电网故障下两电平pwm整流器的研究仿真

毕业设计论文题目电网故障下两电平PWM整流器的研究仿真学院电气与信息工程学院专业电气工程及其自动化姓名学号指导老师赵张飞完成时间5月25日摘要PWM整流器相比传统的不控整流和相控整流，能实现输入单位功率因数，正弦化的输入电流，稳定的直流电压。然而在电网电压不平衡时，电网电压中的负序电压分量导致整流器的直流电流出现二次谐波，使得直流侧电压也产生二次谐波，严重影响PWM整流器的性能。如何抑制不平衡电网电压下产生的二次谐波电流，提高PWM整流器性能足本文的重点研究内容。本文分析了传统整流器存在的问题，阐述了三相电压型PWM整流器的基本作原理，建立了其三相静止坐标系下的基本数学模型和两相旋转坐标系下的数学模型。根据控制系统设计的需要，建立了采用占空比描述的低频数学模型。分析了PWM整流器的基本电流控制方法，讨论其在平衡时和不平衡时的控制策略，阐述了PWM整流器的空间矢量调制策略，及其PWM整流器的输入滤波器的选犁原则。在MATLABT下进行电网电压平衡时的PWM整流器的仿真实验，验证了直接电流控制的可行性。并且进行了电网电压不平衡时的PWM整流器的双电流控制仿真，验证了双电流控制在抑制二次谐波方面的可行性以及输入滤波器选型的基本原则的正确性。最后阐述了PWM整流器所需的硬件设计，并完成了三相PWM整流器在平衡条件下的物理实验，实验结果验证了论文提出的控制策略的正确性。关键词PWM整流器，不平衡电压，抑制谐波电流，仿真ABSTRACTRECENTYEARS,POWERELECTRONICDEVICESHAVEBEENUSEDWILDLYUSEDINVARIOUSINDUSTRIALAPPLICATIONSASESSENTIALMODULESALARGEPARTOFTHESEFACILITIESARECOMPOSEDOFDIODESORTHYRISTORS,WHICHBRINGSEVEREHARMONICSPOLLUTIONTOTHEPOWERGRIDTHE“GREEN“CONVERTEROFPOWERHASBECOMETHESTUDYKEYPOINTOFPOWERELECTRONICTECHNOLOGYAMONGTHEMETHODSOFHARMONICRESTRAINING,THETECHNOLOGYOFUSINGPWMRECTIFIER,WHICHCANMODULATETHEGRIDPOWERFACTOR,EMPLEMENTTHEBIDIRECTIONALTRANSMISSIONOFPOWERANDIMPROVETHEPOWERQUALITYACTIVELYHASGOTTENINDEPTHSTUDYANDDEVELOPMENTTHISPAPERSTUDIEDONTHECONTROLSTRATEGYOFRECTIFIERBASEDONTHESTRUCTUREOFTHESTRUCTUREOFTHREEPHASEPWMRECTIFIERTHEWORKINGPRINCIPLEANDMATHEMATICMODELOFPWMRECTIFIERISTHEBASEOFRECTIFIERSCONTROLTHISPAPERANALYZEDTHEWORKINGPRINCIPLEOFPWMRECTIFIERATEVERYWORKSTATE,ANDBUILTTHEACMATHEMATICMODELOFPWMRECTIFIERBASEDONTHESWITCHINGFUNCTIONANDDUTYRATIOTHEEFFICIENTCONTROLOFPWMRECTIFIERISTHEKEYTECHNOLOGYOFIMPROVINGGRIDQUALITYTHISPAPERANALYZEDTHETWOCONTROLSTRATEGYOFHYSTERESISCURRENTCONTROLANDFEEDFORWARDDECOUPLEDCURRENTCONTROL,ANDDESIGNEDTHEPARAMETEROFTHECONTROLLER,ANDSETTLEDTHETHEORYBASEOFTHEPWMRECTIFIERSCONTROLATHREEPHASEVSRSIMULATIONPLATFORMISBUILTWITHSIMULINKSOFTWARE,ANDTHESIMULATIONRESULTSPROVETHECORRECTNESSOFTHECONTROLSTRATEGYKEYWORDSPWMRECTIFIER,MATHEMATIC,MODEL,CONTROLSTRATEGY,SIMULATION目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论111PWM整流器的发展现状和应用1111PWM整流器的发展现状1112PWM整流器的应用212三相电压型PWM整流器控制策略概述213电网故障的概述314国内外研究现状315本课题研究内容42三相电压型PWM整流器的工作原理和数学模型521PWM整流器的基本工作原理522三相电压型PWM整流器的数学模型6221采用开关函数描述的VSR一般数学模型6222采用占空比描述的VSR一般数学模型823不平衡时三相电压型PWM整流器数学模型1024本章小结103电压不平衡时PWM整流器的控制策略1231电网不平衡时三相VSR基本问题1232电压不平衡时PWM整流器的控制策略16321双电流控制17322双电流PI控制器2033本章小结204电网故障下三相VSR的主电路参数设计2141交流侧电感设计2142直流侧电容的设计2543本章小结265不平衡条件下PWM整流器的仿真2751仿真软件介绍2752电网故障下三相VSR的仿真研究2853本章小结32总结33参考文献34致谢351绪论11PWM整流器的发展现状和应用111PWM整流器的发展现状在电力系统中，公用电网提供的电源是固定频率的某一标准等级的单相或三相交流电源。但是用电设备的功能、种类千差万别，对电能的电压、频率要求不尽相同。为满足一定的生产工艺和流程，确保产品质量，提高劳动生产率，降低能源消耗，提高经济效益，供电电源的电压、频率甚至波形都必须满足各种用电设备的不同要求。许多的工业场合和日常生活都需要进行电能变换，由此应运而生许多的电能变换电路，有整流电路交流变直流ACDC、逆变电路直流变交流DCAC、斩波电路直流变直流DCDC、交直交变换电路ACDCAC和交交变换电路ACAC等等。各类的电能变换电路在世界工业发展过程中都得到了发展，其中的整流电路应用非常广泛。整流电路经历了不控整流极管整流、相控整流晶闸管整流和脉冲宽度调制即PWM整流三个阶段。不控整流是利用功率二极管的单向导通性将交流电压整成直流电压，可靠性高且主电路简单。主要缺点输入电流随负载而变化，网侧功率因数低，输出电压不可调，输出电压脉动大。相控整流通过晶闸管的可控导通性调节输出的直流电压平均值，控制电路简单、易于实现、技术相对成熟。主要缺点输入电流随负载而变化，网侧功率因数低，输出电压脉动大。两者的网侧电流波形随着负载的变化而变化，电流谐波含量大，污染电网，输出电压所含谐波量大，能量不能双向流动，滤波器体积笨重，动态响应慢等。在取得电能的同时，不能给电网注入谐波电流，不能污染电网，影响其他用电户的正常用电。现代电力电子的兴起，给用电电器和电力电子变换器件提出了新的、更高的要求。绿色能源概念的提出使得人们对不控整流和相控整流电路进行改进，甚至提出了新的拓扑结构以期取而代之。针对以上整流电路的缺点，人们提出新型的PWM整流，利用高频率的全控型电力电子器件，在保证直流输出电压的前提下，控制输入电流相位跟踪电网电压，从而克服了不控整流和相控整流的功率因数低的缺点。PWM整流器可以实现稳定的直流输出电压，输入单位功率因数，正弦化的输入电流，双向能量流动，减小滤波器体积，减少注入电网的谐波电流。PWM整流器按直流储能形式可以分为电压源型和电流源型；按电网相数可以分为单相型、三相型和多相型；按PWM开关调制可以分为硬开关调制型和软开关型；按桥路结构可以分为半桥型和全桥型；按调制电平可以分为二电平型、三电平型和多电平型。本文主要是以三相、半桥、电压型、二电平的硬开关型整流器为主要的研究对象。与电流源型整流器相比，电压源型整流器直流侧脉动更小，输入电流连续而且简单易行，因此电压源型PWM整流器成为当今主要研究对象。112PWM整流器的应用随着现代控制理论和电力电子技术的发展和应用，PWM整流器的性能得到了不断提高，应用领域也得到不断扩展。PWM整流器网侧呈现受控电流源特性，使得PWM整流器及其控制技术得到更进一步的发展和进步，并取得广泛的应用，这些应用系统主要有双PWM变频调速器，功率因数校正，静止无功补偿，有源电力滤波，统一潮流控制器，超导储能，高压直流输电，可再生能源并网发电，交直流电气传动等。12三相电压型PWM整流器控制策略概述由于PWM整流器的绿色特性，各国学者纷纷投入到研究PWM控制策略中，涌现了许多的控制策略，如正弦PWM控制、滞环PWM控制、前馈解耦控制、直接功率控制、反馈线性化控制等等。三相电压型PWM整流器，其控制目标主要有两个平稳的直流电压和单位功率因数。因而控制策略的研究针对这两个目标进行。为了使电压型PWM整流器网侧呈现电流源特性，其网侧电流控制策略的研究显得十分重要。电压型PWM整流器网侧电流控制策略主要分成两大类间接电流控制和直接电流控制。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，就能间接控制其网侧电流的幅值和相位，从而实现单位功率因数。间接电流控制其结构简单，不需要检测交流侧电流，但是由于是基于稳态模型的电流控制方法，其动态响应较慢，瞬态的电流过冲较大，稳定性差。直接电流控制是一种直接控制交流侧电流，使得其跟踪给定的电流信号的控制方法，采用交流电流内环、直流电压外环构成整流器控制系统，既可以实现单位功率因数，又可以控制直流电压恒定。其特点是动态响应快，限流简单，电流控制精度高。根据控制算法的不同，这种控制方法又可分为正弦PWM控制、滞环电流控制、预测电流控制、电流跟踪控制、滑模变结构控制等。近年来又发展了几种新型的控制策略单周期控制、占空比控制、基于李亚普诺夫非线性大信号控制、输出直流电压的优化前馈补偿控制、神经网络和模糊逻辑控制等。滞环电流控制是通过把给定的电流指令与检测到的交流侧电流相比较，得到的误差信号通过滞环比较器后，再驱动开关动作从而控制电流跟踪给定。此种控制方法的电流给定还需要通过检测电网电压相位角而得到，其结构简单，系统响应快。但是由于滞环控制在一个电网频率内开关频率不定，加大了滤波器设计的难度。除以上几种电流控制策略外，当今较为热门的控制方法还有直接功率控制DPC。从能量角度看，在交流电压一定的情况下，如能控制PWM整流器的瞬时功率有功和无功在允许范围内，也就间接控制了瞬时电流有功和无功在允许的范围内，这就是直接功率控制。整流器DPC系统结构为直流电压外环、功率控制内环，根据交流电源电压及瞬时功率在开关表中选择整流器输入电压所需的开关量，实现高性能整流。由于整流器直接功率控制采用了砰砰控制，与通常的电流控制策略相比，具有更高的功率因数、响应快、高效率、算法和系统结构简单等优点。但是由于采用功率滞环比较器，其开关频率和普通滞环一样存在频率不定的问题，给滤波器的设计带来困难。以上的控制策略均以电网电压平衡为前提，但是实际运行中的三相电网电压都不是绝对平衡的。13电网故障的概述平衡时，三相电网电压的幅值相等，相位互差。相对平衡而言，三相电120压不平衡就是指三相电压出现了幅值不相等或者相位不对称。造成电网不平衡主要有以下几方面原因1三相电网配电时，三相负载不平衡；2大容量单相负载的使用；3不对称故障和非全相运行；4非全换位输电线或紧凑型输电线。电网故障即电网电压不平衡时，电网电压分解成正序电压、负序电压和零序电压。同时，在不平衡状态下，由于同步检测信号的不对称，三相整流器交流侧电压也出现不平衡。同样可以分解成正序、负序和零序的形式。三相无中线连接，不考虑零序电压的影响。正序电网电压与正序交流端电压作用产生正序电流，负序电网电压与负序交流端电压作用产生负序电流。这样，交流侧功率约等于电网电压乘以交流电流就产生了二次谐波。如果不计整流器交流阻抗损耗，并令其直流电压恒定，根据整流器交流侧与直流侧的功率平衡原理，只考虑电网基波电压时，则直流侧电流也产生了二次谐波。三相电网不平衡的实际分解时，三相整流器直流侧电流会产生6的整数倍次的特征谐波和2、4、8、10等次的非特征谐波，电流谐波又会导致直流电压谐波，直流电压谐波反过来又会影响三相整流器交流电流波形。若忽略实际运行时的不平衡条件，则由于产生非特征谐波如二次谐波，且三相电流不平衡、损耗增大等，会使变流装置运行性能下降，严重时可使变流装置发生故障保护，甚至烧坏变流装置等。由此可见，研究不平衡条件下的PWM整流器的要求非常迫切。14国内外研究现状PWM整流器的研究是为了满足人们的谐波要求和无功要求。1988年JUANWDIXON和BOONTECKOOI提出了间接电流控,实现了稳定的直流电压输出、输入端的单位功率因数和电流正弦化，并且实现了能量的双向流动。2001年张兴、张崇巍提出了以电流偏差微分矢量进行电流跟踪控制的新方案，使电流获得快速响应的同时抑制了电流谐波。1989年PRASADNENJETI等人分析了三相不平衡电网电压条件下的PWM整流器性能，指出不平衡条件下整流器性能的恶化是由于二次谐波的出现，并提出了新颖的特定谐波消除方法。1999年韩国的HONGSCOKSONG提出了三相不平衡条件下的双电流控制策略，分别在正负序旋转坐标系下采用PI调节器控制电流，此种方法很好的抑制了负序电流。2008年BOYIN等人提出了不平衡条件下的输出功率控制策略。与一般的瞬时功率控制不一样的是，输出功率控制策略的功率控制目标是整流桥端的功率而不是通常所提到的输入端功率。输出功率控制策略可以获得恒定的直流电压和正弦的输入电流。15本课题研究内容本课题主要研究对象为三相电压型PWM整流器，在分析整流器主电路拓扑元件参数之间关系基础上，建立其三相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型，讨论整流器控制方法及其控制系统的硬件设计。研究内容包括三相电网电压平衡条件下的电压型PWM整流器和三相电网电压不平衡条件下的电压型PWM整流器的基本工作原理、数学建模、控制策略、系统仿真。本文在研究三相电压型PWM整流器时，主要研究工作如下。第一章概述PWM整流器国内外发展现状和趋势。简单介绍PWM整流器的分类、控制策略和工业应用场合以及三相电网电压不平衡的基本概念。第二章在分析三相电压型PWM整流器的基本拓扑后，建立其三相的基本数学模型，介绍了其基本工作原理，并分别按电网电压平衡条件和电网电压不平衡条件两种情况分析。第三章分析了电网电压不平衡条件VSR存在的基本问题和电网故障下PWM整流器的控制策落。第四章介绍三相电压型PWM整流器的输入滤波电感的设计。第五章基于MATLAB平台，在电网电压平衡条件下和电网电压不平衡条件下进行仿真实验，验证三相电压型PWM整流器在电网电压平衡和不平衡时的控制算法以及输入滤波电感的选型原则。2三相电压型PWM整流器的工作原理和数学模型21PWM整流器的基本工作原理PWM整流器实际上是一个交、直流侧可控的四象限运行的变流装置，为了便于理解，以下首先从模型电路来阐述PWM整流器的原理。图21为PWM整流器模型电路，可以看出PWM整流器模型电路是由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势E和网侧电感L等；直流回路包括负载电阻R和负载电动势等；功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组成。LEELRRLV0I0IVEL图21PWM整流器模型电路当不计功率开关管桥路损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得0VI式中V和I是模型电路交流侧电压和电流；和是模型电路直流侧电和流。0VIILRLVD1VD2VD3VD4V1V2V3V4CVDCIDCLEAVD5VD6V5V6EBEC0N图22三相半桥VSR拓扑结构三相半桥VSR交流侧采用三相对称的无中线连接方式，用六个功率开关器件构成，适用于三相电网平衡的系统，是一种普遍使用的PWM整流器。22三相电压型PWM整流器的数学模型221采用开关函数描述的VSR一般数学模型以三相VSR拓扑结构为例建立采用开关函数描述的VSR一般数学模型。当直流电动势时，直流侧为纯电阻负载，此时三相VSR只能运行于整流模式，0LE当时，三相VSR既可运行于整流模式，又可运行于有源逆变模式，当运行DCLV于有源逆变模式时，三相VSR将所发电能向电网侧输送，有时也称这种模式为再生发电模式；当时，三相VSR也只能运行于整流模式。DCLE为分析方便，首先定义单极性二值逻辑开关函数为KSCBASK,01通上桥臂关断，下桥臂导断上桥臂导通，下桥臂关将三相VSR功率管损耗等值电阻同交流滤波电感等值电阻合并，且令SRLR采用基尔霍夫电压定建立三相VSRA相回路方程LSRNOAVEIDTL（21）当导通而关断时，且；当关断而导通时，AVA1AS0VANAVA，且，则式（21）可改写为0SNVNOAAVSERIDTL0（22）同理NOBBVSERIDTL0（23）NOCCCVSEIT0（24）由于主电路为三相三线平衡系统，故0CBAE（25）CBAII（26）联立式（23）到式（26），可得CBAKNOSV,03（27）在图22中，任何瞬间总有三个开关导通，其开关模式共有8种，因此，32直流侧电流可以描述为0ICBACBACBACBCBACCBACSISISISISII（28）另外，对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律，可得（29）LCBARVSISIDTVC00即（210）CBAKCBAKCBAJJKKLCBAKIESSVRIDTLIT,0,031联立式（22）到（29），而且考虑引入状态变量X，且X，TDCBAVI,则采用单极性二值逻辑开关函数描述的三项VSR一般数学模型的状态变量表达式为BEAXZ（211）其中（212LCBACBAKCKBCBARSSSRSA/1301,）（213）CLZ0（214）LRB10（215）TLCBAEE,222采用占空比描述的VSR一般数学模型为消除开关函数描述的VSR一般数学模型中的高频分量，在开关函数模型中引入傅里叶周期函数的傅里叶展开如下110COSSINNTBTATF（216）若三相VSR采用三角载波PWM控制，以自然采样法生成PWM信号时，PWM开关函数波形如图210A所示，可见在一个开关周期内，PWM波形不对称。但当开关频率远高于电网频率时，可用规则采样法代替自然采样法。此时，在一个开关周期内，PWM开关函数波形如图210B所示，显然波形是对称的。020WTTKS020WTT1DL1DLA自然采样法B规则采样法图23PWM及开关函数波形图23中，其中为PWM开关频率；为对应相的PWM占空比，SSF2SFKD且。1KD如图210B所示，开关函数及占空比间的关系为KCBAK,（217）0KS21TDSKKSCBA,1KKSKDTD1CBA,（218）由图23及以上关系式表明PWM占空比实际上是一个开关周期上开关函K数的平均值，故KS（219）KSDKDTA102（220）KNBSI（221）TNDDSSKNKCOI21显然（222）TNSSNCBAKKCBAKCBAKC1,将式（221）、（222）代入（212）得（223）HLA式中阵中的低频分量，阵中的高频分量ALAH并且（224）LCBACBADKCBCBADKLRDRAKKK/1301,00444CBABAHAA（225）（226CBAKSCBAKKKNTNDDA,4OSIN31SI21）（2214COSSIN2NKKTDACBAK,7）与相对应，状态变量X可以分解为高频分和低频分量，即HLHXL（228）HL把式（228）代入式211得到基于占空比描述的三项VSR一般数学模型为（229）BEAZHLHLHL其中低频数学模型为（230）LLLX高频数学模型为（231）HLLH显然，若忽略式229模型中的高频分量，就可获得采用占空比描述的三相VSR低频数学模型。显然，这一低频模型将有助于简化三相VSR控制系统的分析及设计。23不平衡时三相电压型PWM整流器数学模型建立以上数学模型一个前提条件是三相电压平衡，而实际的三相电网电压一般是不平衡的，因此，这类系统需要重新建模。电网电压不平衡时，且只考虑基波电网电压，可以将其描述成正序负序和零序的合成。120COS120COS120COSE0WTTEWTTEWTTEMNMPMCBA（231）上式中、分别是正序、负序和零序基波电压的峰值；、MMPN分别是正序、负序和零序电压的初始相位。三相无中线系统一般不考虑零序的0影响，即令0。故当三相电网电压不平衡时，电网电压存在正、负序分量，0E而影响整流器性能的不平衡因素主要是电源不平衡，忽略参数不平衡，即假定三相等效电阻和电感平衡。由于电网检测到的同步信号不对称，使得三相整流桥的交流端电压也含负序分量，因此造成交流侧电流也含有负序分量。则在电网电压不平衡的条件下，三相PWM整流器的低频数学模型如式231，现整理如下NOADCAAVRIEDTIL（232）OBDCBITIB（233）NOCDCVRIEDTICL（234）LIITVDCCBACC（235）由于，联立上式得到0ECBA0IICBADCBAAVDRE23131DTIL（236）DCBABCBABIETI（237）DCBACBACVDRIE23131DTIL（238）LVDIITVCCCBAC（239）式中为、三相坐标系下的占空比。ADBC24本章小结本章对三相电压型PWM整流器的基本工作原理作了简略介绍，建立整流器在平衡条件和不平衡条件下的三相静止坐标系下的基本数学模型和两相旋转坐标系下的数学模型，并且分类介绍了整流器的各种模型及其意义。采用开关函数描述的数学模型适用于仿真，采用占空比描述的数学模型适用于控制系统的设计。两相旋转坐标系下的整流器模型，是对三相静止坐标系下的基本数学模型的简化，是把三相的、交变的电流跟踪变成了两相的、恒定的电流跟踪。电网电压不平衡时，PWM整流器的数学模型有所不同，主要是三相电压之和不为零。由此，可以把电网电压分解成正序、负序和零序之和的形式，其两相旋转坐标下的数学模型也因此比电网平衡时的数学模型多了负序部分3电压不平衡时PWM整流器的控制策略31电网不平衡时三相VSR基本问题在电力电子变流装置运行过程中，各种不平衡是难免的，而在这些变流装置设计过程中很少考虑不平衡运行条件的影响，特别是对一些大容量变流装置如有源滤波器、静止无功补偿装置等，若忽略实际运行时的不平衡条件，则由于产生非特征谐波，且三相电流不平衡、损耗增大等，会使变流装置运行性能下降，严重时可使变流装置发生故障保护，甚至烧坏变流装置等。三相VSR运行时，通常存在两方面的不平衡一是三相VSR本身参数不对称所导致的VSR运行不平衡，如三相电路参数不对称或驱动信号不对称等；另一类则是三相电网不平衡，如电网电动势、相位或幅值不对称等。一般而言，三相VSR本身参数不平衡虽然存在，但一般并不严重，若设计合理，则不会出现严重的不平衡状况，以至影响VSR装置的正常运行。而电网可能出现较为严重的不平衡状况，从而影响三相VSR正常运行。因此，这里主要分析研究电网三相VSR故障下三相VSR存在的基本问题。实际上，三相VSR本身参数不对称所导致的不平衡运行，某种程度上可等效成三相VSR装置本身参数对称而电网不平衡时的状况。因此，研究VSR电网不平衡运行时，总假设三相VSR本身参数是对称的。一般来说造成电网不平衡主要有以下几方面原因1三相电网配电时，三相负荷不平衡；2大容量单相负荷的使用；3不对称故障和非全相运行造成系统三相不对称；4非全换位输电线或紧凑型输电线造成系统不对称。然而，在常规的三相VSR设计中，一般均假设三相电网平衡，这样一旦实际电网不平衡出现时，在电网平衡条件下设计的控制策略，将使三相VSR出现不正常运行状况，严重时会烧坏VSR装置。因此，有必要研究电网不平衡条件下三相VSR的控制问题。311正、负序电量关系若三相电网不平衡，且只考虑基波电动势，则电网电动势E可描述为正序电势、负序电势和零序电势三者的合成，即E0E012COS120COS12COSE00WTTWTTWTTMNMPMCBA（31）式中、为正序、负序、零序基波电动势峰值；ME0M、正序、负序、零序电动势的初始相角。PN对于三相无中线连接的三相VSR，一般不考虑零序电动势EO的影响，即令EO0。考虑三相静止坐标系A，B，C和两相同步旋转坐标系D，Q，则式31可描述为QDQDCBAERCE3232E（32）式中C32静止坐标变换矩阵；231032C正序旋转坐标变换矩阵，；RCOSINIR正序旋转坐标变换矩阵，；I、三相电网基波电动势正序、负序电动势的D、Q分量。DEQDQE若考虑三相不平衡电网的各次谐波电动势，刚三相电网电动势为33NQDQDQDNCBANERCENRCERC3232321E式中、N次谐波电动势的D、Q分量。DQ为简化分析，只讨论电网谐波电动势正序、负序电动势的作用，且假设三相VSR交流输出端电压只含正序基波分量，则三相VSR交流侧电路可分解成正序、负序回路。实际上，三相电网不平衡时，由于同步检测信号的不对称，从而使三相VSR交流端电压有负序分量，即V（34）I式中,TVCBATCBATCBAV此时，三相VSR交流侧电流含有正序、负序分量，并且可描述为35N321N3232IIQDQDQDQDMIRCMIRCMIRC可见，此时三相VSR交流侧电流含有谐波，如果不计VSR交流侧阻抗R、L损耗，并令其直流电压恒定，根据VSR交流侧、直流侧功率平衡原理，当电网不平衡时，三相VSR直流输出电流的一般时域表达式为DCIDCNDTDCTVMERCNERCVIE3232I（36）显然，电网不平衡时，三相VSR直流侧电流也含有谐波，若只考虑电动势正、负序基波分量，则式OQDTOQDCOQDTOQDCDCQQDDCOQDOQDTOQDDCIIREVIIREVVIEIEIIRCIIERC2232323I232323（37）式中、基波电动势和电流正、负序D、Q分量。DEQDQEDIQDIQ可见，当电网电动势不平街时，若只考虑电网基波电动势，则三相VSR直流侧会出现二次谐波电流。利用式（36,可分解成平均电流和谐波电流之和，即ITDC38NWTNIIDCOS同理，可分解成平均电流和谐波电流之和，即VTDC39NTNVVTVDCDCDCOS0式中，、N次直流谐波电流、电压幅值；NDCIC、直流电流、电压平均值；ID、N次直流电流、电压谐波初始相角。IV利用式（37）、式（38说明，当三相电网不平衡时，三相VSR直流侧电流会产生6、12、18等6的整数倍的特征谐波和2、4、8、10等次的非特征谐波。而直流电流谐波又导致产生三相VSR直流电压谐波，直流电压谐波通过PWM反过来又会影响三相VSR交流电压波形。312电网不平衡电动势的检测在三相VSR不平衡控制中，需检测电网不平衡电动势，通常有多种不平衡电动势的检测方法，这里介绍两种方法。方法一二次谐波滤除法。设三相VSR电网电动势只含基波分量，即120COSECMABACBWTEKT（310）式中，。1,0IK,I,J把检测到得三相不平衡电网电压进行DQ变换，则正序交流电网电压变成了直流量，而负序交流电网电压则变换成了二次谐波电动势，若能在坐标系（D,Q,O）中滤除二次谐波电压，即可获得正序电网电压的DQ分量，再用检测到的电网电压减去正序电压就能得到负序电网电压，即CBACBAEE（311）实际上，电网电压中的低频二次谐波，一般不会像框图中采用低通滤波器，因为低通滤波器频带窄，要滤掉低频谐波就会影响控制系统的动态性能。与电流滤波一样采用陷波器把二次谐波滤除，基本框图如下所示图31采用陷波器检测不平衡电压方法二参数辨识法。实际上，联立上式，并通过计算，容易求的同步旋转坐标系（D、Q）中的正、负序电动势，即312CBADKKEOSCSOS3EM313INIINCQ314120S120SCSECBAMD315120SIN120SINSI3ECBAMQKKE这种不平衡电网电压的检测，首先要检测其瞬时电压值，再通过辨识相关参数、和，再由上面的式子就可以获得旋转坐标系的ABCABCME正、负序分量，如下图所示图32采用参数辨识检测不平衡电压32电压不平衡时PWM整流器的控制策略在电网电压不平衡时，电网电压可以分解成正序、负序电压。假定其正序电压幅值为,负序电压幅值为。根据EN50160标准（公共配电网供电的电压EE特性）定义的三相电网电压不平衡比率为AU31610A该国际标准规定的不平衡比率限值，对于低压和中压系统，小于AAU2；对于高压系统，小于1。该不平衡比率是在十分钟的周期内量测得到A的平均值，其允许的最大瞬时值为4。也就是说根据该标准，三相电网电压高于以上限值的就视为不平衡状况。三相PWM整流器在以上定义的不平衡电网电压供电的情况下，其整流器交流侧以及交流电流都可以分解成正、负序的形式。如果不计交流阻抗损耗，并令其直流电压恒定，根据整流器交流侧、直流侧功率平衡原理，当电网不平衡时，若只考虑正、负序基波分量，三相PWM整流器直流输出电流的一般表达式为OQDTOQDCOQDTOQDCDCQQDDCOQDOQDTOQDDCIIREVIIREVVIEIEIIRCIIERC2232323I232323317可见，当电网电压不平衡时，只考虑电网正、负序基波分量，直流侧电流就出现了二次谐波。直流电流谐波又导致产生直流电压谐波，直流电压谐波通过PWM反过来影响三相整流器交流电流波形。抑制由于负序电压而产生的二次谐波电流，是解决问题的关键。由固定开关频率电流控制方法的启发，负序模型也可以尝试用正序的控制方法。双电流控制策略，就是把电流电压都分成正序和负序，分别控制正序和负序分量，该方法在克服跟踪误差方面表现良好。从能量角度出发，根据交流侧所提供的功率包括有功功率和无功功率和给定的控制目标，推导出给定电流指令值，用四个独立的PI调节器可以精确的跟踪给定的指令电流，这样的控制方法称为输入功率控制。321双电流控制双电流控制，是指在电流控制中采用正序和负序分别调节的策略，即正序分量在正向旋转的坐标系中量测、控制，负序分量在反向旋转的坐标系中量测、控制。实际上，双电流控制也可以说是功率控制，下面介绍双电流控制策略。首先，假设三相不平衡电网电压为，可以描述成如下的正、负序分TCBAE量之和DQJWTJTDPSEEDQ318其中，W为电网QDQJE3/23/2DPSJCJBAEQDQJ的角频率。式中第一部分顺时针旋转，表示的是正序分量；第二部分逆时针旋转，表示的是负序分量。得出PWM整流器的在此旋转坐标下的数学表达式为319DPSSDPSRITLVE其中，分别表示整3/23/2DPS3JCJBAEV3/23/2DPSIJCJBAEIVI流器交流侧电压，电流。交流侧电压和电流也可以分解成正、负序分量叠加的形式。这样就得出下列式320DQDQDQVJWLIRITLE321DQDQDQJIIT以上两式就是整流器在正、反转坐标中的简化模型，其中，QDQJII。在电网电压不平衡条件下，旋转坐标系下的视在功率描述成QDQJV322DQJWTDQJTJWTDQJTIIEEES并且,则将推得其有功功率P和无功功率Q为QP323TPTPTSC2IN2O0324WQS其中QDQDIEIE510PC2QDQDQSIEIE051QQDQDQCIEIE2S上式中高阶分量，和是由于电网电网不平衡造成的，而有功2PCS2CQS功率P传输至直流侧，由于存在着和随着时间而变化且不为零的量，使得P2S直流侧电压波动，如产生了二次谐波。因此，为了保证直流侧电压恒定，必须消除和的影响，并且为达到单位功率因数必须使得为零。由此得到其调制2PCS0Q目标为式325TITIEEPQQDDQDDQDSCQ2033令,即,即推出如式324的电02QSCTTSPP03232C0流控制策略QDQDQDQDQDQDEDEETTII0（326）其中且。22EQDQDD0由上式可知，如果输入电网电压中含有负序电压分量时，其控制目标就是利用电网电压的正、负序分量使输入电流中也产生负序分量。双电流控制策略中电流正、负序分量均采用前馈解耦算法，其控制框图如图下所示图33不平衡时PWM整流器的双电流控制322双电流PI控制器在旋转坐标系中，正序电压分量采用前馈解耦算法得到其交流侧电压为（327）QDIIIPDWLIISKEVDQIIIQ（328）负序电压分量前馈解耦算法交流侧电压为QDIIIPDWLIISKEV（329）DQIIIPQII（330）电流的指令值由电压调节器给出，且所需的输入功率值由给定直流电压与给定直流电流值之乘积得到，由此得到电流给定值QDCDDCQDQDEVPIVD32II（331）由上式知，电流给定指令是由电网电压与直流侧电压共同产生的，因此，检测电网电压的准确度很大程度上影响了电流的波形。33本章小结本章主要介绍了三相电压型PWM整流器的一些控制策略方法。控制策略以电流控制为重点，电流控制大致分为间接电流控制和直接电流控制，细分为许多种电流控制方案。现在以直接电流控制为主流，直接功率控制虽然不是以电流为直接控制目标，不能算是直接电流控制，但是也是研究的热点。间接电流控制结构简单、不需要电流检测、静态特性好，但是稳定性差、动态响应慢；直接电流控制动态响应速度快、限流简单、控制精度高；直接功率控制功率因数高、响应快、效率高、结构算法简单。电网电压不平衡时的双电流控制策略，事实上是一种功率控制策略。双电流控制可以得到稳定的直流电压、正弦化的输入电流和单位功率因数。4电网故障下三相VSR的主电路参数设计上述研究表明，在电网不平衡条件下，三相VSR直流侧电压含有特征和非特征谐波，相关的2、4次低次特征谐波电压橱值相对较大，从而增大了直流侧电压波动。另外，电网不平衡时三相VSR交流侧亦产生低次谐渡电流，由于电流幅值的不对称波动甚至产生过电流。为此，可从两个方面着手克服上述不足其一采用不平衡控制设计，从控制上抑制三相VSR直流谐波电压或交流谐波电流；其二是适当增大三相VSR直流侧电容和交流侧电感，以限制直流谐渡电压和交流谐波电流。首先讨论电网不平衡时三相VSR交流电感和直流电容的设计问题。41交流侧电感设计在三相VSR系统设计中，交流侧电感的设计至关重要。这是因为三相VSR交流侧电感的取值不仅影响到电流环的动、静态响应，而且还制约着整流器输出功率、功率因数以及直流电压。交流侧电感对整流器系统的影响和作用是综合的。以下分别从稳态条件下满足整流器输出有功无功功率以及电流波形品质指标两方面讨论其交流侧电感的设计。（1）满足功率指标时的电感设计稳态条件下，整流器交流侧矢量关系如图（45），图中忽略了其交流侧电阻R，且只讨论基波正弦电量。由图看出当不变，且一定条件下，通过控制整流器交流侧电压的EVIV值、相位，即可实现其四象限运行，且矢量端点轨迹是以为半径的圆。由VL于，因此三相VSR交流侧稳态矢量关系体现了对其交流侧电感的约束。LVIABCF0DIVEV01L交流电网电动势矢量VSR交流侧相电压矢量VEVSR交流侧电感电压矢量VSR交流侧相电流矢量LI图41三相VSR稳态交流侧矢量关系图41中，B、D点为单位功率因数整流、逆变状态运行点，A、C点为纯电感、纯电容特性运行点，并且通过坐标轴将整流器运行状态分为四个运行象限。当整流器直流侧电压确定后，其交流侧电压最大峰值也得以确定，即0V（41）0MAXMVV式中，M为PWM相电压最大利用率与PWM调制方式相关。为使整流器获得四象限运行特性，F点应可处于圆轨迹上任一点上，为此必须确保它能输出足够大的。但由于，因此必须限制交流侧电感，使足够小，才能使它V0VLV四象限运行，且可以输出足够大的交流电流。对于图51矢量轨迹圆上的任一点，此时令交流侧功率因数角，针对VF图51中的三角形，则，利用余弦定理得OF19（42）SIN2CO2LLVEV将代入式（415），并化简得ILV（43）0SIN222II求解上式得（44）MMMIEVEIL2222SINSIII式中为电网相电动势峰值；为三相VSR交流侧基波相电流峰值；为MEMV三相VSR交流侧基波相电压峰值。由式（54）知（45）0MVVM将式（54）代入式（55），得三相VSR交流电感取值为（46）MMMIEEL2022SINSI显然，所以INSI2022MVE（47）MM0式（47）体现了实现整流器四象限运行时其直流侧电压取值的下限。直0V流侧电压的选取将在下面讨论。对于三相VSR，采用PWM矢量控制方式控制时，则。3M从式（46）可以看出，当三相VSR运行于C点时，电感上限值最小，那么可以得出L取值的范围（48）MIEVL30（2）满足瞬态电流跟踪指标时的电感设计电感的设计还需要考虑满足瞬态电流跟踪指标要求，即要快速电流跟踪，又要抑制谐波电流。以正弦波电流控制为例，当电流过零时，其电流变化率最大，此时电感应足够小，以满足快速跟踪电流要求；另一方面，在正弦波电流峰值处，谐波电流脉动最严重，此时电感应足够大，以满足抑制谐波电流要求。为进一步简化分析，以下讨论只考虑正弦波电流控制。对于三相VSR，列出A相电压方程如下（49）30CBAAASSVSEIRDTL若忽略交流侧电阻，且令，则式（420）简化为00VCBASA（410）SAVEDTIL写成增量形式为（411）LTISASA首先分析满足快速电流跟踪要求时的电感设计。从电流跟踪速度考虑，应使实际电流的变化率始终大于参考电流的变化率，这样才能实现电流的跟踪，而参考电流在过零处的速率最大，故应满足（412）MIASIAIDTLVDT00在电流变化速率最大的过零点处，采用PWM矢量控制方式产生的最大的调制电压矢量为，此时有320VSA（413）MIVL320另一方面，还需要讨论抑制谐波电流时电感的设计。考虑在正弦电流峰值附近，根据在PWM调制方式下的一个开关周期内不同时间段整流器交流侧A相电ST压的瞬时值见表41，可以得出在这个开关周期内电流跟踪的瞬态过程，其波形如图42所示。表41在一个开关周期TS内VA不同时间段的瞬时值T1T2T4T5T6T7T0AV030V00320V005I47I62I130T40T021SAIT图42在一个开关周期TS内A相电流的跟踪波形由图42可知，三相VSR各相电流在一个开关周期内的最大电流脉动为ST。再由表41）可知，在时间段内，变流器输出为零，显然，由式4I4T0AV（413）可以求出A相滤波电感上的电压为，为此可以求出时间段内A相电AE4T流脉动为（414）LTTIA204其中为PWM调制时零矢量的作用时间。对于上式，当电网电动势取得峰0TAE值，并且作用时间最大的时候，电流脉动将取得最大值。令允许的电流ME4I脉动幅值最大为，那么有MAXI（415）MAX023ITVELSS由式（415）可得电感设计的下限约束条件（416）SMSMVI0AX由上面的分析可知，根据三相VSR电流内环电流跟踪速度可以确定电感的上限约束条件，如式414所示；根据三相VSR交流电流脉动可以确定电感下限约束条件，如式415所示。由这两个约束条件再结合上一节分析的电感约束条件式（416）就可以确定三相VSR交流侧电感的取值范围。经计算，满足功率因数要求时；满足VSR瞬态电流跟踪指标时MHL783。所以电感L的值可以取36MH。MHL10,5342直流侧电容的设计在三相VSR主电路参数设计中，除交流侧电感参数设计外，另一重要参数设计是直流侧电容设计，直流侧电容主要作用如下1缓冲交流侧与直流负载间的能量交换，且稳定直流侧电压；2抑制直流侧谐波电压。从满足电压环控制的跟随性指标看，直流侧电容应尽量小，以确保直流侧电压的快速跟踪控制；而从满足电压环控制的抗干扰性指标分析，直流侧电容应尽量大，以限制负载扰动时的直流电压动态降落。对于三相VSR的控制来说，最终目的是为了获得稳定的直流输出电压，因此这里从三相VSR直流电压的跟随性指标来设计电容参数。考虑三相VSR从直流电压稳态最低值跃变到直流电压额定值的动态过程。三相VSR直流电压最低值，是指三相VSR交流侧接入电网且功率管不调制时，由于功率管中续流二极管的作用，此时三相VSR相当于一个三相二极管整流器，其整流电压平均值为135（4170DV0DV1式中为三相VSR网侧线电压有效值1V三相VSR额定直流电压，是