交流励磁用三相PWM整流器的研究(精)

1、第38卷第1期JournalofZhejia ngUn iversity（E ngi neeri ngScie nee浙 江 大 学 学 报（工学 版）VOI.38NO.1交流励磁用三相PWM整流器的研究黄科元，贺益康,胡奇峰 （浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027） 摘 要:为了改善脉宽调制型整流器（PWM整流器）的动、，PWM,建立 了整流器输入电流控制所需的d2q模型,提出了 d、q,从 .、，是满足交流励磁需要的理想整流电源.关键词:A文章编号：10082973X（2004）0120048204Studyofthree-phase PWMrectifierforAC-excita

2、ti onHUANGKe2yua n, HEYi2ka ng,HUQi2fe ng （CollegeofEIectricalE ngi neeri ng,Zhejia ngUn iversity,Ha ngzhou310027,Chi na） Abstract:Asa nACpo wersource,theback2to2back PWMc on verterhasgood practica Iprospec tsforAC2excitedvariable2s peedc on sta nt2freque ncyge nerati on, where in high2freque ncyP W

3、Mrectificati oni sakeytech no logy.Toi mpro vethesteadya nddyn amic performa nceofthethr ee2 phase PWMrectifier,thed2qmodelbased on thevectorc ontrolprincip lewasusedtoc on stru cttherectifier ' sinputcurrent.Thed2q|miod©urrentstatedecouplingandgridvoltagefee d2forwardco mpen satio neon tro

4、lstrategywas pu tforwardtoim provetheabilityagai nstthegrid fluctuati onan dloaddisturba nce.S inu soidali npu tcurre ntwithu nit po werfactor,steadyout put DC2voltagea ndfastd yn amicres pon se,aswellasbi2directio npo werflowi ngabilityshow nint heex perime ntshowthattheco nv erterisa nidealrectify

5、i ngpo wers upp lyforAC2excitedge nera tor.Keywords:P WM;high2freque ncyrectificatio n; AC2excitati on交流励磁变速恒频发电技术在风力、水力等可 再生能源发电利用方式中得到愈来愈广泛的重 视1,2.目前交流励磁发电机多采用三相绕线式异 步电机;其定子绕组并网，转子绕组由变频器提供低 频变频电源实现励磁.由于发电机运行在同步速以 上和以下时转子绕组及变频器功率流向不同，要求 励磁用变频器具有功率双向流动的功能.为了确保 发电机的输出电能质量，消除变频器开关过程对电 网造成的谐波污染，要求励磁电源有

6、优良的输入输 收稿日期:2003202223.出特性，因此交流励磁用变频电源是一种具有特殊要求的电 源，其动、静态特性控制更是交流励磁发电技术实现的关键.目前常用的变频电源型式有不控整流2PWM逆变形式的交2直2交变频器和交2交变频器.前者具有较好的输出特性，但不控整流造成输入电流畸变、谐波成分大，更为不利的是难以 实现功率的双向流动；后者虽然能实现功率的双向流动，但由于采用晶闸管的移向 触发控制，输入电压、电流畸变严重，谐基金项目：国家863计划资助项目(2001AA51202323);浙江省科技计划资助项目 (413110201J39901).作者简介:黄科元(1974-),男，四川广汉人

7、，博士生,主要研究方向为电力电子技术及电 机控制.E2mail:kyh2000? 1994-2006 Chi na Academic Journal Electro nic Publishi ng House. All rights reserved. htt p: /www.c nki. net第1期黄科元，等:交流励磁用三相PWM整流器的研究49波含量大，功率因数低；输出电压富含低次谐波，馈入发电机会严重影响输出电能质 量，谐波抑制代价很高.为了克服不控整流和相控整流的缺点，提高变频电源的输入功率因数，减少谐波污 染,并且实现功率双向流，采用高频自关断器件构成的 PWM整流2PWM逆变的双

8、 PWM变流技术在交流励磁发电中获得了高度的重视 2,3.双PWM变流中，高频PWM整流是极为重要的关键技术，本文对此进行了深入的理论分析和实验研究.图2 PWM整流器的向量图Fig.2 P hasordiagramofPWMrectifier电压的峰值.这种特性导致,.整流器的控制为了实现三相PWM整流器的高性能控制，首先建立它的数学模型.设功率开关器件 为理想开关,根据图1,列出PWM整流器的基本方程：usa-Lusb-L1 PWM三相PWM1所示;其拓扑结构与三相电压源逆变器相同，功率开关按正弦 规律作脉宽调制.由于输入电感的滤波作用，整流器交流侧的输入可近似认为是三 相正弦电流，输出呈

9、直流电压源特性，稳态时的输出直流电压可保持不变4.-Ria-Saudc=dt-Rib-Sbudc=dtusc-L-Ric-Scudc,dtC=idc-iL=Saia+Sbib+Scic-iL.dt式中:Sa、.Sb、Sc为0或1,是三相桥臂的开关函数 S=1表示下标所对应的桥臂上 管导通，下管关断;S=0表示下标所对应的桥臂下管导通，上管关断;其他各量参见图 1.为了获得良好的控制性能，控制在两相同步速图1三相PWM整流器的主电路结构Fig.1 Mai ncircuitofthree phase PWMrectifier图2是整流器输入电压Us、输入电流Is和施加在整流器交流侧电压 Ur间的向

10、量 图，其中Ur为一控制量.控制其电压幅值和相位，就可获得所需大小和相位的输入电流，同时也控制了直流侧输出电压.一般情况下, 要求控制输入电流与输入电压同相位，即输入功率因数为1.通常采用直流电压外环 和输入电流内环的双闭环控制方式.其中电压外环保证稳定的直流输出，电流内环 用于提高系统的动态性能和实现限流保护.从原理上看,三相PWM整流器的能量传输是可逆的.整流运行时，能量从交流侧向 直流侧流动;当直流侧输出电压高于给定值时，电路工作于逆变状态，能量从直流侧 流向交流侧.由于输入侧设置有三相电感，整流器整流运行时主电路工作于升压状 态（boost电路），逆变运行时主电路工作于降压状态（buc

11、k电路），直流输出电压总是高 于交流输入线旋转d2q坐标系中实施.在同步速d2q（1）变为-BdtLL=-S-0 dtLLO dt2C2C 00L轴系中，式 idiqu+L usd 0-C usq.iL从式(2)可看出,d、q轴电流不独立，存在交叉耦合关系，这是由于整流电路本身虽是静止电路，但变换至旋转坐标系中，经电感作 用会使d、q轴之间产生耦合，控制系统只有经过解耦才能使其静、动态性能达到 最优.? 1994-2006 Chi na Academic Journal Electro nic Publishi ng House. All rights reserved. htt p: /ww

12、w.c nki. net50浙江大学学报(工学版)第38卷此采用了变比为380V 76V的输入变压器作降压输入.整流器开关元件采用三菱公司的PM100CVA060IPM模块，额定电流100A,耐压600V,以适应交流励磁低电 压大电流的特点整流系统的进线滤波电感为6mH,电阻忽略不计.直流母线滤波电 容为 450V 2200A F.整流器采用DSP控制芯片为TI公司的S320F.使得、高性能控制成为可能.整流器输入电流的有效控制是整流器控制的关键.从本质上讲，整流器是一种涉及交、直流电能形态转换的能量变换系统，由于无 穷大电网电压基本恒定，对输入电流实施快速有效的控制也就能有效地控制能量流 动

13、的速度和总量.由式表示的输入电流满足下式：LL=-Riq- S Lid+usqurq.dt由式可知,d、q轴电流除受控制量 urd、urq=-Rid+ S Liq+usd-urd,dt 外，还受交叉耦合电压 S Liq - S Lid压usd和usq扰动.d、q轴之.整流器交流侧电压矢量 Ur中包含三个分量:urd=urd1+urd2+urd3, urq=urq1+urq2+urq3.式中:urd1=usd,urd2= S Liq;urq仁usq,urq2S Lid.如果采用urd3和urq3作为控制器输出，其余两个分量为补偿量，则由式和可 得L+Rid=-urd图4 PWM整流器硬件结构Fi

14、g.4 Hardwarestructureof PWMrectifier此式表示，由于引入了电流状态反馈(urd2和urq2)解耦以及电网扰动电压(urd1和 urq1)作为前馈补偿，两轴电流已实现独立控制，系统的动态性能将获得进一步提高. 图3是实现以上PWM整流器解耦的双闭环控制系统结构原理图.为了提高整流器的动态性能，系统采用了本文提出的直流电压外环和电流内环的双闭环控制方式 ，控制计算在以输入电压矢量定 向的d2q旋转坐标系内完成.控制算法考虑了 d、q轴之间电流解耦；为了提高系统 抗电网干扰能力，引入了电网电压的前馈控制(见图3).同时为了保持整流器的输入 功率因数为1,通常无功电流

15、给定iq为0.这样，系统需采集的数据有：输入相电压ua、 ub输入相电流ia、ib和直流母线电压udc.PWM整流器结构如图4所示，其中，电压 电流检测电路把检测到的电量转换成DSP的A D 口接收范围内的模拟信号；DSP则完成A坐标变换、空间矢量调制等D转换、PI调节、核心控制任务，输出的6路PWM信号，经IPM驱动与保护电路送到IPM构成的整 流器主回路.整个控制系统硬件部分结构简单，控制功能主要由软件完成.图3 PWM整流器双闭环控制系统Fig.3 Dualclosed2loo psystemofPWMrectifier4 PWM整流器的实验研究针对交流励磁变速恒频发电机对励磁用变频电源

16、的要求，进行了三相PWM整流器 的实验研究,以便对其稳态性能、动态性能以及能量双向流等特点进行评估.实验运行参数如下：相电压ua=ub=uc=44V,3 PWM整流器的实现在分析了三相PWM整流器的原理和控制策略的基础上，构造了用做交流励磁变频 电源前级的.直流输出电压设计在120200V,为PWM整流器? 1994-2006 Chi na Academic Journal Electro nic Publishi ng House. All rights reserved. htt p: /www.c nki. net第1期黄科元，等:交流励磁用三相PWM整流器的研究PWM整流技术便于向大容

17、(7kHz).ua和相电流ia的波形，可以51直流电压udc=150V，负载电阻RL=308.为使所研究的量交流励磁发电机组移植，整流器的开关频率相对较低 图5是整流器的稳态波形.图5(a)为电阻负载时相电压 看出输入电流正弦且和输入电压同相位，功率因数近似为1；图5(b)为整流器直流侧 带200V反电势时的波形，此时由于负载电压高于给定电压，整流器运行在逆变状态， 输入电流和输入电压反相位，能量反向流；图5(c)给出了输入电流的频谱，从中看出 基波分量占绝对主要成分.这些都表明PWM的输入特性，、数、Ip fT««iLTO'9aiOKH> > V A：

18、 n! I rr TOa*10bCH> 1 W « n魯（町电阻负载5 ms/div（b）a电势负载IT0L妙（C）输入电流频谱出电压基本保持不变,显示了 PWM整流器良好的 输出特性14(i 4 < 4 f *4诗二I - I- _r_ +-*.'F T I rrsh TDNIOhUH*nOTSr叫节巳r三i：勺严？ 一 * iV 芋10 ms/divor-ZN / J/ -可I fr*fa TOSSiOl址 V2| 11 siL逆 V1 五fn習且丄1» 士会* I -i F* 4A札山L10 ms/divsetocomma ndDC2voltage

19、图7整流器对负载变化的动态响应Fig.7 Dyn amicres pon setoloadcha nging5结语为了满足交流励磁应用中对整流电源低谐波、高功率因数、快速响应及能量双向 流的要求,在三相PWM整流器d2q模型基础上，以输入电压矢量定向，提出了带电流解耦和电网电压前馈的高频整流器控制策略，并在此基础上研制了一台三相PWM整流器.实验表明,PWM整流电源大大改善了输入性能，可获得单 位功率因数的正弦输入电流，能够实现能量的双向流动，是满足交流励磁需要的理 想整流电源.参考文献(References):'93Recor1 TANGY,XUL.Aflexibleactivea

20、ndreactive po wercon trolstrategyforavariables peedco nsta ntfreque ncyge nerat in gsystemC. PESC d,24thA nn uallEEE,1993:568-573.2 PENAR,CLAREJC,ASHERGM.Doublyfedi n2ducti ongen eratorus in gback2to2back PWMc onv ertersa nditsa pp licati on tovariable2s peedwi nd2e nergyge ner2atio nJ.EIectric Po werA pp licati