（电力电子与电力传动专业论文）z源整流器研究.pdf

浙江走学顾l 学位论义 a b s t a e t 疆i 曲t h ed e v e l o 勰e n t0 fe n e r g ye o n v e r s i o nt e c h n o l o g y ， t b ep 碍mr e c t i f i e rh a s a t t e n t i o nm u c hf o c u si nt h ef i e l do fd o w e re l e c t o n i c s b e c a u s eo ft h ef u n c t i o no f h a r m o n i ce 】i m i n a t i o na n dp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，t h ep 钟mr e c t i f i e rc a nb eu s e da s 8 ni d e a ln e t w o r k b e t w e e ne q u i p m e n ta n dp o w e r8 y s t e 胍 av o l t a g es o u r c er e c t i f i e r ( v s r ) c a no n l yo b t a i nh i g h e rd cv o t a g et h a na cv 0 1 t a g e ， 殍h i c hl e a dt h a t 辩o t o rm u s ts t 8 n dt b 毋b i g h0 ev 。l t a g e 蠢驻r i n 蓉s t a r tc 0 珏r s e ，8 n dt h e m o d u l a t i o ni n d e xo ft h ei n v e r t e rh a st ob es e t t e di nal o wv a l u e w h i c hr e d u c e st h e q 驻a l i t yo fo u t 降鞋a cv o l t 巍g e f u r 强特r 藏o r e ，j n 程￥s r ， t h eu p e ra 嬲l 锑e rd e v i o e s o fe a c hp h a s el e gc o u l db eg a t e ds i m u l t a n e o u s l yb ye m in o i s e s ，w h i c hw o u l dd e s t r o y t h ee i r c u i ta n d 出；e r e a s et h er e l i a b i l i t y ，了。鑫v o i dt h es b o o t t h r o u 曲，t h e 棚e t h 。d o fi n c r e a s ed e a dt i m eh a sb e e na p p l i e d i tw o u l dr e s u l ti nt h ed i s t o r t i o no ft h e c u r r e n tw a v e f o r 趣。 i nt h i st h e s i s ，an o v e lr e c t i f i e rn a m e da sz “s o u r c er e c t i f i e ri sp r e s e n t e d 1 t m a k e st h es h o o t t h r o u g 扣s t a t ep o s s i b l e ，w h i c ha v o i d st h ep o s s i b i l it yo fr u i nb ye m l n o i s e s 矗n dt h es h o o t t h r 0 珏g hs t a t ea l l o w st h ez s o u r e er 尊c t i f i e rt ob u c ka n db 0 0 s t i t so u t p u tv o l t a g e 蚤漪t h e s i s 鞠8 l y s e st h eo e r 8 t i n gp r i n e i p l e 鑫粼le o n t r o ls t r a t e g yo ft h ez s o u r e e r e c t i f i e r b a s e do nt h e8 n 8 1 y s i s ，t h ed e s i g no fap r o t o t y p eo f 5 k wt h r e e d h a s e z s o u r c er e e t i f i e rh a sb e e nd e s e r i b e di nd e t 8 i l ，羊珏ee i r c u i td e s i g n ，e s p e e i a l l yt h e i n d u c t o r sa n dc a p a c i t o r so fz n e t w o r k ，h a sb e e nd i s c u s s e d s od 0t h ec o n t r o ls t r a t e g y a n ds y s t e 搬t h es i m u l a t i o na 删o p t i 趣i z 8 t i o fp a r 栅e t e rh a v eb e e nf u l f i l l e dw i t h “s a b e r s o f t w a r e t h e nt h ep r o t o t y p e 叶o d e lh a 8b e e nd e s i g n e db y ”u n i g r a 曲i e s a n 扩 s o f t w 鼎r e a tl a s tt h ee x p e r i m e n t a l8 n ds i 口u l a t i o nr e s u l t sh a v eb e e np e r f o r 啪e dt o c o n f i r 擀t h ea n a n l y s i s ，w h i c ha r e 蠕u i t ec o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s x e y 釉蝴s ： z s o u r o er e c t i f i e r ， s h o o t 秘r o u g hz e r 。s t 8 t 尊， e o n t r o l ，s p a e e v e o t 。r m o d u l a t i o n i i 浙江火学砸 “学位论文 第1 章绪论 1 1 姆k 蔡潍器橇述 随着功宰半导体开关器件投术的发展，促谶了电力电子变流技术的迅速发展，出现了以 脉宽调制( 洲) 技术为基础的各类变流装耄，如变频嚣、逆变电源、高频开荚电源及特种 变流器等，这些变溅凝置大都采用二极管不控整流电路以获得直流电压，闲而对电嘲注入了 大最谐波及无功，造成了严黧的电网污染”。治理这种电网污染的最根本措施是，鬻求变流 装鬟实现捌测电流量三弦化，鼠运行予壤谊功搴灏数。 7 0 年代初，国外开始p w m 整流技术的研究，8 0 年代j i 彳期由下全控器忭的使用，以p 州 轿控整流在慕些应涮场台逐渐疆袋了楣控整流袋不控攀浚，敞纛获终了弼绷电流委弦、霸铡 功率因数控制、电能舣向传输、快的渤态控制响应。由r 电能的嫩向流动，p w m 整流器可在 蘩流和有源逆变状态。| 二箨，蜜际上成为一个交、赢流侧可控的舀象限运行的交流装麓，觅圈 1 1 。 蹬卜lp 煳模型 u 路 p 张整溅器拓扑结鞫分为电压型刹电流型”。“，两袭直流键熊形式不网，如幽卜2 所示。 电压型p 州整流器( v s r ) 岚流侧采刚l = l 容进彳j ：储能，从而使v s r 直流侧魁低阻抗的电压渊 特性；电瀵游p 张熬滚嚣( e s r ) ：基滚铡爰媸谶黪送行艇滚罐能，在妻滚测获褥裹疆捷装电 流源特性。 o i k r lo ，曲生三 、+ 气 一b 一土一 、e c 。一： 国电压戮p 髓羲漉嚣￥s r ( b ) 电流耀躲整漶器( c s ) 瞬卜2 电臁型与电流鳓p 嘲整流_ ； ： 拓扑耋l ! i 构 浙江大学硕： 学位论立 为获得系统稳定性和较快的动态响应，在c c m 控制模式f 可采用间接电流控制和直接电 流控制，直接电流控制的性能指标优越于间接电流控制，它包括滞环电流控制( h c c ) 、峰值 电流控制、平均电流控制、两相旋转坐标控制等。 l - 2p 删整流器的主要应州 由于p w m 拯流器实现了网侧电流止弦化，且运行丁单位功率闪数，甚至能昔可以取向传 输，冈而真正实现了绿色电能变换。p w m 整流器网侧呈现出受控电流源特性，冈而这一特性 使p w m 整流器及其控制技术获得进一步的发展和拓宽。 目前在中小功率应用场合，p 州接流器主要鹿用在高精度、动态响应较高的直流电源上， 如充电电源、磁电源等；中大功率p w m 糕流器主要廊j ；| j 于交流传动领域：大功率应用主要 体现在高压直流输电上1 ( h v d c ) ，如有源电力滤波器“( a p f ) 、无功补偿”“( s v g ) 、统一 潮流控制“( u p f c ) 等。 1 _ 2 1 四象限交流电动机驱动系统 p w m 整流器可以替代二极管整流器麻j = | ；| 丁交流电动机驱动系统中( 图1 3 ) ，能够实现电 能向电网的同馈，避免了在【 乜动机制动过科时接入直流制动电阻消耗能始，在不损耗能培的 前提下实现交流电动机的四象限运行，以及网侧单位功率冈数正弦波电流控制。 ( a ) 传统电动机控制系统【b ) p w m 整流四象限电动机控制系统 | 璺| 卜3 两种p q 象限交流电动舸l 拎制系统实现 同时p w m 整流器可以通过适当的控制策略，使直流侧获得足够高且稳定的直流电压，人 大减小寅流侧电容的电容罐，同时改善了电动机的驱动性能。 1 2 2 有源电力滤波( a p f ) 及无功补偿( s v g ) 可逆p 1 ；y h i 整流器广泛应用于并联型有源电力滤波器( a p f ) ，在目前应用最多的并联型a p f 中p w m 变流器与l c 滤波器混合并联使用，两者共同承担补偿谐波的任务，见图卜4 。l c 滤 波器主要补偿较高次的谐波，是一个高通滤波器，它一方面消除补偿电流中冈主电路中器件 浙江大学硕士学位论义 通断而引起的谐波，另一方面滤除补偿对象中次数较高的谐波，使得有源部分主电路中器件 开关频率的要求面以有所降低。 并联有源滤波器的作用是改善l c 滤波器的滤波 卜，”、7 5 5 l _ 1 * 一负载 特性，克服l c 滤波易受电网阻抗的影响、易与电网人 c 丰l 。； 阻抗发生谐振等缺点。它可以看作一个等效的可控电 l丫 一 流源，产生一个与谐波电流和无功也流量值相同，相 r 】；。叫一0 丰 位相反的补偿电流，注入电网，使电网电流获得所需l l _ 1 二 功率因数的正弦波电流。此时无功功率和少最有功功图卜4 并联有源l 乜力滤波器 率( 有源器件损耗引起) 在有源滤波器中双向流动， 既实现了a p f 功能，又补偿了系统无功。 1 2 3 统一潮流控制器( u p f c ) 统一潮流控制器是柔性交流输电( f a c t s ) 中最有前途的一种电力补偿装置，主要由串 联变流器和并联变流器组合而成，其中并联变流器是一个p w m 整流器，通过变压器向电网提 供一个幅值可变、相位任意调。宵的电流源，具备快速吞吐无功的能力，同时，这样的一个 p w m 整流器可以提供一个稳定的直流电压，确保串、并联变流器豹正常工作。 1 3 传统p 雕整流电路的局限性 传统的电压源p w m 整流器( v s r ) 和电流源p w m 整流器( c s r ) 由于自身结构的问题，存 在一些应用上的局限性，以广泛应用的v s r 而肓( 图卜2 a ) 为例，电源通过交流电感和整 流器接在一起，通过对整流器的p w m 控制，输出通过电容的稳压作州后得到稳定的赢流电压。 v s r 的输出侧接有较大容撼的电容，早现电压源性质，所以整流器的每个桥臂的上 器什不 能直通短路，否则造成器件过流烧毁系统崩溃。目前解决这一问题的办法主要是靠在同臂 上下器件的互补驱动上加上一定时间的死区，这样对网侧电流的纯正弦化带来一定的畸变， 而且由于e m i 问题的存在，这样采用加死区方法构成的蹩流器抗电磁干扰的能力一般较弱， 可靠性较差。 另一方面传统v s r 的赢流输出电压只能高于交流电压对于a c d c 功率变换，v s r 相 当于一种升压变流器。对于需要得到较低南流电压或是宽电压范同的鹿用场合，不得不级联 一个d c d c 降压变流器，这样的级联系统增加了系统成本，而且效率会降低。 同样的，对于c s r ( 图1 2 b ) 而言，其输出例串连一个大电感，：量现电流源性质，整流 3 浙江大学硕 ：学位论文 桥臂不允许开路，否则会引起足咀破坏整个系统的高电乐，所以c s r 的抗电磁干扰能力也是 比较弱的。另一方面c s r 的输出直流电压只能低丁交流电压，从电源侧看来，整个c s r 相 当于一个b u c k 变流器，对丁_ 需要高电压的廊剧场合，必须级联一个升压型d c d c 变流器， 所以带来了成本的增加平| l 效率的降低。 综上所述，v s r 和c s r 存在一些共同的局限性”“1 ； 它们只是单一的升压或降压型箍流器，不能获得连续可调的宽范同直流电厩，在一 些宽范围电压应用的场合必须级联一个额外的d c d c 电路，带来了一些负面的影响； 它们的桥臂不允许共通或开路，因此抗电磁干扰的能力较差，系统的可靠性不高。 1 4 本文选题的意义和主要研究内容 1 4 1 本文选题的意义 近年来，异步电动机变频调速裟置的r 泛应剧给电网带来人螭“谐波污染”。用p 哪整 流器取代传统二二极管箍流构成四象限交流电动机驱动系统( 例卜3 b ) ，可以实现灵活控制网 侧功率因数及电流正弦化，实现异步电动机的四象限运行和能量的双向流动，起到了防治电 网污染的作用。 但是，由于电压型p w m 整流器只能获得较交流电压高的直流电压，这在电动机正常运行 时是有好处的，可以改善电动机的驱动性能，但在电动机起动时，要求输出的交流电压很低 而此时摧流器输出直流电压很高，所以逆变器的调制冈子m 必须改定为很低的数值，导致电 路直流电压利用率很低，n d 增大，输出电压波形畸变率增人，使异步电动机的起动特性变 坏。本文研究的z 源整流器具有较好的输出特性，可以使得在电动机起动时逆变桥直流电压 降到额定值的1 0 ，保证逆变器的调制冈子m 保持在o8 5 左右，改善了电动机的软起动特 性。 另外，z 源接流器的输出电压可调的特性也可以应用于直流电机传动系统中，从而充分 利用了直流电机良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速的特点。 z 源拓扑可以应用于a c d c 、d c a c 以及d c d c 各种拓扑中，利用直通的特性获得一些优 点。目前针对z 源d c a c 拓扑的研究取得了较大的成绩，引起国内外的厂泛关注。 1 4 2 本文主要研究内容 分析z 源按流器系统拓扑、i ：作原理、控制模式 进行系统仿真，证明提出电路拓扑的可行性： 4 浙江大学烦：l 学位论史 研究主电路及各器件的设计方法 研制用于z 源整流器的控制电路； 对z 源整流器的控制策略利用d s p 进行数字化实现： 运用三维结构软件构建三相z 源籀流器样机，验证分析和仿真结果。 浙江人学碘1 擘位论义 第2 章z 源整流器 2 1 电压型z 源整流器拓扑 整流罂z 源网络直流输出 恻2 一l 电压型z 源整流器的主1 b 路拓扑结构 图2 一l 表示了z 源整流器的一个电压型拓扑宝吉构，它引入了一个z 型网络“：由一个 包含电感l 1 、l 2 和电容c 1 、c 2 组成的的无源网络，将整流器和直流输出耦台在一起，s w 7 是个可控器件，起到阻断z 网络和直流输出的作j _ j 。对于传统的互相电压源整流器，6 个 开关构成8 个允许的开关状态，其中非零电压矢餐为6 个：肖交流侧分别被f 面或上面二个 开关器件短路时，获得了2 个零电压久罐；而同一桥臂上r 器什同时导通这一状态是被严格 禁止的。 三相z 源鹅流器具有9 个开关状态，即除传统鹅流器的8 个状态外，它允许同一桥臂的 直通状态，本文记做直通零电压状态( 矢擐) ，这样的直通零状态使z 源整流器获得了独特 的升降压特性。图2 2 阐明了在传统整流器控制时序中加入直通零状态( 圈中阴影部分) 后，实现用于z 源整流器的开关状态时序剧。 s a d s b o s c d s a n s b n s c n 传统霉状态有效状态 l 鬟_ jll l - j 睫 震 厂_ i l 一m 厂_ 1 ； l 广l 隋 睡i 峨 i i i j 塞 厂li厂ll - j l 一 幽2 2z 源整流器的l 乜m 状态时序酗 由于z 源整流器允许直通零状态的存在，所以同一桥臂上f 开关器件不需要加入死区时 间，而且电路不会因为e m i 导致同一桥臂上、f 管共通致使器件损坏。 6 浙江大学顾十学位论文 2 2z 滚整嚣器戆工终骧理帮等效宅鼹 将圈2 1 的拓扑进行简化，在6 个传统q 零电压状态时将接流桥等效为个电流源， 蓊在2 个传统零电攥状态时，熬流器蹇可羲佟零嬗的电滤巍。这榉从鼙流捋餐过去豹簿鼗电 路如图2 3 所示。丁是对应，z 源整流器，幽2 3 所示电路就存在两种t 作状态，其一避电 路处于转统8 个电疆状态时( 记为非直通状态) ，整流桥看作一等效电流游，s w 7 开关开通， 见图2 4 ；其二为电路处于裒通零电压状悉时，整流桥相当于短鼹，此时s w ? 开关荚断，如 图2 5 所示。 b 幽2 3 从整流桥蠹j 譬击z 源整流糍的等效i u 潞 b 百r 一 潮2 4 非襄通期阐也路等效模型 b 卜 圈2 5 直道龋阐电路等效模型 其审电感l l 秘l 2 ，c l 鞫e 2 分澍其肖裙同的电感鬃拳l 电容娥。这样，z 噶o u r e e 鼹络就 具有对称性。当电路处在稳态，由电路的对称性可以得到： 浙江人学删l 学位论文 有 k l = 圪2 = k ，和v l l = v 2 = v l 。 ( 2 一1 ) 当电路工作在非赢通状态时( 记做t ) ，电路等效为型2 4 所示在一个开关周期t 中 叱= l 一，v f = 圪+ v l = 2 k 一。 当电路处在直通状态时( 记做m ，从圈2 5 中可以推导出 屹= 一屹，v 。= o 电路在一个开关周期内经历非直通和直通两个状态，即有丁= 瓦+ 正。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 由电感的伏秒平衡特性，稳态时，一个开关周期内电感的平均电压为零，从式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 得到 = 叱= 瓦( 一屹) + 巧( 屹一) 】r = o 经一步推导， 兰：土：旦 五一瓦 1 2 d 其中d = 瓦丁，记做直通占空比。 同理，稳态时，一个开关周期内整流桥输山赢流电压平均值等丁 巧= v = 瓦o + 正( 2 k k ) 7 = i ，i = k ， 】一n 姿：击：l j 州1 - 2 d ) i ：b a ， i 2 0 高k n _ 1 2 d ” 匕。( f ) = s i n ( f ) ( r ) = s i n ( f 一1 2 0 。) k 。( f ) = s i n ( 国f 一2 4 0 0 ) 2 一；而 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 浙江大学碳i j 学位论文 妒= a r c t a n 等， ( 2 啕) 式中： v v 熄览流输入相电压峰值，氐为攘流器等效电阻。 联系武( 2 7 ) 和( 2 9 ) ，有 = 砉等= 畿， l 。) 这里b b 称为升降压因子， = 鲁= ( o * ) ( 2 ) 款式( 2 一l o ) 中看到，输出电魇与撩入电压存在一定眈捌芙系，可阻通过选择一个台适 斡嚣降压黼予( 叁调制闲子掰 l ，降压因子鸯 l 决定) ，闲蓝赣鑫唾圭压弼良舞焘和降 低( 相对于输入电压) 。根据式( 2 一1 0 ) ，利用m a t l a b 的仿真结果如图2 6 所豕，结果表明在 调制因子镪一定范围内变化时，通道直通占空比d 的相艘设置，可以得到可升降的_ 啻流电压 输出。 ( 0 井斗 压比例与i 和b 的* 幕 ( b ) 局部关系 凰2 6 关于输出电压增益与调制度m 和降压因子b 之阕荚系的m a t l a b 仿真皱鬃 麸上述分掇孛褥到结论：嫩抗糠整浚器豹输鲞电援霹以疆据嚣要舞衰帮降低，劳嚣避免 了因加入死嚣丽g | 起的波形嘀交釉调制因子靛f 降，傻量糟整流桥可l 蔓承受短路，雨传统的 电压源整流嚣不能得到这样的特性。并且阻抗源电压刑鹅流器是单级实现输出电雁的升高雨i 降低的拓扑，不需要额外的中间d c d c 级电路，有利丁f 仃省成本和提高电路效率。 2 3 革糕z 滚蕤流器p 秘努掇 将z 源网络应用于单相全桥式整流电路即可获得单相z 源整流器。“，如蹦2 7 所示。 与传统桥斌电路相似，z 源单相擞流器同样具有功率双向流动功能，并且可以向时实现p f c 和b u c k b o o s t 功能。 9 辩鼗大掌疆圭学垃论文 刚 闽一 幽2 7z 源聃相搬流 ； 传统单相全桥可控箍流电路可以按照两个b 0 0 s t 电路米分析，谯一个完糕的开关闵蜘内 电路经历4 个状态过程，印图2 8 中的( a ) ，( b ) ，( c ) ，( d ) ，在( a ) 和( e ) 状态辕入恻 电感l s 存能，弱在 o ，只 o ，但在憋流状态f 势不排斥在袋些时区内如现毛 o 。 当调制信号v 9 8 超懿予v 一个角度v 时，电路- 二佟襁有源逆变状态( 图2 l o b ) ，此鐾寸 如 v c k ) 来分析 逆变过程。逆变运行的_ i ：作模式如图2 1 3 所示，和整流运行相类似，4 个1 ：作模式交替1 作。 瓣簪黝 ( 2 ) 幽2 一1 3z 源控流器逆坐t 作模式 ( 4 ) 2 5 z 源整流器在电力传动中的应用 如前所述，z 源整流器在四象限运行传动系统中的应h j 有j “阔的前景，电路如幽2 1 4 所示。z 源籀流器可以像传统电压源整流器一样，输出较高的直流电压，人人减小直流侧电 容的电容量，同时改善了电动机的驱动性能。 z 源整流器凭借自身结构上的优势，获得一些独特的特性： z 源整流器独特的降压特性，在交流电机起动时，提供一个约为额定值l o 的直流电压 水平，该直流电压作为逆变桥的母线电压。而此时输出电压也较低，所以保证了逆变器 的调制因子m 为一个接近于l 的值，这样使得电路的直流利用率升高，t h d 降低，输出 4 濒汪天掌堙二i 掌救论文 电服波形正弦度变好，电幼机能够顺利起动。 z 灏皴流器的升压特性，张交流电动机正常i 薹行时，提供一个高丁9 0 0 v 的商流电j = | i ，保 诞在线性调制范围虎整个系统输出3 8 0 v 的交藏电压。 z 溺燕藏器麓z 型毫蕊电容接法，像证了整流魄鼹瓣撬掰i 箍力，程鬻一撩譬上一f 器誊 困e m i 引发共通时，不会因过流造成烧毁器件。 蹦2 一l z 源整溅爨用于传动暴统静装构鹫 2 6 本章小结 本章主要介绍了一种新型躺流器拓扑z 源糕流器，详细分析了电路的升降压原理， 分别缀合单相电路和三相电龉，阐述了电路的不同的上 乍状态，最后就z 源糕流器在交流电 撬黉麓系统中熬应耀迸手i 了努辑、疆鬟。 浙江大学填l 学位论文 第3 章z 源整流器控制策略 3 1 兰相z 源燕流器一般数学模溅 根据z 源攒流器的拓扑结构在不同的坐标系中，利用电路基本定律( 基尔鬻夹电压、电 漓定律) 对电游建立的一般数学攒述“”。“1 。为简纯描述过秣，通常散一f 假设； ( 1 ) 电隧电动势为三朝乎稳的缝正弦波电动势( e 。e n ) ； ( 2 ) 网侧滤波电感l 是线性的，且不考虑饱芹h ； ( 3 ) 功率开荚管损耗以违i 阻砥糙示，即实际的功率开管可由理想开关与损耗电阻风串联 蒋效表示； 棼为箍述整流嚣辘鼙豹飙翻橹输，王据z 源貉滚器直流受载幽逛隘r t 稻藏流电动势自 枣联表示。 在三相静t 坐标羝( a ，b ，c ) 中构建z 源v s r 的一般数学模型。根据前文做的假没， 三相z 源蹩流器拓扑结构可以表示为图3 1 所示。 每w 冉3 ， 蟒 + l 一 j 岳 va 父哮 i j ，一k b n n - j 。t w 4 。w 6 燮3 l 芝捆z 瓣整渡器接挣终粕 采鹛开芙函数表示方法则出鲻3 一l 的状态开芙方鞋 哮= “h r 哮= 气一( 铲一r 哮；巳一( 。) 一r c 0 警吲帆慨慨) w 吼扣鼍捌矗 r l e l ( 3 1 ) 这里 溆，矗， 搓每槌蝣馕开关的逻瓣健篮 岛： ! 黧曼荸三篓璧爹( ：吼6 瑚，如措s 。i 的开芙避辑位麓广1 表 o 上桥臂关断，下桥臂导通 ”“一 “ 示g w ，导通。 塑坚壅兰堡! ：兰照堡兰 为 假设开关函数札用对应的p 酬占空比吨( = 口，6 ，。，d ) 表示。 刚式( 3 一1 ) 可避一涉表承 粤：岛一( 畋+ ) 一。月 甜 警= 纠h & 哮= 纠卜t r c 。警钏 甜似m 一要 程三楣z 渡整滚器中，我们捺导褥到砟。= 2 k ，一， 这样2 网络的输入电聪可以写作。 。萌与， 。一等茹。如 。垒致， 2 屯一l ” ( 3 2 ) 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 结合式( 3 3 ) 、式( 3 4 ) 和式( 3 5 ) ，w 以得到兰相z 源整流器的状态开关方稀 嗉= 一南t 一；，要，蚴咄 哮= 靠一去c 一；，荔。一p t 是 唾q 一老弘一凌。一 ( g 雩孚) 警哦洳渺一鲁 ( 3 6 ) 按照式( 3 6 ) 画出三相静止坐标系( a ，b ，c ) 中z 源黪流器开关函数模型结构如图3 2 所示。 嘲3 2 三栩静止坐标累( a ，b ，c ) 中z 源整流器开头函数模型结构 7 蓊躐大学礤j ? 掌位论宠 3 。2z 潦整流嚣魏控翻策略 z 源憋滚器的控制策略基予传统的p 嘲控制方法，在传统的零矢馘对区内加入定脉宽 的直通零状态，利用z 网络的特性，获得相麻的输出特性。 3 2 1 改进s p 黼控制 在载波频率远高于电网频率对，可以应用s p 嘲平均值模淝分析方法，图3 3 避基丁传 统s p 赚模式下穴鼹舞关戆驱动信号上戆敬遴s p 燃控到方法。其中爨3 3 麴方法楚在上或 “f 桥臂的开通脉冲的两侧附加一个直通时区，遗成一个上卜桥臂赢通短路状态，按照前文的 分析，台理的选取这个艇通时隧长度与调制囡子相配台就可以获得需要的南流输出电压。 这秘在驱动辣 孛魏旗妇赢避的办法摄然可以绩开关动佟次数最少，惶其凌较稳上实现嫠 米有相当的复杂性，所以还可以应用圈3 4 b 所示的简化调制方法，即由给定直流电压v ，+ 和v n 与三角载波进行比较，得到的序列波替阚9 0 传统的s p w m 波形中去，这样直通时| 覃：加在 簿对掭鹭上f 嚣掌争蕊驱动蕊号中，这榉霹毁实现援入麓遴憨嚣静，嚣显控毒方法大大麓纯， 但是使得开关动作次数比图3 4 a 的控制方法多一倍。 s a p s b s c p s a n s b n s c n ；i 入 附 。；j r 0 - i ! l：， ；+； ： l l ；兆一 ，r” ：i ：i ：r鞲v s 印i !l ! l l j l ； l i 1斟卜尉慝 | 翼 恤盥飘蛆酬 8 姒l m 1 i 了翠r l ：s a n l 趟 j s b n lj 铡麓 js c n 翻赣 睦 ( a ) 进： i7 p 轴，为i 漉抱鞍亳噩 1 渫色区域为捕 的直髓状态 游旺大学媛士学位论文 s a p s b p s c p s a n s b n s c n j | | a jj i 0 j j | | j j 名 ：， r 0 ：；j ：n ：。 ： ij ；a s a p 。 重 ： l j i ls b p 1s c p ：；厂1 k i 1 0 班j 钆班、敬ot 矩o o 。4 1 屯班l 、 l ! s a n 芹 ：、 7 一h s b n l+ il ， ls c nl 。 ( b )芋：毛翟巍冀苏露窑鬻 藿3 3 兰蝴z 溅整流爨改避s p 酶授镕l 方法 为保证巍通零状态在传统s p 硎的零矢量时区内，赢遄零状态与调制因子会存在一个制 约关系，即擞遄比较电压l vp | 必须大于载波的峰值m ，而且盥通l l 空比d 随调制魔的增加而 减小，将调绷波和载波频率按l ：4 熊比例放大，得到如幽3 4 所示波形。 。 | t 栽 、 k r 4 。 1 一鱼 、 t 童芎童一目 弓= 鑫一m f ? 4 一 瓿= 卜“ 幽3 4 盥遄比较电压l i 调制崩予的关系 按强3 4 势褥，翻蠲三角形秘钕藏理可敬推导氆d m 产l m ，嚣馥，在滚逡s f 糍控糍 方法下，最小可获得的输出电压嵫菇g = 曼= 丝篇型，隧3 5 表示了屹膈增蕊g 州mm 与调制因子m 的关系，图中阴影部分是改进s p w m 控制的隧城。 1 9 糖江大学颤k 学位论空 隧燮漤篓j_ i ，1 0 。幽p ；一 p 铀4 l l 善滚糕蒸囊i 二茹 l j ；弹一 ， l | ， ， 捌3 5f 租鲰增盏e j 调制度m 韵燕系 3 2 2 最小增益控制 瞧兹垂撼导褥到斡公式殇= 詈昙警= 垒；i ：挚可知，为褥爨较憾麓蠢浚瞧臣 m s 秽，摊e 0 s 一一 可以通过增大m 和增大d 来实现但同时增大m 和增大d 越相互矛盾的，所以必须找到一个 较妻 豹方案。我们知道赢通零必撵和传统零矢鼙对负载韵律朋效聚怒相同的，在给定麴调制 因子m 下t 任一备开荧周期内尽可能的将传统零矢量作，【 时间由点避零矢擞作用时间，妊代 替。猁可以在相同的增赫因子s 卜l 减小器件应力。而最佳散熙就是传统零矢爨完全由盥通零 矢量来代替”“”，如隧3 6 所示。 圈3 6 最小增益控制时序圈 凌最，l 、增蘸控裁下，矗遥零矢麓豹最太占空眈孰a x 育 域。l 一娑。 z 腰 ( 3 7 ) 浙江夫学磋擎穰论爻 由前可知整流桥母线电愿v 。r 墨五2 鬲老簧面，肖采用晟小增黼控制方法时，如m 给 t ，1 t ， 定，即d 也一定且为最大值，此时输出电压如果一定，则整流桥母线电压获得最小指，所以 踅方澹下霹戳减小整流榜器传邂箍廉力。 3 2 3 改进s v p 删控制 电臌窝间矢量脉宽调制( s v p w m ) 方法实质是一种对在三相正弦波中1 淀入了零序分最的 调带i 波遴抒规则采样的一种燮澎s p w 鞋，与s p 麟追求输出电压纯正弦不鄹，它考虑的是输出 电篷产鸯熬磁链近 菇予嚣5 8 “。圈3 一? 表示传统s v p 秘麓控翻矢= 蕈 霭。 u 3 h j p u 2 0 l 、一 压沁甩。： 弋n 芦； w v0 瑶 o o k 队一飞z o l u 5 v u 6 云讧有效矢嚣k = 卜6 u 7 ：非直通霉矢量 t s ：开关周期 l l ：“ 鳇律罔萎孛耀 t 2 ：u 2 翦律罔对强 7 0 ：非直通举矢量的作用时闽 圈3 7 舀孑位于扇莲i 辩s v p 州矢量幽 记霸= 毛焉并有瓦= l 一) 焉，羯s ￥p 凝酉戥瑟箨在正弦调裁渡上注a 零痔分鼙餐裂， 有0 氮二虢v 。州州。， 洚s ， 8 v 。；一( ( 1 2 ) + v + 。+ ( 1 一) v + 。】 ”“ 当采用对称s v p w m 控制时，如= o 5 ，将其代入式( 3 8 ) 得 v 口，6 ，e ：vg ，$ + # 十v 黠 v ：，：一。剐。+ v + ) 。 3 一 自此，对称s v p m w 与s p w m 的联系就建立了。 对称s v p 删每个开关周期内是由两个相邻的有效矢蹙和两个传统零矢髓合成作用而成。 因此，擦萁孛一部分传统零状态蠲蠹遂零矢量采代罄+ 这聿莩不会影靖到s ￥p 獬麓输出，目时 虢注夫攀颟圭学盛论文 提供了定醚瓣漪妻遴薅阖，扶嚣实蕊z 添耱藐器翁爵淤蕊控制。如簪3 8 辑录。 一 t0 2t l ，2t2 ，2t 1 2 t7 2 t2 2 tj 2to 2 sa d t sbo t _ 一 scdt vo vlv2￥7￥7￥2￥l ￥# 00 o lo0i1 o1 111 l 1l l o1 o o 0 0 0 a ) 传统svpwm 控制 一一一二 一td ：一。l- 一 一 i _ t0 ，2t l 2t l 27 2t7 2t2 2t l ，2 to 2 sad e 一 - 一 s bn t - 一 s0 t sa n 蒸 s 每n 善；露 scn 霭 vdv0vl v2 v 7vdv7v2v1 v o v i nn_f_ 的) 浚遘s ￥p 女撩稍 豳3 8 传统s v p 删期改进s v p 喇控制 冉 记u d 为戡通零矢姑，瓦为直通零矢罐时间，此时扇赋i 内合成电压父髦表示为： 合成空间燕量u 订在三相静止坐标f 的投影即是三相对称正弦波，所以弧，的模可以记做 l l * _ 一 | 酗可| 。撤舀，两传统菲畿通零矢最和藏通零炙辍，奶对u 可的模没有影响，所以由 乃一 历蕊玩 乃辫面孙 浙江火学颂“i ：学位论文 。萤2 耐丽唱姒 五 i u i 3 。 酗吖氨罢：髂i n c 墨：幽垒吲n ( 五 瓯l 3 、 ( 3 1 1 ) 为保证参考矢量西孑的轨迹为一个圆，空间矢擐p w m 必须满足线性调制区的边界条什 矸+ 正+ 乃= 五( 矗= 五= o ) 3 啦脯3 _ 1 1 沌芸”争 怵s 山胁去警。 式( 2 7 ) 提到b ：1 2 d ：1 2 1 2 瓦 ( 3 1 2 ) ( 3 一1 3 ) ( 3 一1 4 ) ( 3 一1 5 ) 结合式( 3 一1 4 ) 和( 3 一1 5 ) ，得到采用s v p w m 控制方法时z 源整流器降压网子的边界条件 b 3 m 一1 。( 3 一1 6 ) 3 3 三相z 源整流器控制系统设计 在三相z 源整流器控制系统中，采川烈环控制，即电压外环币电流内环。”i 。电压外环的 作用主要是控制接流器直流侧电压，而电流内环的作j = j 主要是按电压外环输出的电流指令进 行电流控制，实现单位功率因数正弦电流控制。 在整流器双闭环控制系统设计中，电流控制动态性能喜接影响外环的控制性能。目前整 流器的电流控制主要分为间接电流控制和点接电流控制两类，其中间接电流控制简单，但电 流动态响应不够快，交流侧电流龠直流分最且对系统参数波动较敏感，因而只适合丁对动态 响应要求不高的场合。 直接电流控制是开关变换控制技术发展的主导方向，其具有动态响应速度会、电流控制 精度高、过流保护容易等优点。对丁z 源整流器而肓，与v s r 相同，输入电流控制是整个控 制系统的关键，选_ f j 直接电流控制可以获得较好的稳态和动态电流控制效果。本系统中采川 固定开关频率p w m 电流控制，其算法简单，物理意义清晰，而且由丁开关频率同定，所以网 回 厅一3 粥 妒 幺： 汹 = 一；一 班 鱼： 三， $ 鞭莲大学鳓 学位论文 侧电感的设计较释易，并髓有利于限制功率开关损耗。 对整流器的逝接电流控制可以基于不同坐标系的数学模剽进行。图3 9 趣在a ，b ，c 三相 静止坐标系中的菹按电流控制模型。电日ip i 调节器通过凋：电流指令信号的幅慎稳定输出 电压，电流误差倍号通过电流控制器实现输入电流跟踪指令电流信号，1 ：程中应用最普遍的 电流控制器是p i 调节器其电流的控制羽jp w m 调制分别由不同的环耵完成：开环p w m 调制 的优点可以被充分利用：开关撷率恒定；系统的分析没计雨电流开环调试写翠易。 鹫3 一g 蓬争a ，b ，e 坐标下抟兰穰z 嚣整流葚凳控 | | 鬟统鹜 出于电流内环盼主要露魍裁楚在确保稳定条钱：f ，期遴逸潍璃艨，羧霸一簸哥鞋将p j 控剁筵化为单的比铡调节爨，躲图3 9 中k 坼。这样，瞧流控制嚣尊，会存在稳态误差，焉 稳态误差应羧定袭一寇范斟瘫。 为消除电网电动势撬动，圈3 9 串控制系缝增鸯霾了翦馕 偿，k r 表示电潮电动势前镄控 丧增豢。蹬中魍入了一个滁法器，英作蠲楚溺，补偿直流电乐￥+ 渡动霹控铡桷赢滟影滴。 2 4 斯挡：大学硕士学位论寓 3 4 黛相z 源整流器控制系统的数字化实现 本系统控制是采用基于d s p 的数字忱技术。控制 憝理嚣遣瓣荚嚣德克萨怒纹嚣公寇( 1 e s i n s t r u m e n t s ) 的硼s 3 2 0 l f 2 4 0 7 “。它的执行速 度可