三电平脉宽调制高频整流器系统数学模型及仿真分析.pdf

第19卷 第7期 1999年7月 中 国 电 机 工 程 学 报 Proceedings of the CSEE Vol 19 No 7 Jul 1999 三电平脉宽调制高频整流器 系统数学模型及仿真分析 詹长江 秦荃华 韩英铎 王仲鸿 清华大学电机系 100084北京 陈 坚 华中理工大学电力系 430074武汉 STUDY ONMATHEMATICAL MODEL AND SYSTEM SI M ULATI ON OF THE THREE LEVEL PWM REVERSIBLE RECTIFIER Zhan Changjiang Q in Q uanhua Han Yinduo W ang zhonghong T singhua U niversity Beijing 100084 China Chen Jian Huazhong U niversity of Science and Technology W uhan 430074 China ABSTRACT Based on the concept of Sw itching Function SF and Space Vector SV and cited the coordinate transformation matrix on space reference frame in the unified theory of an AC motor the paper presents a new mathematical model of the three Level PWM reversible rectifier in ABC anddqrefer2 ence frame The system mathematical model has been used for the development and study of an actual prototype of three2level reversible rectifier The result of computer2aided simulation ver2 ifies the validity of the system model KEY WORDS pulsew idth modulation PWM three2lev2 el reversible rectifier mathematicalmodel system si mula2 tion 摘要 在开关函数和空间矢量的概念的基础上 引入交流电 机统一理论中的空间坐标系变换矩阵 提出了三电平脉宽调 制 PWM 高频整流器系统数学模型 系统仿真的结果验证 了该数学模型的正确性 关键词 脉宽调制 三电平 高频整流器 数学模型 仿真 中图分类号 TM 401 1 引言 三电平脉宽调制 PWM 变流器与常规的二电 平PWM变流器相比 其主电路结构虽较复杂 但它 具有后者所没有的优点 每一个功率开关器件所 承受的关断电压仅为直流侧电压的一半 这样在同 等情况下 功率器件的相同直流母线电压就可以提 高一倍 容量也就可以提高一倍 故它比较适用于高 电压 大容量功率应用场合 在同样的开关频率及 控制方式下 三电平变流器输出电压或电流的谐波 大大小于二电平变流器 故应用GTO作为开关元 件是非常适合的 其开关频率一般在300 600 Hz 范围内 三电平PWM高频整流器输入侧电流波 形即使在开关频率较低时也能保证一定的正弦度 在同样的开关频率及控制方式下 它的电流谐波总 畸变率 THDi 要远小于二电平变流器 1 3 功率因数可调节的PWM高频整流器作为 PWM功率变流器中的一种重要结构 它不仅能控 制有功功率的传输 而且能提供无功功率的吞吐 本 文在开关函数和空间矢量的概念基础上 引入交流 电机统一理论中的空间坐标系变换矩阵 4 从工程 应用角度出发 提出三电平PWM高频整流器在 ABC 及dq坐标系下的系统数学模型 最后给出 了基于MA TLAB语言和SI MUL I N K仿真环境下 的系统仿真结果 证明了该模型的正确性 2 三电平PWM高频整流器的工作原理 三电平主电路基本结构如图1所示 这里不包 括缓冲及保护电路 由图可见 每相上下两个桥臂各 有2个开关管T1 T4和2个辅助二极管D5 D6 其 中T1和T4相当于二电平PWM变流器中的上下互 补开关管 而T2 D2 T3 D3 与D5 D6构成中点箝 位电路 因此 三电平主电路又称中点箝位电路 neutral2point2clamped 交流侧仍然与二电平的相 同 直流侧由2个电容Cd相连 其联结中点与D5 D6中点相连 故中点电位Vn受in的影响而浮动 这 里负载用等效电阻R0与电感L0串联来替代 当 Vdc1 Vdc2 Vdc 2时 主开关管T1 T4关断承受 Vdc的一半电压 图1 三电平PWM高频整流器的基本主电路 Fig 1 The main circuit of three level PWM reversible rectif ier 三电平PWM高频整流器的工作原理本质在于 通过T1j T4j j a b c 的优化 使得交流AC侧线 电流isA isB isC正弦化 功率因数接近于1 同时保证 直流侧输出电压Vdc保持平衡 并且系统能工作在再 生状态 将能量从直流侧反馈到电网中去 若能控制好中点电位Vn 使得Vdc1 Vdc2 Vdc 2 那么变流器桥臂终点输出电压VR n幅值为 Vdc 2 的单极性调制波 将其傅立叶级数分解为基波电压 VR n1和高次谐波电压VRn k k 2 故控制VR n1的 幅值及相位就可以控制电流is1的幅值及相位 同时 优化开关序列使得VR n k 分量较小且向高频段分 布 从而就达到了控制线电流的波形及功率因数的 目的 3 三电平PWM高频整流器系统数学模型 3 1 ABC坐标下三相系统数学模型 从上节分析表明 T1 T4的开关控制受到开关 函数Sa的约束 Sa的表达式为 Sa 1 当T1a T2a导通且T3a T4a关断 0 当T2a T3a导通且T1a T4a关断 1 当T3a T4a导通且T1a T2a关断 为了便于推导出系统数学模型 可将开关函数 Sa进一步分解 1 if Sa 1 then S1a 1 S2a 0 S3a 0 2 if Sa 0 then S1a 0 S2a 0 S3a 1 3 if Sa 1 then S1a 0 S2a 1 S3a 0 故三电平主电路可等效为图2所示结构 省略 繁琐的公式推导 在A B C坐标系下的系统数学模 型为 Z X A X B e 1 式中 Z diag LS LS LS Cd Cd L0 X iSA iSB iSC Vdc1 Vdc2 I0 T B diag 1 1 1 0 0 0 e VSA VSB VSC T 图2 三电平PWM高频整流器等效电路 Fig 2 The equivalent topology of main circuit 3 2 和dq坐标系下的系统数学模型 定义数学意义上的空间矢量 VS 2 3 VSA VSB 2 V SC iS 2 3 iSA iSB 2 i SC 2 上式中 ej2 3 2 e2j2 3 故有 VS LS diS dt RSiS VR VR VR1 VR2 3 A RS00 S1a S1a S1b S1c 3 S2a S2a S2b S2c 3 0 0 RS0 S1b S1a S1b S1c 3 S2b S2a S2b S2c 3 0 00 RS S1c S1a S1b S1c 3 S2c S2a S2b S2c 3 0 S1aS1bS1c00 1 S2aS2bS2c00 1 00011 R0 64 中 国 电 机 工 程 学 报 第19卷 由变换矩阵T ABC 4 可得坐标系下的三电平 PWM高频整流器系统数学模型 Z X AX Be 4 式中 Z diag LS LS Cd Cd L0 X iS iS Vdc1 Vdc2 I0 T B diag 1 1 0 0 0 e VS VS T A Rs0 S1 S2 0 0 Rs S1 S2 0 S1 S1 00 1 S2 S2 00 1 0011 R0 由变换矩阵Tdq 4 可得dq坐标系下的三电平 PWM高频整流器系统数学模型 Z X AX Be 5 式中 Z diag LS LS Cd Cd L0 X isd isq Vdc1 Vdc2 I0 T A RsL Sd1Sd20 Ls Rs Sq1Sq20 Sd1Sq100 1 Sd2 Sq200 1 0011 R0 B diag 1 1 0 0 0 e 3 2 Vsm 0 T 4 仿真结果 整个三电平PWM高频整流器系统仿真基于 MA TLAB语言环境及SI MUL I N K环境编程 5 1 仿真基本参数 电网参数 Vsm 311V 314 16 rad s f 50Hz AC侧参数 Ls 7mH Rs 0 58 DC侧参 数 Cd 4700 F L0 3mH 输 出 功 率Pout 15kW 采样频率fs 1200Hz Vdcg 1200V Tonli mit 50 s Tof fli mit 50 s 在时间t 0 08mS之前系 统处于功率因数为1的直流电压闭环控制 其后为 无功电流给定分量产生阶跃下isq 20A的系统 控制 2 系统动态响应的仿真结果 1 交流侧电流线电流isA isB isC波形如图 3 a 所示 2 有功电流isd和无功电流isq波形如图 3 b 所 示 3 直流侧输出电压Vdc及中点电位Vn波形分 别如图 3 c 和 d 所示 图3 负载阶跃变化下系统动态响应 Fig 3 Dynam ic system response to load step change 74 第7期 詹长江等 三电平脉宽调制高频整流器系统数学模型及仿真分析 从仿真结果中可以得到以下结论 1 三电平PWM高频整流器由于其主电路具 有开关元件关断承受直流侧一半电压 且允许开关 频率较低等优点 所以特别适合于高电压 大功率应 用场合 2 采用电压空间矢量PWM调制方式 通过优 化开关矢量 可以降低开关频率 减小AC侧线电流 的总谐波畸变率 3 通过检测直流侧上下电容两端的电压差 且 根据系统运行状态来进行反馈补偿控制 可以达到 控制中点电位Vn的目的 仿真结果表明 没有中点 电位Vn控制 中点电位Vn将偏离而且越偏越严重 而当加入中点电位Vn控制后 通过调节因子 重新 分配正负开关矢量作用时间 可以将中点电位Vn约 束在一定范围内 Vdc 5 仿真结果还表明 中点 电位浮动的周期为电源周期的1 3 4 三电平PWM高频整流器不仅能控制有功 功率的传输 而且能提供无功功率的吞吐 它们的控 制既可以分别独立 也可以合成 这取决于控制器的 结构和算法 5 结论 本文首次提出了三电平PWM高频整流器系统 数 学 模 型 并 通 过 基 于MA TLAB语 言 及 SI MUL I N K 仿真环境对三电平PWM高频整流器 的系统进行仿真 验证了所提出的模型的正确性 对 以后进行实际系统设计及研究提供了理论基础 6 参考文献 1 M asato Koyamaet al Space voltage vector2based new PWM method for large capacity three2level inverter GTO inverter IEEE2PESC 1992 271 276 2 L in H L Cho G H Pank S S Opti mal PWM design for high pow2 erthree2levelinverterthroughcomparativestudies IEEE Transactions on Power Electronics 1995 10 1 38 46 3 Ekanayake J B Jenkins N A three2level advanced static VAR compensator IEEE Transactions on Power Delivery 1996 11 1 540 545 4 陈坚 交流电机数学模型及调速系统 北京 国防工业出版社 1989 5 詹长江 大功率PWM高频整流系统波形控制技术研究 博士 学位论文 武汉 华中理工大学 1997 收稿日期 1998203202 改回日期 1998212216 詹长江 1970年生 工学博士 研究领域为电力电子技术及 FACTS和CU STOM POW ER技术研究 秦荃华 清华大学电机系工程师 从事电力电子技术研究 韩英铎 工程院士 博士生导师 研究领域为电力系统的分析与 稳定性控制和FACTS技术研究 王仲鸿 博士生导师 研究领域为电力系统的分析与稳定性控 制和FACTS技术研究 陈 坚 博士生导师 研究领域为电力电子技术及电机控制研 究 上接第44页continued from page 44 边界节点 相应的计算结果见表1 表1 算例计算结果 Tab 1 Calculation results of distribution network sample 电气量标幺值 边界节点注入电流无FCL7 127 115 412 有FCL3 602 125 245 节点C电压无FCL0 343 22 954 有FCL0 683 10 610 故障支路电流无FCL3 560 115 412 有FCL1 800 125 245 由表1可见 固态限流器可明显降低短路电流 改善母线电压质量 8 结论 本文提出的配电网故障计算通用方法 无需形 成配电网节点复数导纳参数矩阵或阻抗参数矩阵 可自动适应网络操作引起的网络拓扑结构变化 可 计及固态限流器的作用 对故障类型没有限制 具有 故障计算方法统一 极易在计算机上实现等特点 对中性点无消弧线圈 网络中又没有无