（电力系统及其自动化专业论文）基于双pwm变流器的直接转矩控制系统研究.pdf

英文摘要 a b s t r a c t d u a lp w mc o n v e r t e rh a si n t r o d u c e dt h ep w mr e c t i f i c a t i o ne n e r g ye v o l u t i o n i n s t a l l m e n ti nc o m m o nc u r r e n c yf r e q u e n c yc h a n g e r sf o u n d a t i o n t h ed e v i c ec a n e n h a n c et h eu s ef a c t o ro ft h ee l e c t r i c a le n e r g y t h er e n e w a b l ee n e r g ys o u r c e sb a c k c o u p l i n gw h i c hp r o d u c e sb yt h ee l e c t r i cm o t o rt oe x c h a n g e st h ee l e c t r i c a ln e t w o r k ， a n dc a ne n h a n c et h ei n s t a l l m e n tt h ep o w e rf a c t o r , r e d u c e st oe l e c t r i c a ln e t w o r k s o v e r t o n ep o l l u t i o n t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lm e t h o dw a si n19 8 5r a i s e sf o rt h ef i r s t t i m eb yg e r m a np r o f e s s o rr u h ru n i v e r s i t y sd e p e n b r o c k ，i ta l r e a d yd e v e l o p e dn o w i n t oa f t e rt h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r yv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yd e v e l o p e dt h en e w e x c h a n g ev e l o c i t ym o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , h a dt h ec o n t r o lt h o u g h tc o n c i s e l y , t h e d y n a m i cr e s p o n s er a p i dm e r i t ，t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lt e c h n o l o g yt o o ko n ek i n do f l l i g hp e r f o r m a n c ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o nt e c h n o l o g ya l r e a d yt o b e c o m et h et r a n s m i s s i o na r e ar e s e a r c ht h en e wh o ts p o t t h j sa r t i c l ei ns u m m a r i z e sa n dt h er e s e a r c hc u r r e n tp w mr e c t i t i e ra n dt h ed i r e c t t o r q u ec o n t r o lb a s i ct h e o r ya n d i nt h ec o i n l i l o nt e c h n i c a lf o u n d a t i o n ，h a sd e s i g n e do n e k i n db a s e do nt h ed s pr e c t i f i c a t i o ns i d ev o l t a g e ，t h ee l e c t r i cc u r r e n td o u b l ec l o s e d l o o p ，t h ec o n t r a v a r i a n ts i d ed i r e c tt o r q u ec o n t r o ld o u b l ep w mv a r i a b l e c u r r e n t s y s t e m t h ep w mr e c t i f i c a t i o nw a st h i sa r t i c l ek e yr e s e a r c hq u e s t i o n ，t h i sa r t i c l eh a s a n a l y z e dt h ev o l t a g ep w m r e c t i f i e r sm a i nc i r c u i tt o p o l o g y , t h ep r i n c i p l eo fw o r ka n d t h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，i n t r o d u c e ds e v e r a lk i n do fc o m m o nv s rc u r r e n tc o n t r o l t e c h n o l o g ya sw e l la sv s r t h es p a c ev e c t o rp w mc o n t r o lt e c h n o l o g y , h a sb a s e do n t h i sd e s i g n e dt h ev o l t a g eo u t e rr i n g ，t h ee l e c t r i cc u r r e n ti n n e rr i m sd o u b l ec l o s e d - l o o p c o n t r o lr e c t i f i e rp l a n ，a n dt h ee l e c t r i cp o w e re l e c t r o nt o o l b o xw h i c hp r o v i d e du s i n g m a t l a bu n d e rt h es i m u l i n ks i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tc a r r i e so nt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t ，t h es i m u l a t i o nr e s u l th a di n d i c a t e dt h a tt h ep w m r e c t i f i e rn o to n l yh a d t h ec o n t r o l l a b l ea c d ct r a n s f o r m a t i o np e r f o r m a n c e ，m o r e o v e rm i g h tr e a l i z et h en e t s i d es p e c i f i cp o w e rf a c t o ra n dt h es i n u s o i d a lc u r r e n tc o n t r o l ，e v e nc o u l dc a u s et h e e l e c t r i c a le n e r g yt w o - w a yf l o w , a n dh a sd e s i g n e dp w mf i n a l l ya c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o np a r a m e t e rr e c t i f i e r sh a r d w a r ec i r c u i t ，h a sp r o v e nt h ep w mr e c t i f i c a t i o n s y s t e md e s i g na c c u r a c yt h r o u g ht h eh a r d w a r ec i r c u i te x p e r i m e n t 英文摘要 t ot h ec o n t r a v a r i a n ts i d e f r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o ns y s t e m s r e s e a r c h , a n a l y z e da n d h a ss t u d i e dt h e m o t o rf r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i 够 m o d u l a t i o ns e v e r a lk i n do fc o n t r o lp l a nt h e o r e t i c a l l y , h a ss t u d i e dt h ed i r e c tt o r q u e c o n t r o lt e c h n o l o g yw i t he m p h a s i si nt h ea l t e r n a t i n gc u r r e n tm o t i v ef r e q u e n c y c o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o ns y s t e m sa p p l i c a t i o n ，a n dh a se s t a b l i s h e dt h ed i r e c t t o r q u es i m u l a t i o nm o d u l e 、柝t l lt h em a t l a bs o f t w a r e h a sc a r r i e do nt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t ，g a i n e dh a sc o n f o r m e dt od e s i g nr e q u i r e m e n t ss i m u l a t i o np r o f i l e t h i sa r t i c l ei nt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sf o u n d a t i o n ，u s e dt ic o r p o r a t i o n s t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s pc h i pt od e s i g nt h ep w mr e c t i f i e r , o b t a i n e dt h ep r e l i m i n a r y r e s u l t t h i sa r t i c l ea c h i e v e m e n tt os t u d ya n dd e v e l o p st h ed o u b l ep w mc o n v e r t e rt o p r o v i d et h eu s ev a l h e k e yw o r d s ：d u a lp w m ：p w mr e c t i f i e r ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；s v p w m 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成辫硕士学位论文= = 基王塑必变速墨的直接旌矩控亟丕统研究= = 。除 论文中已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：勇乏施 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：多彩 导师签名： 日期：加7 年 7 勃 一 7 月乒日 基于双p 硼变流器的直接转矩控制系统研究 第一章绪论 1 1 课题的背景与意义 当今社会，能源与环保已经成为人们日益关注的焦点。目前，通用的变流装 置大多为电压型的交一直一交型，整流环节广泛采用晶闸管相控整流电路或二极 管整流电路。虽然这种结构的效率和精度较高，调速范围宽，但也有很多严重的 缺点： 晶闸管相控整流电路的输入电流滞后于电压，其滞后角随着触发延迟角仅的 增大而增大，位移因数也随之降低。同时，输入电流中谐波分量也很大，因此功 率因数很低。二极管整流电路虽然位移因数接近1 ，但输入电流中谐波分量很大， 所以功率因数也很低。 网侧电流波形严重畸变，谐波大，对公共电网造成污染。在不控整流侧，输 入电流是非正弦的，如果没有输入滤波器，输入电流的谐波含量也很大，严重干 扰附近的用电设备。 由于二极管的单向导电性，功率传递只能从网侧到负载侧，使系统不能在再 生状态下运行，无法实现能量的再生利用。 对电网注入大量无功功率，使发电设备和输电线路损耗增加，对公用电网带 来不利影响。 随着这些变流装置的日益广泛的应用，使电网中的谐波污染日益严重。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；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、绝缘老化、寿命缩短；谐波会引起电 网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，谐波会导致继电保护和自动装 置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确：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。 治理这种电网污染最根本的措施就是，要求变流装置实现网侧电流正弦化， 且运行于单位功率因数。p w m 控制为减少谐波提供了一个技术性的方案。 第一章绪论 随着高频电力电子器件如g t r ( g i a n tt r a n s i s t o r ) 、g t o ( g a t et u r no f f t h y r i s t o r ) 、i g b t 向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展， p w m 控制方法越来越成为减少谐波污染的首选方案。主要思路技术采用全控型 功率开关管，并将p w m 技术引入到变频器整流环节的控制中，使整流器网侧电 流正弦化，并可运行于单位功率因到。 三相双p w m 变流器应用p w m 控制技术分别对整流部分和逆变部分进行双 p w m 控制，由p w m 整流器和p w m 逆变器实现交一直一交变换，这种方式可 以实现网侧输入电流非常接近正弦波，且与输入电压同相位，功率因数接近于l ， 输入电流的谐波含量接近于0 ，整流器能够四象限运行，实现能量的双向传输， 有效利用再生能量，真正实现绿色电能变换。 2 0 世纪6 0 年代以后，由于生产发展的需要和节约能源的要求，促使世界各 国重视交流调速的研究与开发。尤其是2 0 世纪7 0 年代以后，由于科学技术的迅 速发展为交流调速理论及应用技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基 础。 自从7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术从理论上解决了交流调 速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。然而，在实际上由于转子磁 链难以准确观测，并且系统特性受电动机参数的影响较大，以及在模拟直流电动 机控制中所用矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果难以达到理论分析的 结果。这是矢量控制技术在实践上的不足之处。 直接转矩控制思想于1 9 7 7 年a b p i u n k e t t 在i e e e 杂志上首次提出，1 9 8 5 年德国鲁尔大学的d e p e n b r o e k 教授首次取得了实际应用的成功。不同于矢量控 制技术，直接转矩控制有着自己的特点，它在很大程度上接决了矢量控制中计算 复杂、特性易受电机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果的些重 要技术问题。 因此，结合高性能整流器与直接转矩控制技术的双p w m 变流器的研究具有 重要的实际意义。本文以大连海事大学与大连康宇测控仪器仪表工程有限公司合 作开发项目为背景，即船舶电力推进直接转矩控制系统关键装置的研究。该 研究项目的技术特点是：前级采用p w m 整流器减少谐波污染、提高功率因数， 2 基于双p 删变流器的直接转矩控制系统研究 后级交流调速部分采用直接转矩控制方式，满足船舶操控对调速的要求，控制算 法的实现和数据采集的核心采用嵌入式的d s p 和f p g a ，能增加系统的可靠性， 增强e m c ，减少体积。 1 2 课题研究现状 对p w m 整流器的研究始于2 0 世纪8 0 年代，1 9 8 2 年b u s s ea l f r e d 、h o l t z j o a c h i m 首先提出了基于可关短器件的三相全桥p w m 整流器拓扑结构及其网侧 电流幅相控制策略，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 的无功补偿器控制策略，这就是电压型p w m 整流器早期设计思想。到2 0 世纪 8 0 年代末，随着a w g r e e n 等人提出了基于坐标变换的p w m 整流器连续、离 散动态数学模型及控制策略，p w m 整流器的研究发展到一个新的高度。 自2 0 世纪9 0 年代以来，p w m 整流器的研究主要集中于建模与分析、电压 型p w m 整流器的电流控制、主电路拓扑结构研究、系统控制策略研究、电流型 p w m 整流器的研究。 1 关于p w m 整流器的建模研究 p w m 整流器的建模研究是p w m 整流器及其控制技术研究的基础。 a w g r e e n 等提出了基于坐标变换的p w m 整流器连续、离散动态数学模型之后， r w u 、s b d e w a n 等较为系统的建立了p w m 整流器的时域模型。c h u nt r i m 和d o n gy h u 等利用局部电路的d q 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，在此基础上，h e n g c h u nm a o 等人建立了一种新颖的降阶小 信号模型，从而简化了p w m 整流器的数学模型及特性分析闭。 2 关于电压型p w m 整流器的电流控制策略研究 为了使电压型p w m 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。电压型p w m 整流器的电流控制策略主要分成两类：_ 类 是j w d i x o n 和b t o o i 首先提出的间接电流控制策略，即幅相电流控制；另一 类就是目前占主导地位的直接电流控制策略，直接电流控制又分为固定开关频率 p w m 电流控制、滞环p w m 电流控制等。 3 关于p w m 整流器拓扑结构的研究 3 第一章绪论 就p w m 整流器拓扑结构而言，可分为电流型和电压型两大类。对于不同功 率等级以及不同用途，人们研究了各种不同的p w m 整流器拓扑结构。在小功率 应用场合，p w m 整流器拓扑结构的研究主要集中在减少功率开管以及改进直流 输出性能上。对于大功率p w m 整流器，其拓扑结构的研究主要集中多电平拓扑 结构、变流器组合以及软开关技术上。 4 p w m 整流器系统控制策略研究 随着p w m 整流器及其控制策略研究的深入，研究人员相继提出了一些较为 新颖的系统控制策略，主要有：无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制、 基于l y a p u n o v 稳定性理论的p w m 整流器控制、p w m 整流器的时间最优控制以 及电网不平衡条件下的p w m 整流器控制。 5 关于电流型p w m 整流器的研究 目前电流型p w m 整流器的研究主要集中于数学模型及特性分析，三值逻辑 p w m 信号发生技术，网侧电流畸变、谐振抑制及控制策略，网侧滤波参数的优 化设计，不平衡电网条件下的控制系统设计。 直接转矩控制技术的研究开始于2 0 世纪8 0 年代，是继适量变换控制技术之 后发展起来的一种交流调速技术。直接转矩控制技术的控制结构简单，控制手段 直接，信号处理的物理概念明确，转矩响应迅速。实际应用表明，采用直接转矩 控制的异步电动机变频调速系统，电机磁场接近圆形，谐波小，损耗低，噪声及 温升都比一般逆变器驱动的电机小得多。目前在国外，直接转矩控制技术已成功 应用于兆瓦级的电力机车牵引上，目前直接转矩控制的主要研究方向为开发高性 能的感应电动机、神经元网络及模糊控制应用于直接转矩控制、如何减小转矩及 电流波动和直接转矩控制应用于同步电机中。 1 3 论文的主要工作 本文研究的是双p w m 变流器的直接转矩控制系统，拟分成两个部分进行， 一是p w m 整流部分，二是p w m 逆变部分，其中p w m 整流部分采用的是电压 型整流器，是本文的研究重点。p w m 逆变部分采用的是直接转矩控制技术，主 要工作如下： 4 基于双p 删变流器的直接转矩控制系统研究 1 根据三相电压型整流器的主电路拓扑结构，分析三相电压型整流器的工 作原理，建立三相电压型整流器的数学模型，通过对数学模型的分析设计出三相 电压型整流器系统框图，应用m a t l a b 建立仿真模型，得到仿真波形，验证理论 分析的正确性。 2 分析p w m 逆变器的基本结构，变频调速原理，异步电动机在两相坐标 系下的数学模型及直接转矩控制技术的原理，同样应用m a t l a b 建立仿真模型， 得到仿真波形，验证理论分析的正确性。 3 设计基于d s p 的p w m 整流器的硬件电路，包括主电路、控制电路、驱 动电路、采样电路、保护电路的设计。 4 用c 语言来实现p w m 整流器的软件设计。 5 应用m a t l a b 建立双p w m 变流器直接转矩控制系统仿真模型，并对仿真 结果进行理论分析。 5 第二章三相电压型p 删整流器控制系统的设计 第二章三相电压型p w m 整流器控制系统的设计 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术， 即通过对系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要波形。p w m 控制技 术首先在直流斩波电路和逆变电路中发展起来。随着以i g b t 为代表的全控型器 件的不断进步，在逆变电路中采样的p w m 控制技术已经相当成熟。把逆变电路 中的p w m 控制技术应用于整流电路，通过对p w m 整流电路的适当控制，可以 实现整流器的网侧电流高度正弦化、单位功率因数运行、电能双向传输。因此 p w m 整流器是一个交、直流侧可控的四象限运行的变流装置。 本章主要介绍p w m 整流器的工作原理、三相电压型p w m 整流器在三相静 止及两相旋转坐标系下的数学模型、三相电压型p w m 整流器控制系统的设计。 2 1p w m 整流器的工作原理 由图2 1 可以看出，p w m 整流器模型电路由交流回路、功率开关桥路及直 流回路组成。其中交流回路包括交流电动势e 及网侧电感三等；直流回路包括负 载电阻r ，及负载电动势e ，等。功率开关桥路可由电压型或电流型桥路组成。 当不计功率开关管桥路损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得 如= 乞1 ，出 ( 2 - 1 ) f 、v 分别为模型电路的交流侧电压、屯电流，也、1 ，出分别为模型电路的直 流侧电压、电流。由式( 2 1 ) 可知，通过控制电路的交流侧就可以控制其直流 侧。 工 d n l _ 卜 二 j b ，ir 2 x 一k l i 图2 - 1p 贼整流器模型电路 f i g 2 - 1p w m r e c t i f i e rm o d e lc i r c u i t 6 基于双p 删变流器的直接转矩控制系统研究 稳态条件下，p w m 整流器交流侧矢量关系如图2 2 所示。 ( a )( b ) ( c ) ( d ) ( a ) 纯电感特性( b ) 正电阻特性( c ) 纯电容特性( d ) 负电阻性 图2 2e 一交流电网电动势矢量v 一交流侧电压矢量 c 圪一交流侧电感电压矢量歹一交流侧电流矢量 f i g 2 - 2 e a cg r i de l e c t r o m o t i v ef o r c e 矿a cs i d ev o l t a g ev e c t o r 圪a cs i d ei n d u c t a n c ev o l t a g ev e c t o r ，ac ；s i d ec u n e n tv e c t o r 只考虑基波分量而忽略p w m 谐波分量，并不计交流侧电阻，当以电网电动 势矢量为参考时，通过控制交流电压矢量矿就能控制直流侧的各量，实现p w m 整流器的四象限运行。若假设f ，i 不变，那么l 圪l = m l i l 也固定不变，因此，p w m 整流器交流侧电压矢量v 端点的运动轨迹就构成了一个以i 巧l 为半径的圆。 p w m 整流器四象限运行规律如下： ( 1 ) 电压矢量y 的端点在弧a b 上运动时，p w m 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，电能通过p w m 整流器 由电网传输到直流负载。当p w m 整流器运行于b 点时，实现单位功率因数整流 控制，运行于a 点时，p w m 整流器只从电网吸收感性无功功率。 ( 2 ) 电压矢量y 的端点在弧b c 上运动时，p w m 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容性无功功率，电能通过p w m 整流器 由电网传输到直流负载。当p w m 整流器运行于c 点时，只从电网吸收容性无功 功率。 ( 3 ) 电压矢量y 的端点在弧c d 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，电能通过p w m 整流 7 却却婶却 第二章三相电压型p w m 整流器控制系统的设计 器由直流侧回馈至电网。当p w m 整流器运行于d 点时，实现单位功率因数有源 逆变控制。 ( 4 ) 电压矢量矿的端点在弧d a 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，电能通过p w m 整流 器由直流侧回馈至电网【3 】。 因此，要实现p w m 整流器的四象限运行，关键在于网侧电流的控制。 p w m 整流器按照不同的方式分类方法有很多种，但最基本的分类方法是将 p w m 整流电路分为电压型( v o l t a g es o u r c er e c t i f e r - v s r ) 和电流型( c u r r e n t s o u r c er e c t i f e r - c s r ) 两大类，本文主要研究的是三相电压型p w m 整流器。首 先分析单相p w m 整流电路的拓扑结构，如图2 3 所示，为单相全桥p w m 整流 电路，交流侧电感l 包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感，电阻r 包括 外接| 电抗器的电阻和电源内阻。 i d c 图2 3 单相全桥p w m 整流电路 f i g 2 - 3s i n g l ep h a s ew h o l eb r i d g ep w m r e c t i f i e rc i r c u i t 首先假设电路运行于整流状态，当e 0 时，桥路中由l 、v d l 、v 2 、v d 4 和l 、v d l 、v 3 、v d 4 分别组成了两个升压斩波电路。以包含v 2 这一组电路为 例，当v 2 导通时，i 0 ，e 通过v 2 、v d 4 向l 储能，当v 2 关断时，为维持f 原 来的流向，v 1 不能导通，l 中储存的能量通过v d l 、v d 4 向直流侧电容c 充电， 门；降。当e 0 时相似，就不逐个分析了。 若交流电源电压e 不变，f 的幅值和相位仅由交流输入端电压甜爿月中的基波分 量的幅值及其与e 的相位差来决定，控制输入端电压砧爿8 基波分量的幅值和相位 只 基于双p 删变流器的直接转矩控制系统研究 就可以使f 比e 超前或滞后任意角度，即可以控制整流器的功率流向和功率因数。 由于电感l 的滤波作用，高次谐波电压只会是交流电路i 产生很小的脉动，当正 弦调制波的频率和电源频率相同时，f 也为与电源同频的近似正弦波，而且电路 的载波比越高，f 的波形越接近正弦波1 4 。 三相p w m 整流电路的拓扑结构与单相全桥整流电路相比，主电路多了一相 桥臂，图2 4 是三相半桥结构，是最常采用的三相电压型p w m 整流器。下面介 绍其工作原理： o 图2 4 三相v s r 拓扑结构 f i g 2 - 4t h r e ep h a s ev s rt o p o l o g i cs t r u c t u r e 由于每相桥臂共有两种开关模式，即上桥臂导通或下桥臂导通，因此三相 v s r 共有2 3 = 8 种开关模式，设单极性二值逻辑开关函数s ，( 歹= a ，b ，c ) 为： s ，： ：七篓翼要翌! 篓翼誊竺：口，b ，c c 2 2 ) “。 lo 上桥臂关断，下桥臂导通 j 。 其中，s a $ 6 s 。为( 0 0 0 ) 和( 1 1 1 ) 时，交流侧三相线电压为零。 由于不同的网侧电流瞬时方向对应不同的电流回路，为简化分析，以i o 0 ， i 。 o 时为例，设电路运行于整流状态，输入三相电压为幅值、频率相等， 相位互差1 2 0 0 的三相对称正弦波，当s a s 6 s 。为( 1 0 0 ) 时，也就是v 1 ，v 6 ，v 2 导通，这时a 电流f 。的路径是：a v d l 一r ：v d 6 b ，c 相电流的路径是： c v 2 v d 6 b ，以a 相为例分析，a 相电压方程为 1 ，。o ( ，) = v a n ( ，) + v n o ( f ) ( 2 3 ) 9 第二章三相电压型p 1 | i m 整流器控制系统的没计 v 。( ，) ：逸坠监掣竺! 巡 ( 2 - 4 ) 当采用单极性二值逻辑开关函数描述时 哳) = s j ( j = 口，b ，c ) ( 2 5 ) 联立式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 得a 相交流侧电压的开关函数表达式为 v 。( f ) ：塾掣v 出 ( 2 - 6 ) 所以s 。s 。为( 1 0 0 ) 时的a 相交流侧电压为詈v 出，与以上相似分析可得， b 相交流侧电压为一号v 出，c 相交流侧电压为一j 1 v 出。 下面以相同的方式分析逆变状态，同样当s a s 。s 。为( 1 0 0 ) 时，也就是v 1 ， v 6 ，v 2 导通，b 相电流屯的路径为：b v 6 一r - v i a ，另一条路径为b - v 6 - v d 2 c ， 可以计算出a 相交流侧电压为詈v 出，b 相交流侧电压为一；1 v 出，c 相交流侧电压 为一昙v 出。 2 2 三相v s r 的数学模型 三相v s r 的主电路拓扑结构如图2 4 所示，一般三相v s r 数学模型的建立 通常假设：电网电动势为三相平衡的正弦波电动势，滤波电感三。是线性的，不 考虑饱和现象5 1 。 由单极性二值逻辑开关函数s ，( = g ，b ，c ) 表示每相桥臂的开关模式，如式 2 2 所示，对a 相电路应用基尔霍夫电压定律得： t 警+ 足划。呻蒯w 一( 2 - 6 ) 设足，为功率开关管损耗的等效电阻，尺，为滤波电感等效电阻，当v 1 导通， v 4 关断时，s 。= 1 ，得n - = 乇r ，+ ( 2 7 ) 1 0 基于双p w m 变流器的直接转矩控制系统研究 当v l 关断，v 4 导通时，s 。= 0 ，得到 p a n 。i a r f ( 2 8 ) 令尺= r ，+ 天，将式( 2 7 ) ，式( 2 8 ) 代入式( 2 6 ) 中得： t 等+ 职也一( v d c s a + v n o ) ( 2 - 9 ) 同理可得b 、c 相电路方程为： 厶警+ r i b = u b 一( v d c s b + v n o ) 厶鲁城= u c - ( s c + v n o ) 由于系统三相对称，所以 u 。+ u 6 + u 。= 0i a + i b + f 。= 0 联立式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 i i ) 、( 2 1 2 ) 得： v：一昙v出(s口+sbno+ j 。) v 2 一j v 出【s 口 + j c ) 对直流侧电容正节点出应用基尔霍夫定律可得： c 誓= i a s a + 讽哪。二i v d c 根据式( 2 9 ) 至式( 2 1 4 ) 得出三相v s r 开关函数模型为： c 等= 旷屯 衍 七：乒：乙“ 。 咯+ 尉t = 吨慨一；1 ，三之 玑= t = 0 k = a ，b 。ck = a ，6 。c 屯_ v s r 直流侧负载电流 三相v s r 在三相静止坐标系下的模型结构如图2 5 所示 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 第二章三相电压型p w m 整流器控制系统的设计 e 口 s 口 p 占 s 6 e f j c 图2 5 三相静止坐标系中三相v s r 的开关函数模型 f i g 2 - 5t h es w i t c hf u n c t i o nm o d e lo f t h r e ep h a s ev s ri nt h r e ep h a s e s t a t i o n a r yr e f e r e n c e f r a m e 在s i m u l i n k 下建立三相v s r 整流器的仿真模型，如图2 - 6 所示： 图2 6 基于三相v s r 数学模型建立的仿真模型 f i g 2 - 6s i m u l a t i o nm o d e lb a s eo i lt h r e ep h a s ev s rm a t h e m a t i cm o d e l 1 2 基于双p 删变流器的直接转矩控制系统研究 以上在三相静止坐标系下采用开关函数描述的数学模型，这种方式的好处是 能够精确描述v s r 开关过程，适合于v s r 的波形仿真。但是在这种数学模型中， 交流侧均为时变交流量，三相之间存在耦合，不利于系统的分析与设计，为此， 可以通过坐标变换将三相静止坐标系( a ，b ，c ) 中的变量转化成以电网基波频 率同步旋转的( d ，q ) 坐标系下的直流变量。 在等量条件下，先将三相静止坐标系( a ，b ，c ) 转化成两相静止坐标系 ( 0 ，p ) ，三相两相坐标变换阵为： ， 2 i , 3 22 ： j 1 1 1 22 o 鱼一笪 22 ( 2 1 6 ) 再将两相静止坐标系( 仅，1 3 ) 转化成两相旋转坐标系( d ，q ) ，设两相旋转 坐标系以与电网同步角速度c o 旋转，仅轴与d 轴夹角为q ，两相静止坐标系到两 相旋转坐标系的变换阵为： c 2 m ，：lc ? 旷8 1 呻l ( 2 1 7 ) l s m ( pe o s q j 将式( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 代入式( 2 1 5 ) 并化简，得到三相v s r 在两相同步旋 转坐标系( d ，q ) 中的数学模型为j c 誓= ( i q s q q - i d s d h 工 三堕+ 。o l i + 尺，。 一1 ，。s 。a = u l 专 枷qq叫凼(2-18) 三詈d 一础。+ = 一v 幽 三相v s r 的模型结构如图2 7 所示 1 3 第二章三相电压型p w m 整流器控制系统的设计 u d sq sd u g 图2 7 两相同步旋转坐标系( d ，q ) 下的三相v s r 开关函数模型结构 f i g 2 - 7t h es w i t c hf u n c t i o nm o d e lo ft h r e ep h a s ev s ri nt w op h a s es y n c h r o n o u sr o t a t i n g f r a m e ( d ，q ) 设电网电动势在两相同步旋转坐标系( d ，q ) 下的矢量为瓦，选取q 轴与 电网电动势矢量重合，则q 表示有功分量参考轴，d 轴表示无功分量参考轴，从 而有利于三相v s r 系统的分析与设计。 2 3 三相v s r 的控制方法的研究 从以上数学模型分析可知，控制交流侧电流就能有效控制v s r 交直流侧能 量变换，实现p w m 整流电路运行于单位功率因数，即网侧电流正弦化且与电压 同相位。根据有没有引入电流反馈将p w m 整流电路的控制方法分为两种，一种 是没有引入交流电流反馈的间接电流控制，另一种是引入交流电流反馈的直接电 流控制。 2 3 1 间接电流控制 间接电流控制又称幅相控制，是通过p w m 控制，在整流器交流侧生成幅值、 相位受控的正弦p w m 电压。该电压与电网电动势共同作用于v s r 交流侧，并 在v s r 交流侧形成正弦基波电流，谐波电流则由整流器交流侧电感滤除。由于 这种控制方法是通过控制交流侧电压进而控制交流侧电流，所以是一种间接电流 1 4 基于双p 删变流器的直接转矩控制系统研究 控制方式。由于没有引入电流闭环，而且是应用系统稳态时的平衡关系进行计算， 所以电流调节能力不强，动态特性较差，而且对系统参数存在依赖性，当网侧电 感及等效电阻的计算值与实际值存在误差时，必然影响控制效果。间接电流的控 制结构如图2 8 ： 图2 8 间接电流控制系统结构 f i g 2 - 8i n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e 2 3 2 直接电流控制 直接电流控制与间接电流控制的区别在于具有网侧电流闭环，提高了系统的 动、静态性能，使系统的鲁棒性变强、网侧电流对系统参数不敏感。采用直接电 流控制，常规的系统设计方式是电压外环、电流内环控制。对于直接电流控制学 术界先后提出了固定开关频率p w - m 电流控制、滞环p w m 电流控制等方案。 ( 1 ) 固定开关频率p w m 电流控制是指p w m 载波频率固定不变，而以电 流偏差调节信号作为调制波的p w m 控制方法。这种方法算法简便，物理意义清 晰，实现较方便。 ( 2 ) 滞环p w m 电流控制的系统结构简单，通过设定电流跟踪宽度，实时 采集电流信号与参考信号比较。这种方法电流响应速度快，控制运算中未使用电 路参数，系统鲁棒性好，但开关频率不固定，且滞坏宽度越小，开关频率越高， 增加了开关损耗。 1 5 第二章三相电压型p w i v l 整流器控制系统的设计 阱瞄嚣 l i 卜+ 吲砘- 2 。， 【v d 一( 睇+ 争) ( e 一) + 丽三屯蝴 1 6 基丁双p w m 变流器的直接转矩控制系统研究 图2 9 三相v s r 电流内环解耦控制结构 f i g 2 - 9t h r e ep h a s ev s rc u r r e n ti n n e rl o o pd e c o u p l i n gc o n t r o ls t r u c t u r e ( 2 ) 电压外环设计 在两相同步旋转坐标系( d ，q ) 中，令q 轴与电网电动势矢量瓦重合，并 假设三相v s r 为单位功率因数正弦波电流控制，此时i a = 0 ，则三相v s r 在两相 同步旋转坐标系( d ，q ) 中的数学模型可改写为： ( l p + r ) f q r - 一，。 1 ，。f 。：三v 小f 玉 ( 2 2 2 ) v 9 7 92 j 。小 p v 出= ( i d 。云- - _ i l 一) 式中p 微分算子。 令v = 2 v d c 3 、c l = 3 c 2 ，则式( 2 2 2 ) 可改写成： 1 1 ，口l 曰2 v l d c k 丁( i d a - - i l ) 乞3 第二章三相电压型p w m 整流器控制系统的设计 p 如= p ( 导) + ( 导) p c 2 - 2 5 ) p - ( 等等 2 6 ， 2 l 专j 出2 毒( c p v + 屯) ( 2 - 2 7 ) 肪= 孚r “v ( c l p v + 屯) ( 2