 此该飞轮电池控制系统具有工程可行性。 关键词：飞轮电池；永磁无刷同步电机；能量转换系统；d s p i c 3 0 f 3 0 1 1 一 - a b s t r a c t f l y w h e e lb a t t e r yi san e wk i n do fb a t t e r y , i th a sb r e a kt h r o u g ht h et r a d i t i o n a l m e t h o do fc h e m i c a le n e r g y s t o r a g e ，t h ee l e c t r i c a le n e r g yi ss t o r e di nt h ef 0 mo f m e c h a n i c a le n e r g y f l y w h e e l b a t t e r y h a s m a n yo fa d v a n t a g e so fh i g he n e r g y d e n s i t y ，l o n gl i f e ，w i d et e m p e r a t u r er a n g e ，h i g he f f i c i e n c y , e a s yt om e a s u r ee n e r g v n o p o l l u t i o n ，t h e r e f o r e ，p e o p l ep a ym u c ha t t e n t i o nt oi t a tp r e s e n t ，t h ef l y w h e e lb a t t e r v h a sb e e nu s e di n u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l i e s ，p o w e rs y s t e m s ，h y b r i dl o c o m o t i v e s a n do t h e ra p p l i c a t i o na r e a s e n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e mi sk e yt o c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n go ff l y w h e e l b a t t e r y a tf i r s t ，t h i sa r t i c l ec o m b i n e sw i t ht h es p e c i f i c r e q u i r e m e n t so ff l y w h e e l b a t t e r y p o w e r e dm o t o ra n d a n a l y s i s e ds e v e r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o r b v c o m p a r i s o n ，p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s ss y n c h r o n o u sm o t o ri ss e l e c t e d a st h e f l y w h e e lb a t t e r ym o t o r f o rp e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s s s y n c h r o n o u sm o t o r t h r e e o p t i o n so fe n e r g yc o n v e r s i o no ff l y w h e e lb a t t e r yi sp r o p o s e dt o ，a n dw o r k i n gp 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 lo fp w m c o n v e r t e ri sa l s oa n a l y z e d t h em a i nt a s ki st op u tf o r w a r dt h es c h e m et h a tf l y w h e e lb a t t e r yi su s e di nm o b 订e p o w e ra su n i n t e r r u p t e dp o w e rs u p p l ya p p l i c a t i o n d s p i c 3 0 f 3 0 11o f m i r c r o c h i pi su s e d f o rc o n t r o l l e ro f f l y w h e e lb a t t e r yc o n t r o ls y s t e m ，t h r e e p h a s ef u l l b r i d g ei g b ti n v e r t e r c i r c u i ta n du n c o n t r o l l e dr e c t i f i e r b r i d g e i su s e df o rm a i nc i r c u i t t h i s p a p e r c o n c e n t r a t e so nt h er e a l - t i m ec o n t r o ls y s t e md e s i g na n de n e r g yf e e d b a c kt e c h n o l o g y r e s e a r c h ，a n dt h e nm a t l a b s i m u l i n ka n dh a r d w a r ep l a t f o r mo fd s p i c 3 0 f 3 0 1 1i su s e d t or e s r a r c h t h er e s u l ts h o w st h es c h e m ei s c o r r e c t t h e r e f o r e ，t h ec o n t r o ls v s t e mo f f l y w h e e lb a t t e r yh a sp r o j e c tf e a s i b i l i t y k e yw o r d s ：f l y w h e e lb a t t e r y ；p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ；e n e r g y c o n v e r s i o ns y s t e m ；d s p i c 3 0 f 3 0 1 1 i i 一 硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 能源是现代经济发展的支柱之一，是国家工业的主体。电能作为一种既高效 又清洁的能源，在国家的经济发展中发挥着越来越重要的作用。在许多工业化程 度高的发达国家，由于电力系统的不可靠，屡屡发生大面积停电等重大电力事故， 造成巨大的经济损失。因此，必须采用一些有效的措施把用电低谷时多余的电能 存储起来以便缓解用电高峰时的压力。 电能储能的应用越来越广泛，特别是一些对电力稳定性要求高的场所，例如 航空航天、电力行业、医院等。目前已采取的储能技术非常多，主要有叫劓： ( 1 ) 机械储能：如抽水储能、势能储能、飞轮电池等； ( 2 ) 化学储能：如钠硫电池、氧化还原液流电池、铅酸电池、镍氢电池等： ( 3 ) 电磁储能：如超导储能器等； ( 4 ) 相变储能：如固液共晶相变储能等。 目前储能技术中应用最广泛的是化学储能，如铅酸蓄电池。自1 8 6 0 年法国人 普朗泰( g a s t o np l a n t e ) 发明铅酸蓄电池以来，蓄电池也己走过了1 5 0 年的历史，其 应用范围是越来越广泛。与此同时蓄电池的技术和种类也经历了很大的发展和改 进。现在应用较多的蓄电池主要有：铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、钠硫 蓄电池、锂电池、锌空气电池、燃料电池等乜1 。这些蓄电池有一个共同的特点：都 是通过化学反应的形式来储蓄电能的，所以它们也存在共同的缺点：比能量低、充 电时间长、寿命短、对环境存在污染。而飞轮电池是一种新型蓄电池，突破了传 统蓄电池的化学储能方法，把电能以机械能的形式储存起来。与化学电池相比， 表1 - i 飞轮电池与化学电池的比较 对比特性化学电池飞轮电池 可重复充电次数 5 0 6 0 0 次 1 0 0 0 0 次 使用寿命2 8 年 2 0 年 储能方式化学能机械能 充电时间 1 0 1 5 h1 0 - 15 m i n 相对尺寸( 同功率)大小 温度要求有要求无要求 对环境的影响有污染( 铅、酸)无污染 单位重量功率密度( k w k g ) 0 1 0 5 5 1 0 年 价格低尚 能量转换效率 3 0 0 0 09 0 0 1 5 0 0 0 1 5 0 0 0 控制器相对成本 0 7l1 3 电机牢固性 良好优 优 永磁无刷同步电机相比于传统电机的优势n 钔：( 1 ) 低损耗：由于永磁无刷同步 电动机采用了永磁体代替电励磁，并且没有励磁损耗，所以运行时，没有铁耗和 铜耗，这样也就清除了电机发热的根源。( 2 ) 电机效率高：功率因数可以设计在1 0 附近；( 3 ) 永磁无刷同步电机无需电流励磁，不设电刷和滑环，因而结构简单， 可靠性高；( 4 ) 电机的转速容易控制，只要通过控制电源的频率即可达到目的；( 5 ) 由于转子使用了永久磁铁作为励磁，可以在较低的速度下保持同步运行，使调速 范围变宽。 由于以上优点，永磁无刷同步电机在飞轮电池的应用中具有很大优势，国内 外飞轮电池研究机构多采用永磁无刷同步电机( p m s m ) 。本文中也采用永磁无 刷同步电机作为飞轮电池的控制电机。 6 硕士学位论文 1 5 本论文的研究内容 本论文的研究目的是立足于本专业基本理论，结合其他相关学科方面的知识 以及前人在这一领域内的研究成果，从可靠和实用的角度出发，研制出一套具有 实际应用价值的飞轮电池控制系统。本文从飞轮电池的充放电特性出发，针对传 统飞轮电池要求充电速度快，放电稳定的特点，设计了一种采用d s p i c 3 0 f 3 0 1l 的 飞轮电池充放电控制系统，全文共分5 章，内容安排如下： 第1 章简要地介绍了飞轮电池的现状和发展趋势，详细介绍了飞轮电池的组 成、充放电原理，并对飞轮电池中的电机做了详细分析，最后阐述了本论文的结 构安排。 第2 章介绍了目前国际上针对飞轮电池的能量转换系统常采用的几种方案， 并对其中的关键部件p w m 变流器做了详细分析。 第3 章详细阐述了本系统中针对永磁无刷同步电机采用的飞轮电池充放电控 制策略。 第4 章详细介绍了本文设计的飞轮电池控制系统的硬件电路设计，包括主电 路、驱动电路、检测电路和保护电路；在软件实现方面，介绍了整体软件设计思 路，给出了主程序、充电控制流程图、放电控制流程图。 第5 章详细说明了本课题在m a t l a b s i m u l i n k 中的仿真模型及其仿真结果；简 要介绍了实验样机的各部分参数，并给出了实验波形及其结果分析。 7 飞轮电池控制系统研究 第2 章飞轮电池能量转换系统的分析 飞轮电池的能量是以机械能的形式来储存的，根据系统的运行特点，通过前 面分析本论文选择的电机为永磁无刷同步电机。飞轮电池充电时，电机相当于永 磁无刷同步电动机，系统处于加速储能过程，把电能转换为飞轮的机械能。当飞 轮达到额定转速，此时整个系统处于能量保持状态。飞轮电池放电时，电机相当 于永磁无刷同步发电机，将飞轮的机械能转换为电能输出，向负荷供电。 2 1 飞轮电池能量转换方式 飞轮作定轴高速旋转所储存的机械能e 可表示为： e ：! 砌2 ：! 朋，2 国2 ( 2 1 ) 22 式( 2 1 ) 中j 为飞轮本体转动惯量；c o 为飞轮本体的转速：m 为飞轮本体的 质量；r 为圆形飞轮本体的半径。由式可以得出：飞轮储存的机械能与其转动惯量 j 成正比，与旋转速度的平方成正比。 飞轮本体的单位储能e 可表示为1 1 m 小1 ： e = 兰= 瓜厄竺( 2 2 ) m p 式( 2 2 ) 中p 为飞轮本体的材料比强度；a h 为材料强度极限；p 为材料 密度：k s 为飞轮本体形状系数，与其断面形状有关；k m 为飞轮本体材料利用系数， 其数值随材料各异。 由式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可以得出：高速运行的飞轮电池其储存能量和能量密 度都远远高于低速运行的飞轮电池。 当转矩的方向与飞轮本体转动方向一致时，飞轮受到正向不平衡转矩的作用 加速，能量转化为机械能储存起来：相反，当飞轮减速时，机械能转化为电能输出。 飞轮电池在给定的最高速度与最低速度之间循环运转时，可以吸收和释放的能量 为： w = 妄，( 国三。一2 ) ( 2 3 ) 二 能量转换系统是飞轮电池实现可靠“充电 和“放电的关键环节。飞轮电 池的能量转换主要通过电机及其电力电子变换器来完成。飞轮转子运行的转速很 高，普通的电机是很难达到这样高的转速的，采用齿轮变速箱来提高转速的话又 8 r 1 硕十学位论文 会影响飞轮电池的效率。现代电机变频调速主要依靠电力电子技术1 。 永磁无刷同步电机的转速公式可由下式表示： n ：6 0 f( 2 4 )n = l 么q ， p 式中，拧是电动机的转速；厂是电源的频率；p 是电动机的极对数。 由( 2 4 ) 式可知飞轮电池“充电 过程中，能量转换系统中的变频调速装置 通过改变电源的频率来驱动飞轮电机加速旋转。常采用的方法一般为：先采用整 流电路将三相交流电源整流成直流电，之后再采用逆变电路将直流电逆变为电压 和和频率可控的交流电源提供给电动机，通过控制频率可以达到控制电机转速的 目的。 飞轮电池能量转换系统的实质任务是实现电能和机械能之间的双向转换。目 前的电力变换中，基本变流形式有直流一交流( d c a c ) 、交流一直流( a c d c ) 、直 流一直流( d c d c ) 和交流一交流( a c a c ) 四种。飞轮电池采用交流一直流一交流电 力变换形式，即：“充电”状态下，先将电网三相交流电源整流成直流电后再逆 变为交流电来驱动电机；“放电 状态下，将飞轮电池输出的三相交流电源先整 流成直流电，再由逆变器逆变成符合负载或电网要求的工频电源。 下面介绍目前经常采用的三种飞轮电池能量转换系统： ( 1 ) 双变频调速系统模式 飞 轮 电 池 图2 1双变频调速系统模式 此模式下系统分别采用两套变频调速装置来实现飞轮电池的“充电和“放 电 控制，其原理如图2 1 所示，变频器a 的作用是对飞轮电池“充电过程进行 控制；变频器b 的作用是对飞轮电池“放电 过程进行控制。当飞轮电池工作于“充 电 状态时，转换开关s 与1 接通，变频器a 工作，变频器b 不工作，变频器a 将电 网三相交流电源先整流成直流电，再由p w m 变流器将其逆变成电压频率可调的交 流电来驱动飞轮电池中的永磁无刷同步电机，电机带动飞轮加速旋转，将电网电 能转换成飞轮本体的机械能；当飞轮电池工作于“放电状态时，高速旋转的飞 轮本体驱动永磁无刷同步电机工作，将机械能转换成电能，转换开关s 与2 接通， 9 飞轮电池控制系统研究 变频器b 工作，变频器a 不工作，变频器b 先将飞轮电池发出的交流电先整流成直 流电，再经p w m 变流器的调压、调频将直流电转换成工频交流电提供给负载。 ( 2 ) 单变频调速系统模式 飞 轮 电 池 图2 2 采用双换向开关模式 此模式下系统由一个变频器和两个换向开关来实现飞轮电池的“充电”和“放 电 过程，工作原理如图2 2 所示。当飞轮电池工作于“充电 状态时，换向开关 s 2 与3 接通，换向开关s 1 与1 接通，整流电路由开关s 1 与电网相接，将三相交流电 源转换成直流电，再通过p w m 变流器将直流电逆变为电压、频率可调的交流电来 驱动飞轮电池中的电机，电机带动飞轮本体加速旋转，将电能转换成机械能储存 起来；当飞轮电池工作于“放电”状态时，换向开关s 2 与4 接通，换向开关s 1 与2 接通，整流电路通过开关s 2 和s 1 与飞轮电池接通，将飞轮电池发出的交流电转换 成直流电，再通过p w m 变流器将直流电逆变为电压、频率稳定的工频电源通过开 关s 1 提供给负载。 ( 3 ) 双p w m 变流器模式 p w mp w m 变流器a变流器b 飞 轮 电 池 图2 3 变流器模式 此模式下由两个p w m 变流器来控制飞轮电池的“充电 和“放电 过程，原 理如图2 3 所示。由于p w m 变流器能工作于逆变和整流两种状态，所以此模式下可 以实现能量的双向转换。当飞轮电池工作于“充电 状态时，p w m 变流器a 处于 整流工作状态，将电网三相交流电整流成直流电，p w m 变流器b 处于逆变工作状 态，将直流电逆变为电压、频率可调的交流电来驱动飞轮电池中的永磁无刷同步 电机，电机带动飞轮本体加速旋转，将电能转换成机械能；当飞轮电池工作于“放 电 状态时，飞轮电池中高速旋转的飞轮本体带动电机发电，将机械能转换为电 能，p w m 变流器a 处于逆变状态，将直流电源转换成工频交流电源提供给负载， p w m 变流器b 处于整流状态。 1 0 1 硕士学位论文 2 2p w m 变流器的工作原理 2 2 1p w m 变流器的基本特性 理想的交流一直流双向变流器应该是心引： ( 1 ) 变流器输出直流电压可以迅速地调节控制而且平稳； ( 2 ) 变流器输入的交流电流波形是正弦波； ( 3 ) 输入的交流电流的功率因数可控制为任意正或负值指令值； ( 4 ) 交流一真流之间的功率流向可以是双向可控的，既可整流，又逆变； ( 5 ) 变流器中的电感、电容、变压器及功率开关都是理想的无损耗元件，工 作效率为1 ，即变流器是无损耗的。 p w m 变流器可实现能量可双向流动，它不仅呈现出a c d c 变流特性( 整流) ， 而且还可呈现出d c a c 变流特性( 有源逆变) ，因此确切地说这类p w m 变流器 实际上是一种新型的可逆p w m 变流器。经过最近几十年的研究与发展，p w m 变 流器技术已日趋成熟。p w m 变流器主电路已从早期的半控型器件桥电路发展到现 在的全控型器件桥路；其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平 拓扑电路：p w m 开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率等级从千 瓦级发展到兆瓦级，而在主电路类型上既有电压型变流器( v s r ) ，也有电流源型变 流器( s c r ) ，并且两者在工程中都得到成功地应用心副。由于p w m 变流器不仅实 现了能量可以双向传输，而且网侧电流正弦化并运行于单位功率因素，因而是飞 轮电池理想的能量转换装置。 p w m 变流器具有以下的优良性能乜鲥：( 1 ) 网侧电流波形为正弦；( 2 ) 网侧功率 因数可控制( 如单位功率因数控制) ；( 3 ) 能量双向传输；( 4 ) 较快的动态控制响应。 由于p w m 变流器能量可双向传输，当p w m 变流器从电网吸收电能时，其工作于 整流状态；而当p w m 变流器向电网传输电能时，其工作于有源逆变状态。单位 功率因数是指：当p w m 变流器工作于整流状态时，网侧电压、电流同相位( 正阻 特性) ；当p w m 运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相位( 负阻特性) 。 进一步研究表明，由于p w m 变流器其网侧电流及功率因数均可控制，因而可被 一一一一一一一一一一： - - 4 m , , , t ) u d c l - 图2 - 4p w m 变流器模型电路图 推广应用于有源电力滤波及无功补偿等其它一些非整流器应用场合。综上所述， p w m 变流器实际上是一个其交、直流侧可控，可以在四象限运行的变流装置。图 飞轮电池控制系统研究 2 - 4 为p w m 变流器模型电路，该电路由交流回路、功率变换回路以及直流回路组 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 。及负载电动势e ，等；功率变换回路可以是电压型或电流型。 当不计功率开关管损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得： 如= k ，d c ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中： v 、，一一模型电路交流侧电压、电流； v 阳、k 一一模型电路直流侧电压、电流。 由上式可以得出：通过对模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧，反 之亦然。 2 2 2 单相p w m 变流器的工作原理 随着p w m 技术的发展，已经有多种p w m 变流器相继出现，其中应用最多的 就是电压型p w m 变流器和电流型p w m 变流器这两大类，主要是因为电压型、电 流型p w m 变流器无论从电路结构、p w m 信号发生以及控制策略等方面均有各自 特点，电压型变流器直流侧采用电容进行储能，而电流型变流器直流侧采用电感 储能。通过对p w m 变流器的适当控制，不仅可以使输入电流非常接近正弦波， 而且还可以使输入电流和电压同相位，功率因数近似为1 。电流型p w m 变流器由 于需要较大的直流储能电感以及交流侧l c 滤波环节所导致的电流畸变、振荡等问 题，使其结构和控制复杂化，从而制约了它的应用和研究。相比之下，电压型p w m 变流器有结构简单，较低的损耗等优点乜7 1 。本课题所研究飞轮电池控制系统是采 用三相电压型p w m 变流器，下面介绍p w m 变流器的工作原理。 图2 - 5 为单相p w m 变流器，交流侧电感l s 包含外接电抗器的电感和交流电 源内部电感，电阻r s 也包含外接电抗器的电阻和交流电源内部电阻，这是p w m 变流器正常工作所必需具备的环节。同s p w m 逆变电路控制输出电压同理，可在 p w m 变流器的交流输入端a b 产生一个正弦调制p w m 波“一占。“一占中不含低次谐 图2 - 5 单相p w m 变流器 波成分，含有和开关频率有关的高次谐波外。因为电感l 。具有滤波作用，所以高 次谐波电压只会使交流电流产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，当正弦信号波 1 2 。_ 硕士学位论文 的频率和电源频率相同时，为频率与电源频率相同的正弦波乜铂汹1 。p w m 变流器 的单相等效电路如图2 - 6 所示，其中材，是交流电源电压。当u 一定时，f ，的幅值和s 相位由1 , 1 口中基波分量的幅值及其与的相位差决定。改变”一日中基波分量的相位和 幅值，就可以使，与”，同相位。图2 7 给出了单相p w m 变流器的相量图，其中以 表示电网电压，d 。日表示p w m 变流器输出的交流电压，吼为连接电抗器l s 的电 压，沙尺为电网内阻尺s 的电压；在图2 7 ( a ) 中，d 肋滞后d s 的相角为夕，j s 与d s 的相位完全相同，变流器工作在整流状态，且功率因数为1 。在图2 7 ( b ) 中，d 。r 超前以的相角为，j 。与【7 。的相位相反，变流器工作在逆变状态。这说明p w m 变流器可以实现能量正反两个方向的流动，既可以运行在整流状态，从交流侧向 直流侧输送能量；也可以运行在逆变状态，从直流侧向交流侧输送能量，而且这 两种方式都可在单位功率因数下运行。 i ，s 图2 - 6 单相p w m 变流器等效电路 u l u l u au su a ( a ) 整流运行 ( b ) 逆变运行 图2 - 7p w m 变流器两种运行方式向量图 下面介绍不同开关逻辑状态下的单相p w m 变流器运行情况乜3 m 引： ( 1 ) 当或s s ，= 0 0 或1 1 且s s ：1 1 或0 0 时，即下桥臂开关或上桥臂开关全部导通， 其等效电路如图2 - 8 ( a ) 所示。此时u 一。= 0 ，电容向负载提供能量，直流电压 通过负载形成回路释放能量，电压下降。另一方面，电源甜。直接加在电感l s 上， 当甜， 0 时，即u 。处于正半周，电感中电流t 上升， s z 和d l 导通或s 。和皿导通， s z 和s 。中只要一个导通即可；当时，即甜，处于负半周，电感中电流下降，互和d 2 导 通或s 。和及导通，s 。和s 。中只要一个导通即可，这两种工作状态可以使电感l s 储存 能量，并满足关系式： “。：，宰 ( 2 6 ) t 1 ( 2 ) 当s = 1 0 且墨只- - 0 1 时，其等效电路如图2 8 ( b ) 。此时，“一口= ”出，储 存于电感l s 的能量逐渐流向电容和负载上，电流下降，蚝 0 ，通过d l 和日形 1 3 飞轮电池控制系统研究 成回路，而且s ：和s 。同时关断。一方面给电容充电，使得直流电压上升，保证直流 电压稳定，同时高次谐波电流通过电容形成低阻抗回路；另一方面给负载提供稳 定的电流，并满足关系式： 三，譬：蚝一甜出 ( 2 7 ) b ( a ) s i s 2 = 0 0 或s i s 2 = i1 b ( b ) s l s 2 2 1 0 ( c ) s i s 2 = o l 图2 - 8 各个开关逻辑状态的等值电路 ( 3 ) 当s 。是- - 0 1 且墨只= 1 0 时，其等效电路如图2 - 8 ( c ) 。此时u 口= 一，电流 丘上升，甜， y 。) ，而定子电流 向量的值为：= 匕+ 岔，所以为了获得更大的转矩，对于给定电流值最好的方 飞轮电池控制系统研究 法是将f ，耐设为0 ，这样就可把相电流的值全部映射到q 轴。 图3 2 是本文飞轮电池控制系统中电池充电过程的矢量控制模型，其工作原 理是：定子电流采用霍尔传感器来测量，c l a r k e 变换可以用来决定把定子电流投影 到一个两相的不旋转坐标系内，通过p a r k 变换来得到相电流在旋转d q 结构中的 投影分量。电机定子相电流在d q 轴上的投影分量和相对应的参考电流值和 i , q 耐( 初始时设置为0 ) 进行比较，并采用p i 电流控制器校正，电流控制器的输出 通过p a r k 反变换获得需加在飞轮电机上的参考输出电压，然后再通过运用空间矢 量调制技术计算出需要加在定子线圈上的电压向量，从而实现控制飞轮电池的充 电速度。 p a r k 逆变换 图3 2 飞轮电池矢量控制模型 在飞轮电池的放电过程中，集成电机作为发电机而工作，其输出电压为近似 的正弦波电压，随着能量的释放，飞轮转速也逐渐的下降，电机的输出电压幅值 也随之变小。而在实际中我们一般期望得到幅值和频率稳定的电压，所以在本课 题中在放电模式下，p w m 变流器控制系统是由电压环的单闭环系统组成，电压环 采用p i 调节器对p w m 变流器的输出电压进行控制，可以提高飞轮电池的电压动 态响应过程。 3 3 空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术睛2 3 永磁无刷同步电机的控制运行是与系统中的逆变器密切相关的。逆变器中各 功率器件的开关一般由脉宽调制( p w m ) 信号驱动。p w m 控制是交流调速系统的 控制核心，也就是说任何控制算法的最终实现几乎都是以各种p w m 控制方式完成 的。p w m 技术己成为现代交流调速的重要技术，因为采用p w m 技术能够有效地控 制逆变器输出电压的幅值、频率和相位。p w m 信号处于控制器与电机之间，是控 制指令的直接执行者。正弦波脉宽调制( s p w m ) 的基本实现原理是利用三角载 波对正弦信号进行调制，通过调节输出脉冲的宽度来形成包含正弦基波的脉冲调 制波形。 空间矢量脉宽调制( s v p w m ) ，又称磁链跟踪控制法，其基本原理是利用逆 变器电路的各功率开关状态的组合以及开关时间的调整，产生圆形运动轨迹的电 一7 硕士学位论文 压空间矢量，进而使交流电动机中产生圆形旋转磁场。相应的数字计算方法形成 的s v p w m 信号与传统的s p w m 信号相比有很多优点：( 1 ) 电压利用率高；( 2 ) 开关损耗小；( 3 ) 计算简单。近些年来，s v p w m 技术在交流调速系统中得到 了广泛的应用。 s v p w m 是使交流电动机形成空间圆形的旋转磁场，以产生恒定的电磁转矩 为目的，通过切换开关器件的不同开关模式，使电机的磁链矢量轨迹尽可能逼近 于圆形。实践和理论都可以证明，与直接的正弦脉宽调制技术s p w m 相比，s v p w m 不仅提高了对电压源逆变器直流供电电源的利用效率，而且减少了输出电压或电 流中的谐波含量h 引。 3 3 1 s v p w m 原理 当交流电动机的定子输入对称的三相正弦电压时，电动机的定子磁链空间矢 量其幅值恒定，并以恒速旋转，磁链矢量的运动轨迹为圆形的空间旋转磁场。电 压空间矢量是按照电压所在绕组的空间位置来定义的。对于电动机的三相定子绕 组，我们可将其定义为一个平面静止的三相坐标系，如图3 3 所示。 c 图3 3 空间电压矢量 这个坐标系有三个互相间隔1 2 0 。的轴，分别代表三个相。三相定子相电压分 别施加在三相绕组上，形成u a 、u b 、u c 三个相电压的空间矢量，其方向始终位 于各相的轴线上，大小则随时间按正弦规律变化。因此，将三个相电压的空间矢 量合成的一个合成电压空间矢量u ，其幅值是每相电压幅值的1 5 倍，并以电源 角频率锡为电气角速度作恒速同步旋转。用公式表示为： “= u a + z 白+ u c ( 3 3 4 ) 飞轮电机定子电流和磁链的空间矢量分别为，和沙，那么合成电压空间矢量方 程式可以表达成： 甜：彤+ 坐( 3 3 5 ) 讲 当电机轻载且转速不过低时，定子电阻r 的压降相对较小，上式可简化为： 飞轮电池控制系统研究 d 沙 ”二一 d t ( 3 3 6 ) 或缈iz 砌( 3 3 7 ) y = p 州 ( 3 3 8 ) 因此 材：掣：鹏e 脚：q w i l l o j ( a h t + x 1 2 ( 3 3 9 ) 口l 式( 3 3 9 ) 说明，当磁链幅值一定时，供电电压的大小与q 成正比，或者 说u 与频率f 成正比，其方向是磁链圆轨迹的切线方向。当磁链矢量在空间旋转一 周时，电压矢量也连续的按磁链的切线方向运动3 6 0 。，其运行轨迹与磁链圆重合。 这样，产生电动机旋转磁场矢量圆的目的便可以转化为如何产生电压空间矢量圆 形运动轨迹h 们。 3 3 2s v p w m 算法实现 由s v p w m 原理可知，其最终目的是在电动机空间产生圆形的旋转磁场，从 而产生恒定的电磁转矩。对于永磁无刷同步电机而言，其原理和目的与异步电机 相同h 酣，可把逆变器和p m s m 视为一体，逆变器的控制必须跟踪圆形旋转磁场。 s v p w m 以三相对称正弦波电压供电时交流电动机产生的理想圆形磁链轨迹为基 准，并将电机旋转磁场的形状问题转化为合成电压空间矢量运动轨迹的形状问题， 通过切换开关器件的不同开关模式，使电机的磁链矢量轨迹尽可能逼近于圆形， 从而达到较好的控制性能h 们。 对于电压型三相逆变器，其上下桥臂的开关状态互补，所以只需用上桥臂的 开关状态就可以描述其工作状态h 7 1 。采用1 和0 来表示功率器件的关断和导通， 则逆变器的工作状态共有2 3 = 8 种，分别对应8 个电压矢量，a 、b 、c 分别代表三 路桥臂的开关状态，则8 个电压矢量对应a 、b 、c 的值分别为：0 0 0 、0 0 1 、0 1 0 、 0 1 l 、1 0 0 、1 0 1 、1 1 0 、1 11 ，其中0 0 0 和1 11 为零状态。如图3 - 4 所示。 u j ji u 2 0 、 i u 诵 专 ：名u _ 迄 ，。 矿i o o 忒 图3 - 4 电压空间矢量图 输出的相电压矢量眇u 口u c r 与开关状态矢量【口bc r 的关系为： 1 阱 | 仇 式( 3 4 0 ) 是在三相a b c 平面直角坐标系中的相电压方程。为了使软件编程中 计算简单，可将其转换到筇平面直角坐标系中，其转换公式为： 阱信 1 1 1 22 o 巫鱼 22 1 i ( 3 4 1 ) 1 j 此时，电压矢量与开关状态的对应关系为：开关状态0 0 0 、0 0 1 、0 1 0 、0 1 1 、 1 0 0 、1 0 l 、1 1 0 、1 1 1 ，分别对应图3 4 中的电压矢量o 。、u 。、u 。、u 。：。、u 。、u ：小 u 3 0 0 、0 l l lo 由图3 4 可看出非零的基本电压空间矢量只有6 个，如果想获得尽可能多的 多边形旋转磁场，逆变器就必须有更多的开关状态。可利用6 个非零的基本电压 空间矢量的线性时间组合来得到更多的开关状态，如图3 5 所示。 图3 5 电压空i 司矢量的线性组合 q 和分别代表相邻的两个基本电压空间矢量，是输出的参考相电压 矢量。某一时刻合成参考矢量落到某个扇区，就由该扇区的两个相邻电压矢量 以和虬+ 分别作用一定的时间进行合成得到，为了补偿参考矢量的旋转频率，需 要插入零矢量，作用时间为t o 。 以x = o 为例，根据图3 - 5 ，可得如下等式： i 丁= + 乞+ 气 k = 争+ 争 “2 式( 3 4 2 ) 中：f l 和f 2 分别是在周期t 中基本空间矢量v o 和各自的作用时间， t o 是零矢量的作用时间。f l 和f 2 可以由下式计算： 卜= 争j i s i n 6 0 。 k = 弘哺i c o s 6 0 。 ( 3 4 3 ) 飞轮电池控制系统研究 由式( 3 4 3 ) 可推出： f f l = 壶( 3 虬 k 等 x ：, s u p r y = 瓦t ( 3 + 帆) z = 麦( 帆姐) 可得、f 2 与x 、y 或z 的对应关系，如表3 1 所示： 表3 1 五、瓦与x 、y 或z 的对应关系表 ( 3 4 4 ) ( 3 4 5 ) 对不同扇区的、f 2 可以按照表3 1 取值，如果已知一个矢量，计算和f 2 ， 则必须知道u 硎所在的扇区。 当u 俐以筇坐标系上的分量形式虬、u p 给出时，可以先用下式计算出a 、b 、 c ： 彳= b = 三( 帆- u p ) ( 3 4 6 ) c = 三( 一, s u o - u p ) 再用下式计算扇区号n ： n = s i g n ( a ) + 2 s i g n ( b ) + 4 s i g n ( c ) ( 3 4 7 ) 式中s i g