储能系统中PWM整流器的研究

武汉理工大学硕士学位论文 （申请工学硕士学位论文）储能系统中PWM整流器的研究 培养单位： 学科专业： 研究生： 指导老师： 20xx年05月III 分类号 密 级 UDC 学校代码 学位论文题 目 储能系统中PWM整流器的研究 英 文 The Study of PWM Rectifier题 目 in Energy Storage System 研究生姓名 指导教师 姓名 职称 学位 _ 单位名称 邮编 申请学位级别 硕士 学科专业名称 论文提交日期 20xx年5月 论文答辩日期 20xx年5月 学位授予单位 学位授予日期 答辩委员会主席 评阅人 20xx年05月摘 要电能是现代社会人类生活、生产中必不可缺的二次能源。随着社会经济的发展，人们对电的需求越来越高。电力需求昼夜相差很大，但发电厂的建设规模必须与高峰用电相匹配，投资大利用率较低。另一方面，随着化石能源的不断枯竭，人们对风能、水能、太阳能等可再生能源的开发和利用越来越广泛。为了满足人们生产及生活的用电需求，减少发电厂的建设规模，减少投资，提高效率，以及保证可再生能源系统的稳定供电，开发经济可行的储能(电)技术，使发电与用电相对独立极为重要。因此，储能系统在电力调峰、稳定电网、利用可再生能源方面起着重要作用。储能系统由两大部分组成：一由储能元件组成的储能装置，二由电力电子器件组成的电网接入系统，后者为本文研究的重点。三相电压型PWM整流器因其具有输入电流正弦性好，可获得高功率因数，能量可实现双向流动等特性，是储能系统中电网接入系统的首选。本文首先详细论述了三相电压型PWM整流器的控制方法，分析了电压空间矢量（SVPWM）调制原理及其数字实现方式，介绍PI控制算法及其数字化实现；然后对三相电压型PWM整流器进行了详细硬件设计，包括主电路中电感电容设计、控制电路中信号检测调理电路和IGBT驱动电路设计、及CPLD辅助电路设计；其次对其进行了软件设计，包括中断服务程序、数字PI控制程序和SVPWM调制程序；最后根据设计要求搭建储能系统实验平台，加入DC-DC变换器实现储能系统能量双向流动。实验结果表明，基于SVPWM技术的双向PWM整流器，不仅实现了整流时消除谐波、提高功率因数及低谐波逆变，而且还提高了直流电压利用率，降低了开关频率，改善了整流器性能，满足储能系统性能要求。关键词：储能系统，PWM整流器，SVPWM，功率因数ABSTRACT Electrical energy is an indispensable secondary energy source in human social and economic activities. With the development of national economy, the demand of electrical energy is rapidly increased. With the continuous consuming of fossil fuels, we realized that the development and utilization of renewable energy, such as wind energy, hydropower and solar energy, is more and more important. In order to ensure the stability of power supply with renewable energy systems, the feasible energy storage technology should be developed. The energy storage system plays an important role in regulating power peak, stabilizing electricity networks and efficiently using of renewable energy. An energy storage system normally consists of two major parts, one is energy storage device composed of storage components, and the other is power grid interfacing module composed of power electronic devices. The latter is the research topic focused in this dissertation. Three-phase voltage-type PWM rectifier is the first choice for power conversion in an energy storage system, because of the favorite behavior of sinusoidal current, high power factor and bidirectional energy flow.Firstly, the dissertation discusses the control method of a three-phase voltage-type PWM rectifier in detail. The modulation principle of the voltage space vector (SVPWM) and its digital realization method are analyzed. Secondly, the hardware design of the three-phase voltage-type PWM rectifier are presented in detail, including the design of main circuit, signal conditioning, control circuit and the circuit parameters. A microcontroller and a CPLD are combined to function as the digital controller. Thirdly, programming of control algorithm is described. The programming mainly contains interrupt service routines, digital PI control algorithm, and SVPWM modulation. Finally, an experiment based on a prototype platform of energy storage system is explained according to the design requirements. The experiment achieves bidirectional power flow with additional control of a DC-DC converter. Experimental results show that operation of the bidirectional PWM rectifier base on SVPWM modulation cannot only eliminate harmonic elements and improve power factor, but also enhance the DC voltage utilization and reduce the switch frequency.Key Words: energy storage system, PWM rectifier, SVPWM, power factorII目 录第1章 绪论11.1 课题背景21.1.1 储能系统21.1.2 谐波电流41.1.3功率因数问题51.2三相电压型PWM整流器国内外研究现状61.2.1关于PWM整流器拓扑结构的研究61.2.2关于PWM整流器的建模研究71.2.3关于电压型PWM整流器的电流控制策略研究71.3本文的主要研究工作8第2章 三相电压型PWM整流器的控制方法102.1储能系统中双向变换器的性能102.2空间矢量PWM控制112.3跟踪指令电压矢量的SVPWM电流控制122.3.1指令电压矢量的生成122.3.2矢量的合成132.4电压空间矢量脉宽调制方法142.4.1 空间电压矢量分布与合成142.4.2 基于正交坐标系(、)的空间电压矢量PWM算法172.4.3空间电压矢量PWM调制方式212.5 PI控制器的设计与数字化实现222.5.1 PID控制原理222.5.2 三相PWM整流器的PI控制器的设计242.6 本章小结25第3章 三相电压型PWM整流器的硬件设计263.1 主电路硬件设计263.1.1 主功率开关器件的选择273.1.2 交流侧电感的设计273.1.3 直流侧电容的设计293.2 DSC控制电路设计313.2.1 数字信号控制器DSC简介313.2.2 信号检测电路设计323.2.3 信号调理电路设计343.2.4 IGBT驱动电路设计353.3 CPLD辅助电路设计363.3.1 上下桥臂互锁363.3.2 过压过流保护373.4 本章小结39第4章 三相电压型PWM整流器的软件设计404.1 主程序设计404.1.1 变量定义与定标404.1.2 主程序设计414.2 中断服务程序424.2.1 ADC中断服务程序424.2.2 串口中断服务程序434.3 主要控制程序444.3.1 数字PI控制调节器软件设计454.3.2 SVPWM软件设计454.4 本章小结46第5章 实验结果与分析475.1 储能系统实验平台构建475.1.1 PWM整流器模块475.1.2 双向DC-DC模块485.1.3 储能系统实验平台495.2 实验结果与波形分析525.3 本章小结55第6章 结论与展望576.1 全文总结576.2 系统展望57参考文献59作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文62致 谢63第1章 绪论20世纪是电的世纪，在这个世纪中，电能的应用己经逐步深入到国民经济、工农业生产、人民生活的各个方面。作为最优质的二次能源，目前，电能已经成为人类社会一种赖以生存的物质基础，电力工业也成为国家最重要的基础产业之一。在电能应用很多领域中，很多场合需要大量各种类型的变流装置，这些变流装置将一种频率、幅值、相位的电能变换为另一种频率、幅值、相位的电能，使得用电设备处于理想工作状态，或者满足用电负载某些特殊要求，从而获得最大的技术经济效益。当今，经过变换处理后再供用户使用的电能在全国总发电量中所占的百分比值，己经成为衡量一个国家技术进步的主要标准之一。正因为如此，电能的广泛应用被认为是20世纪人类最伟大的成就之一。为了实现电力系统的安全高效运行现代电力系统正在向大机组、大电网的方向发展，国内外大型电力系统的运行情况表明，保持电网的稳定性对于电力系统的安全运行来说非常重要。而且随着电网规模的不断扩大，互联电网的稳定性问题将表现出许多与原有电力系统不同的特点，其中，各种动态过程的强耦合性、系统运行条件的随机性、系统固有的非线性对系统稳定性的影响会更加突出。而且，系统稳定性丧失带来影响的强度和范围也会越来越大。储能技术的应用可以向电力系统提供动态功率补偿，准确及时地消除系统中由于各种原因产生在的不平衡功率，克服了传统的电力系统稳定控制装置缺乏使用的灵活性和难于在同一个控制装置中同时实现有功和无功功率协调控制的缺点，为电力系统稳定控制提供了一条新的思路。电力生产过程是连续进行的，发输配用电几乎在同一时刻内完成，因此，它们之间必须时刻基本保持平衡，而电网中用户对电力的需求在白天和夜晚、不同的季节之间存在巨大的差别，如果能利用负荷的这种峰谷差别，将谷负荷下系统多余的电力以某种方式存储起来，补充峰负荷时系统装机容量的缺额，就可以减少安装发电设备的投资，提高电力设备的使用率，减少线路的损耗，提高供电系统的可靠性，获得可观的经济效益1-3。储能系统潜在的四象限运行能力使其在不间断电源、电能质量治理、电力系统稳定控制等领域都具有广阔的应用前景。1.1 课题背景1.1.1 储能系统在电力需求逐年增长的情况下，较大负荷中心配电网中普遍存在负荷因数偏低的问题，新建支持负荷用电峰值的发电厂和输电系统，从成本、运行效率及环保方面考虑均不理想。大容量储能技术与电力电子变流技术的结合，使得用户负载与电网传输功率不再严格相等，对提高负荷因数与系统调峰具有重要意义3-4。以下为一种储能系统的应用方案，多种能源储存在电池或超级电容器中，可向电网馈送能量。图1-1 储能系统应用方案作为人类主要的传统一次能源，在世界范围内，化石能源正面临着被耗尽的威胁，人们普遍认为太阳能、风能、海洋潮汐能、地热能等的规模化利用可以为这一问题的解决提供一条有效的途径。但是这些能源普遍具有能量密度低和平稳性差的特点，需要电力电子变换装置将其能量充裕时系统多余的电力以某种方式存储起来，补充能量匮乏时所需的用电负荷4-6。图1-2 直流耦合储能系统图1-2是一种直流耦合的并联混合能源发电系统。由PWM双向变换器将直流侧与交流电网连接，电池组储存多种能源产生的电能，当电网能源多余时，可由PWM变换器对电池组充电，处于整流状态；当电网过载时，PWM变换器将直流储能送到电网，处于逆变状态。图1-3 交流耦合储能系统图1-3为交流耦合型混合能源发电系统。在这种系统中，交流电网与储能电池组之间仍需要一个双向的PWM变换器，在交流电网能源过剩时，PWM变换器工作在整流状态，向电池组充电，当交流电网处于高峰用电时，PWM变换器工作在逆变状态，将储能电池组的能量补充电网的消耗。在这种应用中，采用PWM整流器作为这种双向变换器。在以上两种配置方式的混合能源系统中，PWM整流器都能发挥重要作用。从这种应用系统中看出，由PWM双向变换器和直流电池组构成的储能系统，可以在交流系统和直流系统中相互传递能量，而这种双向能量的传递的关键技术是PWM变换器实现的，PWM整流器即具有这种能量双向传递控制作用。1.1.2 谐波电流采用电力电子变换对电能进行控制会同时引入谐波问题，采用PWM整流器技术可有效抑制这种污染的发生。谐波是对非正弦周期性电量进行傅立叶分解时，除了得到与电网基波频率相同的分量外，还得到一系列大于电网基波频率的分量。这部分分量称为谐波。谐波频率与电网基波频率之比称为谐波次数。谐波是一种干扰，它对电网和其它系统构成很大的危害，主要表现在以下几个方面7：( 1 ) 谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热；使变压器局部严重过热；使电容器、电缆等设备过热；使电气设备绝缘老化、寿命缩短以至损坏。( 3 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，使电气测量仪表计量不准确。( 4 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。为了避免上面谐波的危害，不少国家和国际组织制定了限制用电设备谐波的标准。我国电能质量公用电网谐波的国家标准是GB/T14549-93，限制设备对电网污染的德国标准是VDE 0871，欧洲标准是EN 065SS-2，国际上广泛接受的标准是IEC1000-3-2。最近二十年，因为电力电子技术的飞速发展，使电力电子装置在工业生产和家庭生活中得到广泛应用，并且应用的数量和容量日益增大。所以电力电子装置己经成为电网最主要的谐波源之一。这就迫使电力电子装置的生产厂家必须生产满足谐波标准的产品，否则其产品就会被限制进入市场而被淘汰，因此推动了谐波抑制技术的发展。1.1.3功率因数问题采用PWM整流器作为交流与直流系统的接口，可避免其它变换电路产生的功率因数低的问题。功率因数在线性负载的正弦电路中，如果电压是正弦的，它所产生的电流也是正弦的。因此功率因数的实质是电压与电流相位差的余弦，可以表示为。而对于非线性负载组成的电路，加上正弦电压后，将会产生非正弦电流。但是它还是与电网电压同频率的周期信号，因此可以将其分解成傅立叶级数8：(1-1)式中的部分是基波电流，而其余的部分是谐波分量。谐波分量的电流总有效值为：(1-2)为了反映电流的畸变程度，定义总谐波畸变率（THD）：根据正弦电路功率因数的定义可得出：(1-3)为输入电流的波形畸变因数； 为基波电压和基波电流的位移因数。可见，功率因数由输入电流的波形畸变因数以及基波电压和基波电流的位移因数决定。但是目前广泛使用的电力电子装置仍然以不控整流电路与相控整流电路为主。不控整流电路带电容滤波时，通常串联滤波电感抑制冲击电流。因电感的存在使交流侧的电流波形近似为方波。对该电流进行傅立叶分解，可知通常位移因数接近1，轻载时略超前，但是随着负载增大会逐渐变为滞后，且随滤波电感加大滞后的角度也增大。谐波的大小也受到负载大小的影响，负载越大谐波也越大，功率因数也降低。常用相控整流电路其功率因数表达式分别是：单相桥式全控整流电路；三相桥式全控整流电路：。由两式可知，电流基波与电压的相位差就等于控制角，因此当整流桥输出的电压越低角越大，功率因数也越低；且整流电路的相数越少，位移因数也越大，功率因数也越低。由上面的分析可见电力电子装置正常工作时需要消耗大量的无功功率。大量的无功功率消耗会对公用电网会带来诸多不利影响1：无功功率会导致设备电流增大和容量增加；无功功率会使线路压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧烈波动。为了减少电力电子装置的无功消耗，必须研究与传统整流器不同的主电路与控制技术来实现高功率因数整流。1.2三相电压型PWM整流器国内外研究现状PWM整流器因为其在谐波抑制、功率因数校正以及能量双向流动等方面的突出优势，真正实现了“绿色电能变换”，使其成为电力电子技术和电能变换领域中最具重要意义的研究方向之一。由于 PWM 整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而这一特性使 PWM 整流器及其控制技术获得进一步的发展和拓宽，并取得了更为广泛和更为重要的应用，如静止无功补偿（SVG）、有源电力滤波（APF）、统一潮流控制（UPFC）、超导储能（SMES）、高压直流输电（HVDC）、电气传动（ED）、新型 UPS 以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等。经过国内外专家学者多年的研究，PWM整流器在电路拓扑结构，数学模型，控制方法等方面取得了丰硕的研究成果，下面分别给予说明9-11。1.2.1关于PWM整流器拓扑结构的研究PWM整流器经过20多年的探索和研究，取得了很大的进展。其拓扑结构从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；PWM开关控制由单纯的硬开关控制发展到软开关控制；功率等级也从千瓦级发展到兆瓦级。对于不同功率等级以及不同的用途，人们研究了各种不同的PWM整流器拓扑结构。在小功率应用场合，PWM整流器拓扑结构的研究主要集中在减少功率开关和改进直流输出性能上。然而，一般的电压型PWM整流器为Boost变换器，正常工作时，其直流侧电压须高于交流侧电压峰值，Ching-Tsai Pan等学者对一般的PWM整流器拓扑结构进行了改进，并取得了一定的结果。对于中等功率场合，多采用六个功率开关器件构成的PWM整流器，包括三相电压型PWM整流器和三相电流型PWM整流器，由于它可以实现能量的双向传输，应用范围最广。对于大功率PWM整流器，其拓扑结构的研究主要集中在多电平拓扑结构、整流器组合和软开关技术上。多电平拓扑结构的PWM整流器主要应用于高压大容量场合。而对大电流应用场合，常采用整流器组合拓扑结构，即将独立的电流型PWM整流器进行并联组合。与普通并联不同，每个并联的PWM整流器中的PWM信号发生采用移相PWM控制技术，从而以较低的开关频率获得等效的高开关频率控制，即在降低功率损耗的同时，有效地提高了PWM整流器的电流、电压波形品质。与此相似，也可将独立的电压型PWM整流器进行串联移相组合，以适应高压大容量的应用场合。此外，由于软开关技术ZVS、ZCS在减小开关损耗、抑制电磁干扰、降低噪声等方面具有显著的优势，近年来在电压型PWM整流器设计上受到了广泛的重视，并得以迅速发展。而电流型PWM整流器的软开关技术研究相对较少，有待进一步研究10-14。1.2.2关于PWM整流器的建模研究PWM整流器数学模型的研究是PWM整流器及其控制技术研究的基础。自从出现基于坐标变换的PWM整流器的数学模型之后，各国学者对PWM整流器的数学模型进行了仔细的研究，其中R.Wu、S.B.Dewan等较为系统地建立了PWM整流器的时域模型15，并将时域模型分解成高频、低频模型，且给出了相应的时域解。而Chun T.Rim和Dong Y.Hu等则利用局部电路的dq坐标变换建立了PWM整流器基于变压器的低频等效模型电路，并给出了稳态、动态特性分析。在此基础上，Hengchun Mao等人又建立了一种新颖的降阶小信号模型，从而简化了PWM整流器的数学模型及特性分析。1.2.3关于电压型PWM整流器的电流控制策略研究为了使电压型PWM整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的研究显得十分重要。在PWM整流器技术发展过程中，电压型PWM整流器网侧电流控制策略主要分成两类：一类是间接电流控制策略；另一类就是目前占主导地位的直接电流控制策略15-17。间接电流控制实际上就是所谓的“幅相”电流控制，即通过控制电压型PWM整流器的交流侧电压基波幅值、相位，进而间接控制其网侧电流。由于间接电流控制的网侧电流的动态响应慢，且对系统参数变化灵敏，因此这种控制策略己逐步被直接电流控制策略取代。直接电流控制是一种电流瞬态跟踪控制方法，由运算求出交流侧电流指令信号，再引入交流侧电流反馈，通过对交流侧电流的直接控制使其跟踪指令电流值。这种控制方式具有电流内环和电压外环的双环控制结构；在电流内环中，通过对功率因数角的控制可实现对无功功率的控制。在电压外环中，对直流电压的控制则是通过调节交流电流的参考幅值来实现的。外环电压稳定与否取决于内环电流能否快速准确地跟踪电流给定。由于这种控制方式能有效地跟踪负载电流的变化，具有动态性能好，限流容易、电流控制精度高等优点，因此受到了学术界的广泛关注，并先后研究出各种不同的控制方案，主要包括有PID控制，预测电流控制，滑模变结构控制，Lyapunov方法，极点配置，二次型最优控制，非线性状态反馈控制，模糊控制等方式18-19。1.3本文的主要研究工作针对储能系统中的交流和直流双向变换与控制问题，对PWM整流器和双向DC-DC进行研究。设计了包括AC-DC整流/逆变电路和DC-DC斩波调压电路在内的电网接入系统。AC-DC部分采用三相半桥电压型PWM整流器拓扑结构，控制方式为跟踪指令电压矢量的SVPWM电流控制技术；DC-DC部分采用双向Buck-Boost电路。试制了1kW实验样机，完成了其硬件和软件的设计。本文第1章简述了储能系统的应用方案及其研究意义，介绍了储能装置中PWM整流器的典型应用及发展趋势。第2章简述了储能系统的性能指标，介绍了本文所采用的三相电压型PWM整流器的控制策略，并深入研究了基于控制策略的三相电压型PWM整流器的空间电压矢量脉宽调制控制方法与DSC数字实现，然后进行了三相电压型PWM整流器的PI控制调节器的设计与数字实现。第3章在对三相电压型PWM整流器工作原理及控制方法进行深入分析的基础上，进行了系统的硬件设计。主要有：( 1 ) 主功率开关器件的选择设计，交流侧电感、直流侧电容的设计；( 2 ) 基于DSC的控制电路设计：主要完成信号检测、信号调理、IGBT隔离驱动和保护电路设计；( 3 ) CPLD辅助电路设计：主要用于上下桥臂的信号互锁、过流过压保护。第4章根据系统的硬件设计，根据本文所提出的三相电压型 PWM 整流器的控制方法，进行三相电压型PWM整流器的系统软件设计，主要包括主程序、中断服务处理程序及各子程序模块的设计。第5章搭建储能系统实验平台，包括PWM整流器和DC-DC变换器，在实验平台上验证设计思想。第6章对全文总结与对本课题研究的展望。9第2章 三相电压型PWM整流器的控制方法2.1储能系统中双向变换器的性能储能系统主要功能，从用电负荷方面看，可以利用白天和夜晚、不同的季节之间负荷的峰谷差别，将谷负荷下系统多余的电力以某种方式存储起来，补充峰负荷时系统装机容量的缺额；从发电方式方面看，是将其太阳能、风能、海洋潮汐能、地热能等能量充裕时系统多余的电力以某种方式存储起来，补充能量匮乏时所需的用电负荷。同时可以抑制谐波电流，提高功率因数，改善了电能质量20。储能系统主要由PWM整流器构成，本课题主要研究三相电压型 PWM 整流器。对三相电压型PWM整流器的控制，旨在稳定直流侧电压的同时，实现其交流侧在受控功率因数条件下的正弦波电流控制。目前，三相电压型 PWM 整流器的电流控制技术主要分为两大类，即直接电流控制和间接电流控制。直接电流控制以快速电流反馈控制为特征，如滞环电流控制、固定开关频率电流控制、空间矢量电流控制等。这类控制可以获得较高品质的电流响应，但控制结构和算法十分复杂。间接电流控制技术实质上是，通过 PWM 控制，在三相电压型 PWM 整流器桥路交流侧生成幅值、相位受控的正弦 PWM 电压，该 PWM电压与电网电动势共同作用于三相电压型 PWM 整流器交流侧，并在交流侧形成正弦基波电流，而谐波电流则由交流侧电感滤除。由于这种控制方案通过直接控制整流器交流侧电压进而达到控制交流侧电流的目的，因而是一种间接电流控制方式。间接电流控制在控制系统中通过控制调制电压的幅值及其与电源电压的相对位移来控制输出直流电压和功率因数，尽管它动态响应稍慢，还存在瞬态直流电流偏移，但它具有简单的控制结构和良好的开关特性，检测量少，无需电流传感器，成本低，易于数字化实现，适用于对控制性能和动态响应要求不高的场合，具有良好的工程实用价值21-23。本文采用间接电流控制方法，对整流器直流侧电压稳定控制的同时，实现高功率因数下能量双向流动。如何控制输入电流，得到理想的功率因数以及实现直流母线电压稳定和能量的双向流动，根本任务在于得到各功率开关器件的控制规律和通断时间。PWM技术已广泛应用于整流系统以提高功率因数并改善电流波形，本文基于空间电压矢量脉宽调制原理，通过空间电压矢量PWM 控制，在整流器桥路交流侧生成幅值、相位受控的正弦PWM电压，该电压与电网电动势共同作用于整流器交流侧控制电感，实现输入电流控制。2.2空间矢量PWM控制本系统是基于空间电压矢量PWM（SVPWM）的控制，如图2-1所示。图中显示了坐标变换、PI迭代、反变换以及PWM产生的整个过程。图2-1 矢量控制框图间接矢量控制过程为23-25：( 1 ) 测量网侧三相电流，可分别得到、和。同时测量电压相位；( 2 ) 将3相电流变换至2轴系统。该变换将三相相电流测量值、和变换为变量和；( 3 ) 按照控制环上一次迭代计算出的变换角，旋转2轴坐标系。和变量经过该变换可获得和变量。和变量为变换到旋转坐标系下的正交电流。在稳态条件下，和是常量。( 4 ) 比较和的实际值与给定值就得到各自的误差信号。给定值用以控制无功电流。给定值则用以控制有功电流输出。误差信号作为控制器的输入。控制器的输出为和，也就是电压矢量。( 5 ) 计算新的坐标变换角。该计算子程序的输入参数包括电压相位、和。( 6 ) 通过使用新的坐标变换角可将控制器的输出变量和变换至静止参考坐标系。该计算将产生正交电压值和。( 7 ) 和值经过反变换得到3相电压值、和。该3相电压值用来计算新的PWM占空比以生成所期望的电压矢量。2.3跟踪指令电压矢量的SVPWM电流控制基于滞环的SVPWM电流控制策略实际上是根据指令电压矢量和误差电流矢量区域的判定来进行电压矢量的动态切换，因而具有较快的动态电流响应和较强的系统鲁棒性。然而，对于一些只需跟踪正弦波电流指令，且对电流动静态响应要求并不太高的VSR控制，则可以采用较为简单的跟踪指令电压矢量的SVPWM电流控制策略。这种控制策略是通过电流调节环的运算获得指令电压矢量，并通过矢量的合成实现对矢量的跟踪控制，从而进行VSR电流控制25-29。2.3.1指令电压矢量的生成考虑两相同步旋转坐标系中三相VSR模型(2-1)由上式简化得(2-2)显然，上式说明，三相VSR 、轴电流分量、相互耦合，这给电流控制器设计带来不便。为此，引入、的前馈解耦控制，且、电流环均采用PI调节控制。由此，可得三相同步旋转坐标系下三相VSR电流控制时的电压指令为(2-3)式中，、表示坐标系中三相VSR指令电压；、表示坐标系中三相VSR网侧指令电流。显然，这种电流前馈控制算法实现了、的解耦控制，并且通过PI调节运算获得了三相VSR交流侧指令电压矢量（、）。另一方面，若需跟踪的电流指令为与电网电动势同频率的三相对称正弦电流，则、在同步坐标系中均为直流量，因而采用PI调节器均可实现、的无静差调节。显然，跟踪式（式2-3）所给定的三相VSR交流侧指令电压矢量（、）即能实现三相VSR电流跟踪控制。2.3.2矢量的合成当、由三相VSR电流环调节运算确定后，实际上三相VSR电流跟踪控制的指令电压矢量即被确定，这就可以利用三相VSR空间电压矢量来合成，以实现VSR电流控制。设矢量位于I区，如图2-2所示。图2-2 矢量的合成根据三角形正弦定理，则(2-4)由于，则得(2-5)2.4电压空间矢量脉宽调制方法空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制策略是依据整流器空间电压（电流）矢量切换来控制整流器的一种新颖思路的控制策略25-26。SVPWM技术已经成为三相电压源整流器中的一种非常流行的PWM技术。2.4.1 空间电压矢量分布与合成三相电压型PWM整流器空间电压矢量描述了三相PWM整流器网侧相电压在复平面上的空间分布，有(2-6)式中三相单极性二值逻辑开关变量；直流侧的电压，或称为直流总线电压。则线电压矢量、相电压矢量和开关变量矢量的之间的关系可以用下面的两个式子表示：(2-7)(2-8)不难看出，因为开关变量矢量有8个不同的组合值(，只能取0和1)，即PWM整流器整流桥上半部分的3个IGBT的开关状态有8种不同的组合，故其输出的相电压和线电压也有8种对应的组合。开关变量矢量与输出的线电压和相电压的对应关系如表2-1所示。表2-1 IGBT的开关状态和与之对应的输出线电压和相电压的关系表000000000001001000110100010101100111000000表中，、3个输出的相电压；、3个输出的线电压；电压矢量。由表2-1可以看出，三相电压型 PWM 整流器不同开关组合时的交流侧电压可以用一个模为的空间电压矢量在复平面上表示出来，其空间电压矢量只有8条，如图2-3所示。其中，、由于模为零而称为零矢量。图2-3 三相电压型PWM整流器空间电压矢量分布可见，某一开关组合就对应一条空间矢量，该开关组合时的、即为该空间矢量在三轴上的投影。则复平面上三相电压型PWM整流器空间电压矢量可定义为(2-9)对于任意给定的三相基波电压瞬时值、，若考虑三相为平衡系统，即，则可在复平面内定义电压空间矢量(2-10)由式2-10可以看出，如果、是角频率为的三相对称正弦波电压，那么矢量即为模为相电压峰值，且以角频率按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢量在三相坐标轴上的投影就是对称的三相正弦量。因此，对于任一给定的空间电压矢量，均可由8条三相PWM电压型整流器空间电压矢量合成，如图2-4所示。6条模为的空间电压矢量将复平面均分成六个扇形区域IVI，对于任一扇形区域中的电压矢量，均可由该扇形区两边的空间电压矢量来合成。图2-4 空间电压矢量分区及合成由图2-4可知，若在I区时，则可由、和合成，依据平行四边形法则，有(2-11)式中、 矢量、在一个开关周期中的持续时间； PWM开关周期。令零矢量的持续时间为，则(2-12)令与间的夹角为，由正弦定理，则(2-13)又因为，则联立式(2-12)、(2-13)得(2-14)式中空间电压矢量PWM调制系数，并且(2-15)对于零矢量的选择，主要是考虑选择或应使开关状态变化尽可能少，以降低开关损耗。在一个开关周期中，令零矢量插入时间为，若其中插入，的时间为，则插入的时间则为，其中。2.4.2 基于正交坐标系(、)的空间电压矢量PWM算法在坐标系中与输出的三相相电压相对应的分量可以由下面的等式表示：(2-16)上面的等式也可以用矩阵形式表示：(2-17)由于整流桥中，IGBT的开关状态的组合一共只有8个，则对应于开关变量矢量在坐标系中的、也只有有限种组合，、是空间矢量分解得到的子轴分量，它们的对应关系如表2-2所列。表中、被称为基本空间矢量的轴分量，每个基本空间矢量与合适的IGBT的开关命令信号组合相对应，如表中最后一列所示。例如，当时，表示此时的空间矢量为。被IGBT的开关组合所决定的8个基本的空间矢量如图2-5所示。表2-2开关变量矢量与其对应的空间矢量子轴分量的关系表Vector000000010010011100101110011100空间矢量PWM技术的目的是通过与基本的空间矢量对应的开关状态的组合得到一个给定的参考电压矢量。参考电压矢量用它的轴分量和表示。图2-5表示参考电压矢量、与之对应的轴分量和和基本空间矢量和的对应关系。图2-5 基本的空间矢量与对应的示意图在图2-5中，表示和的轴分量之和，表示和的轴分量之和，结合表2-2可知基本空间矢量的幅值都为，故有如下的等式：(2-18)在图2-6所示的情况中，参考电压矢量位于被基本空间矢量、所包围的扇区中，因此可以用和两个矢量来表示。于是有如下等式：图2-6 和、以及、的对应关系图(2-19)在上式中和分别是在周期时间中基本空间矢量、各自的作用时间，是0矢量的作用时间。和可以由下式计算：(2-20)从前面的表述不难看出，所有的基本空间矢量的幅值都为，如果它们取相对于最大的相电压（最大的线电压为，则最大的相电压为）的标么值，则空间矢量的幅值变成，即经过归一化后的空间矢量的幅值为，代入上式易得：(2-21)在上面的两式中和表示矢量相对于最大的相电压归一化后（即取标么值）后的轴分量，是0矢量的作用时间。取、与周期的相对值有如下等式：(2-22)同理，如果位于被基本空间矢量、所包围的扇区中，矢量作用时间的相对值可以被表示为：(2-23)在上面的等式中，是空间矢量在周期中的作用时间。如果定义如下式的、和这3个变量：(2-24)在前面的例子中，矢量位于被基本空间矢量、所包围的扇区（即扇区0），则可得；在第二例中，矢量位于被基本空间矢量、所包围的扇区（即扇区1），则。同理，当位于被其他的空间矢量所包含的扇区中时，相应的和也可以用、和表示，它们的对应关系如表2-3所示。表2-3 、与、和的对应关系表Sector、-ZZX-X-YYXY-YZ-Z-X已知一个矢量，如果要利用上表计算和，则必须知道所在的扇区。下面着重讨论如何用矢量计算它所在的扇区。(2-25)一般而言，可以用矢量的轴分量和来表示矢量本身，则可以把3个参考量、和用和来表示，其关系如式2-25：定义3个变量，。如果，则，否则；如果，则，否则；如果，则，否则。设，则与扇区数sector的对应关系如表2-4所示。表2-4 与扇区数sector的对应关系123456Sector150324第0扇区即为基本空间矢量、所包围的扇区，第1扇区即为基本空间矢量、所包围的扇区，第5扇区即为基本空间矢量、所包围的扇区。到此为止，如果已知参考电压矢量或其在坐标系中的轴分量和，就可以根据上面的推导计算出与对应的两个基本空间矢量的作用时间相对SVPWM调制周期T的比例、。如果知道了、，又知道要求的SVPWM的调制周期，则就可以确定空间矢量分别的作用时间、。2.4.3空间电压矢量PWM调制方式考虑零矢量分布的对称性，即在矢量中心施加矢量，且时间为；而在矢量两端施加矢量，且时间各为。当处于I区时，对应三相的PWM调制方式如图2-7所示。(2-26)从图2-7分析，可得出三个桥臂各自占空比时间、，如式2-26所示。DSC配置为中心对齐PWM，使PWM 以周期的中心对称。该配置将在每一个周期内产生两个线线脉冲。有效开关频率加倍，纹波电流减小，同时并未增加功率器件的开关损耗。图2-7 空间电压矢量PWM调制方式2.5 PI控制器的设计与数字化实现按闭环系统误差信号的比例、积分、微分进行控制的控制器（简称为 PID 调节器），是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种控制器。它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。特别是在工业过程控制中，由于被控对象的精确数学模型难以建立，系统的参数经常发生变化，运用控制理论分析综合要耗费很大代价，却不能得到预期的效果，所以，往往采用 PID控制器根据经验在线整定 PID 的参数，以便得到满意的控制效果30。2.5.1 PID控制原理常规PID控制系统原理图如图2-8所示。系统由模拟 PID 控制器和被控对象组成。图2-8 模拟PID控制系统原理框图PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差(2-27)将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D) 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 PID 控制器。其控制规律为(2-28)或写成传递函数形式(2-29)式中 比例系数； 积分时间常数； 微分时间常数。简单说来，PID 控制器各校正环节的作用如下：（1）比例环节P由误差信号乘以一个增益因子形成，使PID控制器产生的控制响应为误差幅值的函数，使被控量向减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数。P 项有利于减小系统总误差，但是P项的影响将随着误差接近于零而减小。（2）积分环节I主要用于消除系统的静差，提高系统的无差度。I项对全部误差信号进行连续积分。 因此，小的静态误差随时间累计为一个较大的误差值。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。增大将减慢消除静差的过程，但可减少超调，提高稳定性。（3）微分环节D用来增强控制器的速度，以及对误差信号变化率的响应速度。D项输入是通过计算前次误差值与当前误差值的差来获得的。能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而减小超调，克服震荡，加快系统的动作速度，减小调节时间，改善了系统的动态性能。2.5.2 三相PWM整流器的PI控制器的设计在三相电压型 PWM 整流器的过程启动、结束或大幅度增减负载时，短时间