（电路与系统专业论文）新型三相应急电源的研究.pdf

摘要 摘要 随着工业及电力技术的不断发展，高层建筑、工厂医院及其它一些公共场所 对供电要求越来越高，当市电一旦发生故障，将会给人们的生活及经济造成重大 影响，在这种情况下，高性能的应急电源被越来越广泛地应用到国民经济和人们 的生活中。 在调研国内外三相应急电源变换技术的现状和应用领域基础上，针对传统应 急电源电路结构复杂，直流电压利用率低的缺点，研究了一种新型三相应急电源 系统，该系统主要由双向d c d c 变换电路和双向p w m 变流器组成。详细分析了 它们的电路结构、工作原理和控制策略。逆变器是应急电源的核心部分，为了提 高了应急电源逆变输出电压波形的质量和输出电能的利用率，本文对其进行了深 入研究。采用先进的空间矢量脉宽调制技术，获得较高的电压利用率。其次，在 矢量坐标变换的基础上，采用电压电流双闭环控制，把逆变器输出的三相电压变 换到d 轴和g 轴进行解耦控制。通过搭建s i m u l i n k 仿真模型证明，不管是带阻 性负载还是感性负载，逆变器均能输出平衡度好、对称性强、失真小的电压波形。 另外，本文利用数字信号处理器对逆变器的数字锁相技术进行了实验，实现了市 电到逆变器切换时的锁相功能。 在理论分析和系统设计的基础上，搭建了基于f 2 4 0 7d s p 控制的应急电源实 验电路，并对空间电压矢量脉宽信号的生成、软件锁相、p i 调节器等模块进行了 软件编程。仿真和实验结果证明该应急电源输出波形质量良好，系统工作稳定。 图 6 6 】表【9 】参 3 2 】 关键词：应急电源；逆变器；空间电压矢量；数字信号处理器；锁相 分类号：t n 8 6 安徽理工大学硕士学位论文 a b s 仃a c t 晰mt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a la n de l e c t r i cp o w e rt e c h n o l o g y , h i g h - r i s eb u i l d i n g s ，f a c t o r i e sa n do t h e rp u b l i cp l a c e sd e m a n do np o w e rs u p p l y i n c r e a s a b l e w h e nt h ee l e c t r i c i t yf a i l s ，i tw i l li m p a c to np e o p l e sl i v e sa n dt h ee c o n o m y i nt h i sc a s e ，h i g h - p e r f o r m a n c ee m e r g e n c yp o w e rs u p p l yi si n c r e a s i n g l ya p p l i e dt ot h e n a t i o n a le c o n o m ya n dp e o p l e sl i f e b a s e do nr e s e a r c h i n gt h et h r e e - p h a s ee p st r a n s f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n d a p p l i c a t i o n s ，a c c o r d i n gt ot h ef a u l t so fc i r c u i tc o m p l e x i t ya n dl o wu t i l i z a t i o nr a t e 晰也 d i r e c t - c u r r e n tv o l t a g ea tt h et r a d i t i o n a le p s ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e dan e wt y p eo f t h r e e - p h a s ee m e r g e n c yp o w e rs y s t e m , w h i c hs y s t e mc o n s i s t sb i d i r e c t i o n a ld c d c c o n v e r s i o nc i r c u i ta n db i d i r e c t i o n a lp w mc o n v e r t e r i n v e r t e ri st h eg o r eo fe p s i n o r d e rt oi m p r o v ev o l t a g eo u t p u tw a v e f o r mq 砌i t ya n de n e r g yu t i l i z a t i o no fe p s ，t h i s p a p e rc o n d u c t e ds t u d yo fw h i c hi n - d e p t h f i r s t l y , u s i n ga d v a n c e ds p a c ev e c t o rp u l s e w i d t hm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , i to b t a i n sh i g h e rv o l t a g eu t i l i z a t i o n s e c o n d l y , b a s i n go n t h ev e c t o rc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n , u s i n gv o l t a g ea n dc u r r e n td o u b l ec l o s e d l o o p c o n t r o l ，t h i sp a p e rt r a n s f o r m st h et h r e e p h a s ei n v e r t e ro u t p u tv o l t a g ec h a n g et ot h e d - a x i sa n dq a x i st od e c o u p l i n gc o n t r 0 1 b yb u i l d i n gs i m u l a t i o nm o d e l ，i tp r o v e dt h a t i n v e r t e rc a na l s oo u t p u tp e r f e c tv o l t a g ew a v e f o r m sw i t hag o o dd e g r e eo fb a l a n c e ， s y m m e t r ys t r o n gd i s t o r t i o n , w h e t h e r 、析n la r e s i s t i v el o a do ri n d u c t i v el o a d i na d d i t i o n , t h i sp a p e ra n a l y z e dd i g i t a ll o c k - i nt e c h n i q u eo fi n v e r t e rb yd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ra n d a c h i e v e dl o c k - i nf u n c t i o nf r o mt h ee l e c t r i c i t yt ot h ei n v e r t e r b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds y s t e md e s i g n , w eb u i l tt h ee p se x p e r i m e n t a l c i r c u i tb a s e do nt h ec o n f o r m i t yo fl 2 4 0 7d s p , a n dp r o g r a mg e n e r a t i o no fs p a c ev o l t a g e v e c t o rp w m ，s o t t w a r el o c k , a n dp ir e g u l a t o rm o d u l ec o n t r 0 1 s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h en e w e p sc a no u t p u tag o o dw a v e f o r mq u a l i t ya n d s t a b l ew o r k i n gs y s t e m f i g u r e 6 6 】t a b l e 【9 】9r e f e r e n c e 【3 2 】 k e yw o r d s ：e p s ，i n v e r t e r , s v p w md s p , p h a s e - l o c k c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t n 8 6 i i 1 绪论 1绪论 随着科技和市场需求的快速发展，社会越来越信息化、现代化，对电力的依 赖和供电质量的要求越来越高，电能在经济生活中的作用越来越大。如果发生市 电故障突然断电，必然会给我们的日常生活和经济运转造成困扰和损失，还有可 能发生重大的人身伤亡事故。由于电力故障有时是突然发生的，不能及时对其预 防和控制，所以在市电突然断电时，要求有高性能的应急电源作为备用电源提供 给各种场合。 1 1 应急电源概述 1 1 1 应急电源的特点 应急电源供电系统( e m e r g e n c yp o w e rs u p p l y ，e p s ) 是应用电力电子器件及 逆变技术，采用高电子集成整体模块化结构的强弱电一体化系统，可在紧急情况 下作为重要负荷的第二或第三电源供给。 e p s 有以下特点： 1 ) 在电网有电时，e p s 处于静态、无噪声，非常节能。 2 ) 可实现无人值守，电网供电和e p s 电源供电自动切换，切换时间为 0 1 - - 4 ) 2 5 s 。正弦波供电，稳压、稳频，无噪音、无公害。 。 3 ) 在工程设计中不需更改主接线，就可替代原有产品设施，更无需排烟、消 噪、消防的要求，占地少。 4 ) 具有较强的带载能力，可带感性、容性及综合性负载，如应急照明、水泵、 风机、消防电梯等，可在1 2 0 过载情况下工作。 5 ) 使用可靠，在一些场合可以使用双机热备方式，确保在发生事故或火灾的 情况下能正常供电，主机使用寿命可达2 0 年。 6 ) 能安装在恶劣的环境中，如地下室或建筑竖井里，也可紧靠应急负荷场合 就地设置。 7 ) 对一些功率较大的用电设备，e p s 可以直接与电机相连，变频启动后，再 进入正常运行状态，这样省去了电机的软启动和控制箱等设置。 1 1 2 应急电源的分类 现在市场上提供的应急电源品牌众多，厂家在设计方面采用的控制方式和控 安徽理工大学硕士学位论文 制手段都各有不同，但针对所带的负载，大致可分为以下三种：一是主要用于应 急照明和事故照明的单相e p s ；二是适应于空调、电梯、卷帘门、排气风机、水 泵等电感性负载或兼而有之的混合供电的三相系列e p s ；三是直接给电动机供电 的变频系列e p s 。 1 ) 照明类e p s 照明型的e p s 大多以单相为主，主要为应急照明场合( 商场、娱乐场所、办 公场所、交易场所等) 提供集中供电，如图l 所示。当输入电源正常时，市电一路 通过转换装置输出给日常照明，另一路通过充电器给电池组充电，当控制器检测 到市电中断或异常( 偏低或偏高) 时，就向逆变器发出启动信号，并控制互投转换 装置转至逆变器输出。 l 一一一一一一一一一一一一一一一j 图1 照明类e p s 供电系统 f i g 1p o w e rs u p p l ys y s t e mo fe p ss p e c i f i e df o ri r r a d i a t el o a d s 2 ) 混合型负载类 在负载性质比较复杂的场合，如照明型负载或者动力型负载，一般以三相居 多，如图2 所示。适用场合有医院、宾馆、高层建筑、大型商场。 l 一一一一一一一一一一一一一一一一j 图2 混合负载型e p s 供电系统 f i g 2p o w e rs u p p l ys y s t e mo f e p ss p e c i f i e df o rm i x i n gl o a d s 2 1 绪论 3 ) 电机专用的变频启动类 此类e p s 主要为电机类负载而设计，避免因电机起动过程中的大电流冲击而损 坏设备，被广泛应用于大功率电动机负载，如电梯、消防水泵、大型风机等。与 其他e p s 的不同之处是此类e p s 一般只有单路输出，如图3 所示。当三相输入市电 正常时经整流后给逆变器提供直流电，同时经充电器对电池组充电；当三相输入 断电或异常时，自动转由电池组给变频器提供直流电。当需要电机负载工作时， 送给变频器启动信号( 运行信号、远程控制信号等) ，变频器会立即输出。从0 - - - 5 0 i - i z 变频，供给电动机进行变频起动，当其频率到达5 0 h z 后保持正常运行。 l j 图3 电机专用型e p s 供电系统 f i g 3p o w e rs u p p l ys y s t e mo fe p ss p e c i f i e df o rm o t o r 1 1 3 应急电源发展现况 随着科技的发展，许多的智能大厦不断出现，人们对居住环境有了更高的要 求，同时对电力保障和消防安全等问题更加关注。由于e p s 比发电机和u p s ( 不间 断电源) 起步要晚，人们对它的了解还不够全面，因此在众多的应急供电场合下还 是以发电机和u p s 为主要应急供电方式来实现e p s 的功能，但是这两种方式有许多 不足之处【4 1 。 用柴油发电机组作为应急电源是目前大部分工程所采用的，也是最常见的应 急备用电源，由于柴油发电机的容量较大，可并机运行和长时间连续供电，所以 已经有较长的应用历史。然而，无论发电机的起动速度有多快，从停电后使发电 机接到起动信号开始，至发电机电压、频率等达到稳定可以供电时为止，至少需 要数十秒至几分钟，这段时间，所有用电设备均停止工作，这样就可能造成少数 设备的损坏或出现生命财产的安全问题，而e p s 的启动一般不会超过2 5 毫秒，所以 不会影响设备的正常工作。 3 安徽理工大学硕士学位论文 用u p s 作应急电源，从原理结构上和e p s 大同小异1 1 l 。在线式u p s 不论市电是 否正常，负载都一直由逆变器供电，即按照“市电输入、整流、逆变、输出 的 顺序进行，只有在逆变器故障或过载时才改由旁路输出，如图4 所示。 对于e p s ，当市电正常时，市电通过开关s 输出给负载，同时充电器对电池充 电。当控制系统检测到市电停电时，逆变器工作，开关s 切换至逆变输出状态，向 负载提供电能，如图5 所示。 j 图4u p s 供电系统 f i g 4p o w e rs u p p l ys y s t e mo fu p s 输 图5e p s 供电系统 f i g 5p o w e rs u p p l ys y s t e mo fe p s 表1e p s 与u p s 相比的主要优势 t a b l e lt h em a i nb e n e f i t so f e p sc o m p a r i n gw i t hu p s e p s u p s 在电网供电正常时处于睡眠状 在电网正常时也工作，效率仅有 节电 态，耗电不足0 1 ，无电网供电8 0 - 9 0 ，约1 0 0 , - - 2 0 的电能被 时，其效率为9 0 以上 消耗。 在电网供电正常时处于睡眠状 噪声态，静止无噪声，无屯网供电时，工作噪声为5 5 d b 一6 5 d b 噪声小于5 5 d b 价格约为同容量u p s 主机价格的6 0 价格比较昂贵 只有在电网故障时才进行逆变，只要开机就连续工作， 寿命 主机使用寿命相对长 寿命相对较短 适应恶劣环境，可在任何地下室、 对环境要求较高，只能放在 环境要求 管井处放置计算机房或空调房 尤其适应电机等感性负载和只适应电容性和电阻性 负载适应性 各种混合用电负载负载( 计算机负载) 4 出+ 输一 l u i i 1 绪论 表2e p s 与u p s 的主要区别 t a b l e 2t h em a i nd i f f e r e n c e so fe p sc o m p a r i n g 、 ，i t l lu p s 指标e p su p s 切换时间小于0 1 s小于l o m s 目标负载电感、电容、阻性负载电容性负载 服务对象电机、水泵、风机照明计算机类以及精密仪器 主要特性适应负载能力强 适应单一负载 工作目的确保应急供电万无一失确保供电不间断和稳定 使用地点放在建筑竖井或配电室内放在计算机房或者空调房 e p s 相比u p s 的的优势见表1 ，区别见表2 。 e p s 的优越性越来越被人们所认识和采用，在选择后备电源时，不再局限柴油 发电机组或者u p s 。 1 2 新型应急电源 1 2 1 传统应急电源的局限性 e p s 的核心技术是逆变电源部分，过去一直采用模拟方式控制，其缺点是：电 路元器件较多、电路复杂、稳定性差；灵活度不够，硬件电路设计好后，控制策 略将无法改变，不便于调试。如今，数字控制已经成为e p s 控制技术的主流，本文 采用基于t i 公司的数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，实现应急电源系统的数字化 控制，避免了模拟信号传递畸变失真，减小杂散信号的干扰，确保e p s 输出波形的 质量。 对于电机负载类的e p s 系统，p w m 型逆变器输出波形中除了基波成分还有大 量谐波，而抑制和消除这些谐波是e p s 设计的重要部分。传统控制方式大多采用对 称规则采样算法，效果不理想，本文采用s v p w m ( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 脉宽调制技术，提高了e p s 逆变输出的电压波形，该调制方法还可以 降低电机转矩，比s p w m 技术更能提高电压利用率，使用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 更易实 现数字化。 在电网向蓄电池充电时，传统e p s 常常采用三相不控整流的方式。采用不控整 5 安徽理工大学硕士学位论文 流方式的整流器会从电网吸取畸变电流，造成电网谐波污染。为了消除谐波并提 高功率因数，传统e p s 要在整流电路中设计功率因数校正p f c ( p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n ) 电路，系统较复杂。由于传统e p s 只有在市电发生故障的情况下才投 入使用，一般情况下是处于搁置状态，系统的利用率不高。 为了克服传统e p s 的以上缺点，提出了一种新的应急电源电路结构，电路简单， 用同样的主电路既可以实现升压和降压、逆变和整流。 1 2 2 新型应急电源拓扑结构 图6 新型应急电源原理图 f i g 6p r i n c i p l ec h a r to fn e wt y p ee p s 与以往应急电源不同的是，该拓扑结构如图6 ，其工作原理是： 1 ) 当电网电压正常时，一路由市电直接向负载供电，一路经双向变流器整流 后，经过双向d c d c 变换电路降压给蓄电池充电。 2 ) 当电网电压不正常时，静态开关关断，蓄电池经过双向d c d c 升压后，由 双向变流器逆变，把直流电压转换成三相交流电提供给负载。 由图6 可见，双向d c d c 变换在市电正常时起到降压给蓄电池充电的作用，而 在市电故障时，双向d c d c 变换处于升压状态；双向变流器在市电正常时起到全 控整流的作用，市电故障处于逆变状态。所以，不管市电正常与否，应急电源的 元器件都处于工作状态，没有闲置设备，有效提高了设备的利用率。 1 3 本文研究的主要内容 应急电源的全数字化已成为发展趋势，但它包含很多设计环节，是一项复杂 的系统工程，如充电器和逆变器的设计，i g b t 的驱动和保护，电磁兼容，人机界 面的设计，系统软件的开发等等，而本文主要研究电梯、卷帘门、排气风机、水 泵等类型负载的三相e p s ，介绍了该类型应急电源的工作原理，并对三相电压型 6 1 绪论 p w m 逆变器进行了分析，建立了数学模型，并用电压电流双闭环控制策略对e p s 逆变器的输出电压进行控制。具体包括以下内容： 1 ) 采用先进的s v p w m 算法和数字控制技术，克服了传统e p s 输出波形质量和 效率不足的缺点。 2 ) 对市电和e p s 安全切换问题做了研究，利用软件锁相技术实现市电向逆变 的可靠转换。 3 ) 介绍了三相逆变电路的电压电流双闭环控制策略。 4 ) 利用m a t l a b s i m u l i n k 软件对系统进行建模仿真，并分析仿真结果。 5 ) 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 对e p s 逆变部分的数字锁相技术进行了实验及相应软 件的编程调试。 7 安徽理工大学硕士学位论文 2 三相应急电源的结构和工作原理 三相应急电源主要由蓄电池、双向d c d c 变换器、双向p w m 变流器及输出滤 波器组成，整个主电路结构图如图7 所示【3 】。三相应急电源从能量流动方向看可以 分为两部分：一是蓄电池充电，另一个是蓄电池放电。当电网正常时，通过静态 开关，电网一路给负载供电，一路经过双向p w m 变流器逆变后再由双向d c d c 降 压给蓄电池组充电；当电网故障时，静态开关关断，切断负载与电网的连接，此 时蓄电池通过双向d c d c 电路升压后，经双向p w m 变流器逆变后将直流电压转化 成交流电压，为负载提供稳定的三相交流电源。 蓄电 池组 图7 三相应急电源主电路结构 f i g 7m a i nc i r c u i ts t r u c t u r eo f t h r e e - p h a s ee p s 下面从应急电源的组成部分来详细介绍双向d c d c 变换器和双向p w m 变流 器的结构和工作原理。 2 1 双向d c d c 变换器 双向d c d c 变换器起着对蓄电池充放电的作用，选择这种拓扑结构是因为双 向半桥变换器的元器件较少，有源元器件的导通损耗较小，效率更高，它是由直 流端稳压电容c d ，滤波电感三，i g b t 双管t 7 、t 8 及续流二极管d 7 、d 8 及蓄电池组组 成5 】【2 5 1 ，如图8 所示。 该电路有两种工作模式：升压模式和降压模式。在正常的工作工程中，双向 d c d c 变换器的两个功率器件中，每一时刻只有一个开关工作。当工作在升压变 换器模式时，功率开关t 8 工作，t 7 截止；当工作在降压变换器模式时，功率开关 t 7 工作，t 8 截止。为了确保变换器在两个工作状态间顺利交替，两个功率开关器件 的驱动信号必须保证在一个开关完全关断后，另一个开关才能导通。 8 2 三相应急电源的结构和工作原理 2 1 1 降压变换模式 蓄电 池组 图8 双向d c d c 变换器电路 f i g 8c o n v e r t e rc i r c u i to fd o u b l ed c d c 当电网正常时，电网给蓄电池充电，双向d c d c 电路工作在降压模式，降压 电路是由电感三、i g b tt 7 及续流二极管d 8 构成，如图9 和图1 0 所示。在降压模式下， 双向d c d c 变换器有两种工作状态：t 7 导通和关断。 蓄电 池组 蓄电 池组 图9t 7 导通图1 01 7 截止 f i g 9t 7c o n d u c t i o n f i g 10t 7c u t o f f 当t 7 导通时，如图9 所示。二极管d 8 处于反偏截止的状态，电感上的电压为 魄一。因为魄 u 0 ，故电感电流i l 线性增长，电能转换成磁能存在储能电感三 中，并对蓄电池组进行充电。 当t 7 关断时，如图1 0 所示。由于电感三的电流不能突变，所以在电感三的 两端感应出一个与原来极性相反的自感电势，使二极管d 8 导通续流。加在电感三 上的电压为矾，电感电流屯线性减小，这时存储在电感三中的磁能转换成电能 供给蓄电池。因此，调整t 7 的占空比就可以改变电压魄和屯的大小，从而很好 地控制蓄电池组的充电电流。 2 1 2 升压变换模式 当电网故障时，蓄电池放电，双向d c d c 电路工作在升压模式。在这种模式 下，功率开关t 8 以恒定的开关频率，采用p w m 方式工作，工作状态如图1 l 、图1 2 9 安徽理工大学硕士学位论文 所示。 图1 l ：当t 8 导通时，二极管d 7 处于反偏截止状态，蓄电池电压全都加到储 能电感三的两端，电感电流屯线性增长，电能转换成磁能存储在电感中。同时，输 出电容c d 放电，给负载提供能量。 图1 2 - t 8 关断。由于电感l 的电流不能突变，所以在电感三的两端感应出一个 与原来极性相反的自感电势，使二极管d 7 导通续流，此时，蓄电池组和储能电感 的能量经过二极管d 7 向输出电容c d 和负载流动，一方面给电容c d 充电，一方面给 负载供电。由于加在电感l 上的电压为矾魄，u o o ，n a = 1 ，否则口= 0 ；如果 0 ，n b = l ， 否则6 = o ；如果u 3 0 ，则c = 1 ，否n c = 0 。设= 4 c + 2 6 + 口，则与扇区 数s e c t o r 的对应关系如表6 所示。 得： 表6n 与扇区数s e c t o r 的对应关系 t a b l e 6r e l a t i v eo f na n df a n ss e c t o r k123 4 56 s e c t o r i i i v 2 ) 相邻两矢量作用时间的确定 用乃、死表示相邻两矢量的作用时间，以第1 扇区为例，由式( 3 7 ) 和( 3 8 ) 仨 同理，可以得到其它扇区矢量的作用时间如表7 所示。 1 8 ( 3 9 ) 咿 u 订丁 q u 32压风 乃一c一睨 3p w m 变流器的控制技术 表7 各扇区的基本电压矢量所对应的作用时间 t a b l e 7a c t i o nt i m ec o r r e s p o n d i n gt ot h es e c t o r sb a s i cv o l t a g ev e c t o r s e c t o ri 五= ( 三一孚) r 疋= 风丁t o = t - 五一疋 s e c t o ri i疋= ( 孚+ j 3 删五：( 孚一三删 t o = t t 2 一五 s e c t o r 乃= 锄丁五= ( 一萼一詈) 丁t o = t - 五一五 s e c t o ri v 五= 萼一三) 丁乃= 一帆r 魄r 0 = t - 五一毛 s e c t o rv瓦= ( 一孚一吾删瓦= 畦一孚删 t o = t r 5 一死 s e c t o rv i t 6 = - 垢 u p r 五= ( 孚+ j 3 删t o = t - t 1 一瓦 如果定义 x = 芒( 以) y ：非+ 笪2 l 2 。户j z ：孙三2 + 鱼2 )l 4 户夕 则其它扇区有效矢量作用时间如表8 所示。 表8 扇区编号与作用时间的关系 t a b l e 8r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e c t o rn u m b e ra n dw o r k i n gt i m e ii ii l l v 乃 - zzx- x j ， y 乃 xj ， 一j ，z- z x 如果乃+ 殄瓦，必须进行饱和判断，则 1 9 安徽理工大学硕士学位论文 r ： 圣三1 1 ( 丁l + r 2 ) 丁： 三2 三! 。 ( 丁l + r 2 ) 3 ) 确定空间电压矢量切换点、 本文中采用连续开关模式的调制方式，即在一个采样周期内插入零矢量和 零矢量协，使逆变器开关状态每次只变化一次，并且两个零矢量的作用时间和 乃相等。即 r o = 弓= ( z 一互一r 2 ) 2 ( 3 - 1 0 ) 2 u 2 ( m o )：u 6 ( i1 0 ) 图2 0 基本空i 曰矢量扇区切换顺序 f i g 2 0s e c t o rs w i t c h i n go r d e ro f b a s i cs p a c ev e c t o r 图2 0 给出了在每个扇区里相邻两电压矢量的切换顺序。在连续开关模式下， 在一个扇区内基本空间电压矢量的切换顺序为( u o 、玖、甜、奶、坼、酊、 以) 。在扇区i ，u x - - u 4 ，甜2 魄；在扇区i i ， u 2 ，甜= u 6 ；在扇区， ”u 2 ，甜2 协；在扇x e i v ，”矾，q 士酊2u 3 ；在扇区v ，u x - - - 矾，盯= 职； 在扇区，晤u 4 ，6 旷2 砺。 以扇区i 为例，其基本空间电压矢量为矾、矾、玩、，为了生成对称的p w m 波形，把每个基本空间电压矢量作用时间一分为二，逆变器开关状态编码序列为 0 0 0 ，1 0 0 ，1 1 0 ，1 1 1 ，1 1 0 ，1 0 0 ，0 0 0 。一个采样周期内的p w m 波形如图2 l 所示， 矢量作用顺序为：矾一砜一玩一协一砺一魄一酞一砺，其它扇区的波形可以以此 类推。 3p w m 变流器的控制技术 a 相广_ 1 _ r a 相一 i i il 卜- 一 b 相：竹 ： c 相苷面七乇蒜 图2 1 扇区i 的对称p w m 波形 f i g 21s y m m e t r i cp w m w a v e f o r mi ns e 咖ri 定义 f 瓦= ( l 一正一疋) 4 瓦= 疋+ 互2 ( 3 - 1 1 ) 【疋= 瓦+ 疋2 兀分给占空比最大的相，瓦分给占空比最小的相，对不同扇区，空间矢量切换 点、依据表9 进行取值。用载波和、比较就可以得到 s v p w m 的输出时序。 表9 切换点赋值表 t a b l e 9a s s i g n m e n tt a b l ef o rs w i t c h i n gp o i m 扇区 i i vv 。乃乃乃乃死乃 ，b 。 死 乃 乃乃乃乃 几。乃乃死乃乃乃 根据表9 及式( 3 1 1 ) 计算出每个采样周期内各矢量切换点、 后，将它们与一定幅值的三角载波比较，当t x o n ( x ；a b ，c ) 与三角载波的值相等时， 改变p w m 波形状态，实现占空比的填写。 3 2 三相电压型逆变器的控制系统设计 前面讲述了s v p w m 调制技术以及s v p w m 波形的生成方法，本节主要建立 三相电压型p w m 逆变器在由同步旋转坐标系下的数学模型，并将电压电流双闭 环控制策略引入到逆变器的控制中来。 3 2 1d - q 坐标变换 上面讨论了空间矢量及邵坐标变换。邢变换只是将静止的相关联的3 个 2 1 安徽理工大学硕士学位论文 坐标系减少到静止的相互独立的2 个坐标系，各变量在坐标系上的映射还都是交 流量，这不利于控制。 假如定义一个以角速度为0 9 旋转的“邢坐标系”，则可以推得各变量中频率 为的分量在坐标轴上的映射为直流量，这将非常有利于控制，因为在直流控制 领域，一些控制技术相对成熟，控制效果好，动静态特性不错。 定义d - q 坐标系的d 轴与电压矢量u 同向，9 轴超前d 轴9 0 0 。三个坐标之间 的关系如图2 2 所示。良为在任意时刻r ，口轴与d 轴之间的夹角；口为电压矢量u 与电流矢量7 之间的夹角；岛为电流矢量与乜轴之间的夹角；妇为电流矢量7 的有 功分量，屯为电流矢量的无功分量。 = i s i n 8 = i s i n ( o , 一靠) = i ( s i n s , xc o s 目$ 一s i n8 s c o s e , ) ( 3 - 1 2 ) = i 8 c o s e s i 口s i n 9 s 屯= l e o s o = i c o s ( o , 一岛) = ，( c o s 谚x c x ) s 岛+ s i i l 谚x s m 岛) ( 3 1 3 ) = 乞c o s b + s i i l 岛 只是一个以0 2 为角频率，随时间变化的电角度，用t o t 表示。为保证在如 变换前后功率保持不变，可得a b c 三相变换到d - q 坐标系下( 包含零序) 的p a r k 变换如式( 3 1 4 ) 和式( 3 1 5 ) 所示。 图2 2d - q 坐标系与a - f l 坐标系之间的关系图 f i g 2 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e na - qc o o r d i n a t ea n d 甜pc o o r d i n a t e | u d 压 时、j c o s 耐 c o s ( 研一詈力 一如耐一s i n ( t o t ) 11 压压 酬耐弓力 一s i n ( c o t + 扣 压 1 ( 3 1 4 ) 3p w m 变流器的控制技术 阡 c o s 耐 c o s ( 耐一；万) 一s i n 耐一s i i l 一詈刀) 11 压压 上面用到了变换矩阵c 3 妇： 厅 备= 、侉 yj c o s 耐c o s ( 耐一j 2 力 一s i i l 研一s i n ( c o t 一；万) ll 压压 酬硝+ 扣 一s i n ( o x + 扣 l 压 c o s 似+ 詈力 一s i n ( c o t + j 2 力 l 压 豳 ( 3 - 1 5 ) ( 3 1 6 ) 对矩阵( 3 1 6 ) 求其逆矩阵，得d - a 坐标系变换到三相静止坐标系的变换矩 阵c 2 , a s 。 c 加。= c o s r o t c o s ( c o t - - 扣 c o s ( c o t + 和 - s i n c o t 万1 删一和 州和 于是可得d - q 坐标系n - - 相静止坐标系的变换关系为： m 压 卜l 2 、i l j 睦 1 i压 卜 c o s c o t c o s ( c o t - 扣 c o s ( c o t + 扣 - s i n c o t 万1 删一扣 删和 0 0 5 c o t s i nc o t c o s c 耐一扣 c o s c 耐+ 和 3 2 2 逆变器在d - q 轴的数学模型 删研一扣 州扣 由图2 3 得到逆变器电路的平衡方程为： ( 3 1 7 ) 豳 俘1 8 ) j； ( 3 1 9 ) 万一i 压 一i 压上压 上压一|压上压 安徽理工大学硕士学位论文 础“鲁+ 叱 硼毛“鲁+ 础毛“鲁+ 逆变器电流输出方程如下： = 么吨= 乙+ c 警 = 么= 么+ c 警 t = k = k + c 警 其中： 阮一逆变器a 相输出电压，、表示b 相和c 相输出电压； 妇一逆变器a 相输出侧电感电流，垴、配表示b 相和c 相电感电流； 一三相交流负载a 相电压，u l b 、表示b 相和c 相电压； 也一三相交流负载a 相电流，妇、k 表示b 相和c 相电流； 砒一经电容c 分流后的a 相电流，蛔、沁表示b 相和c 相电流； j j c 一电感三的电抗值； b 、c p 一滤波电感、电容。 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 图2 3 双向p 删型逆变器拓扑结构图 f i g 2 3t 0 p o l 晒c a ls t r u c t u r ec h a r to fd o u b l e - p w mi n v e r t e r 将逆变器电压电流平衡方程( 3 2 0 ) 、( 3 2 1 ) 经过d - q 坐标变换后得( 考虑到 r 很小，在这里就忽略了) ： 3p w m 变流器的控制技术 u d = u l a + 三鲁一m l i q u 。= + 三鲁+ 缈三 3 2 3 三相逆变器控制电路 ( 3 - 2 2 ) ( 3 2 3 ) 控制算法是在如坐标系下进行的，稳态时各变量在如坐标系下为直流量， 采用p i 调节器可实现稳态无差控制。控制部分为传统的双环控制，内环为电流环， 外环是电压环【1 3 】瞄】。电压外环的给定与电压反馈之差经过p i 调节器作为电流内 环的给定，电流内环的给定和电感电流之差经过p i 调节器作为逆变桥输出的电压 给定。三相逆变桥的开关模式采用空间矢量p w m ( s v p w m ) 调制，可提高直流 母线的电压利用率。 1 ) p i 调节器 理论和实践证明在连续控制系统中，有一阶和二阶惯性环节或同时带有滞后 环节的对象，p i 控制是一种较好的控制方法。p i 控制也称为比例一积分控制。 比例控制的作用是通过加大比例系数来增加系统的动态响应速度，减少系统 的稳态响应偏差，调节及时。积分控制则可以完全消除系统的静态误差。只要系 统存在偏差，积分控制项输出的控制量会不断加大，直到偏差消除为零，积分作 用就停止。数字p i 控制器的任务是根据被控对象和系统要求来选择合适的p i 模 型，并将此模式离散化，由计算机编程实现【1 8 j 。 模拟p i 调节器表达式如下： u ( t ) = k e e ( t ) + 巧 e ( t ) d t ( 3 - 2 4 ) 式中： u ( 0 一调节器的输出信号； e ( 0 一调节器的偏差信号； k p 一调节器的比例系数： 局一调节器的积分系数。 幻 憎 缈 国 吼 们 们 一 十 d 一 9 一 堕以堕出些出 c c + + d g 么 k 安徽理工大学硕士学位论文 由于计算机处理的是数字量，所以必须对式( 3 2 4 ) 进行离散化处理。用数 字式的差分方程代替连续系统的微分方程，将式( 3 2 4 ) 离散化为： k ”( 后) = k p e ( k ) + t k i p ( f ) ( 3 2 5 ) t = o 式中： 丁一采样周期； 七一采样序号： p ( 幼一第k 次采样的输入偏差； ”( 妨一第k 次采样的输出值。 采用增量式p i 调节器算法，则第k 次采样的输出增量为： d u ( k ) = u ( k ) - u ( k - d = 尺0 ( p ( 七) 一e ( 七一1 ) ) + z 墨p ( 七) 则： u ( k ) = u ( k 一1 ) + k l e ( k ) + k 2 e ( k 1 ) ( 3 - 2 6 ) 式中： k i = k e + t k t ： k 2 = - k e ： e ( k - 1 ) 一第k 次采样的输入偏差； u ( k - 1 ) 一第k 次采样的输出值。 由式( 3 2 6 ) 知，想要计算第k 次采样的输出值”( 幼，只要知道p ( 妨、e ( k - 1 ) 、 u ( k - o ，就可以通过有限次的乘法和加法得出p i 调节器的输出( p ，比直接用式 ( 3 2 4 ) 方便很多。 2 ) 逆变器的控制策略 逆变器的控制目的是要提高逆变器输出电压的稳态和动态性能。稳态性能是 指输出电压的稳态精度和带不平衡负载的能力，而动态性能主要是输出电压的 t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 和负载发生突变时系统的动态响应水平。在这 些指标中输出电压的t h d 要求较高，对于三相逆变器的要求是阻性负载满载时 t h d 要小于2 ，非线性满载的t h d 小于5 ，而这些指标又与逆变器的控制策 略紧密相关，常见逆变器控制策略有： ( 1 ) 电压有效值反馈控制 这种控制策略是通过逆变器的输出电压有效值与给定的电压有效参考值相比 较，误差信号经过动态调节( 一般是p i 调节) ，与固定的正弦信号相乘的结果作 为s p w m 的调制信号与三角波信号或者锯齿波信号比较，作为控制逆变器的 3p w m 变流器的控制技术 p w m 输出信号，如图2 4 。这种控制的缺点是仅对输出的有效值进行控制，无法 对输出波形的正弦度进行调节，系统对负载突变时的动态响应较差，输出的电压 波形质量也无法控制，而且在非线性负载的情况下，正弦波的畸变也比较大。因 此，这种控制策略仅限于逆变器的负载为线性的场合。 怜 一已一一 羚a 一7 一薛 【了 - = 图2 4 电压有效值反馈控制框图 f i g 2 4c o n t r o ls y s t e mf l o wc h a r to fv o l t a g er m s ( 2 ) 电压瞬时值反馈控制 为了提高逆变器输出电压波形的动态响应速度，常采用图2 5 的控制策略。 电压瞬时值反馈是通过将逆变器输出电压与正弦参考电压比较后经动态调节后与 三角波或锯齿波比较，输出p w m 信号，所以逆变器输出电压的波形可以得到及 时调节，很好地抑制元器件的非线性和直流母线电压波动的影响，大大提高了系 统的动态性能。其缺点是：这种控制只有一个电压环，系统的动态性能仍不够好， 稳定性也差。 图2 5 电压瞬时值反馈的控制框图 f i g 2 5c o n t r o ls y s t e mf l o wc h a r to f t r a n s i