（电力电子与电力传动专业论文）用于磁浮供电的pwm整流器多重化运行研究.pdf

e 塞窑遭厶堂亟 堂位途塞 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed cv o l t a g eo ft r a c t i o np o w e rm o d u l e si sp r o v i d e db yu n c o n t r o l l e dd i o d ea n d p h a s c c o n t r o l l e dt h y r i s t o rr e c t i f i e r si nt h ep r e s e n t f e e d i n gs y s t e mo f h i g h s p e a dm a 西e v v e h i c l e s s h a n g h a i s u c hr e c t i f i e r sh a v et h ei n h e r e n td r a w b a c k so fp o o rp o w e rf a c t o r a n dh i g hh a r m o n i e si nt h el i n ec u r r e n t t or e d u c et h ei m p a c tt ou t i l i t y a d v a n c e ds t a t i c v a ng e n e r a t o r a s v g a n df i x e dc a p a c i t o r f c h a v et ob em o u n t e dt of i l t e rh a n m o m c c u r r e n ta n dc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e r h o w e v e r t h e r ea n ed i s t i n c ta d v a n t a g e st o r e p l a c ei tw i t hm u l t i p l ep w mr e c t i f i e r s t h ea d v a n t a g e si n c l u d el o wl i n ec u r r e n t h a r m o n i c s h i 出p o w e rf a c t o r q u i c kd y n a m i cr e s p o n s ea n db i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o we t c t h i sp a p e rg a v ead e t a i lr e s e a r c ho no p e r a t i o np r i n c i p l e c o n t r o ls c h e m e m u l t i p l eu n i t s h a r m o n i cc a n c e l l a t i o na n da p p l i c a b i l i t yo fp w mr e c t i f i e ri nt h ef e e d i n gs y s t e mo f m a g l c vv e h i c l e s i nt h i sp a p e r 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 ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e l i n go f p w m r e c t i f i e ra r ed i s c u s s e d a n dt h ed e s i g no fm a i nc i r c u i tp a r a m e t e r si s g i v e na l s o a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm a g l e vv e h i c l e s t h es y n c h r o n o u sp i c u r r e n tc o n t r o ls c h e m ea n ds v p w ma r ea d o p t e dh e r e t h ea p p l i c a b i l i t yr e s e a r c ho f p w mr e c t i f i e ri nt h ef e e d i n gs y s t e mo fm a g l e vv e h i c l e si sc o n s i d e r e di nt h r e es e c t i o n s w h i c ha r ed y n a m i cr e s p o n s e su n d e ri m p a c tl o a d p o w e rf e e d b a c ki nb r a k i n gp r o c e s sa n d c o n t r o lo fn e t w o r kv o l t a g e t h em a i nc i r c u i t c o n t r o l l i n gm e t h o da n dh a n m o m c c a n c e l l a t i o no ft h es y s t e mw i t hf o u rm o d u l e si ns e r i e sa r ea n a l y z e d b a s e do n t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds o r w a n es i m u l a t i o n al o wp o w e rp w mr e c t i f i e rs y s t e mw i m f o u rm o d u l e si ns e r i e si ss e t u p a n da l lc o n t r o lp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t o nt h i ss y s t e m r e s e a r c hs h o w st h a tp w mr e c t i f i e rs y s t e mw i t hm u l t i m o d u l ei ns e r i e sm e e t s s u p p l yn e e do fh i g h s p e e dm a g l e vv e h i c l e s t h er e c t i f i e rs y s t e mh a v em a n yo b v i o u s a d v a n t a g e so fs i m p l i f y i n gs y s t e ms 仃u c t l e 1 0 w e r i n gs y s t e mc o s t e n h a n c i n gc o n t r o l p e r f o r m a n c eo f s y s t e ma n di m p r o v i n gp o w e rs u p p l yq u a l i t y k e y w o r d s p w mr e c t i f i e r s y n c h r o n o u sp ic u r r e n tc o n t r o l s v p w m m u l t i p l e c l a s s n o t m 4 6 l 一 一 e 巫奎迪厶堂亟 堂位论毫 致谢 本论文的工作是在我的导师郑琼林教授和林飞副教授的悉心指导下完成的 郑老师渊博的知识 正直的人品 严谨的科学态度 力求完美的做事风格和对待 工作的兢兢业业为我树立了科学工作者的榜样 在此衷心感谢三年来郑老师对我 的关心和指导 林老师指导我完成了实验室的科研工作 在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助 在此向林老师表示最衷心的谢意 在论文的研究过程中 得到了游小杰教授 叶斌教授 杨中平副教授 胡广 艳副教授 郝瑞祥博士后 张立伟博士后 孙湖老师 黄先进老师的指导及帮助 同时还得到了马志文 郭文杰 刘建强 张慧涛 文晓燕 闫永勤 訾振宁 乔 明等同学在实验室工作上的鼎力相助 在此向他们表示诚挚的谢意 最后 感谢我的父母 家人及所有的亲人朋友 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 随着电力电子技术的发展 功率电子设备的应用越来越广泛 致使大量的非 线性负载涌入电网 给电力系统的电压和电流都带来了越来越严重的谐波污染 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 功率消耗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 电网谐波 污染的根本原因在于电力半导体装置的非线性引起网侧电流 电压波形的严重畸 变 在各种电力电子应用系统中 谐波污染大量地存在于交流到直流变换的整流 环节 二极管不可控整流和晶闸管相控整流电路应用最为广泛 而它们最大的缺 点就是功率因数低和谐波含量高 为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题 基本思路有两条 一条 是装设谐波补偿装置来补偿谐波 这对各种谐波源都是适用的 另一条是对电力 电子装置本身进行改造 使其不产生谐波 且功率因数可控制为l 谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波 器 a c t i v ep o w e rf i l t e r 简称 a p f 无功补偿方案则以新型静止无功发生器 a d v a n c e ds t a t i cv a r g e n e r a t o r 简 称a s v g 连续调节无功的补偿方案为主要发展方向 开发新型单位功率因数变流器是解决谐波污染的重要途径 中小容量的单位 功率因数变流器主要采用p w m 整流技术 大容量变流器提高功率因数和减少谐波 的主要方法是采用多重化技术 多重化技术配合多电平技术和p w m 控制技术 可 获得更为理想的效果 p w m 整流器较传统不控和相控整流器 在完成基本的交 直变换稳定直流电压 的同时 能够实现能量的双向流动 并使得交流侧电网的电流无畸变 p w m 整流 器不仅可以在单位功率因数下运行 还可以进行电网无功调节 随着对电能质量 要求的日益提高和电力电子器件技术的发展 p w m 整流器将越来越多的取代晶闸 管整流器 广泛应用于单位功率因数变流 有源滤波以及无功补偿 交流传动等 领域中 1 2 上海高速磁浮牵引供电系统 匙 l 銮垄厶堂亟 堂位诠塞 1 2 i 磁浮供电系统结构 2 目前上海高速磁浮供电系统是 个交直交变换系统 先将2 0 k v 5 0 h z 三相交 流电经输入变压器后由整流器变换为 e 1 5 k v t 2 5 k 直流电压 再将直流通过牵引 逆变器变为电压频率可变的交流电源通过输出变压器输出驱动直线牵引电机 2 0 k v 母线上接有5 次 7 次 1 1 次0 3 次 单调谐静态f c 和动态a s v g 主要作 用是滤除谐波和补偿无功功率 磁浮供电系统结构如图1 1 所示 不同的电力牵引变电所设置不同的功率牵引模块 根据机车速度可分为 1 高功率牵引模块 由2 3 个高功率变流器单元组成 每个变流器单元 1 5 m v a 2 中功率牵引模块 由2 个中功率变流器单元组成 每个变流器单元 7 5 m v r a 3 低功率牵引模块 用于机车出入库等供电 由2 个低功率变流器单元组成 每个变流器单元2 0 0 k v a 变压器 i1 0 k v 2 0 k v 输入开关 输入变压嚣 整流 逆蹙 输出变压器 输山开关 圆 圈1 1 磁浮供电系统结构 f i g u r el 一1f e e d i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r eo f m a g l e vv e h i c l e s 图1 2 为磁浮供电系统使用的高功率变流器单元 交流器单元由如下几个部分 2 组成 1 输入变压器t l t 2 又称整流变压器 y y o d l 接线 原边输入电压 2 0 k v 5 0 h z 副边输出分为两组1 0 8 4 k v 5 0 h z 作为整流器输入 2 两个整流器组串联分别提供正负直流电压 1 5 k v 2 5 k v 每个整流 器组分别由一个三相全控整流桥和一个三相不控整流桥串联构成 c 为直流电容 3 斩波器由g t o 和电阻构成 用于平稳直流电压 防止过电压 4 两台逆变器采用三电平结构 两组输出接输出变压器t 3 的原边 5 输出变压器t 3 为三相组式变压器 额定输入电压4 3 1 0 v 输出电压由抽 头决定 1 6 1 8 2 输出变压器对外可以为直接脉冲方式和变压器模式 前者由变 压器原边中点引出输出 逆变器并联 增加输出电流 后者由变压器副边输出 两逆变器串联 增加输出电压 输入变压嚣整流嚣斩波嚣逆变嚣输出变压器 图1 2 高功率变流器单元 f i g u r ei 2u n i to f h i g l ip o w e fc o n v 9 1 t e i 1 2 2 磁浮供电系统中的谐波滤波 无功补偿技术 上海高速磁浮供电系统的高功率变流器单元采用的是三相全桥串联整流电路 见图1 2 两个整流变压器将整流器分为两组 一组中角接绕组接不控整流器 星接绕组接三相全控整流器 另外一组接法与之相反 三相整流桥工作时除吸收 基波电流外 还向电网注入6 k a 1 次谐波电流 理想情况下 变压器副边采用星 角接线 若输出线电压相等 两个整流器控制角也相等时 它们产生的6 2 k 1 硅1 次谐波电流在一次侧相位相差1 8 0 度 相互抵消 而1 2 1 0 1 次谐波电流在一次侧 同相位 相互叠加 因此 这样的结构安排使整流桥注入电网的谐波电流以1 1 1 3 2 3 2 5 次谐波为主 同时使两个变压器的容量得到均衡 全控整流桥的相控角是无功功率的主要来源 同时整流桥的换向重叠角以及 e 塞窑垣厶堂亟 堂位迨塞 变压器的激磁电流也产生一定的无功功率 机车牵引属于大容量冲击负荷 负载 的快速变化会引起谐波电流 无功功率以及电网电压的强烈波动 因此必须配置 大容量快速的谐波滤波和无功补偿装置 高速磁浮供电系统谐波滤波和无功补偿及电网压降补偿采用了a s v g f c 组 合的补偿方案 f c 提供容性无功补偿 同时作为谐波滤波器 f c 分为三组 分 别为无功容量1 m v a r 的5 次偏调滤波器 1 m v a r 的7 次偏调滤波器 4 m v a r 的1 1 次高通滤波器 a s v g 为容量6 m v a 的i g b t 有源无功补偿器 进行动态无功补 偿 这样组合的补偿系统可以向电网提供0 1 2 m v a r 的连续可调的容性无功功率 1 3 本课题的提出 据上节所述 上海高速磁浮供电系统由于采用不控和相控混合整流方式 造 成整流系统无功含量多 谐波污染大 为此 系统又增设了大容量的无功补偿和 谐波滤波设备 尽管采用的技术成熟 但整个供电系统结构复杂 有待优化 采用大容量p w m 四象限整流系统代替现有整流器成套设备 可有效降低系统 谐波含量 而且本身可以进行无功调节 无需单独设置无功和低次谐波补偿装置 并且能够把磁浮列车制动的能量回馈给电网 减少电能的浪费 而不引起电网质 量的下降 该项目提高了整流系统的技术含量 降低了设备成本 为今后国内磁 浮线路的牵引供电整流系统国产化打下基础 对于磁浮牵引供电系统这样的高电压 大容量整流系统中的应用 在器件耐 压等级一定的情况下 p w m 四象限整流系统的设计主要存在三种方案 1 多器件串联方式 若以较低电压等级的开关器件实现较高电压等级的输出 可以采取多个器件 串联的方法 这种方式需要各个开关管触发脉冲严格一致 大大降低了系统的可 靠性 同时由于制造工艺所限 各个开关管关断电阻 开关速度等指标存在差异 器件串联会带来复杂的稳态和动态均压问题 必须设法解决以保证设备安全 2 多电平p w m 整流器 随着电力电子技术 微电子技术 计算机技术和现代控制理论的发展 多电 平整流器在中大功率交流电机调速及电力系统领域逐渐吸引研究人员的注意 多 电平整流器将多个功率开关管串联使用 并采用二极管钳位 以获得交流输出电 压的多电平调制 这种结构的变流器在提高耐压等级的同时 有效的降低了交流 谐波电压 电流 从而改善了其交流侧波形品质 相较于两电平变流器 这种结 构的缺点是使用了较多的开关管 且控制策略非常复杂 需要解决有限电容容量 下的中点电压波动问题 目前 比较常见的拓扑结构是具有中点箝位的三电平电 4 压型p w m 整流器 3 多重化串联p w m 整流器系统 为实现较高电压的输出 可以将两个或更多个相对较低电压输出的p w m 整流 器单元进行多重化串联构成高压大容量整流器系统 这样构成的系统中各单元结 构简单 控制相对对立 无中点问题 也不存在由于开关器件直接串联而引起的 均压问题 单个功率开关管耐压等级与系统直流电压无关 改变串联的单元数目 可以获得要求的输出直流电压等级 在一定的控制策略下能够获得比相同开关频 率下单台变流器更高的功率因数 对电网谐波污染更小 本课题的提出是基于北京交通大学与上海磁浮交通工程技术研究中心签署的 高速磁浮交通技术重大专项子课题 高供电品质的整流技术研究 任务合同 合 同要求为上海磁浮供电系统提供了一种新的具有高供电品质的整流方案 采用串 联四重化p w m 整流器取代传统的相控整流器 提高网侧功率因数 减少谐波含量 通过理论分析和样机实验 研究p w m 整流器的原理 特性以及用于磁浮牵引供电 系统将产生的效果 1 4 研究内容 1 详细阐述电压型四象限p w m 整流器的主电路拓扑 工作原理和数学模型 通过理论分析完成对主电路参数的选取 并通过仿真进行验证 2 针对磁浮供电系统快速负荷响应 有功 无功独立调节的要求 基于同步 旋转坐标系下的p w m 整流器数学模型 提出采用同步p i 电流控制和空间矢量脉宽 调制策略的p w m 整流器控制方案 对控制系统的各个环节及其参数设计作出详细 叙述 在此方案基础上 对p w m 整流器在磁浮供电系统中的适用性进行了分析和 仿真 3 对串联多重化p w m 整流器系统的主电路构成 控制方式和谐波消除原理 进行论述 通过仿真验证多重化消谐原理的正确性 4 完成小容量四重化系统样机的研制 包括四重化p w m 整流系统样机的主 电路和控制电路的硬件设计调试和软件编制 详细叙述基于d s p 的同步p i 电流控 制 空间矢量调制策略以及多重化消谐控制的实现 5 实验验证 基于单台p w m 整流器进行启动 带载 四象限运行以及谐波 分析等试验 考察p w m 整流器的控制性能 基于四重化系统样机 对串联四重化 运行效果和谐波消除原理进行实验验证 5 e 压窑堕厶 羔亟 堂位逾塞 2 p w m 整流器基本原理 2 1 拓扑结构 p w m 整流器是在斩波器整流理论的基础上提出来的 和逆变电路相似 p w m 整流器可以分为电压型和电流型两大类 两者在主电路结构上存在着对偶关系 前者最显著的拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流储能 从而使变流器直流侧 呈低阻抗的电压源特性 后者则在直流侧采用足够大的电感储能 这样在开关频 率足够高时 可以近似认为变流器在p w m 控制过程中呈现电流源特性 目前 电压型p w m 整流器的应用比较广泛 本文所讨论的也仅限于电压型 p w m 整流器 3 1 以下介绍几种常见的拓扑结构 2 1 1 单相桥式四象限变流器 硝q 莨 罗 1 i r 暑 f 呻弛帚 a l 图2 1 单相p w m 整流器拓扑结构 a 单相半桥b 单相全桥 f i g u r e2 1t o p o l o g yo f s i n g l e p h a s ep w mr e c t i f i e r a h a l f b r i d g e f u l lb r i d g e 图2 1 为单相半桥和单相全桥p w m 整流器主电路拓扑结构 可以看到 主电 路的每个可关断功率开关管都反并联一个续流二极管 用以缓冲p w m 过程中的无 功能量 单相半桥电路如图2 l a 所示 交流电源经电感一端接功率开关管桥臂中 点 另外一端接直流侧两串联电容的中点 串联电容一方面提供中点基准电位 同时作为直流储能电容 图2 l b 为单相全桥电路 相比较而言 尽管单相全桥电 路采用了具有4 个功率开关管的h 桥结构 开关管是半桥电路的2 倍 但全桥电 路不需要考虑直流电容均压问题 控制相对简单 在交流电源相同且获得相同的 交流电流控制特性时 半桥电路要求直流电压是全桥电路直流电压的两倍 对功 率器件耐压要求较高 由于半桥电路只能采用双极性调制方式 而全桥电路可以 6 型丛整近盏基奎厘堡 采用单极性调制 这样相同条件下 全桥电路可以降低对滤波电感和电容的要求 因为单相p w m 整流器中从交流电源到直流侧的功率流动是以二倍于电网频 率脉动的 因此 需要滤除直流侧二次谐波电流 以维持直流电压的恒定 通常 在直流侧接入一个由电感电容串联构成的二次谐波滤波器或者简单增加直流电容 的容量来实现 2 1 2 三相桥式四象限变流器 图2 2 是三相半桥和三相全桥p w m 整流器主电路拓扑结构 通常所谓的三相 桥式电路是指三相半桥电路 从结构上看 三相全桥p w m 整流器实际是由三个独 立的单相全桥p w m 整流器组成 它较三相半桥p w m 整流器主电路功率开关器件 增加一倍 交流侧需要变压器隔离 结构复杂 也正因为如此 三相全桥p w m 整 流器可以接入到三相四线制电网 当电网不平衡时 不会严重影响其控制性能 而三相半桥p w m 整流器在三相电网不平衡时 为满足不同的控制要求 控制策略 要进行相应的改变 控制算法复杂 三相p w m 整流器的一个特点是在三相对称条 件下 交直流之间功率传递恒定 所以其直流侧无需二次谐波滤波器 鞘码中 l 劭帚砷爷码p 图2 2 三相p w m 整流器拓扑结构 a 三相半桥 三相全桥 f i g u r e 2 2 t o p o l o g y o f t h r e e p h a s e p w m r e c t i f i e r a h a l f b r i d g e b f u l lb r i d g e 7 j 瘟銮迪厶堂亟 堂位迨塞 2 1 3 具有中点钳位的三电平p w m 整流器 图2 3 是一种常见的二极管钳位三电平p w m 整流器拓扑结构 两个串联开关 器件的中点通过钳位二极管和直流侧电容的中点相连接 每个桥臂的中点可以得 到三种电平 在相同开关频率条件下 与传统二电平结构交流器相比 谐波含量 较小 改善了输出电压波形 开关管的电压额定值只为直流母线上电压的一半 使较低电压的开关器件能够应用于高压场合 但是三电平结构的缺点是控制策略 复杂 而且容易出现中点电压不平衡问题 显然 若变流器直流母线上两并联电 容的中点电压在运行时不稳定 它将引起输出的三电平电压变化 不仅使输出电 压波形畸变 谐波增加 而且使三相输出电流不对称 失去三电平结构的优势 图2 3 三相三电平p w m 整流器拓扑结构 f i g u r e2 3t o p o l o g yo f t h r e e p h a s et h r e e l e v e lp w mr e c t i f i e r 2 2 工作原理 昆 从拓扑结构上看 p w m 整流器可以实现能量的双向传输 当p w m 整流器从 电网吸收电能时 其处于整流状态 当p w m 整流器向电网输出电能时 其处于逆 变状态 p w m 整流器实际上是一个交 直流侧可控的四象限变流装置 图2 4p w m 整流器等效电路模型 f i g u r e2 4e q u i v a l e n tc i r c u i to f p w mr e c t i f i e r 盟丛整速鼹基奎厘堡 图2 4 为单相电压型p w m 整流器模型电路 图中 为交流电感 r 为交流侧 等效电阻 c 为直流电容 交流电感的主要作用为 隔离电网电动势与整流器交流侧电压 控制整流器 交流侧电压实现四象限运行 滤除交流电流谐波 储能 实现整流器与电网传递 无功功率 使整流器具有升压变换 b o o s t 特性 直流电容的主要作用为 缓冲交流侧与直流负载之间的能量交换 稳定直流 电压 抑制直流侧谐波电压 参照p w m 逆变电路的工作原理 按照正弦信号调制波和三角载波相比较的方 法对桥臂上下开关管进行p w m 调制 就可以在桥臂的交流侧产生正弦调制的电压 波形 波形中除了含有与正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量外 还含有 与三角载波有关的频率很高的谐波 由于电感的滤波作用 这些高次谐波只会使 交流电流产生很小的脉动 如果忽略这种脉动 当芷弦信号的频率和电源频率相 同时 交流电流为频率与电网频率相同的正弦波 只考虑基波分量 忽略p w m 谐波分量 下面的矢量方程式成立 露 矿 珊 r j 2 1 式中露 为电网电动势 电网电流矢量 旷为整流桥的交流侧p w m 波的基波分量 由此可知 当以电网电动势为参考时 通过控制交流电压矢量旷即可实现 p w m 整流器的四象限运行 图2 5 中的向量图说明了p w m 整流器的4 种典型的 运行状态 图2 5 a 中旷滞后豆的相角为万 7 和雷同相位 电路工作在整流状态 且功 率因数为l 这是p w m 整流器的基本工作状态 图2 5 b 中旷超前雷的相角为万 f 和豆相位正好相反 电路工作在逆变状态 为负阻性运行 实现了能量的回馈 图2 5 0 中矿滞后豆的相角为艿 7 超前豆相位9 0 电路在向交流电源送出无功功 率 纯容性运行 图2 5 d 中矿超前雷的相角为万 滞后雷相位9 0o 纯感性运 行 这四种情况只是p w m 整流器运行的四个特殊的工作状态 通过控制交流电压 矢量旷 可以任意调节电网电动势和电流之间的相位差以及电网电流幅值的大小 既可以控制交直流侧有功功率的传递 又可以控制整流器从电网吸收或发出的无 功功率 即实现四象限运行 可见 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 可以通过控制整流器交流侧电压来 自j 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整流器的网侧电流 9 塞窑垣厶堂亟 堂垃迨塞 勺丘彳 a 正阻性运行b 负阻性运行 2 3 数学模型 c 纯容性运行d 纯感性运行 图2 5p w m 整流器四象限运行矢量图 f i g u r e 2 5f o u r q u a d r a n t v e c t o r d i a g r a m o f p w m r e c t i f i e r 本节主要对三相半桥电压型p w m 整流器进行分析 建立其在不同坐标系下的 数学模型 o 上 m n 图2 6 三相电压型p w m 整流器原理图 f i g u r e2 6p r i n c i p l ed i a g r a mo f t h r e e p h a s ev o l t a g es o u i c ep w m r e c t i f i e r 三相电压型p w m 整流器主电路原理图如图2 6 所示 为简化分析做如下假设 1 电网电动势为三相对称正弦波理想电压源 巳 e b 气 2 网侧三相交流电感 各相相等 不考虑饱和 交流电阻为尺 3 忽略开关器件的导通压降和开关损耗 4 直流侧负载用电阻r 等效 1 0 趔幽缢型醛厦l 一 2 3 1 三相静止坐标系 n 融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 一o 上桥臂关断 下桥臂导通 七 口 b c 吼2 1 1 下桥臂关断 上桥臂导通 则有 二 由图2 6 可列出如下方程 工鲁 埘t 叫柚 式中 柚 0 u u o 此处仅考虑三相平衡无中线系统 故 e e i t 0 可得 咯 一耽一 一等 互 啪 七划 6 c 对直流侧分析得 c 誓 荟 屯 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 哮 气一r i k 一 一等 萎 刚 钏 6 c 誓2 互 识吨 舯者嚣耋 l 础i b i c 叫 删开关函数描述的三相电压型引入状态变量x 且x 叫 v 女 则术用丌大删鳅删 一1 一 p w l v i 整流器数学模型的状态变量表达式为 式中 z i a x e a 一r 一卜半 0一眉0 00 一r 3 s c z d i a g l 厶厶c e 0 4e e c i 矗 2 6 2 7 2 8 2 9 羞 一 一 t 一 一 e 宝銮适厶堂亟 堂位丝塞 2 3 2 两相静止坐标系 伉 圆下的数学模型 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 a 回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 4 b c 变换到两相垂直静止坐标系 d 扔 其中a 轴与a 轴重 合 而b 轴超前a 轴9 0 度相角 两坐标系的位置关系见图2 7 c 图2 7 三相静止坐标系 a n e 到两相乖直静止坐标系 邳 变换 f i g u r e2 7s t a t i o n a r yf r a n e 口一b c t o 嘲a x c t r a n s f o r m a t i o n 采用等量变换方式 变换矩阵z 0 为 m2 亏 l一三一1 22 o 巫一生 22 2 一l o 令零轴分量为 屯 屹 2 1 1 则矢量x 从 4 6 c 坐标系到 a 秭坐标系下的变换为 h 2 时了 l 1 1 22 o 鱼一鱼 22 lll 222 2 1 2 对式 2 4 2 5 进行7 乙 变换 可得到两相静止坐标系 棚下的开关函数的 数学模型表达式 咯 气啦一 2 1 3 1 2 里丛整近置基奎厦理 l 一e 娟 叫 c d 出v 三 乞 如 一t 式中 z d i a g l l c x r 彳 鞋了 s a e k 勺t 2 1 4 2 1 5 2 1 6 2 1 7 2 一1 8 2 1 9 2 2 0 根据式 2 1 3 2 1 4 2 1 5 画出两相静止坐标系下的数学模型结构如图2 8 所示 e 口 j 口 sb e a 图2 8 两相静止坐标系 啦国 fp w m 整流器数学模型 f i g u r e2 8m a t h e m a t i c a lm o d e lo f p w m r e c t i f i e ri ns t a t i o n a r yf r a m e 嘞 2 3 3 两相旋转坐标系 咖 下的数学模型 将两相静止垂直坐标系 a 扔中的数学模型进一步变换为两相同步旋转坐标系 如 中的数学模型 两相同步旋转坐标系 如 以电网电压基波角频率国在逆时针 旋转 q 轴与伍轴夹角为b 坐标系 a 扔与坐标系 如 的位置关系如图2 9 所示 变 换矩阵为 卧 s i n o c 叫o s o l 列x e 塑銮遭厶堂亟 堂位迨塞 i 镶 圈2 9 两褶静止垂直坐标系 邮 到两相同步旋转坐标系 如 变换 f i g u r e2 9s t a t i o n a r yf r a m e a p t os y n c h r o n o u s l yr o t a t i n g d q t r a n s f o r m a t i o n 联合式 2 l o 2 2 1 得到从三相静止坐标系 口机 到两相同步旋转坐标系 如 的坐标变换矩阵死 幽 j2lf sin sin o口 一2 r 3 sin op 2 石r 3 2n 3 2 3 l 2 2 2 1 由7 幽 j ic o s 9c o s 口一c o s p 石l 2 从而 得到两相同步旋转坐标系 如 中的数学模型 其模型结构如图2 l o 所 示 云2 岛一c o l i 一心一 2 2 3 哮 白 础 一只 一 2 2 4 c 鲁 吾 弛 一屯 2 2 5 气 葶g 萱d ed 图2 1 0 两相同步旋转坐标系 d q 中数学模型 f i g u r e2 1 0m a t h e m a t i c a lm o d e lo f p w mr e c t i f i e ri ns y n c h r o n o u s l y r o t a t i n g 鼢e a q 1 4 班丛整近箍基奎厘堡 2 4 参数设计 2 4 1 三相交流电感参数的设计 2 4 1 1 设计原则 交流电感的设计应考虑如下几个方面 1 首先应满足p w m 整流器在稳态条件下的有功 无功功率输出 2 满足瞬态电流跟踪的要求 电感的设计应能够使电流快速跟踪给定电流 3 电感滤波 即满足对交流电流谐波抑制的要求 2 4 1 2 稳态指标 忽略交流侧电阻r 只考虑基波正弦电量 交流侧各电压矢量应满足稳态条件 对于额定直流电压 采用正弦调常o s p w m 整流桥能够产生的交流相电压峰 值匕满足 v o 2v 2 26 式中 为直流电压 匕为整流器交流侧相电压峰值 而采用空间矢量调制 s v p w m 直流电压吃与整流桥能够产生的交流相电压 峰值吃之间的关系是 吃 4 3 吃 2 2 7 这里只分析s v p w m 方式 考虑桥臂开关死区 直流电压波动以及交流电阻 的影响 增加修正系数k 置通常取0 8 5 0 9 得到下式 圪 置拿 j 2 2 8 a b 图2 1 1p w m 整流器交流侧稳态矢量图 f i g u r e2 11s t e a d y s t a t ev e c t o rd i a g r a mo f p w m r e c t i f i e r 当p w m 整流器设计为单位功率因数运行时 矢量关系应满足图2 1l a 所示的 稳态条件 磁 n 峨 2 嘭 2 2 9 式中瓦为额定电网相电动势峰值 t 盛窑道厶堂亟 堂垃途塞 l 为额定交流侧基波相电流峰值 联合式r 2 2 8 得到稳态条件下对电感的要求为 堕二堡 堡垒 二堡 2 3 0 c a l m纠 若p w m 整流器设计为功率因数可调 尤其要求发出容性无功功率时 矢量关 系应满足图2 l i b 所示的稳态条件 瓦 越厶 圪 2 3 1 此时对电感的稳态指标要求为 三 堡当 m 厶 l 即 2 3 4 l 2 r 焉 3 e d r e r 2 3 9 4 2 4 2 直流电容的设计 2 4 2 1 设计原则 直流电容的设计应考虑如下几个方面 1 直流电压应能够从充电完成后快速达到稳态值 2 满足抗扰性指标 减小负载扰动产生的直流电压波动 3 满足直流电压纹波要求 2 4 2 2 快速跟随性指标 快速跟随性指的是直流电压从不可控整流电压值呢 上升到额定直流电压珞 的上升时间指标 当整流器接入电网而功率管不调制 处于不可控整流方式 其整流电压平均 值为 序 o 1 3 5 巧2 1 3 5 c 2 4 0 式中匕 为不可控整流电压值 为三相交流线电压 而额定直流电压吃与整流器额定容量s 的关系为 尉乙 2 4 1 式中r 为额定直流负载电阻 s 为整流器额定容量 当电压调节器采用p i 调节器时 在达到给定值之前一直处于饱和限幅值 电 流内环以最大电流 对电容和负载充电 电容电压初始值为屹 额定直流电压 为吃 易得 1 7 j 巫童堕厶 差亟 堂位途塞 一 k 也一巧 1 一e 舭 2 4 2 式中k 为整流器输出最大直流电流 通常为额定直流电流的1 2 倍 f r 为从 上升到 的时间 c 为直流侧电容值 上升时间 应小于系统规定的上升时间指标c 即r s t t a 2 4 4 式中 为负载扰动电流 z 为p w m 开关周期 2 4 2 4 直流电压纹波指标 电容电压波动可以表示为 c 刮矿k 2 4 5 式中k 为直流稳态电流 为直流电压的纹波 空间矢量调i i j s v p w m 方式下 在六个非零基本矢量附近 可以看作只有一 个非零基本矢量和零矢量作用 又假设系统为单位功率因数 由式 2 4 6 知也在对 称的半个开关周期里的时间段五 五分别取得0 和交流电流幅值 i女 sain bib sa 2 46 代入式 2 4 5 得 o i d c c 唑q r 2 4 7 j i l k c 譬 2 4 8 2 式中 v i 为墨时间段内的直流电压变化量 v 为z 时间段内的直流电压变化量 受丛整速箍基奎逮堡 根据i v l i i f 且正 五 i 2 i 珙厶式 2 4 7 式 2 4 8 得到 l a y l l 陂i 警 2 删 式 2 4 9 得到的直流电压变化量应小于设计要求的直流电压的纹波指标 吃 从而得到西锴 2 s o 2 4 3 仿真验证 三相交流电感和直流电容的设计直接影响着三相电压型p w i v i 整流器的控制 性能和设计成本 因此 在满足设计指标情况下 尽量选择较小的参数值 本节 根据给定系统的电气参数和设计指标来计算p w m 整流器的电感和电容参数 并仿 真验证理论计算的合理性 电气参数和设计指标如下 s 1 5 k v a e 1 6 0 v f 5 0 h z 3 5 0 v 后 2 k h z a i 2 a c o 1 s 吒 5 0 额定负载扰动 5 吐 o 5 计算得到 e 2 1 3 1 v i 7 6 5 a l k 4 2 8 a o 2 1 6 v j h 1 2 i 女 5 i a 1 7 5 v 吃 1 7 5 v 电感选择 1 满足稳态条件 功率因数可调 得l 2 1 2 m h 2 满足快速电流跟踪l 7 2 m h 电容选择 1 1 满足快速跟随性c 4 8 9 u f 3 满足电压纹波指标c 5 3 9 u f 最终选择电感和电容参数为l 产7 m h c 5 6 0 u f 仿真模型如图2 1 2 所示 将上述参数代入仿真模型 仿真过程为5 0 额定负 载起动 0 i s 后满载运行 仿真时间o 2 s 1 9 丞塞遭厶堂亟 堂垃迨塞 v 图2 1 2p w m 整流器仿真模型 f i g u r e2 1 2s i m u l a t i o nm o d e lo f t h r e e p h a s ep w mr e c t i f i e r 图2 1 3 给出从p w m 整流器启动 5 0 额定负载运行到额定负载稳定运行的 电压和电流仿真波形 直流电压从不控整流电压2 1 6 v 启动上升到3 5 0 v 的时间f 为 2 0 m s 突加5 0 额定负载产生的直流波动 为t 4 是额定直流电压的4 整流 器稳定在单位功率因数运行 图2 1 3 三相交流电压 电流和直流电压仿真波形 f i g u r e2 1 3s i m u l a t i o nw a v e f o r m so f a cv o l t a g e a cc u r r e n ta n dd cv o l t a g e 图2 1 4 为p w m 整流器稳定运行时的交流电流和直流电压的纹波波形 交流 电流峰值处纹波 为1 9 a 直流电压纹波 为1 o v 是额定直流电压的o 3 2 0 璺醚m 整逾嚣基奎厦壁 7 0 1 俺晶厶 o 蕾 图2 1 4 交流电流和直流电压纹波 f i g u r e2 1 4a cc u r r e n ta n dd ev o l t a g et i p p l e s 通过软件仿真可知 按照理论计算的p w m 整流器电感 电容参数能够满足设 计指标要求 验证了理论计算的合理性 2 l 搿柳斯埘飞 e 亟至适厶堂亟土堂位迨塞 3 控制策略 3 1p w m 整流器的控制技术 p w m 整流器的控制主要包括直流电压 交流电流和脉宽调制三个方面 对于直流电压控制 通常采用传统的p i 调节器 采样信号与给定直流电压参 考做比较 误差送入p i 调节器 输出经过限幅后作为电流的给定 p w m 整流器交流电流的动态特性直接影响着直流电压环的控制性能 交流电 流的控制根据是否以快速电流反馈控制为特征 可分为间接电流控制和直接电流 控制两大类 问接电流控制技术为电流开环控制 通过p w m 方法在整流器桥臂中点输出幅 值和相位受控的正弦p w m 电压 该电压与电网电压共同作用 可在整流器交流侧 形成所需的正弦基波电流 而谐波电流则由交流电感滤除 间接电流控制由于无 需交流电流传感器 因此系统结构简单 其主要缺点在于 电流动态响应不够快 甚至交流侧电流中含有直流分量 且对系统参数波动较为敏感 因而常应用于对 动态响应要求不高且控制结构简单的场合 直接电流控制由于具有网侧电流闭环控制 使系统动 静态性能得到提高 可以获得较高品质的电流响应 同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感 增强 了控制系统的鲁棒性 当然 直接电流控制的控制结构和算法较 日j 接电流控制复 杂 本章将对滞环p w m 电流控制 预测电流控制 同步p i 电流控制和直接功率 控制进行介绍 目前 脉宽调制技术有很多 如正弦调制p w m s p w m 特定谐波消除p w m s h ep w m 最小纹波电流p w m 空间矢量p w m s v p w m 等 其中 s p w m 和 s v p w m 是常用于p w m 整流器控制的两种方法 3 2 电流控制技术 3 2 1 滞环p w m 电流控制 滞环p w m 电流控制框图如图3 1 所示 为双闭环控制 直流电压反馈控制环 采用p i 调节器 输出交流电流幅值指令 该指令与电网电压同步的单位正弦信号 三相 相乘得到电流内环控制的交流瞬时电流参考 将它与实际检测到的电流信号 撞整l 筮鳋 进行比较 送入滞环比较器 当电流偏差超越指定的滞环宽度时 滞环比较器产 生相应的开关信号来控制主电路功率管切换 迫使电流偏差减小 使其重新回到 滞环内 这样 实际电流围绕着指令电流曲线上下变化 并且电流偏差始终保持 在一个滞环带度之内 滞环宽度与电流纹波和开关频率有着直接关系 例如 较 小的滞环宽度会增加开关频率并产生较小的电流纹波 因此 对滞环宽度的设计 应综合考虑谐波和开关损耗两者的关系 幽3 1 滞环p w m 电流控制框图 f i g u r e3 1h y s t e t e t i cc i l n tc o n t