（电力系统及其自动化专业论文）三相大功率pwm整流器系统的研究.pdf

哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：缘晓坡 日期：沙f0 年弓月刀日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 皖授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：红观睃 日期：2 10 年；刷口日 导师( 签字) ：冯掳绎 弘归年弓月to 日 一 一 哈尔滨一i = 程大学硕七学位论文 摘要 p w m 整流器是真正意义上的绿色环保的电力电子变换装置，是解决谐 波问题的根本措施，p w m 整流器具有输出电压可调，功率因数可控，网侧 电流正弦化，能量双向流动等优点，解决了传统整流器对电网造成的污染的 问题，同时，p w m 整流器具有四象限运行的特点，因而成为当今电力电子 技术领域研究的一个热点。p w m 整流器所具备的各种优点使其在静止无功 补偿，有源电力滤波，高压直流输电，电气传动，可再生能源的并网发电等 领域得到了广泛的应用。 本文以三相电压型p w m 整流器为研究对象，阐述了三相电压型p w m 整流器的主电路拓扑结构，分析了p w m 整流器的基本原理，推导了三相电 压型p w m 整流器的数学模型，控制策略，深入研究了基于空间电压矢量脉 宽调制的三相电压型p w m 整流器的双闭环控制方法，进行了三相电压型 p w m 整流器的控制器，主电路元件参数的设计。 为了验证系统设计的正确性，论文中利用m a t l a b 软件建立了主电路、空 间电压矢量p w m 控制模块及p i 控制调节器的仿真模型，进行了三相电压型 p w m 整流器整个系统的仿真。仿真结果表明，本文所设计的系统是正确的， 控制策略可行；采用本文所提出的控制方法，三相电压型p w m 整流器实现 了高功率因数运行，并实现了能量的双向流动，对实际设计具有参考指导意 义。 为了验证实际系统的运行情况，本文设计了以t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 型号的d s p 为控制芯片的三相电压型p w m 整流器的硬件系统及软件系统， 搭建了实验平台，并进行了实际系统的调试，实验结果证明了本文所阐述的 理论及系统的设计是正确的。 关键词：p w m 整流器；s v p w m ；双闭环；单位功率因数 哈尔滨j r 程大学硕+ 学何论文 a b s t r a c t p w mr e c t i f i e ri sat r u l yg r e e np o w e re l e c t r o n i cc o n v e r s i o nd e v i c e ，a n da f u n d a m e n t a lm e a s u r et or e s o l v et h ep r o b l e mh a r m o n i c s p w mr e c t i f i e rw i t ht h e a d v a n t a g e sl i k eo m p u tv o l t a g ea d j u s t a b l e ，p o w e rf a c t o rc o n t r o l ，n e t w o r k - s i d e c u r r e n to ft h es i n e ，d u a le n e r g yf l o ws o l v e dt h et r a d i t i o n a lr e c t i f i e rp a i r sp o l l u t i o n c a u s e db yp o w e rg r i dp r o b l e m s m e a n w h i l e ，p w mr e c t i f i e rh a saf e a t u r eo fa f o u r - q u a d r a n to p e r a t i o n ，w h i c hm a d ei tb e c o m e sah o tr e s e a r c hs p o ti nt h ef i e l do f p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y r i g h tn o w , p w mr e c t i f i e rh a sb e e nw i d e l yu s e di n t h es t a t i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，a c t i v ep o w e rf i l t e r , h i 曲一v o l t a g ed i r e c t c u r r e n tt r a n s m i s s i o n ，e l e c t r i c a lt r a n s m i s s i o na n dr e n e w a b l ee n e r g yf o rp o w e r g e n e r a t i o nb e c a u s eo fi t sv a r i e t yo fa d v a n t a g e s t h i sp a p e r , w i t ht h r e e - p h a s ev o l t a g e t y p ep w mr e c t i f i e ra st h er e s e a r c h o b j e c t ，d e s c r i b e dt h r e e - p h a s ev o l t a g e - t y p ep w mr e c t i f i e rm a i nc i r c u i tt o p o l o g y , a n a l y z e dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fp w mr e c t i f i e rd e r i v e dt h r e e - p h a s ev o l t a g e - t y p e p w mr e c t i f i e rm a t h e m a t i c a l m o d e l ，c o n t r o ls t r a t e g y , s t u d i e d t h ed o u b l e c l o s e d l o o pc o n t r o lm e t h o do ft h r e e - p h a s ev o l t a g e - t y p ep w m r e c t i f i e rb a s e do n s v p w m ，a n dd e s i g n e dt h et h r e e - p h a s ev o l t a g e - t y p ep w mr e c t i f i e rc o n t r o l l e ra n d t h em a i nc i r c u i te l e m e n tp a r a m e t e r s i no r d e rt ov e r i f yt h ec o r r e c m e s so fs y s t e md e s i g n ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo f t h em a i nc i r c u i t ，s p a c ev o l t a g ev e c t o rp w mc o n t r o lm o d u l ea n dt h ep ic o n t r o l r e g u l a t o rw e r ee s t a b l i s h e di nt h i sp a p e ru s i n gm a t l a bs o f t w a r e t h et h r e e p h a s e v o l t a g e t y p ep w m r e c t i f i e rs i m u l a t i o no ft h ee n t i r e s y s t e mw a sc a r r i e do u t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e s i g n e ds y s t e mw e r ec o r r e c t ，c o n t r o ls t r a t e g y w e r ef e a s i b l e ；u s i n gt h ec o n t r o lm e t h o dp r e s e n t e di nt h i s p a p e r , t h r e e p h a s e v o l t a g e t y p ep w mr e c t i f i e r s a c h i e v e dah i g hp o w e rf a c t o ro p e r a t i o na n da t w o w a yf l o wo fe n e r g y , w h i c hp r o v i d e st h ei n s t r u c t i v es i g n i f i c a n c et ot h ea c t u a l d e s i g n i no r d e rt ov e r i f yt h ea c t u a lo p e r a t i o no ft h es y s t e m ，t h eh a r d w a r es y s t e ma n d 哈尔滨丁挥大学硕十学何论文 s o f t w a r es y s t e mw i t ht i st m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5d s p c h i pf o rt h ec o n t r o lo f t h r e e p h a s e v o l t a g e 。t y p ep w m r e c t i f i e rw e r ed e s i g n e d a n dt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw e r e b u i l ti n t h i sp a p e r 殇pa c t u a ls y s t e md e b u g g i n gw a sc a r d e do u t 。砀口r e s u l t s p r o v e dt h a tt h et h e o r ye x p o u n d e da n dt h es y s t e md e s i g nw e r ec o r r e c ti nt h i s p a p e r k e yw o r d s ：p w mr e c t i f i e r ；s v p w m ；d o u b l ec l o s e d l o o p ；u n i tp o w e rf a c t o r 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 目录 第l 章绪论l 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2p w m 整流器的研究概况2 1 3 课题研究的主要内容。4 第2 章电压型p w m 整流器的结构和工作原理5 2 1p w m 整流器的分类及拓扑结构5 2 1 1p w m 整流器的分类5 2 1 2p w m 整流器的拓扑结构5 2 2p w m 整流器的工作原理6 2 3p w m 整流器电流控制技术9 2 3 1 间接电流控制9 2 3 2 直接电流控制1 1 2 4 本章小结1 3 第3 章基于s v p w m 的三相电压型p w m 整流器的控制方法及系统仿真1 4 3 1 三相电压型p w m 整流器的数学模型1 4 3 1 1 采用开关函数描述的v s r 的数学模型“1 4 3 1 2 三相v s r 在d 、q 坐标系下的数学模型及解耦算法1 6 3 2p w m 整流器的s v p w m 算法2 0 3 2 1 三相v s r 空间电压矢量分布。2 0 3 2 2 空间电压矢量的合成2 2 3 2 3s v p w m 算法的实现2 4 3 2 4s v p w m 算法的m a t l a b 仿真2 8 3 3 三相v s r 系统的设计。3 0 3 3 1 三相v s r 交流侧电感的设计。3 0 3 3 2 三相v s r 直流侧电容的设计3 5 3 3 3 电流内环的设计3 7 3 3 4 电压外环的设计3 9 ， 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 3 4 系统仿真4 1 3 4 1m a f l a b 下系统的仿真模型4 1 3 4 2 仿真结果及分析4 2 3 5 本章小结4 5 第4 章三相电压型p w m 整流器的实现4 6 4 1 主电路和驱动电路的设计4 6 4 1 1 主电路功率开关器件的选择4 6 4 1 2 驱动电路的设计4 7 4 2 基于t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 的控制电路的设计”4 8 4 2 1p w m 整流器系统的整体结构一4 8 4 2 2t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 芯片介绍4 9 4 2 3 信号检测及调理电路的设计5 0 4 2 4 保护电路的设计5 4 4 2 5 键盘和显示电路的设计5 6 4 3 软件系统的设计j 5 7 4 3 1 主程序的设计5 7 4 3 2s v p w m 的软件设计5 8 4 3 3 数字p i 调节器的原理及软件设计“5 9 4 4 本章小结6 1 第5 章系统实验6 2 5 1 系统的调试6 2 5 2 实验波形及分析6 2 5 3 本章小结6 5 结论6 6 参考文献6 7 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 0 致谢7 1 附录a 7 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 由于电力电子技术的迅速发展及其设备的广泛应用，引起的对电网的谐 波污染越来越受到人们的关注，为了解决提高电能质量的问题，p w m 整流 技术得到了快速的发展，成为了电力电子领域不可缺少的一部分，对于提高 电力电子变换装置的性能，推进电力电子技术的快速发展起着至关重要的作 用。 1 1 课题研究的背景和意义 整流电源己经广泛应用于各个工业领域，随着电力电子器件的迅速发展， 功率半导体器件的性能也在不断的提高，使各种电力电子变换装置和变流技 术也不断涌现，需求量也逐渐增多，根据美国a c d c 开关电源市场调查报告 表明，a c d c 开关电源需求平均年增长率为1 2 7 ，通信设备中配套用的 a c d c 开关电源增长率超过1 5 ，全球开关电源市场规模从1 9 9 2 年的8 2 亿 美元增长到1 9 9 9 年的1 6 6 亿美元，平均年增长率为1 0 ，2 0 0 3 年超过了2 8 8 亿美元，由此可看出，电力电子器件应用日趋广泛。但是，电力电子变换器 的使用也带来了一些问题。根据日本电气协会1 9 9 2 年发表的一项关于谐波源 的调查报告表明，由电力电子器件装置所产生的谐波占谐波总量的9 6 ，而 消除谐波和提高功率因数也成为了电力电子技术的一个重大的课题。目前， 很多国家为了保证电网和用电设备的安全和正常运行，都已经制定了相应的 谐波标准。我国也在1 9 9 3 年由国家技术监督局制定了电能质量与公用电网 谐波标准。 各种电力电子设备基本都具有整流环节，如电力电子的两大应用领域： 变频器和开关电源，这两种场合中都需要用到整流电源。而整流环节，正是 谐波和无功的主要来源。目前，在各种场合所使用的整流电源大致可以分为 两种：一种是不可控整流器，另外一种是可控整流器。由整流二极管组成的 整流电路为不可控整流器，其直流侧输出电压与交流侧输入电压具有固定的 数学关系，由于这种整流器结构简单，功率因数也比较高，在各种场合都得 到了广泛的应用。由半控型电力电子器件：晶闸管，组成可控的整流器，通 哈尔滨工程大学硕士学何论文 过调节晶闸管的触发角来调节直流侧的输出电压，所以也称作相控整流器， 另外还有一种可控整流源是利用全控器件如：i g b t ，m o s f e t 等，采用p w m 技术来改变直流侧的输出电压，这种整流技术在整流电源中应用非常广泛。 各种整流源的使用，不仅会使整流环节的交流侧电流波形发生畸变，而且也 会给电网注入大量的无功，给电网造成“污染”。如目前应用最为广泛的不可 控整流源，由于直流侧滤波元件的影响，使交流侧电流波形发生畸变。相控 的整流源不仅会使交流侧电流波形发生畸变，而且功率因数很低。 为了解决电力电子设备引起的无功及谐波污染，最根本的措施就是实现 网侧电流正弦化，并且使电力电子设备运行于单位功率因数。而作为主要污 染源的整流环节，首先受到了学术界的关注。其主要思路就是将s p w m 技术 引入整流器的控制中，使整流器的交流侧电流波形正弦化，而且使其功率因 数为1 ，这种应用了p w m 技术的整流器就是p w m 整流器。p w m 整流器 具有以下优良的性能口1 ： ( 1 ) 网侧电流为正弦波； ( 2 ) 网侧功率因数可以控制； ( 3 ) 电能双向传输； ( 4 ) 快速的动态响应。 经过数十年的研究与发展，p w m 整流器技术已经日趋成熟，从半控型 器件发展到全控型器件；p w m 控制由硬开关调制发展到软开关调制，功率 等级从千瓦级发展到兆瓦级。由于p w m 整流器具有的优点，现在已经在单 位功率因数整流、工业直流电源、交流传动等工业领域中应用，如：静止无 功补偿，有源电力滤波器，高压直流输电，电气传动，新型u p s ，太阳能， 风能等新能源的并网发电等。 1 2p w m 整流器的研究概况 p w m 的研究开始于上世纪8 0 年代，由于自关断器件的日益成熟和应用， 推动了p w m 技术的研究，1 9 8 2 年，b u s s e a l f r e d ，h o l t zj o a c h i m 提出了基于 可关断器件的三相全桥式p w m 整流器的拓扑结构和电流幅相控制策略p 1 ； 1 9 8 4 年，a k a g ih i r o f u m i 等提出了基于p w m 整流器拓扑结构的无功补偿控 制策略，成为了早期的p w m 整流器的设计思想；到上个世纪8 0 年代末期， 2 哈尔滨f t 程大号：硕士学位论文 p w m 整流器的研究迈向了一个新的台阶一1 ，a w g r e e n 等人提出了基于坐标 变换的p w m 整流器的数学模型和控制策略垆1 ；2 0 世纪9 0 年代，p w m 整流 器的拓扑结构，控制策略及相关领域的应用的研究发展起来，使得p w m 整 流技术不断的进步和完善。研究方向主要集中在以下几个方面。 ( 1 ) p w m 整流器数学模型的研究 数学模型是p w m 整流器技术研究的基础，自从a w g r e e n 等人提出基 于坐标变换的p w m 整流器的数学模型，各国学者都从不同的角度对p w m 整流器的数学模型进行了研究，其中r w u ，s b d e w a n 等系统的建立了p w m 整流器的时域数学模型；c h u nt r i m 和d o n gy h u 利用局部电路的砌坐标 变换建立了p w m 整流器基于变压器的低频等效模型电路；在这个基础上， h e n g c h u nm a o 又建立了一种降阶小信号模型，简化了p w m 整流器的数学模 型及特性分析。 ( 2 ) 电压型p w m 整流器电流控制策略的研究 电流控制策略有间接电流控制和直接电流控制两种控制方式，间接电流 控制方式实际上是幅相控制，通过控制电压型p w m 整流器交流侧电压基波 的幅值，相位，从而间接控制网侧电流，这种控制结构简单，静态性能良好， 但稳定性差，动态响应较慢；直接电流控制采用电流反馈闭环的方式，结构 上虽然比间接电流控制方式稍复杂，但以其快速的动态响应，控制的高精度 等优点，受到了学术界的关注。 ( 3 ) p w m 整流器系统的控制策略 随着研究的不断深入，t o s h ih i k on o g u c h 等学者提出了无电压电流传感 器的控制方式，近几年来，非线性控制策略的研究成为了p w m 整流器控制 研究的一个新热点。由于电压型p w m 整流器属于非线性混合控制系统，基 于线性模型的控制方法进行研究己不适应。因而，为了提高整流器的性能， 采用非线性控制理论或新的控制方式研究电压型p w m 整流器控制系统，如： 功率控制，反馈线性化控制，基于l y a p u n o v 稳定理论的控制，基于无源控制 理论的控制，基于白抗扰技术的控制，基于反步法的控制等。 ( 4 ) 关于p w m 整流器拓扑结构的研究 p w m 整流器可分为电压型和电流型两类，根据不同的功率等级和用途， 学者们研究出了各种拓扑结构。小功率场合，其拓扑结构的研究集中在减少 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 开关器件的数量和提高直流电压输出性能上，中、大功率的场合，p w m 整 流器拓扑结构的研究致力于多电平拓扑结构，变流器的组合和软开关技术扣1 。 1 3 课题研究的主要内容 本文以三相电压型p w m 整流器为研究对象，主要研究其拓扑结构，数 学模型，控制方法，仿真验证及实际系统的设计和实验，可以概括为以下几 点： ( 1 ) p w m 整流器的拓扑结构及原理； ( 2 ) 电压型p w m 整流器系统的建模； ( 3 ) 电压型p w m 整流器的电流控制技术； ( 4 ) 数学模型，控制策略的仿真验证； ( 5 ) 三相p w m 整流器系统的设计及实验。 本课题中系统的设计参数为： ( 1 ) 系统功率5 k w ； ( 2 ) 输入交流电压：三相电网电动势，相电压有效值为2 2 0 v ； ( 3 ) 输出直流电压：8 0 0 v 。 4 哈尔滨工程大学硕七学位论文 第2 章电压型p w m 整流器的结构和工作原理 2 1p w m 整流器的分类及拓扑结构 2 1 1p w m 整流器的分类 按照不同的分类方式，p w m 整流器可以分为如下类型，如表2 1 ： 表2 1p w m 整流器的分类 分类方式类别 电压型 直流储能形式 电流型 单相电路 电网相数三相电路 多相电路 硬开关调制 p w m 开关调制 软开关调制 半桥电路 桥路结构 全桥电路 两电平电路 调制电平三电平电路 多电平电路 虽然分类方式不尽相同，但最基本的分类方法就是将p w m 整流器分为 电压型p w m 整流器和电流型p w m 整流器，因为这两种类型的整流器无论 在电路的拓扑结构上还是在p w m 信号的产生及控制等方面，都各自有特点， 其它的分类方法都可归类于电压型或电流型p 1 。 2 1 2p w m 整流器的拓扑结构 按照直流侧的储能方式，p w m 整流器的拓扑结构有电压型和电流型， 如图2 1 ，图2 2 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 三相电压型p w m 整流器拓扑结构 n 图2 2 三相电流型p w m 整流器拓扑结构 电压型p w m 整流器直流侧的储能元件为电容，使直流侧呈现电压源特 性隅1 ，交流侧的电感起到滤除电网侧谐波电流的作用；电流型p w m 整流器直 流侧的储能元件为电感，使直流侧呈现电流源特性，交流侧的电容与电网侧 的电感一起构成了l c 滤波器，来滤除电网侧的谐波电流及抑制交流侧的谐 波电压，与功率开关管串联的二极管起到阻断反向电流的作用，提高开关管 耐反压的能力唧。本文以电压型p w m 整流器作为研究对象。 2 2p w m 整流器的工作原理 由于p w m 整流器具有能量双向传输的能力，因此，p w m 整流器具有两 种工作状态，当p w m 整流器由交流侧向直流侧传输能量时，p w m 整流器工 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 作于整流状态，当能量由直流侧传输到交流侧时，p w m 整流器工作于有源 逆变状态。 由以上可以看出，p w m 整流器是一个可以四象限运行的变流装置，为 了分析其原理，可以由图2 1 得到p w m 整流器的等效模型电路，如图2 3 所 示。 l 如 一三 一心 i _ j r 气 图2 3p w m 整流器的等效模型电路 由等效的电路模型可以看出，p w m 整流器由交流回路，整流桥，直流 回路组成，交流回路有交流电动势p ，网侧电感三，直流回路包括负载r l 和 负载电动势钆，整流桥路可以是电压型或电流型的。 忽略整流桥路的功率损耗时，则交流侧与直流侧的功率相等，即： i v = k ( 2 - 1 ) 式中：f ，1 ， 交流侧的电流和电压，a ，v 如，魄直流侧的电流和电压，a ，v 由公式( 2 1 ) 可以看出，通过控制交流侧的电压，电流就可以控制直流侧， 反之，若对直流侧加以控制，也可以实现对交流侧的控制0 1 。 交流回路中各个量之间的关系为： e = 圪+ v = c o l i + v( 2 2 ) 稳态运行时，由( 2 2 ) 式可得交流侧的矢量图如图2 4 所示， 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 d c 图2 4p w m 整流器交流侧稳态矢量图 图2 4 中左是电网电动势矢量，矿是交流侧电压矢量，是交流侧电压 矢量，矿网侧电感上的电压矢量。 以电网电动势矢量童为参考量，通过控制交流侧的电压矢量矿，就可以 达到控制p w m 整流器四象限运行的目的。假设交流侧电流矢量，的幅值i i 不 变，则l i = c o l i i i 也是恒定不变的，这样，交流侧电压矢量矿的端点运动的 轨迹就是以l ”i 为半径的圆，当电压矢量矿处于圆上a 点时，电网电动势矢 量应超前电流矢量，9 0 0 ，此时，p w m 整流器网侧呈现纯电感特性，如图2 4 的( a ) 所示，当电压矢量矿处于圆上b 点时，电网电动势矢量应与电流矢量， 同相，此时，p w m 整流器网侧呈现正阻特性，如图2 4 的( b ) 所示，当电压矢 量矿处于圆上c 点时，电网电动势矢量左滞后电流矢量j 9 0 0 ，此时p w m 整 流器网侧呈现纯电容特性，如图2 4 的( c ) 所示，当电压矢量矿处于圆上d 点 时，电网电动势矢量应与电流矢量j 完全反相，此时，p w m 整流器的网侧呈 现负阻特性，如图2 4 的( d ) 所示。a ，b ，c ，d 四个点是p w m 整流器运行 时特殊的四个点，具体分析如下： ( 1 ) 电压矢量矿的端点在a b 段上运行时，p w m 整流器工作于整流状态， 电能由电网传向负载，此时，p w m 整流器从电网上吸收有功功率及感性的 无功功率，当p w m 整流器工作于b 点时就实现了单位功率因数整流。 ( 2 ) 电压矢量矿的端点在b c 段上运行时，p w m 整流器处于整流状态， 电能由电网侧传向负载，从电网上吸收有功功率和容性的无功功率，当p w m 整流器工作于c 点时，则只吸收容性无功功率。 ( 3 ) 电压矢量矿的端点在c d 段上运行时，p w m 整流器处于有源逆变状 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 态，电能由直流负载侧传向电网，向电网传送有功功率及容性的无功功率， 当p w m 整流器工作在d 点时，就实现了单位功率因数的有源逆变。 ( 4 ) 电压矢量矿的端点在d a 段运行时，p w m 整流器处于有源逆变状态， 电能由负载传输到电网，向电网输送有功功率和感性的无功功率1 。 2 3p w m 整流器电流控制技术 由2 2 节的分析可以看出，要实现对p w m 整流器运行状态的控制，关 键在与网侧电流的控制，可以通过控制交流侧的电压间接的控制网侧的电流， 还可以通过网侧电流的闭环控制，直接的控制网侧电流。由此可知，p w m 整流器的电流控制技术有两种方式：间接电流控制方式和直接电流控制方式。 2 3 1 间接电流控制 间接电流控制也称为幅相控制习，控制简单，无电流反馈，其实质是通 过p w m 调节，在整流桥交流侧形成幅值和相位可控的正弦p w m 电压，此 电压与电网电动势一同作用在p w m 整流器的交流侧，形成正弦的基波电流， 谐波电流由交流侧的电感滤除。 间接电流控制方式的主要依据就是p w m 整流器交流侧电压，电流之间 的静态矢量关系引，即： v = e 一圪一r ( 2 3 ) 式中：r 电感的电阻，q 可得矢量图，如图2 5 所示。 y 。 l _ “ e 。 7 卜 y 图2 5p w m 整流器交流侧矢量关系图 9 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 以电网电动势e 为参考量，交流侧电流，与电网电动势的相角为够，交 流侧电压v 与电网电动势的相角为口，以a 相为例，则以上三个量的时域表 达式为： k ( f ) = 玩s i n c o t 屹( f ) = 圪s i n ( c o t o f )( 2 4 ) 【i o ( t ) = ls i n ( c o t + 咖 式中：e 电网电动势的峰值，v 圪 交流侧电压的峰值，v l 交流侧电流的峰值，a 将( 2 - 3 ) 式投影到图2 5 的x ，y 两个轴上，得到式( 2 5 ) ，式( 2 6 ) 。 圪c o s o f = b r i c o s 口o + 圪s i n ( o = 既一r , rc o s ( o + 爿l 厶s i n 缈( 2 - 5 ) 圪s i n o c = 圪c o s q ，+ r s i n ( o = 五lc o s ( p + 戤s i n p( 2 - 6 ) 式中：x ， 网侧电感的感抗，q 由式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 可知，当参数r ，恐，厶都已知时，根据对交流侧电 流峰值l 和功率因数角矽的要求，由上面两个式子就可以计算出交流侧电压 矢量y 的x ，y 的分量，从而得到p w m 整流器间接电流控制时矢量v 的控制 算法j 通过p w m 控制，实现三相电压型p w m 整流器的间接电流控制。控 制结构如图2 6 所利1 4 1 。 图2 6 间接电流控制系统结构图 间接电流控制算法存在响应速度慢的缺点，而且由间接电流控制算法的 参数可知，这种算法对于系统的参数波动比较敏感，影响控制精度，但该控 1 0 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 制算法的实现及控制系统的结构比较简单5 坫“ 1 。 2 3 2 直接电流控制”4 1 针对间接电流控制算法存在的缺点，提出了直接电流控制算法，直接电 流控制方法引入交流侧的电流反馈，对输入整流器的电流进行直接控制，具 有响应快，动态性能好的优点，电压电流的双闭环控制是目前应用较广泛， 最实用的以一种控制方式。其特点为：电压和电流分开控制，电压外环的输 出作为电流内环的指令信号，电流内环控制交流侧的电流，达到快速跟踪电 流指令的目的，而且电流内环不仅仅起到控制电流的作用，还起到过流保护 的作用，这是双闭环控制所具有的优点。p w m 整流器的双闭环控制既可以 在a b c 三相静止坐标系下实现，也可以在两相同步旋转坐标系下实现，在同 步旋转坐标系下可以消除电流的静差，电流的响应速度也更快一些。 p w m 整流器在a b c 三相静止坐标系下实现单位功率因数整流的控制系 统原理图如图2 7 所示，电压环p i 调节器输出量为电流环的指令信号，此p i 调节器的作用是通过调节电流指令信号使直流电压输出稳定，当负载一定的 时候，电流也是稳定的。电流环控制器的作用是快速跟踪电流指令信号，根 据不同的场合可以选择不同的控制器类型，一般常用p i 调节器，优点是电流 的控制和p w m 信号的产生是分开的，使得功率开关器件的开关频率是固定 的，系统的设计、分析及开环调试较容易。 图2 7a b c 静止坐标系下p w m 整流器的控制原理图 另外，还可以采用滞环控制器，这种控制器将电流的控制和p w m 的产 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 生合并在一起，电流响应速度快，电流的动态误差由滞环的宽度决定，而且 结构比较简单，容易实现，但是由于开关频率不固定，给滤波器的设计造成 困难。 将a b c 三相静止坐标系转换到同步旋转的砌坐标系下，交流的电量变成 了直流量，使控制系统的数学建模与控制器的设计较容易些，与在静止坐标 系下一样，p w m 的调制方式可以采用正弦波脉宽调错u ( s p w m ) ，也可以采用 电压空间矢量调匍 ( s v p w m ) ，控制结构图如图2 8 所示。 图2 8 同步旋转的由坐标系下控制系统的结构 图2 8 的控制结构采用p i 调节器构成电压，电流双闭环，电压环用于稳 定输出的直流电压，内环电流环控制交流侧电压与电流的相位，电压给定值 暖与输出电压的反馈值巩巧比较后进入电压p i 调节器，电压调节器的输出 值作为交流侧电流有功分量的给定值b o r s ，大小随着整流器的有功功率的输出 而变化，为了使p w m 整流器处于单位功率因数整流或逆变状态，将交流侧 电流无功分量的给定值设为0 ，两个给定值分别与经过a b c d q 变换后的有 功分量访和无功分量斩比较后，进入各自的电流p i 调节器，若采用s p w m 方式调制，则再通过d q a b c 的坐标变换后，进行s p w m 调制，输出p w m 控 1 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 制信号，实现对p w m 整流器的控制；若采用s v p w m 的调制方式，则再通 过由l a p 的坐标变换后，进行s v p w m 调制，输出p w m 控制信号，实现对 p w m 整流器的控制。 本文中采用的控制方法是基于电压空间矢量调制方式的直接电流控制， 第3 章中将具体阐述其原理。 2 4 本章小结 本章介绍了p w m 整流器的分类，拓扑结构，p w m 整流器四象限运行的 工作原理，较具体的阐述了p w m 整流器的电流控制技术，即：间接电流控 制和直接电流控制，并给出了这两种电流控制方式的控制结构图。 哈尔滨- 丁程大学硕+ 学位论文 第3 章基于s v p w m 的三相电压型p w m 整流器 的控制方法及系统仿真 3 1 三相电压型p w m 整流器的数学模型 根据三相电压型p w m 整流器( 英文简写为v s r ，即v o l t a g es o u r c e r e c t i f i e r ) 的拓扑结构，应用基尔霍夫电压，电流定律，对v s r 进行数学描述， 就可以得到其数学模型，为建立数学模型贮u 口2 删，做以下假设： ( 1 ) 电网电动势为三相对称的电动势； ( 2 ) 网侧的滤波电感是线性的，且不考虑饱和； ( 3 ) 功率开关器件是理想的开关，无导通及关断延时，无损耗； 由以上假设得到v s r 主电路如图3 1 所示。 d 乞挖 、! 、 r + 1 cj ： v 6 = 配i 一l v 7 o 、i 、一、 一 i l r n 图3 1 三相v s r 主电路 图3 1 中e 。，e c 为三相电网电动势，尺，为滤波电感的电阻和电感， 乞，毛，c 为三相线电流，屹，v b ，v c 为输入整流桥的相电压，为直流侧 电压，乇为负载电流1 。 3 1 1 采用开关函数描述的v s r 的数学模型 为了便于分析，定义二值开关函数& 例2 6 1 ，具体定义如( 3 1 ) 式： & = 0 1 圭纂喜羹善：；纂喜霉雯c 七= 6 ，c ， c 3 ， l上桥臂关断，下桥臂导通 v p7v 叫 根据基尔霍夫电压定律，对图3 1 中a ，b ，c 三相的各个回路列写回路方程 1 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 为： 铲似哮+ 训+ 哮+ v 6 d 巳喇+ 哮+ ( 3 - 2 ) 其中： h 。2v a n + v n o v 6 d = 屹+ ，d( 3 - 3 ) 【= v c + 式中：一下桥臂的节点与电网电动势的中性点0 之间的电压，v 当上桥臂开关导通，下桥臂开关关断时，& = 1 ，= ，( k = 口，b ，c ) ； 当上桥臂开关关断，下桥臂开关导通时，& = 0 ，= 0 ，( k = 口，6 ，c ) ，所以 可得= s k ，( k = 口，b ，c ) ，因此，综合以上及式( 3 3 ) ，可将式( 3 - 2 ) 改写为： 由于是三相对称的系统，则： e a + e b + e 。c ：= 0 0 ( 3 - 5 ) 【乞+ 毛+ 之= 、7 联立式( 3 4 ) ，式( 3 5 ) ，可推得： = 一半s k ( 3 - 6 ) 2 一_ ： 己 u 。6 j 对直流侧应用基尔霍夫电流定律： i 出= c d 讲u u 。+ 丝r (37)l 口l 因为任何时刻总有3 个开关管导通，因此共有8 中开关模式，所以直流 侧的电流乞可表示为： 啪 哪 哪 + + + 啪 啪 驰 + + + 吃百砚百生办 三 三 三 + + + r r r = = = 彩 办 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i 如= i d s d s b s c + i h s b s c s d + i c s c s q s b + q d 七k ) s ，s ，s c + ( i o + f ) j 。& + ( + t ) & + ( 乞+ + i c ) s a s b s c ( 3 - 8 ) = l o s d + i b s bj r i c s c 因此，( 3 7 ) 式可以写成： 讽揶 & = c d 出u 如+ 鲁 ( 3 - 9 ) 综合( 3 - 4 ) 式，( 3 6 ) 式，( 3 9 ) 式，三相v s r 在三相静止坐标系下的数学模 型为跏2 8 删： td i d l d l td i h l d t td i c l d 1 r d u 耙 l d t r00 0一尺o 00一尺 s 4s bs c 模型结构如图3 2 所示p 0 1 ： 1f i 乙s k s o jk = a ，b ，o 1 弋， j 乙s k - s b ，k = a ，b ，。 1 、- i 己一s c j = 口b 。 l r l 屯 z c u k + 乞 0 f 3 l o ) 图3 2a b c 静止坐标系下的数学模型结构 3 1 2 三相v s r 在d 、q 坐标系下的数学模型及解耦算法 在三相静止的a b c 坐标系下，v s r 的数学模型具有清晰的物理意义，直 观，易于理解，但在这种数学模型中，v s r 交流侧的各个量均为时变的交流 1 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 量，因此，不适用于控制的设计，可以通过坐标变换将三相静止坐标系转换 到与电网基波频率相同速