（电力电子与电力传动专业论文）小功率同步发电机励磁系统的研究与设计.pdf

a b s t r a c t t h ee x c i t a t i o nc o n 仃d ls y s t e m so fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r sh a v ea nl m p o n a n t e 疏c to nn l e 鲍l b i l i t yo fp o w e rs y s t e m s ；m o r e o v e r , e x c i t a t i o nr e g u l a t o r sp l a y t h er o i e o fan u c l e u sm t h ee x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m s h o w e v e r ， f o rt h es m a l ls y n c h r o n o u s g e n e r a t o rc o 皿e c t e dt og r i d ，i t i su n f e a s i b l et oi m p r o v et h en e tv o r a g ea n dt h e t r a n s i e n ts 协b i l i 妙o fg e n e r a t o rb ya d j u s t i n ge x c i t a t i o ns y s t e m ，s om a i n t a i n i n gp o w e r f a c t o ri n v a r i a b l ea f t e ri ti sc o n n e c t e d t ot h eg r i di sm o r ep r a c t i c a l l y t h i sa r t i c l ea d o p t s e x c i t a t i o nc u r r e n ta n dp o w e rf a c t o rd o u b l e l o o pc o n t r o lm e t h o d ，d e s i g n s ak i n do f d i g i t a le x c i t a t i o nc o n t r o l l e rb a s e d o nt m s 3 2 0 f 2 812d s e c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lp h a s ec o n t r o l l e d r e c t i f i e r s ，p w mc o n v e n e m a st h e a t t r a c t i v ef e a 吡r e ss u c ha sc o n t r o l l a b l ep o w e rf a c t o r , n e a r l ys i n u s o i d a li n p u tc u 仃e 哆 s i m p l i c i 够i nc o n t r o lc i r c u i ta n d b i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o wa b i l i t y s o ，t h i sa n l c l ea d o 幽 p w mc o n v e r t e ri n s t e a do ft r a d i t i o n a lp h a s ec o n t r o l l e dr e c t i f i e r s t oc o m p l e t e dh l g h p o w e r f a c t o rr e c t i f y d u et ot h en o n l i n e a rr e l a t i o nb e t w e e ne x c i t a t i o n c u r r e n ta n dp o w e rt a c t o r ，a s e q u e n t i a la l g o r f o rr a d i a l b a s i sf u n c t i o n ( r b f ) n e t w o r k sr e f e r r e d t 0a st h e g e n e r a l i z e dg r o w i n ga n dp r u n i n g a l g o r i t h mf o rr b f ( g g a p - r b f ) i s i n t r o d u c e d a n dt l l e nu s e si t i 1 1m el e a n l i n ga l g o r i t h mt or e a l i z ep a r s i m o n i o u sn e t w o r k s t h e 啦u c t u r eo ft h i sc o n 仃o l l e rm a k e sn on e e dt ou s e a n o t h e rn e u r a ln e t w o r kf o r0 n - l m e s y s t e mi d e n t i f i c a t i o na n dd e t e r m i n i n gt h es t r u c t u r e o fn e u r a ln 咖o r kc o n 怕u e rm a d v a n c e i nt h i sp 印e r ，t h ed e s i g ns c h e m eo ft h ew h o l ed i g i t a le x c i t a t i o ns y s t 锄u s m g t h r e e p h a s ef u l lc o n t r o lb r i d g er e c t i f i e ri sp r e s e n t e d a l lo f t h el o g i cd i a g r a mo ft h e h a r d w a r e t h ec i r c u i ts c h e m a t i cf i g u r e s a n dt h es o f t w a r e sf l o w c h 8 r t s a r ea l s o p r e s e n t e d k e y w o r d s ：e x c i t a t i o no fs y n c h r o n o u s r b fn e u r a ln e t w o r k g e n e r a t o r , t h r e e p h a s ev s r ，p w mr e c t i f i e r , 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤璺盘茎或其他教育机构的学位或证 书廊使用过的材料。与我一闷工作的展志对本研究所做的任何贡献均迂在论文中 作了明确的说明并表示了谓 意。 学位论文作者签名：黟迢 签字吼2 哆年月? 驴同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：黟迫 签字嗍刁年月砌 导师签名： 签字日期：沙。7 年月岁df 1 第一章绪论 1 1 励磁系统的组成 第一章绪论 同步发电机励磁控制系统是为发电机提供励磁，并将发电机端电压维持在给 定水平，从而提高和改善发电机运行稳定性的系统【l 】。励磁系统的基本功能是给 同步发电机磁场绕组提供直流电流，此外，励磁系统通过控制磁场电压并随之控 制磁场电流，完成了控制和保护功能。励磁系统控制功能包括电压和无功潮流的 控制，以及提高系统的稳定性；保护功能保证同步发电机、励磁系统和其他设备 不超过容量极限。 同步发电机的运行特性与它的气隙电势e 值的大小有关，而e 值是发电机 励磁电流，的函数，改变励磁电流就可以影响同步发电机的运行特性。因此对 同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实行控制的重要内容之一【2 】。 电力系统正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并 联运行机组间无功功率的分配。在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致电 力系统稳定水平下降。为此，当系统发生故障时，要求发电机迅速增大励磁电流， 以维持电网的电压水平及稳定性。可见，自动控制同步发电机励磁在保证电压质 量、合理分配无功功率和提高电力系统运行的稳定性及可靠性方面都起着重要的 作用。励磁系统的组成如图l l 所示。 参 ， 媳 图1 1同步发电机励磁系统的组成 令 l l 1 3 系 统 第一章绪论 1 2 励磁系统的作用及发展 励磁控制系统的主要任务是向同步发电机的励磁绕组提供一个可调的直流 电流( 电压) ，以满足发电机的正常发电和电力系统的安全运行。励磁系统不但 与发电机及与其相关联的电力系统的运行经济技术指标密切相关，而且对发电机 和电力系统运行的稳定性( 包括稳态和暂态过程) 有很大的影响【”】。励磁系统 的主要作用包括：维持机端电压稳定，合理分配无功功率，提高电力系统稳定性。 此外，在电力系统短路故障期间和故障切除后，励磁系统可以通过强行励磁作用 提高继电保护动作的灵敏度，维持系统电压，加速电压恢复；当发电机或励磁变 压器内部发生故障时，可以通过快速灭磁降低故障损失，改善电网中发电机的运 行条件。 励磁调节器可以适应发电机或电力系统的不同运行需求而实现多种调节方 式，主要包括恒机端电压运行方式、恒励磁电流运行方式、恒无功功率功率因 数运行方式、跟踪母线电压运行方式等。这些运行方式基本上能够满足发电机或 电力系统的各种运行要求，以下分别加以简述。 ( 1 ) 恒机端电压运行方式 该方式为发电机机端电压闭环自动调节方式，是大机组常用的控制方案。在 此运行方式下，数字励磁调节器的任务是维持发电机机端电压恒定，一般采用 p i d 控制律进行调节。为抑制系统低频振荡，提高电力系统稳定性，可加入电力 系统稳定器( p s s ) 等作为附加控制信号。框图如图1 2 所示。 图1 - 2 恒机端电压附加p s s 控制方式图 设计时先按励磁系统的基本要求确定p i d 控制参数，在此基础上再进行p s s 的设计。先建立电力系统的非线性方程组，然后选取典型运行点( 一般为满载) 将其线性化，据此设计出一组能提高暂态稳定性、且有良好适应性的p s s 参数【5 j 。 在p s s 设计中，把电压调节通道作为主调节通道，在电压调节通道设计完成的情 况下进行，充分考虑了该通道对暂态稳定性的不利影响，既满足了电压调节要求， 又保证了暂态稳定性，符合系统实际运行需要：同时在设计中又考虑了运行方式 变化可能产生的影响，在选择固定参数时使系统有良好的相频特性，故适应性较 2 第一章绪论 好【6 1 。 ( 2 ) 恒励磁电流运行方式 该方式以励磁电流作为反馈信号，与给定值比较后经调节器输出控制信号给 移相触发单元，在机组安装、检修测试时经常采用这种方式。通过调节励磁电流 来调节机端电压或发电机的无功，调节平稳、调节范围宽。在空载运行时，由于 电机的空载电势与励磁电流在不计磁饱和的情况下成线性关系，故调节效果类似 于恒机端电压运行方式；并网后调整励磁电流可以直接改变电机输出的无功功 率，实现无功调节，而不须叠加调差信号【7 1 ，相当于开环调节无功功率。而在恒 机端电压运行方式下，如需调节无功，则需要通过无功功率测量单元投入调差信 号k q ( k 为调差系数，q 为无功功率测量或计算值) 。如图1 3 所示。 图1 3 恒励磁电流控制方式图 ( 3 ) 恒无功功率功率因数运行方式 该方式通过检测或计算得到无功功率或功率因数，之后将其与给定值进行比 较，经调节器运算，得出控制信号。一般是将其叠加在恒机端电压或恒励磁电流 调节方式上，调整励磁电流或机端电压的给定值来实现。本文所设计的系统在并 网后即投入功率因数环，将其控制信号叠加在励磁电流给定值上，以调节发电机 的功率因数，该控制方法简单易行，适用于小机组。 ( 4 ) 跟踪母线电压运行方式 该方式使发电机空载起励时跟踪母线电压，为机组并网做好准备；当发电机 与系统解列后，跟踪母线电压，为再次并网创造条件峭j 。 同步发电机励磁控制技术包括励磁技术、计算机技术以及控制策略三个方 面。随着数字控制技术、计算机技术及现代控制理论的发展和日益成熟，以微处 理器为主要特征的数字电子技术正在应用到现代励磁控制系统之中，取代原有晶 体管或集成电路构成的传统模拟式励磁调节器。近年，微机励磁调节器己经逐步 取代模拟式励磁调节器成为同步发电机励磁调节器的主流。以全控型器件组成的 自并励励磁方式被广泛应用。 第一章绪论 1 2 1 小型同步发电机励磁系统的双闭环控制 大型发电机组的励磁系统可以改善发电机及电网的运行特性，当系统发生大 扰动时，可减小电网电压的波动，尽快排除发电机的故障能量，保证发电机的稳 定运行，加快故障后系统电压的恢复【9 】。但对于单台并网运行的小功率同步发电 机而言，由于受容量的限制，通过小机组励磁控制提高电压水平，进而改善系统 的稳定性是不现实的【1 0 1 1 1 。如果小机组在发出有功的同时，不承担一定的无功出 力，必然造成所在的区域的无功缺额扩大，使区域电压水平严重下降。因此确保 小机组在发出一定有功的同时，发出相应量的无功，即功率因数恒定是具有实际 意义的【1 2 】。 发电机的功率因数由有功功率和无功功率共同决定，有功功率通过原动机调 速器来调节，其平衡程度通过电压频率来反映，而无功功率可以通过励磁电流直 接调节，其平衡程度决定了传输线上电压的分布情况，因此功率因数的恒定对于 发电机及电网的运行特性起着至关重要的作用。以往的励磁系统一般采用励磁电 流或机端电压的单闭环控制，其优点是系统结构简单，静态性能指标较好。但其 存在的缺点也是非常明显的，一是系统起励建压过程中的动态性能指标不理想， 比如超调量过大、响应时间过长。二是电力系统对功率因数的准确性要求很高， 并网运行时功率因数由发电机向电网输出的有功功率和无功功率共同决定。无功 功率的大小主要取决于流过发电机励磁线圈的励磁电流，可通过励磁系统来调 整；有功功率取决于原动机施加于发电机轴上的机械功率，可通过调速系统来调 节。由于有功功率和无功功率由两个环节来调节，当两个环节配合不当时，就造 成功率因数的波动。为了克服系统的这一缺点，针对小功率同步发电机提出了 励磁电流一功率因数双闭环控制系统【7 1 。其结构如图1 4 所示，在并网以前，只 投入励磁电流环，在电机磁路不饱和的情况下，励磁电流的大小与发电机的空载 电势的大小成正比，故调节励磁电流使发电机的空载电势满足并网条件，配合转 速调节器的调节即可使发电机并网运行；并网后即投入功率因数环，在有功功率 输出不变的情况下调节励磁电流从而调节无功输出即可以调节功率因数。系统中 通过实时检测功率因数，与功率因数设定值相比较，求得偏差后，将偏差信号乘以 一个调整系数，而后将其叠加在励磁电流给定值上，调整系数由仿真和实际调试 决定。 4 第一章绪论 图卜4 双闭环系统结构 1 2 2 双闭环励磁系统存在的不足 通过仿真和实验调试，上述系统具有投励准确，投励过程震荡小，功率因数 稳定性高的特点，系统跟随性能和抗扰性能得到兼顾7 ，13 1 。然而，系统仍存在不 足之处，有待改进。 首先，前述系统整流大都采用相控整流方式，目前广泛应用于励磁系统的三 相晶闸管整流电路如图1 5 所示，由两组共阴极和共阳极的晶闸管串联而成。 巧_ 、6z k 一 r 么j 岛 袋芝 约 y 鳝7 王z王 z f 图1 - 5 三相晶闸管整流电路 r ， l 该电路的优点是控制增益大，输出电压纹波小，电压脉动系数仪为0 0 5 7 ， 脉动频率为6 f , ，可用于输出较大功率。而相控整流电路的功率因数c o s 缈与控制 角口具有反比关系，在深控状态下，其功率因数非常低。不仅网侧电流含有高次 谐波成分，网侧电压也因晶闸管的环流作用产生畸变。因此，相控整流方式对电 5 第一章绪论 网存在严重的谐波污染。 其次，励磁电流与功率因数之间的精确数量关系较为复杂，置为非线性，难 以准确通过传递函数建立二者之间的数学模型。以往根据功率因数的反馈值与给 定值求得偏差后，将编差信号乘以一个调整系数，褥后将其叠加在励磁电流给定 值上，当实际功率因数小于给定值时，偏差信号为正，减小励磁电流以提高功率 因数；反之燹| j 加大励磁电流减小功率因数。控制系数通过仿真及工程经验确定。 这种方法并不能使实际的功率因数精确、快速地跟随给定值。 1 3 本课题所设计系统概述 针对双闭环系统存在的不足，本课题的主要任务是研究与设计一套采用以 d s p 为核心控铡器件的数字励磁调节器，采用鲁并励励磁方式，以l 滕( 智裁功 率模块) 组成p w m 整流器，实现高功率因数整流。控制方法采用励磁电流与功率 因数双闭环控制，邸著蹿前调节励磁电流，使发电机空载电势符合并鼹条侮；并 网后投入功率因数环，调节发电机功率因数。励磁电流与功率因数之间的精确数 量关系较为复杂，且为非线性，难以准确通过传递函数建立二者之间的数学模型， 故以r b f 神经网络控制取代传统的控制策略，以期满足控制要求。 6 第二章三相电压型p w m 整流器及其控制策略 第二章三相电压型p w m 整流器及其控制策略 同步发电机的励磁是为了给同步发电机提供一个可调的直流电流，如前所 述，以往的励磁大都采用晶闸管相控整流，相控整流产生了大量的无功和谐波， 对电网造成了严重的污染，如何提高功率因数、消除和抑制谐波成为急需解决的 问题，三相电压型p w m 整流器( v o l t a g es o u r c er e c t i f i e r ，简称v s r ) 与传统的可 控硅整流器相比，具有交流侧输入、输出电流谐波分量小、功率因数可调、直流 侧电压波动小、能量可以双向流动等优点。本设计采用三相p w m 整流器为励磁绕 组提供励磁电流。 2 1 三相电压型p w m 整流器概述 2 1 1 三相电压型p w m 的基本原理 为了便于说明问题，以单相p w m 整流器模型电路阐述。单相p w m 整流器模型 电路如图2 1 所示。 厂 ，丫、 +l 七i d 忘- l a l l+ i l7 r i一工s _ 、 f u 图2 - 1 单相p w m 整流器模型 当不计开关损耗时，由功率平衡关系得i , e = l a u d ，其中f 、五为电网 电压、网侧电流，“、厶为直流侧电压、电流，可见通过交流侧电流的控制可 以实现对直流侧的控制。 只考虑基波分量而忽略p w m 谐波分量，可得到整流器交流侧稳态矢量关系， 如图2 2 所示，图2 - 2 a 所示是整流器运行在整流状态，网侧电流l 与电网电压 7 第二章三相电压型p w m 整流器及其控制策略 e 同相，整流器网侧呈正电阻特性，实现单位功率因数运行，负载从电网吸收有 ：0 j ：r j j - 率。图2 2 6 所示是整流器运行在逆变状态，网侧电流- 与e g n 电压三 反相，整流器网侧呈负阻特性，实现单位功率因数逆变控制，负载向电网释放有 功功率。对图2 2 进行分析不难看出，要实现整流器的单位功率因数控制，关键 在于控制网侧电流，使之与电网电压三同相或反相。 ：i is r j m l i ； d l r f e 图2 - 2 整流器交流侧稳态矢量关系 u 三j j 三相电压型高功率因数整流器的主电路结构如图2 - 3 所示，主要包括交流侧 的电感、电阻、直流电容以及由全控开关器件和续流二极管组成的三相整流电路。 巳，e b ，乞为电源电压，尺，为负载电阻。功率开关按相应规律作脉宽调制，整流 器交流侧输入由电感三滤波，因此可以认为整流器交流侧电流是三相正弦电流。 输出直流侧则由大电容c 稳压，并作为直流侧储能元件，输出呈电压源特性，稳 态时直流电压保持不变。 o 图2 - 3 三相p w m 整流器 下面从建立数学模型入手分析三相p w m 整流器的控制策略。 8 + d n 第二章三相电压型p w m 整流器及其控制策略 2 1 2 三相v s r 的数学模型 一、三相v s r 的一般数学模型 所谓三相v s r 一般数学模型就是根据三相v s r 的拓扑结构，在三相静止坐标 系( a ，b ，c ) 中利用电路基本定律( 基尔霍夫电压、电流定律) 对v s r 所建立的一般 数学描述。三相v s r 拓扑结构如图2 3 所示。 针对三相v s r 一般数学模型的建立，通常作以下假设： ( 1 ) 电网电动势为三相平稳的纯正弦波电动势( e 。，e 。，e 。) ： ( 2 ) 网侧各相滤波电感均为l ，是线性的且不考虑饱和； ( 3 ) 三相回路等效电阻相等，均为尺； ( 4 ) 忽略开关器件的导通压降和开关损耗； ( 5 ) 忽略分布参数的影响。 根据三相v s r 特性分析需要，三相v s r 一般数学模型可分别采用开关函数和 占空比描述。 ( 1 ) 采用开关函数的数学模型： 由图2 3 ，根据基尔霍夫定律可得： 三冬+ r t 。= 巳一( + 甜d ) (21)dt 、_上， 三鲁+ r i , 6 = 巳一( i a c d s b + m n o )( 2 - 2 ) 三鲁枷t = e c 一( & 栅d ) ( 2 3 ) c 等却n 岷 和c 一薏 ( 2 _ 4 ) 甜。= 一竿s 。( 2 - 5 ) s 。：1 ，上桥臂导通，下桥臂关断 ( 2 - 6 ) 1 1 0 ，下桥臂导通，上桥臂关断 由开关函数建立的数学模型是对v s r 开关过程精确的数学描述，较适合于 v s r 波形的仿真。然而由于其中包含高频分量，很难用于指导控制器的设计。 ( 2 ) 采用占空比描述的数学模型 由于占空比d 实际是一个开关周期上开关函数的平均值，采用傅立叶分析可 得： 9 第二章三相电压型p w m 整流器及其控制策略 胁z 。s k = 协e 。吐+ 孰互，c ( 川”去s i n ( 拧纠 c o 咖叫) ( 2 - 7 ) 其中q = 2 万z ，z 为p w m 的开关频率，反为相应得占空比，ha , 1 。2 7 式后半部分是高频分量，在高频条件下，等效有& = 反( 七= 口，b ，c ) ，带入2 4 式， 可得： c 等吒吃帆吃+ t 吃一薏 ( 2 _ 8 ) = 一等巩( 2 - 9 ) j k = 口。b ，c 这种采用占空比描述的低频数学模型非常适合控制系统的分析和设计，但由 于忽略了高频分量，因而不利于精确地仿真。总之，采用开关函数和占空比描述 的v s r 一般数学模型在v s r 控制系统设计和系统仿真中各自起着重要作用。常用后 者对v s r 控制系统进行设计，然后再用前者对v s r 控制系统进行仿真，从而校验控 制系统设计的性能指标。 二、三相v s r 在旋转坐标系( d - q 轴) 下的数学模型 以上两种模型都是建立在静止坐标系a ，b ，c 上的，这种模型物理意义清晰， 但网侧均为时变系统，不利于设计。2 0 世纪7 0 年代初由德国f b l a s s c h k e 等人首 先提出了矢量控制，并以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原 理，由此开创了把交流电动机等效为直流电动机控制的先河。根据磁场等效的基 本原理【1 4 】，三相静止坐标、两相静止坐标和两相旋转坐标系之问可以进行相互 转换，这样就可以把对交流量的控制转变成对直流量的控制，简化了控制要求， 使系统得到较好的动静态性能。经过坐标变换后，三相静止坐标系中的基波正弦 变量将转成旋转坐标系下的直流分量，从而方便控制系统的设计【l5 1 。 三相静止对称坐标系( a ，b ，c ) 到同步旋转坐标系( d ，q ，0 ) 的变换矩阵 t 为： 厅 卜、亏 c o s o c o s ( o 一1 2 0 。) s i n 0s i n ( o 一1 2 0 。) 1l 点托 c o s ( t ? + 1 2 0 。) s i n ( o + 1 2 0 。) 1 压 l o ( 2 - 1 0 ) 第二章三相电压型p w ? i 整流器及其控制策略 由此可得，三相v s r 在两相同步旋转坐标系( d q ) 中的数学模型为： l + r i 一一l i q 飞 哮埘l q = 巳越一 c d 础u c d i 3 ( 乞+ 勤) 一屯 2 2 三相电压型p w m 整流器( v s r ) 的控制策略 ( 2 - 11 ) 如前所述，要使p w m 整流器工作时达到单位功率因数，必须对电流进行控制， 保证其为正弦且与电压相位一致。p w m 整流器有多种分类方法，根据有无引入电 流反馈可将控制方法分为两大类：引入交流电流反馈的称为直接电流控制；没有 引入交流电流反馈的称为间接电流控制。 2 2 1 间接电流控制策略 间接电流控$ 1 j 1 6 , 1 7 又称为幅值和相位控制法，是指通过控制整流器输入端电 压，使其与电源电压保持一定的幅值相位关系，从而控制交流侧输入电流呈正弦 波形，且同电源电压保持一定的幅值，使装置运行在单位功率因数状态。如图2 4 所示。在间接电流控制中，最常用的是移相s p w m 控制。 三相输 入电源 u ： 给定 图2 4 间接电流控制系统框图 第二章三相电压型p w m 整流器及其控制策略 2 2 2 直接电流控制策略 如上所述，间接电流控制的优点在于控制简单，无需设置交流电流传感器以 构成电流闭环控制，但它的主要问题在于电流动态响应不够快，甚至交流侧电流 中含有直流分量，且对系统参数波动较敏感，因而常用于那些对动态响应要求不 高且控制结构要求简单的应用场合。直接电流控制是针对间接电流控制不足而提 出来的，与间接电流控制在结构上的主要差别在于：前者具有网侧电流闭环控制， 而后者则无网侧电流闭环控制。由于采用了网侧电流闭环控制，使网侧电流动、 静态性能得到了提高，同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感，从而增强了电 流控制系统的鲁棒性。因此直接电流控制可以获得较高品质的电流响应。目前运 用较广的直接电流控制技术主要有滞环电流控制和固定开关频率电流控制。 一、滞环电流控制 aw g r e e n 和j t b o y s 在1 9 8 9 年提出了基于电流滞环控制的p w m 高频整流 器【l 引。电流滞环控制是通过反馈电流i ，与给定电流f ，进行滞环比较，将两者的 偏差限制在设定的范围内，当反馈电流， f ，+ f 。2 时，调制电 路的输出使系统输入侧电流f 。( k = a ，b ，c ) 减小。这样不断进行滞环比较调节， 使( k = a ，b ，c ) 始终跟踪给定电流f i ，围绕给定电流波形作锯齿状变化，并将 误差限制在滞环宽度范围内。图2 5 给出的是一种最常用的采用电流滞环比较方 式的控制系统结构图。 二栩对称止弦 参考信号 兰嘏输 入电源 图2 - 5 滞环电流控制p 1 | i m 系统框图 电流滞环控制响应快，可靠性好，易于硬件实现，特别适合于高性能的矢量 1 2 第二章三相电压型p w m 整流器及其控制策略 控制系统；同时它能实现功率因数为1 ，具有交流侧输入电流波形非常接近正弦 波及可能量再生等优良特性。 但是滞环控制方法仍存在着以下不足： ( 1 ) 滞环控制的开关频率是可变的，其平均开关频率随直流负载电流的变化而 变化。导致开关状态的不稳定性和任意性，可以说这种控制方法是以牺牲系统开 关频率特性来达到好的电流控制特性的； ( 2 ) 开关频率的变化给驱动保护电路和网侧滤波电感的设计带来困难，滤波器 只能按最低频率设计； ( 3 ) 滞环控制不能使输出电流达到很低，因为给定电流太低时，滞环调节作用 将消失。 二、固定开关频率电流控制 如上所述，滞环控制的p w m 整流器开关频率变化过大。不仅会降低电流的跟踪 精度和产生谐波影响，而且不利于功率器件的安全工作。由此提出固定开关频率 电流控制方法【1 9 】，使整流器的开关频率基本保持一定，即载波频率不变( 如三角 波) ，而以电流偏差信号作为调制波。固定开关频率控制算法简单，物理概念清 晰，设计实现方便。但是在固定开关频率不高的情况下，电流动态响应慢，且电 流动态偏差随电流变化率而改变。 2 2 3 空间矢量p w m 控制 空间矢量p w m ( s v p w m ) 控制策略是依据变流器空间电压( 电流) 矢量切换来控 制变流器的一种思路新颖的控制策略。空间矢量p w m 控制策略早期由日本学者在 2 0 世纪八十年代初针对交流电动机变频驱动而提出的【2 0 1 。其主要思路在于抛弃 了原有的正弦波脉宽调制( s p w m ) ，而是采用逆变器空间电压矢量的切换以获得准 圆形旋转磁场，从而在不高的开关频率( 1 k 一3 k h z ) 条件下，使交流电机获得了较 s p w m 控制更好的性能，主要表现在：s v p w m 提高了电压型逆变器的电压利用率和 电动机的动态响应性能，同时还减小了电动机的转矩脉动等。 将s v p ! 椭应用于v s r 控制之中，主要继承了s v p i ；l i 电压利用率高、动态响应快 等优点。脉宽调制( p w m ) 技术有很多种，如各种正弦、优化和随机p w m 等等，目前 在逆变器和整流器中应用较多的还是电压正弦p w 卜包括自然采样法、等面积 法，和磁通正弦p w m 一即空间电压矢量p w m 。具体到整流器应用中，采用的p w m 技术对整流器系统的影响主要表现在以下几方面： ( 1 ) 对整流器工作的稳定域有影响，这主要是因为不同的p w m 算法其直流电压 利用率不同； ( 2 ) 影响网侧电流高次谐波分量的幅值大小： 第二章三相电压型p w i v i 整流器及其控制策略 ( 3 ) 不同的p w m 算法所需的计算量不同，从而影响控制周期的长短。 不管是规则采样法还是等面积法p w m ，电压正弦p w m 的基本原理都遵循每个控 制周期内p w m 信号与正弦基波信号二者对时间的积分相等的原则，其直流电压利 用率只有0 8 6 6 ，限制了整流器对负载的调节能力。为了将直流电压利用率提高 到接近1 ，可以在正弦载波中加入0 1 6 7 倍基波幅值的三次谐波，但是这样增加 了计算量，使波形计算的实时性得不到保证。而基于磁通正弦原理的空间电压矢 量p w m 可以很方便的解决波形计算的实时性和直流电压利用率的矛盾【4 】。 2 2 4 其他控制方法 随着电力电子技术的不断发展，三相p w m 整流器控制策略的研究逐步深入， 除了前述的控制方法，其它控制策略主要有以下几个方面： ( 1 ) 无交流侧电压及电流传感器的控制 在p w m 整流器传统的控制系统中，需要进行检测的量有交流侧的电流、电压 和直流侧的电压值。为了进一步简化控制系统的结构、降低成本和安装费用，提 高系统的稳定性和可靠性，人们相继提出了无传感器的控制策略【2 1 , 2 2 , 2 3 。 ( 2 ) 电网不平衡条件下p w m 整流器的控制 在三相p w m 整流器的控制中，一般均假设三相电网电压平衡。而实际上，三 相电网常处于不平衡状态，即三相电网电压的幅值、相位不对称。一旦电网不平 衡，以三相电网平衡为约束所设计的p w m 整流器就会出现不正常的运行状态，主 要表现为：p w m 整流器直流侧电压和交流侧电流低次谐波幅值增大，且产生非特 征谐波；整流器网侧电流亦不平衡，严重时可使整流器发生故障，甚至烧坏装置。 针对上述问题，相继提出一些在电网不平衡条件下的p w m 整流器的控制方案 【2 4 ，2 5 2 6 1 。这些研究主要是针对在电网不平衡条件下，提出整流器网侧电感及直 流侧电容的设计准则，或者是通过控制系统本身去改善和抑制整流器输入侧的不 平衡因素。 ( 3 ) p w m 整流器的时间最优控制 常规的基于d - q 轴模型的电压型p w m 整流器的控制，一般是通过前馈解耦控 制，并采用两个独立的p i 调节器，分别控制有功和无功。而有功、无功分量的动 态耦合和p w m 电压利用率低的约束，影响了有功分量的动态响应。针对这一问题， 人们提出了p w m 整流器的时间最优控制【27 】和直流电压时问最优控制以优化系统 的动态性能。 ( 4 ) 智能控制 由于目前主要的p w m 整流器的控制系统都是在电网平衡，功率开关器件为理 想模型的基础e 给定的，再加上系统中p i 调节器的非线性和对于整流器中参数的 1 4 第二章三相电压型p w m 整流器及其控制策略 依赖性，致使系统的鲁棒性较差，对于输入侧的谐波抑制能力有所欠缺，针对这 些问题，人们对p w m 整流器的控制中应用了智能性的控制器，如神经网络控制器 【2 8 刎、模糊逻辑控制器等。这些智能型控制器的设计不太依赖整流器本身的参数， 它能实时地保证整流器输入侧电流波形为理想波形，从而达到功率因数为1 的控 制要求，同时，这种控制器对于l c 滤波器引起的谐振也有抑制作用。 总之，p 1 | m 整流器的不同控制策略都有各自的优点和不足之处，可以根据实 际情况和性能指标要求的不同选择合适的控制方式，从而促进p w m 整流器在更广 阔的领域中被应用。 第三章三相电压型p w m 整流器的设计 第三章三相电压型p w m 整流器的设计 上一章分析了p w m 整流器的控制方法：直接电流控制、间接电流控制及其他 新型的控制方法。各种电流控制方法各有利弊，直接电流控制，控制电路较复杂， 但可实现较高的技术指标；间接电流控制，控制电路较简单，但计算量大。随着 d s p 等高速控制器的出现，使得对三相p w m 进行实时计算己经成为可能。在各种 不同的控制方式中，以电压反馈作外环加上以电流反馈作内环的双闭环串级控制 结构最为普遍。双闭环控制的主要特点是物理意义清晰，控制结构简单，控制性能 优良，由于电流内环的存在，只要使电流指令限幅，可以使整流器工作于恒流状态， 自然实现了对装置的过载保护。本课题在分析p w m 整流器d - q 轴数学模型的基础 上，采用双闭环结构，讨论了基于电网电压前馈控制和网侧电流补偿控制的解耦 方法，电网电压定向矢量控制策略，并使用t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 d s p 控制器设计三相高 功率因数整流器。 3 1p w m 整流器的d - q 轴解耦控制 根据三相v s r 在d q 轴下的数学模型，可得 哮一心+ 毗+ 白一蚴 l d d q t = - o g l i d r i q + e q u q ( 3 - 1 ) 其中u d2s du c d ， “g = sq ”c d r h 3 1 式可见，d 、q 轴电流除受控制量、u q 的影响外，还受耦合电压础、 一o a l i d 扰动和电网电压吻、巳的影响。所以单纯地对d 、q 轴电流作负反馈并没 有解除d 、q 轴之间的电流耦合，效果不是很理想。利用状态反馈，可以实现对d 、q 轴电流的解耦。 现假设变换器输出的电压矢量u 。+ j u 。中包含三个分量： 1 6 ( 3 - 2 ) + 十 嘞 + + 吻 = = 甓 第三章三相电压型p w m 整流器的设计 如果令： t i d l 。e a ， ”9 12 白 “d 22 国 2 = 一, o l i d 把3 - 2 式代入3 1 得 32 i a - l d 讲i d - 卅一鲁 ( 3 3 ) 上式表示的d 、q 电流子系统中，d 、q 电流是独立的，可见引入状态反馈 ( ：和甜。：) ，对电流子系统实现了解耦，同时引入。和z q ，作为前馈补偿， 使系统的动态性能有了进一步的提高。 在三相p w m 整流器d p 坐标系模型基础上实现，i 解耦控制后，可得到控。 制量，”川然后通过s v p w m 调制算法，可生成p w m 脉冲控制三相桥功率开关的 开断，从而控制网侧电流。整个控制电路由电压外环和电流内环组成，电压外环 经p i 调节后的输出作为电流内环的给定。 3 2 空间电压矢量( s v p w m ) 算法 3 2 1s v p w m 算法原理 空间电压矢量p w m 是基于空间矢量变换概念提出的。空间矢量变换是将三个 变量( 三维) 变换成一个矢量( 二维) 。如果选定三相坐标系中的a 相电压与口一 夕复平面的实轴口轴相重合，则三相对称的物理量尼( t ) 、玉( t ) 和尼( t ) 的空间合 成矢量表示为： 一x ( t ) = 唇删+ 蝴) + 口2 删 ( 3 _ 4 ) 式中口：p 7 为旋转因子。 从几何意义上讲，空间合成矢量x ( t ) 的某个时刻在某相轴线a 、b 、c 轴上的 投影就是该时刻该物理量的瞬时值。可以验证，这里三相和两相之间的变换符合 功率平衡的规律。 1 7 第三章三相电压型p v 、f m 整流器的设计 变换器输入直流电压”耐通过三相六个开关的“通”与“断”进行控制，在输 出端获得三相幅值恒定，脉宽和频率可变的电压脉冲。若规定每个桥臂上管导通 时为“1 ”，下管导通时为“0 ”，则每个桥臂有“0 ”和“1 ”两种工作状态，三相 开关共有2 3 = 8 种可能的开关组合，可以用二进制量的组合来表示。 变换器在工作时，d i 在- - 相电感上的电压合成矢量为： 瓦= 后( 帅帅2 虬) ( 3 - 5 ) 用开关状态来表示则为： 瓦= 一店孚 ( _ 矿州- 1 ) 2 ( _ l 朋 基本矢量表如表3 - 1 所示 表3 一l 基本矢量表 ( 3 6 ) 品s b s c u o 0 0o 以 l0 o u ，01 0 玑 11 o u o0l 虬 1 o1 u 3 o11 u ，1 11 如图3 - ，三相电压型变换器的基本输出矢量共有8 个( u o 瓦) ，其中瓦 和瓦表示a 、b 、c 三相上桥臂或下桥臂同时导通，相当于将三相电感短接，称 为零矢量，其余6 个为非零基本矢量。这6 个非零矢量均匀分布在( 口一夕) 坐标 1 8 第三章三相电压型p w m 整流器的设计 平面上，两量相差6 0 。，幅值均为肛。 b u 3 ( 0 1 1 一 u 2 ( 0 1 0 ) 笛b 伍 3_ 夥声 一 西，( 111 ) 入 u l ( 0 0 1 )u 5 ( 1 0 1 ) 图3 - 1 电压矢量空间分布 电压型p w m 变换器的所有输出就是由这8 个基本矢量合成得到的。根据一个 开关周期中插入零矢量方式的不同，常用的空间电压矢量有三段式、七段式合成 方法。 3 2 2 三相p r i m 整流器电压空间矢量控制的简化算法 三相p w m 整流器电压空间矢量控制算法分为开关时间的确定，扇区的确定以 及开关矢量的合成三个部分，下面分别叙述。 3 2 2 1 开关时间的确定 - - 丰f lp w m 整流器有6 个有线电压空间矢量( 砂，i = 1 6 ) 和两个零矢量( u o ， 一u 7 ) ，参考电压空间矢量西影由它所在的扇区中相邻的两个有效开关矢量和相应 的零矢量进行矢量合成，并满足下3 7 式： j u 彤e = u 4 互+ u 6 t 2 【r o = z 一五一五 1 9 ( 3 7 ) 第三章三相电压型p w m 整流器的设计 由于每个扇区的角度为6 0 。，且t a n g = u 踟，因此可以利用t a ny 的 值来确定可可的位置，进而通过反正切、正弦函数求出矢量作用时间五，乃。但 是，这样的算法涉及到查表法求正弦函数和反正切函数值，需占用大量内存空间。 本文根据参考电压矢量在口、鼻轴上的坐标系上的分量、声，直接计 算空间矢量在各扇区内的作用时间。由图3 1 ，在扇区1 中，满足： 弘肛即缸c o s 6 0 0 互 乃= 缸s i n 6 0 口乏 根据3 - 8 式，可计算出t 1 和t 2 。在其余各扇区内均有此类似关系。 如定义： 兰 u 呵， 耻赤 ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) 则合成参考电压矢量的空间矢量在各个扇区内的作用时间如表3 2 所示。乃 和乃在各个扇区的值具有规律性：第1 扇区的矢量作用时间7 i 、t 2 和第6 扇区的 7 i 、乃相同，第3 和第4 扇区、第2 和第5 扇区内也分别有类似的对应关系。此 外，第1 扇区的7 i 、乃分i l i o n 第3 扇区内的乃、五相等，其余各扇区也均有类似 的规律。 第三章三相电压型p w m 整流器的设计 表3 - 2 空间矢量在隔扇区内的开关时间 扇区 u 踟 五乃 1 任意 五x 一疋x 2 疋x 耋o 一互j + 疋x 2正x + 疋x 2 2 0 ，则b = l ，否则b = 0 3 0 ，则c = l ，否则c = 0 令d o m a i n = 口+ 2 b + 4 c 当d o m a i n = 1 ，位于图3 - 1 所示的第二扇区，n = 2 当d o m a i n = 2 ，位于图3 - 1 所示的第六扇区，n = 6 当d o m a i n = 3 ，位于图3 1 所示的第一扇区，n = i 当d o m a i n = 4 ，位于图3 1 所示的第四扇区，n = 4 当d o m a i n = 5 ，位于图3 - 1 所示的第三扇区，n = 3 当d o m a i n = 6 ，位于图3 1 所示的第五扇区，n - - - 5 3 2 。2 3 开关矢量的确定 为保证系统在各种情况下，每次切换都只涉及一个开关器件，本文采用七段 式空间矢量合成