（电力电子与电力传动专业论文）三相pwm整流系统研究.pdf

a b s t r a c t i nr e a l i z a t i o no fc o n t r o l l e da n du n c o n t r o l l e dr e c t i f i e ru s i n gd i o d e sa n d t h y r i s t o r s ，al o to fh a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e ra r ei n j e c t e di n t o t h es y s t e m b e c a u s eo ft h ec u r r e n tw a v ef o r md i s t o r t i o n t 1 1 i sc o n s e q u e n t l yc a u s e ss e r i o u s p o w e rp o l l u t i o n w i t l l t h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , r e s e a r c h e r sb e g i nt os t u d yp w m r e c t i f y i n gt e c h n o l o g y 刀l ev o l t a g es t y l ep w m r e c t i f i e rh a sal o to fa d v a n t a g e s ，s u c ha sl o wc u r r e n tw a v eh a r m o n i c s ，h i 啦p o w e r f a c t o r0 1 1t h ea cs i d ea n ds t a b l ev o l t a g eo u t p u to nt h ed cs i d e t h u s ，i t s b e c o m i n go n eo ft h eh o t s p o t si nt h ec o n t e m p o r a r yp o w e re l e c t r o n i c sa r e a 。r n l e p w mr e c t i f i e ri sg e t t i n gm o r ea n dm o r ew i d eu s ei np o w e rs y s t e ma c t i v ef i l t e r , r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，f l o wc o n t r o l ，s o l a rp o w e r , a sw e l l 弱a c - d c t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n do t h e ra r e a s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h et h r e e p h a s ep w m r e c t i f i e rh a sb e e ns t u d i e d ，m a i n l yt oc o m p l e t et h ef o l l o w i n g ： f i r s to fa l l ，m i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo ft h ep w mr e c t i f i e r , g i v e so u tt h et h r e e p h a s ep w mr e c t i f i e rt o p o l o g ys t r u c t u r e ，a n a l y s e st h e r e c t i f y i n gp r o c e s so ft h ep w mc o n v e r t e r , g i v e so u tt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h e p w m r e c t i f i e r , d e s i g n st h ea cs i d ei n d u c t o r sa n dt h ed cs i d ec a p a c i t o r s s e c o n d l y , t h r e ec o n t r o lm e t h o d s ，w h i c hi n c l u d ec u r r e n th y s t e r e s i sc o n t r o l ， c u r r e n tp ic o n t r o la n dv o l t a g e s p a c e v e c t o rc o n t r o l ，a r ei n t r o d u c e da n d c o r r e s p o n d i n gm o d e l sa r eb u i l tf o rt h es i m u l a t i o na n a l y s i s t h es u b - p ic o n t r o l m e t h o di sa d d e di n t ot h ed cv o l t a g ec o n t r o li no r d e rt or e s t r a i no v e r s h o o ta n d k e 印s t e a d y s t a t ee r r o ri nav e r ys m a l ls c o p e m e a n w h i l e ，t h ec u r r e n tc a nb e l i m i t e di na na l l o w e ds c o p eb yas e r i e s - w o u n dl i m i t i n gr e s i s t a n c ed u r i n gt h es t a r t p e r i o d a tl a s t ，o nt h eb a s i so fs i m u l a t i o n ，t h es t r a t e g yo fl e a d i n gg i v e nc u r r e n t l e a d i n gg i v e na n dt h ev o l t a g es p a c ev e c t o rc o n t r o l l e db a s i n go nr o t a t i n g c o o r d i n a t es y s t e ma r ea d o p t e d t h u s ，t h ep r o b l e mo fc u r r e n te r r o ri ss o l v e d 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 1 l es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t , t h et h r e e - p h a s e v o l t a g es t y l ep w m r e c t i f i e rd e s i g n e di nt h i sp a p e rh a sr u n 谢t hah i g hp o w e rf a c t o ra n dr e a l i z e dt h e s t a b l ec o n t r o lo fd i r e c tc u r r e n tv o l t a g e 1 1 1 ei s s u e ss u c ha sh i g hh a r m o n i c sa n dl o w p o w e rf a c t o r , w h i c he x i s t e di nt h et r a d i t i o n a lr e c t i f y i n gc i r c u i t s ，h a v eb e e n s o l v e d i tw i l lp r o v et ob ea p r a c t i c a la n du s e f u ld e s i g n k e yw o r d s ：p w mr e c t i f i e r ；h i g hp o w e rf a c t o r ；h y s t e r e s i sl o o p ；p i ；v e c t o rc o n t r o l ； s i m u l a t i o n 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、数据和文献的引用已在 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已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，均已在文中以明确方式 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) ：绦片化 日期：伽g 年组月7 0 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。 本论文彻在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) ：张汔良 - , - 9f j 币( 签字) ：躺 时l 目期：z 弦年1 2 月歹日弘加g 年z 月，口日。j 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 第1 章绪论 随着工业技术的飞速发展，以高效节能、优质合理使用电能为特点的电 力电子装置得到了前所未有的发展。然而，传统的整流电路一般采用不控整 流，输出并联大电容滤波，这种电路的优点是具有很高的可靠性，简单易用， 不需要控制电路。但即使负载为纯阻性负载，由于滤波电容的使用，整流电 路的输入端电流为脉冲电流，包含了大量的谐波。另外，由于对输出电压 没有控制，输出电压随负载波动变化较大，使得下一级电路的设计必须留出 一定的裕量，造成对器件使用效率的限制。在电路中采用相控整流虽然可以 对输出直流电压进行控制，但是这种电路的输入端也含有大量的电流谐波， 而且网侧功率因数较低乜3 。在电力电子装置应用日广、容量日增的今天，这 种情况使公用电网受到严重的污染，不仅有害于网间负载，也会对各种信息 设备产生干扰，甚至影响电网质量管理。为了保证电网和用电设备的安全经 济运行，目前许多工业发达国家、国际电工组织以及一些大电力公司都制定 了相应的谐波标准，对用电设备的输入端性能作出严格的限制，这些标准对 电器的输入端功率因数和输入端电流各次谐波的含量都作出了具体的限定。 随着这些规范逐渐被各国采用，功率因数和谐波含量成为电力电子系统设计 人员必须考虑的问题。我国则于1 9 9 3 年完成了国家标准电能质量及公用电 网谐波的制定，并由国家技术监督局发布，于1 9 9 4 年3 月1 日起正式执行。 为了解决网侧功率因数低、谐波含量高的问题，人们曾在谐波抑制和无功补 偿等方面做了很多努力，也取得了很多成绩，但从总体上并没有根本解决此 问题，原因是所有可控整流电路依然用晶闸管构成并沿用相控方式，也就无 法消除产生谐波和无功的根源。相反，如果在整流电路中采用p w m 控制方式、 功率器件改为i g b t 等全控型器件，便可以很轻松解决上述问题。尽管p w m 整流电路目前还没有被普遍采用，但终将成为整流电路的主要形式。 p w m 整流器可以使交流网侧呈现受控电流源的特性口1 ，这就意味着交流侧 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 电流的幅值和相位均为可调的，这一特性使p w m 整流器不仅能够应用于整流 环节，而且在其它方面也有非常广泛的应用，如：有源滤波器h 1 、超导储甜5 1 、 交流传动删、高压直流输电耵3 以及统一潮流控制睛1 等。 1 2 国内外p w m 整流器研究概况 p 1 】i m 整流器的研究是在2 0 世纪8 0 年代开始的，由于自关断器件的日趋 成熟和应用，推动了p 1 j l m 技术的研究与应用。早期的p w m 控制技术主要以电 流的幅相控制为主，1 9 8 4 年h 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 结构的无功补偿器的控制策略，将p w m 整流器应用于实际中。自2 0 世纪9 0 年代以来，p 1 j l m 整流器一直是学术界关注和研究的热点，随着研究的深入， 基于p w m 整流器拓扑结构和控制的拓展，相关的研究应用也发展起来，这一 时期p w m 整流器的研究主要集中于以下几个方面： ( 1 ) p w m 整流器的建模和分析 p w m 整流器的数学模型是进行控制系统设计的基础，对于其数学模型的 研究，建立了p w m 整流器连续和离散数学模型，低频和高频数学模型等。 ( 2 ) 关于电压型p 1 】i m 整流器电流控制策略的研究 p w m 整流器的电流控制方式主要分为电流的直接控制和电流的间接控制 两大类嘲。电流的间接控制较简单，且一般无需电流反馈控制，其主要问题 在于电流的动态响应不够快，对系统参数较敏感，甚至交流侧电流中含有直 流分量等，因而常用于对动态响应要求不高且控制结构要求简单的场合，目 前这方面的研究相对较少。电流的直接控制以快速电流反馈控制为特征，可 以获得较高品质的电流响应，其主要缺点是控制结构和算法较电流的间接控 制复杂，是近年来的研究热点。 ( 3 ) 关于p w m 整流器拓扑结构的研究n 们 p 1 】| m 整流器可以分为电压型整流器( v o l t a g es o u r c er e c t i f i e r v s r ) 和 电流型整流器( c u r r e n ts o u r c er e c t i f i e r c s r ) 两大类，两类整流器对于不 同的功率等级和应用场合，拥有不同的拓扑结构。如在小功率整流电路中多 采用单相不控整流加一级直流变换电路结构以实现网侧功率因数校正，在中、 大功率整流电路中多采用单相或三相桥式电路的结构。 2 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 ( 4 ) p i l l 整流器系统控制策略的研究 随着p 1 】i m 整流器及其控制策略研究的深入，目前相继提出了一些较为新 颖的控制策略，如无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制n 1 1 、基于 l y a p u n o v 稳定性理论的控制n 羽、基于无源控制理论的控制n 3 h 1 、基于自抗扰 技术的控制n5 1 、功率控制n 6 竹3 、反馈线性化控制n 引、电网不平衡条件下的控 制n 9 1 等。 1 3 课题研究的主要内容 课题以三相电压型p 1 】| m 整流器为研究对象，进行控制系统仿真，具体工 作如下： ( 1 ) 分析三相电压型p w m 整流器的基本工作原理，建立三相电压型p w m 整流器的数学模型。 ( 2 ) 对主电路参数进行设计。 ( 3 ) 对三相电压型p i n 整流器的控制方式进行仿真研究，研究的控制 方式包括：电流滞环控制、电流p i 控制，空间矢量控制。 1 4 课题需要达到的性能指标 ( 1 ) 网侧电流为正弦波。 ( 2 ) 直流电压稳定。 ( 3 ) 较快的动态控制响应。 ( 4 ) 网侧功率因数接近于1 。 3 第2 章p w m 整流器的工作原理 2 1p w m 整流器的工作原理 p i 矾v i 整流电路不同于传统的晶闸管整流电路。当p w m 整流器从电网吸取 电能时，其运行于整流工作状态；而当p w m 整流器向电网传输电能时，其运 行于有源逆变工作状态。所谓单位功率因数是指：当p w m 整流器运行于整流 状态时，网侧电压、电流同相：当p w v l 整流器运行于有源逆变状态时，其网 侧电压i 、电流反相。进一步研究表明，由于p i 酮i v l 整流器其网侧电流及功率因 数均可控，因而可被推广应用于有源电力滤波及无功功率补偿等非整流器应 用场合n 嘲1 。 综上可见，p w m 整流器实际上是一个其交、直流侧均可控的四象限运行 的变流装置。为便于理解，以下首先从模型电路阐述p w m 整流器的基本工作 原理。 三 pv l r _ + 矧 _ j z 一 、 广 图2 1p w m 整流器模型电路 从图2 1 可以看出：p w m 整流器模型电路由交流回路、功率开关桥路以 及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势2 以及网侧电感三等；直流 回路包括负载电阻r l 及负载电势气等；功率开关桥路可由电压型或电流型桥 路组成。 当不计功率开关桥路损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得 z v = ( 2 - 1 ) 4 式中： 1 ，模型电路交流侧电压，v f 模型电路交流侧电流，a 模型电路直流侧电压，v 乙模型电路直流侧电流，a 由式( 2 1 ) 不难理解：通过模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧， 反之亦然。下面从模型电路交流侧入手，分析p w m 整流器的运行状态和控制 原理。 稳态条件下，p w m 整流器交流侧矢量关系如图2 2 所示。 b a ) 、 e v 、 k 一 - c i c d bi b ) i d c c)d) 图2 2p w m 整流器交流侧稳态矢量关系 a ) 纯电感特性运行b ) 正阻特性运行c ) 纯电容特性运行d ) 负阻特性运行 图中：1e一交流电网电动势矢量，v 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 v 一一 交流侧电压矢量，v v t 交流侧电感电压矢量，v i 一 交流侧电流矢量，a 为简化分析，对于p w m 整流器模型电路，只考虑基波分量而忽略p w m 谐 波分量，并且不计交流侧电阻。这样可从图2 2 分析：当以电网电动势矢量 为参考时，通过控制交流电压矢量v 即可实现p w m 整流器的四象限运行。若 假设lil 不变，那么lv lf _ 础lii 也固定不变，在这种情况下，p w l v l 整流器交 流电压矢量v 端点运动轨迹构成了一个以iv il 为半径的圆。当电压矢量v 端 点位于圆轨迹a 点时，电流矢量i 比电动势矢量e 滞后9 0 度，此时p w m 整流 器网侧呈现纯电感特性，如图2 2 a 所示；当电压矢量v 端点运动至圆轨迹b 点时，电流矢量i 与电动势矢量e 平行且同向，此时p w m 整流器网侧呈现正 电阻特性，如图2 2 b 所示；同理，当电压矢量v 端点运动至圆轨迹c 点时， 电流矢量i 比电动势矢量e 超前9 0 度，此时p w m 整流器网侧呈现纯电容特性， 如图2 2 c 所示；当电压矢量v 端点运动至圆轨迹d 点时，电流矢量i 与电动 势矢量e 平行且反向，此时p f l v l 整流器网侧呈现负阻特性，如图2 2 d 所示。 以上a 、b 、c 、d 四点是p w m 整流器四象限运行的四个特殊工作状态点，进一 步分析，可得p w m 整流器四象限运行规律如下： ( 1 ) 电压矢量v 端点在圆轨迹彳雪上运动时，p v l v l 整流器运行于整流状 态。此时，p w m 整流器需从电网吸收有功及感性无功功率，电能将通过p w m 整流器由电网传输至直流负载。值得注意的是，当p w m 整流器运行在b 点时， 则实现单位功率因数整流控制；而在a 点运行时，p w l v l 整流器则不从电网吸 收有功功率，而只从电网吸收感性无功功率。 ( 2 ) 当电压矢量v 端点在圆轨迹匆e 上运动时，p w m 整流器运行于整流 状态。此时，p w l v l 整流器需从电网吸收有功及容性无功功率，电能将通过p 1 】| m 整流器由电网传输至直流负载。当p w m 整流器运行至c 点时，此时，p w m 整 流器将不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收容性无功功率。 ( 3 ) 当电压矢量v 端点在圆轨迹芒西上运动时，p w m 整流器运行于有源 逆变状态。此时p w m 整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能将从p w m 整流器直流侧传输至电网。当p v 订v l 整流器运行至d 点时，便可实现单位功率 因数有源逆变控制。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 当电压矢量v 端点在圆轨迹删上运动时，p w m 整流器运行于有源 逆变状态。此时，p w m 整流器向电网传输有功及感性无功功率，电能将从p w m 整流器直流侧传输至电网。 显然，要实现p w l v l 整流器的四象限运行，关键在于网侧电流的控制。一 方面，可以通过控制p w m 整流器交流电压，间接控制其网侧电流；另一方面， 也可通过网侧电流的闭环控制，直接控制p w m 整流器的网侧电流乜。 2 2 电压型p w m 整流器的主电路拓扑结构 随着p w m 整流技术的发展，已设计出多种p w m 整流器，按直流储能形式 分类可分为电压型和电流型：按电网相数可分为单相电路、三相电路和多相 电路；按p 胤开关调制方式分类可分为硬开关调制和软开关调制；按桥路结 构分类可分为半桥电路和全桥电路；按调制电平分类可分为二电平电路、三 电平电路和多电平电路。 n o 图2 3 三相半桥v s r 拓扑结构 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 尽管分类方法多种多样，但最基本的分类方法就是将p w m 整流器分类成 电压型和电流型两大类，这主要是因为电压型、电流型p w m 整流器，无论是 在主电路结构、p w m 信号发生以及控制策略等方面均有各自的特点，并且两 者间存在电路上的对偶性。其它分类方法就主电路拓扑结构而言，均可归类 于电流型或电压型p w m 整流器之列。本文主要针对三相电压型p 1 j | m 整流器进 行分析。 电压型p 1 j l m 整流器( v s r ) 最显著拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流 储能，从而使v s r 直流侧呈低阻抗的电压源特性瞳0 l 。图2 3 给出了电压型p 1 j l m 整流器三相半桥主电路拓扑结构。其交流侧采用三相对称的无中线连接方式， 并采用6 只功率开关，这是一种最常用的三相p v n 整流器，通常所谓的三相 桥式电路即指三相半桥电路。 2 3 三相电压型p w m 整流器的数学模型 三相v s r 拓扑结构如图2 3 所示。为建立如图2 3 所示整流器拓扑结构 的数学模型髓妇呦1 作以下假设： ( 1 )电网电动势为三相平衡的纯正弦波电动势； ( 2 ) 网侧滤波电感是线性的，且不考虑饱和； ( 3 ) 功率开关管为理想开关无导通关断延时，无损耗。 由上述假设得到三相电压型p w m 整流器的主电路如图2 4 所示。图中甜。、 u ，、“。为三相对称电网电动势相电压；屯、0 为三相线电流；s k 定义为 单极性二值逻辑开关函数，s k ( 后= 甜、v 、w ) = l ( 上桥臂导通，下桥臂关 断) ，s k ( 忌= 铭、v 、w ) = o ( 上桥臂关断，下桥臂导通) ；屹为直流电压； r 、三为滤波电抗器的电阻和电感；c 为直流侧电容；r l 为负载；甜。、甜n ，、 甜。为整流器的输入电压；乙为直流侧电流：f ：为负载电流。 设三相对称电网电压及线电流为 8 甜h = c o s 国t 一 “，= c o s ( c o t 一鲁万) ( 2 2 ) j ， ”。= c o s ( c o t + - 鲁- z r ) 屯= lc o s ( 国t + 伊) ， = 厶c o s ( 国r + 缈一万) ( 2 3 ) j ， f v = lc o s ( 硝+ 伊+ 万) 式中： 9 交流电压与电流相位差，度 国 交流电源角频率，弧度s n 一 j ” s vs 。 ，k 。 七 q 奠工一r 乞一 j 一一叼勺- 戋一l r 0 “朋 r a y 一= =剥 璺l r t l 一 u 一 。 l l _ _1 s “s ， s 。j 0 对交流侧应用基尔霍夫电压定律，由图2 4 可得： 三丢 兰 = 圣 一r 兰 一 芝 c 2 4 ， 在式( 2 4 ) 中，甜牌= & + z ，= s , v 出+ u o u ，= s w v d c + u o u ， 为下桥臂节点d 与电源中性点之间的电压。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 考虑三相对称系统，有 则可以得到下式 则有 ( 2 - 5 ) = 一等s k ( 2 6 ) ， 七= y w u r u = ( & 一等e ) - ， 七暑，v ，w = ( & 一等s k ) ( 2 - 7 ) _ 七霉“，v ，w 巩( 一等) 对直流侧电容正极节点应用基尔霍夫电压定律，得 c d 出v d = 兹一屯 ( 2 8 ) 出 “ 在式( 2 _ 8 ) 中，乞2 屯屯+ 乱+ 。；对于电阻负载屯2 薏。 联立式( 2 4 ) ( 2 - 8 ) ，得到三相电压型p w m 整流器在三相r v w 静止坐标 系中的数学模型为 ，屯 l d t ，矾 l 一 衍 td i w l 一 衍 r 氨记 l d t 蚝 u y o 灭 o or oo s u s v 其数学模型结构图如图2 5 所示胁1 。 1 0 o0 00 ro 8 w 0 0 0 0 v 钯 u r u u n 7 甜九 0 ( 2 - 9 ) = 0 嚣栅“蚝k 哈尔滨工程大学硕士学位论文 & & 乞 o 。i 1 乞。! r 一 l 1 y 【一7r+s l 一公 ji +s cj i leh 一+ 主二 ，1 _ 一 u 一 ? + + l + 1 r 、 一x 一一足+ sl一公 7 j【 + 二! r 1 上 ryy + 【二 i 3 r l j1v y 1 _ ； + 1 缸。 7 x 一 r+sl 7 i + 士一 l r1 j杰j 图2 5 三相电压型p w m 整流器在三相静止坐标系中的数学模型结构图 2 4 三相电压型p w m 整流器换流过程的分析 三相电压型p w m 整流器的主电路如图2 3 所示。用“l ”表示某相上桥臂 导通，下桥臂关断，用“0 表示某相下桥臂导通，上桥臂关断，则三个桥臂 组合起来有8 种开关状态( 0 0 0 - 1 1 1 ) ，其中( 0 0 1 - 1 1 0 ) 为6 个非零状态，( 0 0 0 ) 、 ( 1 1 1 ) 为两个零状态，8 种开关状态对应于8 种整流器输入电压矢量甜，即 u o ( 0 0 0 ) 、u 。( 1 0 0 ) 、u 。( 1 1 0 ) 、u 3 ( 0 1 0 ) 、u 4 ( 0 1 1 ) 、u 。( 0 0 1 ) 、u 8 ( 1 0 1 ) 、 u ，( 11 1 ) 。把整流器的输入电压换成电压空间矢量的形式口3 1 ： u r = 甩+ 9 r u r v + 口2 u r w ) = ( & + 致，) + a ( s ，v z + 敞) ) + 口2 ( + 州) 】 ( 2 一1 0 ) ：要咄& 一号( s v + s w ) + 拿瓴q ) 】 当屯j ，s w = 0 0 0 0 0 1 时，对应的u o ( 0 0 0 ) 、u t ( 1 0 0 ) 、u 2 ( 1 1 0 ) 、u s ( 0 1 0 ) 、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 u ( 0 1 1 ) 、u 5 ( 0 0 1 ) 、u 6 ( 1 0 1 ) 、u 7 ( 1 1 1 ) ，；n 0 0 ( 0 0 1 1 1 0 ) 的幅值为吾， 如图2 6 所示。 j。6 u 3u 2 、扒 u 。口一 u 4 u o v f t， y 一 - i， 、 - l 一， v ， ， ， ， 、 如图2 6 整流器的输入电压空间矢量 设整流器主电路的电流如图2 3 所示。图中，之，不分别代表整流 桥各桥臂电流；七为直流滤波电容电流；箭头方向代表所对应电流的参考方 向。 整流器输入电压空间矢量( 滞后于电网电压空间矢量) 分为六个区域： i 区：o n6 0 。，i i 区：6 0 。1 2 0 。，i i i 区：1 2 0 “1 8 0 。，i v 区：1 8 0 。2 4 0 。， v 区：2 4 0 。一3 0 0 6 ，v i 区：3 0 0 。一3 6 0 。，如图2 7 所示。 为了分析的方便，暂且不考虑死区的影响。设系统进入稳态运行时电流 能够完全跟踪电网电压的波形，根据三相输入电流的流向，同样可以将上述 圆周分为六个区域：- - n 0 = - 3 0 。3 0 。，乞 o ，0 o ，0 o ；三区：0 = 9 0 。1 5 0 。，乞 o ，屯 0 ；五区：0 = 2 1 0 。2 7 0 。，屯 o ，毛 o ；如图2 7 所示。 根据图2 7 的工作区间划分，分析整流器的换流过程如下： ( 1 ) 工作状态1 此状态中秒= 0 6 3 0 。，电压空间矢量在i 区，输入电流状态为t 。 o ，i ， 0 ( = 一) 、毛2 0 、 i 6 0 ( 毛= 屯) 、之 o ( 之= 一0 ) 、毛- 0 、 0 ( = 一) 、毛= 0 、芘5 0 ，磕 o ，如 0 ，整流器输入端线电压”栅= 、甜删= 0 、u r , u = 一，三相电感l 向电容 c 和负载释放能量：模式( c ) ，开关状态为( 1 1 0 ) ，电流状态为 0 ( = 乇) 、 之 o ( i 2 = 一屯) 、毛 o ，f c 0 ，屯 o ，整流 器输入端线电压甜m = 0 、= 、 m = 一，1 ，相电感三存储磁场能量，“、 w 相电感三向电容c 和负载释放能量；模式( d ) ，开关状态为( 1 1 1 ) ，电流 状态为毛 0 ( = 屯) 、之= 0 、毛 o ，整流器输入端线电压= ”。= = 0 ，三相电感三存储磁场能 量。 图2 7 工作区间划分 ( 2 ) 工作状态2 此状态中秒- - = 3 0 。一6 0 。，电压空间矢量在i 区，输入电流状态为乏。 o ， 0 ，0 0 ( 如= 一0 ) 、毛= o 、 0 ( f 4 = 一) 、毛2 0 、f 6 o ( 1 = 乞) 、之 0 ( 2 = ) 、毛2 0 、厶 o ( = 一) 、毛2 0 、瓦2 0 ， 屯 0 ，屯 o ，屯 o ，整流器输入端线电压甜舢2 、2 0 、甜m = 一，三相 电感三向电容c 和负载释放能量；模式( c ) ，开关状态为( 1 1 0 ) ，电流状态 为毛 o ( i = 屯) 、如 0 ( f 2 = 一0 ) 、毛 o ，屯 0 ， 屯 o ，整流器输入端线电压z = o 、甜删= 、“= 吨，三相电感l 向电容 c 和负载释放能量；模式( d ) ，开关状态为( 1 1 1 ) ，电流状态为 o ( = 屯) 、 f 2 = 0 、毛 0 ( f 3 = ) 、= o 、毛15岛)(2-22)2vai=3 i m c o 、也m 。 要使式( 2 2 2 ) 成立，其电感取值上、下限比值五必须满足： 五2 瓦j 面2 v a c 面3 i ”蕊c o 1 ( 1 5 ) ( 2 2 3 ) ( 2 一3 ) e 2 k ”出。册7 、。7 即 争 塑写掣 ( 1 5 ) ( 2 _ 2 4 ) 厶4 吆 ”7 “ 1 7 取三相电压有效值u = 2 2 0 v ，频率厂= 5 0 h z ，v a = 8 0 0 v ，额定功率= 1 0 i n ， 开关频率胆k h 吡= 乏- 1 2 5 a ，r2 笔“4 m 交流侧电流峰值 l ：嘉压划她a ，且等 垫铲- o 3 则 k 。8 a ，取k = 。5 a 。此时等= 2 3 3 则根据式( 2 - 2 2 ) 得 1 3 m h v d o ，显然 驱丧 。3 。 一般情况下，工程上常取 卜他急( 2 - 3 2 ) l 吃= 3 圪= 厩 式中： 圪一一 三相v s r 网侧相电压有效值，v 将式( 2 - 2 5 ) 、式( 2 - 3 2 ) 代入式( 2 - 3 1 ) ，并化简得 c 垒 ( 2 3 3 ) 0 7 4 r z 。 可见，由三相v s r 直流电压控制的跟随性指标，可求出直流侧电容的上 限值。 a t ；= 0 1 s ，则c q ：! ：2 2 0 0 1 i f 。 0 7 4 6 4 ( 2 ) 满足v s r 直流电压抗扰性指标时电容设计 当考虑三相v s r 直流电压控制的跟随性指标的时候，希望电容越小越好， 但同时我们还要考虑直流电压的抗扰性能，这要求电容越大越好。因此在选 择电容的时候取满足跟随性能指标的最大值，取c = 2 2 0 0 师。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 6 本章小结 本章介绍电压型p w m 整流器的工作原理，说明了要实现p w m 整流器的高 功率运行，关键在于网侧电流的控制。介绍了三相电压型p w m 整流器的主电 路拓扑结构，建立了p w m 整流器在三相静止坐标系中的数学模型，对三相电 压型p w m 整流器换流过程进行了分析，对主电路参数进行了设计。 2 1 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第3 章三相电压型p w m 整流器的电流滞环控制 v s r 建模及控制系统分析研究表明：v s r 工作时，能在稳定直流侧电压的 同时，实现其交流侧在受控功率因数( 如单位功率因数) 条件下的正弦波电流 控制。另一方面，常规的v s r 控制系统一般采用双闭环控制即电压外环和电 流内环控制。在v s r 双闭环控制设计中，电流控制动态性能直接影响v s r 电 压外环控制性能瞳5 1 。 根据是否检测整流器的输入电流作为反馈和被控制量，三相p 1 | m 整流器 的控制策略可分为电流的间接控制和电流的直接控制两种方式。电流的间接 控制通过控制整流器输入电压的幅值和相位间接控制输入电流，因此也称为 “电压幅值相位控制 。电流的间接控制方式的优点是不需要电流传感器，控 制简单，成本低；缺点是系统动态响应慢，输入电流在动态过程中会出现直 流偏置，且对系统参数波动较敏感。因此，电流的间接控制适合于对控制性 能要求不高、控制结构要求简单、对动态性能响应要求低的场合。电流的直 接控制需要检测整流器的输入电流作为反馈和被控量，具有系统动态响应速 度快，限流容易，电流控制精度高等优点。电流的直接控制的主要缺点是输 入电流的检测需要电流传感器，提高了系统的成本，而且控制结构和算法较 电流的间接控制复杂。 本章主要介绍电流滞环控制技术。 3 1 电流滞环控制介绍 由于固定开关频率p w m 电流控制对系统参数以及负载波动较敏感。对于 三相v s r 电流控制，当三相v s r 交流侧电压峰值波动时，若p w m 开关频率固 定，则电流跟踪偏差大小也发生波动，如果当三相v s r 交流侧电压峰值波动 时，p w m 开关频率也做相应的调整时，则电流跟踪偏差几乎不变，这对要求 电流跟踪精度较高的控制系统十分重要。而电流滞环控制则可以实现上述要 求，这种电流控制结构中无传统的电流调节器口叼( 如p 、p i 调节器等) ，取而 哈尔滨工程大学硕七学位论文 代之的是一个非线性环节一一滞环。 电流滞环控制是一种瞬时值反馈控制模式3 ，其基本思想是将电流给定 信号与检测到的整流器实际输入电流信号相比较，若实际电流大于给定值， 则通过改变整流器的开关状态使电流减小，若实际电流小于给定值，则通过 改变整流器的开关状态使电流增大嘞儿捌。这样，实际电流波形围绕给定电流 波形作小幅度的上下波动，并将偏差控制在一定范围以内。电流反馈的存在 能够加快动态响应和抑制内环扰动，而且还可以通过防止整流器过流而保护 功率开关元件，这些优点使它得到了广泛的应用。 电流滞环控制拓扑结构如图3 1 所示。 图3 1电流滞环控制拓扑结构 在此方式中，为实现三相v s r 直流侧电压无静差控制，电压调节器采用 比例积分( p i ) 调节器。电压调节器输出为三相v s r 交流侧电流峰值指令信号 艺，再由同步环节提供所需的电流相角指令信号，这样就给出了三相v s r 交 流电流给定信号i ：儿w ，此给定信号与实际检测到的三相v s r 交流侧电流信号 做差，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路 中开关通断的p 1 ：l m 信号，该p w m 信号经驱动电路控制开关的通断，从而控制 交流电流信号的变化。 采用滞环比较方式的p w m 整流电路有如下特点： ( 1 ) 硬件电路简单。 ( 2 ) 不用载波。 ( 3 ) 与计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含 量高。 哈尔滨工程大学硕七学位论文 ( 4 ) 实时控制，电流响应快。 ( 5 )闭环控制，是各种跟踪型p w m 变流电路的共同特点。 3 2 滞环p w m 电流控制仿真 随着计算机技术的飞速发展，使得仿真技术的应用领域不断扩大。如今， 计算机仿真己经成为对控制系统进行系统分析、研究和设计的有力工具。在 电力电子仿真方面，m a t l a b s i m u l i n k 得到