风力发电系统变流器控制方法的研究与设计控制科学与工程专业论文

分类号 ‘分类号 ‘密级 。UDC 编号 。串-匆大·警CENTRAL SoUTH UNIVERSITY硕士学位论文论文题目 凰办发鱼．系．绒变流器搀剑方．法的研宠点像甘 一学科、专业 。控制．赫学生王程研究生姓名 躯 壤导师姓名及专业技术职务 一史群太 熬．．攮44俨、

同d㈨III㈨IIItrIlllIIIIlrlflIII}Y1916090原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：聋鱼 日期：盈![ 年三月卫日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名： 堕超导师签名 醐：一皑罗日，"摘要当前人类对于能源的依赖性越来越大，同时能源的紧缺也日渐凸摘要当前人类对于能源的依赖性越来越大，同时能源的紧缺也日渐凸显，所以利用新的能源已经成为当今研究的热点问题。由于风能是一种新型的绿色洁净能源，并且分布非常广泛，利用风能发电的课题研究具有很深远的意义。本文主要以风力发电系统为课题背景，简述了风力发电系统的发展现状以及技术研究趋势，通过比较几种风电系统的结构，选择直驱式风力发电系统作为研究对象，为了减少网侧谐波，采用PWM整流器+PWM逆变器的结构，并对于该结构的优势做了详细的阐述。对于风力发电系统变流结构中主要使用的电力电子结构是PWM整流器，PWM整流器比较传统的整流器有很大的优势，能够实现能量双向流动，且运行在单位功率因数状态下，是真正意义上的绿色节能的整流器。本文详细阐述了三相电压型PWM整流器的基本工作原理和在不同坐标系下的数学模型，在此基础上研究了PWM整流器的控制方法，简单介绍了间接电流控制，重点研究比较了直接电流控制和直接功率控制，详细阐述了两种控制方法的基本原理以及控制系统的设计，利用MATLAB／Simulink进行仿真，仿真结果表明直接功率控制具有明显优势。最后完成了基于DPC电压型PWM整流器系统的软硬件设计，详细阐述了主电路参数的设计，采用TMS320F2812DSP作为控制芯片，对控制电路中的各种硬件模块进行设计，并且完成了系统的软件设计。关键词风力发电，PWM整流器，直接功率控制ABABSTRACTNowadays，thathumandependOllenergyisgrowing，meanwhile，theenergyshortagehasbecomemoreprominent．Therefore，theHSeofnewenergyhasbecomethehotissueofresearch．Becausewindenergyisanewgreencleanenergy,andiswidelydistributed，theUSeofwindenergyresesrchhasfar-reachingsignificance．Thisarticleissubjecttothebackgroundwindpowergenerationsystem，outlinesthedevelopmentofwindpowergenerationsystemstatusandtrendsoftechnology．Bycomparingthestructureofseveralwindpowerobject，thearticleselectedthedirect．drivewindpowersystemastheresearchsystem．Toreducethenetworksideoftheharmonics，thePaperusedPWMrectifier+PWMinverterstructure，anddescribedtheadvantagesindetail．ThestructureofpowerelectronicwhichisusedintheflowstructureofthewindpowersystemisthePWMrectifier．PWMrectifierhasagreatadvantagecomparedwiththetraditionalrectifier．1itCanachievetwo-wayflowofenergy,andpowerfactorintheunittorunthestate．PWMrectifieristrulygreenenergyconverter．Thispaperdescribesthethree-phasevoltage-typePWMrectifier’Sbasicworkingprincipleandthemathematicalmodelindifferentcoordinatesystems．Withthisbasic，thePaperresearchedthecontrolmethodsofPWMrectifier．Ithadabriefintroductionoftheindirectcurrentcontrol，andfocusedonthecomparisonofthedirectcurrentcontrolanddirectpowercontr01．Thebasicprinciplesandthecontrolsystemaredescribedindetail．SimulationresultsbyMAn，AB／Simulinkprovedtheadvantagesofdirectpowercontr01．Finally’finishedthedesignofVoltagePⅥ，MRectifiersystembasedontheDPC．Detaileddesignofthemaincircuitparameters．UsingTM$320F2812DSPasthecontroller,anddesignedthecontrolcircuitofthevarioushardwaremodule．Atthesametime，completedthesoftwaredesign．KEYWORDSⅥ，indpower,PWMrectifier,Directpowercontrol目 目 录摘要 ．1ABSTRACT ． IIl第一章绪论 11．1能源问题 ．．11．2风力发电技术发展现状概述 21．3主要研究内容及论文概述 5第二章风力发电系统的网侧变流结构 ．．62．1风力发电的变流系统 ．．62．1．1不可控整流器+boost升压电路+PWM逆变器 62．1．2PWM整流器+PWM逆变器 ．72．2PWM整流器研究现状及发展概述 ．．82．2．1PWM整流器的发展及现状 82．2．2PWM整流器模型及控制方法研究 ．．92．3本章小结 。11第三章PWM整流器原理和数学模型的研究 123．1PWM整流器的基本原理 ．123．1．1PWM整流器的分类和原理 123．1．2PWM整流器主电路的工作原理 ．173．1．3PWM整流器的电压电流矢量关系 183．2不同坐标系下的数学模型 203．2．1在(a，b，C)坐标系下的数学模型 203．2．2在(口，∥)坐标系下的数学模型 223．2．3在由坐标系下的数学模型 ．243．3本章小结 25第四章PWM整流器控制方法的研究及仿真 ．．264．1间接电流控制 ．264．2直接电流控制 ．．274．2．1电流内环控制 ．274．2．2电压外环控制 ．．304．3直接功率控制 334．3．1瞬时功率理论 334．3．2基于DPC电压型PWM整流器系统的原理 384．3．3基于DPC双闭环控制 424．4．4仿真结果及比较分析 454．4．1基于直接电流控制的仿真 ．454．4．2基于DPC的仿真 ．．484．4．3仿真结果比较 534．5本章小结 。： ．54第五章基于DPC的电压型PWM整流器系统设计 ．555．1主电路参数设计 555．1．1交流侧电感的设计 555．1．2直流侧电容的设计 一575．2控制电路设计 ．．585．2．1DSP电源供电模块的设计 ．．585．2．2交流侧和直流侧电压检测模块 ．．595．2．3交流侧电流检测模块 60S．2．4过零检测电路 605．3系统软件设计 ．．605．3．1主程序 615．3．2中断程序 ．615．4本章小结 62总结与展望 ．．63参考文献 64致谢 69攻读硕士学位期间发表的论文 70IV第一章绪论1第一章绪论1．1能源问题人类的生存发展，世界的发展进步都与能源紧密相关。能源的发现以及应用为人类的发展提供了很大的动力，伴随着我们社会的进步发展，我们的日常生活对于能源的依赖越来越大了，对于能源的需求量也随之有了很大的增长。由此可见，如何能够高效的应用能源这个问题，已经成为与人类的进步发展息息相关的重要问题，在当今大力提倡开发和应用绿色能源之际，这个问题是我们需要尽快处理的问题。人类之前广泛应用的石化燃料这类资源在我们生存的环境中终有一天会用尽的，而且也不能够再生。联合国能源署的报告中指出，如果按照现在对于石化燃料资源的开采速度来估计的话，可使用的煤炭资源仅有200年，可使用的天然气资源仅有50年，可使用的石油资源仅有30年【¨。根据有关专家预测，以下几种能源将是新世纪主要资、源【2】【3】：(1)核能人类当今认为最有开发前景以及最能为人类解决能源问题的即为核能，由于原子内部产生链式反应，及原子结构发生变化时就会释放出巨大的能量，这就是我们所说的核能。(2)地热能地热能是地层岩石以及地热内所含有的能量。它虽然是不可再生的能源，但是因为它在地球上的储存量非常的多，所以它也是人类解决能源问题的一种有效方式。地热能作为一种新型绿色能源，现在地热能被世界上很多发达国家以及发展中国家所重视，我国也在积极利用地热能，不过这方面的应用技术还有待提高。(3)太阳能我们都知道太阳光会产生巨大的能量，现今人类凭借多年来对应用太阳能技术的研究大大的提高了对太阳能的利用率，其中主要利用太阳能进行发电，一方面太阳能是一种洁净的能源，减少对环境的污染，另一方面减少了我们对于石化能源的依赖性。(4)海洋能众所周知海洋中蕴含着大量的能量，虽然海洋能也是一种绿色能源，但是由于对其应用起来比较困难，所以对人类来说海洋能现在的应用是比较少的。(5)氢能氢元素广泛分布在宇宙之中，它在工业中有广泛的应用。我们可以利用太阳能得到氢能，氢能是一种非常洁净，而且相对来说优质的能源。(6)天然冰天然冰是由水与天然气在一定的环境下形成的，它的存量较大，分布的地区也比较多，形成过程也相对容易，所以它也是对人类非常有用的能源。分布的地区也比较多，形成过程也相对容易，所以它也是对人类非常有用的能源。(7)风能风能的总量巨大，如果能够有效的利用的话，就可以减少对于煤炭资源的依赖性。由于风力应用有着巨大的潜能，所以近年来对于风能发电技术的研究也越来越多。作为一种绿色洁净的资源，风能是可以再生的，它的总量巨大，而且分布非常广泛，各地区都可以利用。人类对于能源的需求量与日俱增，能源的紧缺问题也已经显现出来，国家大力支持新能源的利用，使得风能的储存利用渐渐的受到了重视，很多公司都在研究风力发电技术，力求能够最高效率的利用风能，从当前的形势来看，风力发电会成为以后人类大规模利用的一种新型能源。1．2风力发电技术发展现状概述现今风力发电(简称风电)作为一种绿色洁净的电力能源，正在由一种辅助的地位向主导的地位发展。对于风电技术研究中主要的研究和发展方向就是大型变速恒频风力发电技术，目前这种技术还是由少数发达国家所掌控，我国对于这种技术的关键部分研究还有待加强[41。关于风力发电系统的分类标准不同，分类的结果也不相同，按照经常应用的进行分类可以分为两个大类【2】：恒速恒频的风力发电系统和变速恒频的风力发电系统。在研究风力发电技术时，风力发电机和电网之间进行并网运行的时候，必须保持风力发电机的频率不发生改变，即保持在电网频率。恒速恒频风力发电是指在应用风能进行发电的过程中，不管外界因素发生怎么的变动，始终保持同步或者感应发电机的转速不随外界改变而发生变化，以得到频率不发生变化的电能。目前应用比较广泛的是这个系统，但从这个系统的控制原理上能够发现其自身也有一个较大的缺陷，就是由于风能的不稳定性，比如由于天气变化，风突然变大，也就是风速猛地提高，这时候风力机叶片把突变的风能传给主轴、齿轮箱以及发电机这些部件，这样就会产生很高的机械应力，若是之前阐述的过程不断的出现的话，必然会使得风电系统内各个部件产生疲劳损耗，使得它们的使用年限减短。为了尽量延长部件的使用年限，就要尽量使得前面的过程少出现，于是只能够增大系统的安全系数，在这种情况下必然会增大系统投入成本。基于前面的阐述，这种发电系统的缺陷使得到的风能不是最大的，即风能利用不能达到最优化。由于前面介绍的系统存在的问题，在1970年左右又研究出了一种新型的发电方式，将其定义为变速恒频风力发电，从发电机输出能量的频率是变化的，利用电力电子变频器的作用，将电能由频率不恒定变为恒定不变的。当遇到风速突然变化的时候，由于发电机的转速也会随之改变，只能应用另外的方法来得到频2率恒定的电能。这种发电方式避免了之前方式存在的缺陷，能够得到最大的风力，率恒定的电能。这种发电方式避免了之前方式存在的缺陷，能够得到最大的风力，从而使得风能利用率也达到优化的效果。介绍风力发电系统的分类以及基本原理，可以得出：通过比较恒速恒频，变速恒频有着一些优势，主要有以下几个方面：(1)提高风能的利用率；(2)简化了桨距控制；(3)减小了机械应力，增加部件使用寿命。变速恒频风力发电系统可以通过很多方式实现，主要介绍以下几种方案【5‘7】：(1)交直交风力发电系统交直交风力发电系统如图1．1所示，先将风力驱动的发电机输出的交流电整流为直流电，再逆变为交流电，这个过程主要是把交流电由频率变化的变为频率恒定，再送往电网，交流电经过变频器的调节可以使之与电网频率相同，实现恒频发电。下图中发电机使用了笼形异步发电机，也可以使用其他类型的交流电机。交直交风力发电系统的优点是结构简单，容易实现，电能并入电网的时候不会产生冲击，而如果采用永磁同步电机作为系统的发电机，则能够实现与风力机的直接耦合，简化了系统结构，从而使得成本降低。其缺点是不能滤除谐波，可能会对电网造成污染。图1—1笼型发电机类型(2)无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统如图1．2所示，与风力机相连的发电机为无刷双馈发电机，与前两种系统不同的是，它有两个极数定子绕组——功率绕组和控制绕组，功率绕组直接接电网，控制绕组通过双向变流器接电网。转子为笼型结构，无需电刷和集电环，转子的级数应为定子两个绕组的极对数之和。尽管这种变速恒频的控制方案是在定子电路实现的，但流过定子控制绕组的功率仅为无刷双馈发电机总功率的--d'部分，因此图1．2所示的双向变流器的容量也仅为发电机容量的一小部分。这种系统设计方案由于采用了无刷双馈发电机，电机没有电刷，结构简单，易于维护。缺点是定子结构比较复杂，实现起来比较困难，现在也只是理论上研3究的热点。电网究的热点。电网无图卜2无刷双馈发电机类型(3)直驱式风力发电系统这种风力发电系统与交直交风力发电系统一样也是先将电机产生的交流电整流为直流，然后经逆变器逆变为高质量的交流电送到电网。所不同的是风机与发电机直接相连，电机采用永磁同步发电机，省去了变速装置。而且变流装置采用PWM整流器和PWM逆变器，如图1．3所示的PWM整流器后接电压源型PWM逆变器主电路结构，即构成了一种双PWM变流器结构的系统【8】【9】。这种风力发电系统由于采用PWM变流器对系统的功率进行控制，它能够使风力机产生的风能得到最大效率的利用，而且经过PWM整流和PWM逆变的电能质量高，波形好，不会产生谐波污染，是一种性能优良的变速恒频风力发电系统，已经在风力发电中得到了广泛的应用。直驱式风力发电系统的不足在于通过PWM整流器的控制比较复杂，成本较高。本文研究的就是直驱式风力发电系统。蹴冈癯潞冈趔姗图1-3PwM整流器后接电压源型PWlvl逆变器主电路结构各种方案的比较如表1．1。4表1-1表1-1变速恒频方案比较1．3本文主要研究内容及论文概述本文以风力发电系统为课题背景，以风力发电系统变流结构中所使用的PWM整流器作为研究对象，重点研究PWM整流器的工作原理、数学模型以及控制策略，并且进行仿真，最后完成了基于DPC系统的设计。第一章是本课题背景的介绍，主要说明了当今存在的能源问题，风力发电是一种新的发展趋势，简单的介绍了风电系统的分类，对比各种设计方案的优劣；第二章主要是对变流系统的拓扑结构作了简单的说明，通过比较本文选用了PWM整流器+PWM逆变器；第三章详细阐述了PWM整流器的工作原理以及在不同坐标系下的数学模型，并且推导了不同坐标系下数学模型相互变换的矩阵公式；第四章是对PWM整流器的电流控制和功率控制进行了研究，简单介绍了间接电流控制，重点阐述了直接电流控制和直接功率控制的基本原理以及模型的建立，利用MATLAB进行仿真，通过对比仿真波形图，验证了直接功率控制的优势；第五章是基于DPC电压型PWM整流器的系统设计，主要包括软硬件设计。论文最后一部分是对该课题的总结和展望，总结了在研究期间完成的工作，对未来的研究作了进一步的规划。S第二章风力发电系统的网侧变流结构2第二章风力发电系统的网侧变流结构2．1风力发电的变流系统直驱式风力发电系统包括风力机，永磁同步发电机，电力电子器件，最终接到电网，风能通过风力机接到永磁同步发电机上，由发电机输出的交流电的幅值和频率都是变化量，首先要通过一个整流器将交流电变为直流电，然后再把直流电通过PWM逆变器将其变为频率不变的交流电，之后送入电网，通过对电力电子器件的控制，从而控制有功功率和无功功率，实现最大功率运行，提高风能的利用率【10】【111。对于该系统中所采用的电力电子电路在结构上有很多种方案，主要集中在整流和逆变两个电路的设计上存在不同，结构上的不同就决定了控制方法的不同，每种方案都各有各的优劣。目前常用的一些设计主要有如下几种：(1)交流电通过一个不可控的整流器整流成直流电，后接晶闸管逆变器来实现直流电变换为交流电，晶闸管属于半可控器件；(2)交流电通过一个不可控整流器整流成直流电，通过一个boost升压电路将直流电的幅值升高，后接一个PWM逆变器将直流电转换为交流电，通过控制PWM逆变器可以实现比晶闸管逆变器更加符合要求的交流电；(3)目前应用比较多的结构就是交流电通过一个PWM整流器整流为直流电，后接一个PWM逆变器实现直流电到交流电的转变，最终接入电刚12】【13】。下面主要比较一下不可控整流器+boost升压电路+PWM逆变器的方案和PWIVl整流器+PWM逆变器的方案。2．1．1不可控整流器+boost升压电路+PWM逆变器这种设计方案是将幅值和频率变化的交流电接一个不可控整流器，通过不可控整流器可以变为直流电，由于这种方案中应用的是不可控的整流器，这样就会有非线性特性，所以输入到整流器端的电流存在很大的谐波，会使发电机的运行功率因数较低，甚至会发生振荡。而且由不可控整流器输出的直流电的电压值比要求的偏低，如果直接将值比较低的直流电输入到逆变器中会使得PWM逆变器的运行特性变差，基于上述存在的问题，在这种方案中增加了一个环节，即应用DC．DCboost结构起到升压作用，通过boost升压电路环节将直流电的电压值升高到PWM逆变器要求的范围之内，使得PWM逆变器的运行效率得到有效的提高。如图2．1所示是该方案的结构框图，方案中加入了boost升压电路这个环节，这样使得从不可控整流器输出的直流电的电压值升高到PWM逆变器的要求范围，并且使得整流器输出的直流电压值更加稳定，这个方案的结构非常简单，成6本低，实现起来比较容易；同时这种设计方案主要的缺陷在于在整流器中使用的本低，实现起来比较容易；同时这种设计方案主要的缺陷在于在整流器中使用的不可控器件，有非线性特性，导致整流器的输入端的电流存在很大的谐波。图2一l不可控整流器+boost升压电路+PWM电压源型逆变器2．1．2PWM整流器+PWM逆变器PWM整流器+PWM逆变器这种方案是在前一种方案的基础上将不可控整流器和boost电路用PWM整流器代替，系统的结构图如图2．2所示。由于不可控整流‰ost升压电路+PWM逆变器这种方案采用不可控器件，有非线性特性，导致整流器的输入端的电流存在很大的谐波，电流的畸变比较严重，基于这样的情况，采用PWM整流器代替了不可控器件和boost升压电路。PWM整流器实现了全控整流，所以通过PWM整流器可以把交流电整流成PWM逆变器需要范围内的直流电压，并且保持电压稳定，这种方案中一个PWM整流器能够完成不可控整流器和boost升压电路两个部分的功能。该方案中发电机侧的PWM变流器通过调节定子侧的d轴和q轴电流，控制发电机的电磁转矩和定子的无功功率(无功功率设定值为0)，使发电机运行在变速恒频状态，额定风速以下具有最大风能捕获能力；网侧的PWM变流器通过调节网侧的d轴和q轴电流，保持直流侧电压稳定，实现有功功率和无功功率的解耦控制，控制流向电网的无功功率，通常运行在单位功率因数状态【141。此外网侧PWM变流器还要保证变流器输出的THD尽可能小，以提高注入电网的电能质量。新该方案控制方法简单，容易实现，并且可以提高系统对于风能的利用率。但与此同时，由于引入了PWM整流器，与前一种方案相比提高了系统的成本。7图2-2图2-2PWM整流器+PWM逆变器2．2PWM整流器研究现状及发展概述2．2．1PWM整流器的发展及现状随着科技进步，电力电子学科也有了很大的发展。首先是电力电子器件的发展，由一些不可控器件比如电力二极管发展到半控型器件如晶闸管再到全控型器件，电力电子器件的发展带动了电力电子技术的发展，整流器是一个实现交流转变为直流的装置，也经过了不断的研究改进，由最初的不可控整流到相控整流，主要是控制晶闸管的开通角来实现的，到现在的PWM整流器。最初应用较为广泛的是晶闸管整流电路，随着研究的不断深入，发现这种整流方式存在着一些缺陷【15】：(1)在理想情况下，认为晶闸管的换相是瞬间可以完成的，实际上考虑到变压器漏感的影响，换相过程会持续一段时间，这样会导致输入端电压发生畸变；(2)由于整流器输入端电流存在一些谐波，会对发电机侧造成干扰；(3)功率因数需要进一步提高；(4)响应时间较长。最初的不可控整流器，虽然在机侧功率因数方面比相控整流器提高了，但是采用了二极管这样的不可控器件，所以不可以控制整流器输出的直流电压，并且由于整流器输入端电流存在谐波，会污染发电机侧。无论是二极管整流器还是晶闸管整流器都存在着一些缺陷，而PWM整流器则正对前两种进行了技术上提高。PWM整流器应用全控型器件代替了二极管和晶闸管，在性能方面确实取得了很好的效果：(1)输入端电流波形为正弦波；(2)功率因数得到有效的提高：(3)整流器也可作为逆变器反向输送能量：(4)动态响应时间短。PWM整流器已经超越了传统的整流器，它可以实现能量的双向流动，即可8以实现整流和逆变两个功能。当PWM以实现整流和逆变两个功能。当PWM整流器工作在整流状态的时候，PWM整流器是从发电机侧接收能量；当PWM整流器工作在逆变状态的时候，PWM整流器是向发电机回馈能量。当整流时，输入端电压和电流同相位；当逆变时，输入端电压和电流相位相反，这就称之为单位功率因数。PWM整流器能够运行在单位功率因数状态下，发电机侧的电流就不存在谐波，实现了真正的绿色节能的方案。PWM整流器的发展前景非常的好，应用的场合也越来越多，这也极大的促进了PWM整流器技术的向前发展。现在已经用于很多场合，比如本课题研究的新能源领域。2．2．2PWM整流器模型及控制方法研究1、PWM整流器数学模型的发展简介PWM整流器的数学模型是研究PWM整流器中很重要的一个方面，是后面研究控制策略的基础。在研究PWM整流器数学模型的发展过程中，有一些学者做出了很大的贡献。最开始是由A．W．Green等学者在研究PWM整流器的数学模型时，阐述了将数学模型建立在坐标变换之上，这种方法对于连续和离散的系统都适用，同时也奠定了PWM整流器数学模型的基础。之后由R．Wu、S．B．Dewan等学者研究了在时域模型下的PWM整流器，在研究中他们将时域模型分为高频、低频两个方面，同时提出了时域解。ChunT．Rim、DongY．Hu等学者是建立了在由坐标变化的基础上对PWM整流器建立新的模型，该模型是基于变压器的电路等等【16】【17】。2、PWM整流器的拓扑结构从拓扑结构上来划分，PWM整流器可以分为电压型和电流型。由于PWM整流器近年来应用越来越多，对于不同的环境要求必须要有合理的拓扑结构才能使系统最优，所以一些学者对各种不同的拓扑结构作了研究【18-20】。J．J．Shieh等学者是针对四开关三相电压型的拓扑结构进行了研究，包括对其建立模型，对其工作原理的分析从而得出该电路的一些优缺点。根据分析基本工作原理可以得知PWM整流器是一种升压电路，也就是在正常的状态下，输出的电压值要高于输入电压值，即输入的交流电压的最大值必须要小于输出的直流电压值，如果电路中需要较低的直流电压时，就必须要对传统的拓扑结构进行改进了。Ching．TsaiPan等人就是分析了PWM整流器存在的这个问题，基于上述问题提出了改进方案，并且得到了应用。如今PWM整流器越来越多的应用于大功率的场合，而在大功率下更多的涉及到整流器的串并联、多电平结构以及软开关的应用。可以将多个电流型PWM整流器串联或者并联起来，这样可以控制开关损耗，即可以提高功率，并且保证输出的波形。也有些学者研究了基于软开关技术的结构，各种结构都有不同的优劣，各自都有应用的场合，这些技术还不完全成熟，还需9要进一步的研究完善。要进一步的研究完善。3、控制方法的研究现状和发展趋势随着对PWM整流器研究的深入，对于其控制策略的研究也越来越多，并且将各种控制算法应用在其中，提出了较多的新型方法。主要的控制方法有电流控制、功率控制、反馈线性化控制，基于Lyapunov理论的控制，基于无源控制理论的控制，基于自抗扰技术的控制，基于反步法的控制等等。下面主要介绍电流控制和功率控制【2lJ。I、电流控制对于电压型PWM整流器来说，研究交流侧电流非常重要。电流控制主要包括间接电流控制和直接电流控制两种。间接电流是通过控制其他的变量来间接控制交流侧电流的，实际上主要是通过控制交流侧基波电压的幅值和相位来控制电流的，在这种控制中不需要知道交流侧侧电流的反馈信息，所以无需加电流反馈环节。这种控制在结构上非常的简单、不需要电流传感器，但是这种控制也存在一些缺陷，稳定性差，而且动态相应较慢，这也就限制了其应用场合。为了解决间接电流控制的不足，提出了直接电流控制。它是直接控制交流侧电流的，在结构上就需要设计一个电流反馈环节，由于有反馈环节也就构成了闭环控制系统，闭环控制系统可以提高动态响应的速度，实时的反馈交流侧电流的信息。直接电流控制策略是采用双闭环的控制系统，交流电流内环，直流电压外环，’这种控制策略的优点就是动态响应快，而且控制精度有了提高。所以近些年来主要用的是直接电流控制策略，对于直接电流控制也研究出了很多种方案，各种方案都有对应的应用场景，这里就不做阐述了。Ⅱ、功率控制上述的电流控制是通过控制交流侧电流来实现对PWM整流器的控制，从功率的角度分析，通过控制PWM整流器的有功功率和无功功率从而间接的控制电流，即是直接功率控制。这种控制是由日本学者TokuoOhnishi提出的，他将瞬时功率的概念引入到PWM整流器中，打破了传统电流控制，开创了一种新的研究角度，之后也有一些学者研究了直接功率控制的不同的方案，不过也是在TokuoOhnishi研究的基础上瞰】。直接功率控制也是双闭环控制系统，直流电压外环，功率控制内环，这种控制策略是计算交流侧的瞬时有功功率和无功功率，与直流侧的有功功率进行比较，其中理想的情况下无功功率为零，实现最大功率运行，通过比较的结果来选择开关表的值，控制PWM整流器的IGBT的开通和关断。直接功率控制动态响应快，精度高，而且结构简单，所以近些年来应用非常广泛。2．2．3本章小结通过对直驱式风力发电系统的几种拓扑结构进行介绍，选择PWM整流器+PWIVI逆变器作为主要研究的一种拓扑结构，PWM整流器在风力发电的系统中起着很重要的作用，所以研究PWM整流器是很有必要的，介绍了整流器的发展过程，比较了PWM整流器相对于传统整流器的优势所在，简单的说明了PWM整流器研究的主要内容。第三章PWM第三章PWM整流器原理和数学模型的研究3．1PWM整流器的基本原理上一章对几种拓扑结构作了简单的介绍说明，本文主要采用PWM整流器+PWM逆变器的结构，这种结构控制精度高，可以提高系统对风能的利用率。本章主要是分析PWM整流器的基本工作原理和数学模型的建立，为后面研究控制策略奠定基础。3．1．1PWM整流器的分类和原理PWM整流器技术的研究促进了整流器的发展，提高了整流器的性能。PWM整流器中应用了全控型器件IGBT，代替了传统的不可控二极管和半控型的晶闸管，在整流器的性能方面提高了许多。PWM整流器按照不同的角度有多种分类方法。从直流储能形式可以分为电压型和电流型两种，这是最常用的分类方式；按照电网相数分类可以分为单相电路、三相电路和多相电路，研究PWM整流器是从单相电路入手，然后推广到三相以及多相电路；按照PWM开关调制可以分为硬开关调制和软开关调制；按照桥路结构可以分为半桥电路和全桥电路；按照调制电平可以分为二电平电路、三电平电路和多电平电路【2引。虽然分类方法有很多，但是常用的到分类就是将其分为电压型和电流型，下面对电压型和电流型的定义进行阐述。如图3．1是理想条件下PWM整流器的输入和输出框图。0(f) ～／ 0(f)／，．／／ 一图3—1理想条件下PwM整流器的输入输出框图如果输出的电压‰(f)保持不变，蚴(，)=％，并且％≥√2巩，这种类型就是电压型PWM整流器，这时可以通过公式(3-1)来计算出输出电流屯(f)。讹)=等=锷”础研) BD如果输出的电流‘(f)保持不变，屯(，)=L，并且L≥√2厶，这种类型就是电流型PWM整流器，这时可以通过公式(3．2)来计算出输出电压‰(f)。“。“。(幻：丛坐趔=I#UN(1一cos2tot) (3．2)ia(t) Id图3．1为最简单的理想型PWM整流器的结构框图，对于实际应用中，还需要对理想电路进行完善。交流侧电流中除了基波量之外还存在着少量的谐波分量，无论是PWM整流器是运行在整流或者逆变的状态，交流侧的电流都含有谐波量，需要一个滤波元件，通常可以在交流电路中串联一个电感，起到滤波的作用：还有是需要保持PWM整流器的直流侧的直流电压恒定，需要加一个使直流电压保持恒定的元件，通常可以在直流侧与负载并联一个电容来达到恒定直流电压的作用[24]1251。对于电压型和电流型两种类型的PWM整流器有不同的滤波如图3．2和图3．3所示。r1 ／卜u／‰( l ／ 斟巳1lr{(t)◆一／图3-2电压型滤波结构ru／／呻ClUⅣ( —1Ir cⅣ上 ／ 【 t)／ 一图3-3电流型滤波结构如图3．2所示为电压型的滤波结构，从图可以看出，在该电路中交流侧串联了一个电感厶，，这个电感主要是起到滤波的作用，滤掉交流侧电流中所含的谐波分量，在该电路的直流侧并联了厶C2和C，其中电容C主要是起到稳定直流侧的直流电压仉的作用，通过对厶G的设置，让其谐振于二倍的基波频率，从而短路掉来自交流侧的二倍频的谐波；如图3．3所示为电流型的滤波结构，从图可以看出，在该电流中交流侧不仅串联了一个滤波电感￡Ⅳ，而且并联了一个电容CⅣ，由于在与风力发电机连接的时候PWM整流器的连接处会产生一定量的电压纹波，CⅣ主要是减少这部分电压纹波的，在该电路的直流侧串联了一个电感乙和厶G，通过对厶C2的设置，可以抑制二次谐波分量，对于厶主要是用来稳定直流侧的电流的。13对于PWM对于PWM整流器这个装置，它既可以作为整流器来使用，同时也可以实现逆变这个功能，即可以实现四个象限的运行，通过以下模型电路来分析其工作的基本原理。’ylrY、—————'-．+ ．J．>—／—∑‰ ∑—J‘二一 1l图3-4PWM整流器的模型电路图3．4所示的是分析工作原理所采用的模型电路。图中的变量分别表示：“为交流侧的电源电动势，￡为交流侧的电感，“和上构成交流侧电路；中间一部分是PWM整流器的桥路，通过控制该桥路中开关管的开通和关断来实现对功率的控制；后面一部分为直流电路，R，为直流侧负载，U：为直流侧的负载电动势，％为直流侧电压。在理想条件下，即假设开关管无损耗的情况下，由交流回路和直流回路功率守恒可以得到，iv=fd。1’d。 (3-3)其中：f、v分别是图3．3所示交流侧的电流和电压；么、％分别是图3．3所示直流侧的电流和电压。通过式(3。3)可以看出：交流侧的电流电压与直流侧的电压电流可以互相控制。下面将从整流的角度，即能量由图的左边到右边的流动方向来分析该电路的基本工作原理。以下通过PWM整流器的矢量关系图来分析其在不同状态下的运行情况。定义下面图中所用到的变量所代表的含义：E代表交流电路中的电源电动势，y代表交流电路中交流测的电压，K代表交流电路中电感两端的电压，，代表交流电路中的电流，并且以上四个变量都是矢量。为了使得分析简化，对于图3_4的模型电路，忽略PWM整流器中交流侧电流的谐波分量，只分析电流的基波分量。在分析过程中，选取交流电路中电源电动势E为参考量，规定E的方向为正方向。假定I，l恒定，那么lv：I=oTt[Il也会恒定不变，通过调节交流电路中的电压矢量矿从而使得PWM整流器工作在不同的状态下。在PWM整流器运行的状态中，主要分析四个特殊的点，以及四个过程状态[26-301。14DCDC图3-5PWM整流器在A点的运行状态如图3-5所示，选取E为参考量，y以圪为半径构成一个圆。当y的运行于圆上的A点时，电流矢量，恰好滞后E的角度为900，由电感的特性可知当电路为纯感性负载时，电流滞后电压900，由此可知在A点时，PWM整流器的交流侧恰好处于纯感性特性。DDCB l图3-6PWM整流器在B点的运行状态如图3．6所示为PWM整流器运行在B点的状态，即y运行在B点，此时由图3．6可知，和电源电动势矢量E的方向一致，由正电阻的特性可知当电路为正电阻负载时，电流和电压的方向一致，由此可知在B点时，PWM整流器的交流侧恰好处于正电阻特性。DIDC召图3-7PWM整流器在C点的运行状态如图3．7所示为PWM整流器运行在C点的状态，即V运行在C点，此时由图3．7可知，超前电源电动势矢量E的角度为90。，由电容的特性可知当电路为纯电容负载时，电流方向超前电压方向900，由此可知在C点时，PWM整流器的交流侧恰好处于正电容特性。l的交流侧恰好处于正电容特性。l DDC图3-8PwM整流器在D点的运行状态如图3．8所示为PWM整流器运行在D点的状态，即y运行在D点，此时由图3．8可知，和电源电动势矢量E的方向相反，由负电阻的特性可知当电路为负电阻负载时，电流和电压的方向相反，由此可知在D点时，PWM整流器的交流侧恰好处于负电阻特性。以上分析了PWM整流器在A、B、C、D四个特殊点的运行特性，下面分析一下PWM整流器的四个运行过程【31】【32】。当交流侧电压矢量y由A点运行到B点这个过程中，发电机侧的有功功率和感性无功功率传输到PWM整流器，这些被整流器吸收过来的能量通过开关管装置传给直流电路的负载上，这个时候PWM整流器是实现整流功能的。上面分析了在B点时，PWM整流器运行在正电阻特性，通过前面对单位功率因数的定义可知，在B点，PWM整流器恰好处于单位功率因数整流过程。而在A点的时候，发电机恰好只输出感性无功功率给PWM整流器。当交流侧电压矢量矿由B点运行到C点这个过程中，发电机侧输出有功功率和容性无功功率到PWM整流器，这些被整流器吸收过来的能量通过开关管装置传给直流电路的负载上，这个时候PWM整流器是实现整流功能的。当恰好到C点的时候，发电机恰好只输出容性无功功率给PWM整流器。当交流侧电压矢量y由C点运行到D点这个过程中，发电机侧将通过PWM整流器来吸收有功功率和容性无功功率，吸收的能量通过开关管装置回馈到发电机侧，这个时候PWM整流器是实现了有源逆变的功能。上面分析了在D点时，PWM整流器运行在负电阻特性，通过前面对单位功率因数的定义可知，在D点，PWIVI整流器恰好处于单位功率因数有源逆变过程。当交流侧电压矢量V由D点运行到A点这个过程中发电机将通过PWM整流器来吸收有功功率和感性无功功率，吸收的能量通过开关管装置回馈到发电机侧，这个时候PWM整流器是实现有源逆变的功能。通过上述的分析过程可知：要使得PWM整理器运行在上述的过程，关键是如何控制开关管的开通与关断，通过矢量图分析，可以控制交流电路中的电流矢量，来实现，由1量，来实现，由1通过公式VL=功口计算出v，的值和方向，然后根据矢量合成法则，计算出网侧电压矿，通过y来控制PWM整流器开关管的开通和关断。3．1．2PWM整流器主电路的工作原理本文主要研究的是电压型PWM整流器，而电压型PWM整流器的拓扑结构也有很多种，经常采用的如图3-9所示的结构，图示的三相整流器采用的开关模块为IGBT，能够方便的实现能量的双向传递，已经有了广泛的应用，特别是在不间断电源、风力发电等领域【331。本文所要探讨的就是这种结构的电压型PWM整流器。图中各变量分别表示：“。、％、虬是三相对称的相电压，艺、f^、‘是三相对称的线电流，￡是交流侧的电感，主要是滤波的作用，尺是交流侧的电阻，五一瓦是六个全控型的开关管IGBT，C是直流侧的电容，主要是稳定直流侧的电压的作用，R，是直流侧的负载，“出是直流侧的负载电压。L‰ ‘+毋q辱。互-J['乃-j[’～[；_J ．．J _J口段 ‘L R C：=Ⅳ ＼7 b “dc [久 之L R＼7一 一 一。一甲爿审却 D图3-9三相电压型PWM整流电路由于三相全桥电压型PWM整流器可以看作是三个独立的单相电压型PWM整流器，为了便于简化分析图3-9电路的工作原理，只分析单相电路的工作原理，三相与单相电路的工作原理基本是一致的。图3-10单相PWM整流器17图3图3．10中各变量分别表示：uN(t)为电源电压，厶为交流侧的滤波电感，主要是滤掉交流电流的谐波分量，屯(f)为交流侧的电流，若PWM整流器工作在整流状态时就是从发电机侧中吸收的电流量，若PWM整流器工作在逆变状态时就是向发电机回馈输出的电流量，”。(，)为交流侧的输入电压，通过前面的分析可知，通过”。(f)控制开关管的开通和关断，五一瓦这四个管采用的是全控型器件IGBT，主要是通过控制互～乃的开通和关断来实现的，由于互～正这四个管用的是IGBT，这样就体现了PWM整流器区别与传统整流器的优势，皿一现为续流二极管，直流侧并联了一个电容C，是为了稳定直流侧的电压玩的。图3．10电路工作时，当墨和互导通时，由ⅣⅣ(f)、厶、巧、互和负载组成一条回路，当正和正导通时，材Ⅳ(r)、厶、正、正和负载组成回路，如果能量是由发电机侧传向直流侧那么PWM整流器处于整流状态，如果能量由直流侧传向电网侧那么PWM整流器处于逆变状态，PWM整流器工作的状态可以通过调制Z—Z的脉宽实现。3．1．3PWM整流器的电压电流矢量关系为了便于分析矢量关系，对图3-9的三相电路，我们取其中交流侧一相电路作为分析对象，如图3．11所示，其中扰是电源电压中一相电压，f是交流电流，材n是电动势内阻的电压，U，是电感两端的电压，“，是交流侧的电压。卜图3—11交流侧一相电路由图3．11所示可以得知，交流电流i主要是取决于电感两端电压U，，由矢量计算可以得知材：=“一“，一UD，在理想情况下，忽略R的影响，即不计“P，前面的公式变为“：=甜一材，，由于电源电压材为常量，所以交流电流f就由开关管两端电压14，所决定。前面已经分析过了PWM整流器在四个象限中运行的基本原理，能够实现不同点或者过程运行主要是控制f，也就是控制“，。下面分析在整流和逆变这两种工作状态下，PWM整流器中的电压和电流的矢量关系，由前面分析PWM整流器在四个象限中运行的基本原理可以得知，若PWM整流器工作在整流状态时就是从发电机侧吸收电流量，若PWM整流器工作在逆变状态时就是向发电机侧回馈电流量。图3．12所示由于甜，的值小于“且方向也滞后于“，可以判断此时PWM整流器运行于整流状态，同时如图中所示f与材的方向也存在角度，所以此时是非单位功率因数下运行。f与材的方向也存在角度，所以此时是非单位功率因数下运行。N夕7＼7图3-12非单位因数整流的电压电流矢量关系图 由图3—13所示可知U，的值大于”且方向也滞后于材，可以判断此时PWM整流器运行于整流状态，并且图3．13中所示的f与甜方向同向，所以此时是单位功率因数下运行。f 甜d‘吃图3-13单位因数整流的电压电流矢量关系图由图3·14所示可知“，的值大于材且方向也超前于“，可以判断此时PWM整流器运行于逆变状态，并且图3．14中所示的f与甜方向相反，所以此时是单位功率因数下运行。．-／f 彳y『蚝“d图3-14单位功率因数逆变的电压电流矢量关系图293．3．2不同坐标系下的数学模型分析数学模型所采用的主电路如图3-9所示，其中，”。，玩，材，为输入电压，屯，f6，‘为输入电流，三电感用来滤掉谐波，五一瓦是六个IGBT开关管，‰为输出的直流电压，负载电阻由R，表示。针对理想状态的PWM整流器进行建模分析，对于理想状态下这个条件做如下的规定【31】【34】：1、交流侧采用三相星型对称电源；2、交流侧的电感不存在饱和问题；3、不考虑互一瓦开关管的损耗问题。三相对称相电压的表达式如下／Aa2U琳COScot％：“cos(cot一_2‘rt") (3．4)‰：‰c。s(cot+_27t")三相对称线电流的表达式如下乞=厶cos(oJt+9)毛=和s(甜尹一争 (3-5)乞=驷s(研+伊+争互一瓦为六个开关管，为了方便建模定义一个开关函数邑，且规定这个开关函数只有两个值0和1，S的表达式如下马={芑霁羹喜毒姜喜詈薹I姜喜羹要 c3—6，式(3．6)中，j=(a，b，C)。3．2．1在(口，6，c)坐标系下的数学模型为了方便分析，取一相列方程。本文取a相作为对象，对a相回路应用基尔霍夫定律列得电压方程如式(3．7)哮--UaJicH￡¨‰) (3-7)b，C相同上可得电压方程如式(3．8)、(3．9)三譬=三譬=矿尺f6一&”如+“DⅣ)(3．8)衍三譬：纩尺‘(Sou．+‰) (3-9)西将a，b，C三相联立起来组成矩阵方程如式(3．10)工丢[差]=[塞]一R[差]一[基] (3-10)式(3-10)中，‰=SoUd℃+“DⅣ，‰=&“出+”DⅣ，U"=墨“廊+“DⅣ。由于采用的是三相对称系缌段贝++岍‰．b育¨¨Ⅳ．00 (3．11)将(3．7)、(3-8)、(3．9)三个公式叠加可得‰一等∑母 (3．12)J／l口≯。c则可得U。=u．(So一 q1—3‰=Udc(墨一 S (3-13)1—3U肛=‰(疋一 邑l一3∑一∑一∑一对于直流侧而言，只有一条回路，直接应用基尔霍夫定律得Cduhac=‘＆+ibS6+ioS,一(3．14)讲在(a，b，C)坐标系下，推导得出公式(3．10)到(3．14)，将这些公式联立起来，列出一个矩阵方程即为(a，b，C)坐标系下的数学模型哮-"Ua肾(So一1—3 Sj)u,e哮=％吨咆一1—3∑毗∑毗E)％(3．15)￡ =啦万 ％一尺‘一(疋一了1，荟。。Sj)u．i口so“sb“sc=C等“2l主直太堂亟±主直太堂亟±堂焦i金塞 筮三童￡盥丛整逾登基奎厦理塑数堂搓型其中，当系统负载是纯电阻时，屯=lade／RL。3．2．2在(口，夕)坐标系下的数学模型求得等量变换矩阵‘36】f37】1．．．—1—．．．．1．虬旷詈o鱼一鱼 (3-16)2 21 1 1压压压求逆可得11M～咖，筇=‰，出= (3．17)212 。鱼2』2等功率变换矩阵是。叩 压‰，筇2、／了 (3．18)o。一压 。～2压一2。一压 』2笪2一|压求逆得到1 0—芎14243 1T--la6c／a18--‰=层1 (3-19)2 2 421 √3 l2 2 42下面分别推导用这两种变换矩阵得到的(口，∥)坐标系下的数学模型。l、利用等量变换矩阵由式(3．16)和式(3．17)可得(口，∥)坐标系下的数学模型山山T瓯出肘LmB [一3趸&一3是&三一旺 (3．20)dt％坳0 ‰％巾0L，幽出 ，，，．．．．．．．．。．．．．。．L ，，，．．．．．．．．．．．．．．．．．一／．k．冶％ 破其中，％=砜c。s研；坳=砜sm研；&=吾(2&一s一疋)；＆=孚(&一≮)。由于系统采用的是三相对称结构，则有公式：UON=0，“旭=&％，“印=％％，所以公式(3-20)能变换为厶，嗷讲0厶一 ]-[足O R 眭H劲(3．21)理B疵％％0 &％0，，，．．．．．．．．．。．．．．．-／ 一3／2& -3j2s8Lr幽出出2、利用等功率变换矩阵由式(3—18)和式(3—19)可得(口，∥)坐标系下的数学模型di口厶dto 0Ld{B ]- ㈢一㈢ (3-22)dt，，．．．．．．．．．．．．．．．．L％％0 ，，．。．．．．．．．．．．。．L天。吨 R^&＆0 ，，J，．．。。。，。，．．。．。．_／0．乙r幽。一dt其中，％=廖 声=肛s洫研；&=去(2㈣嘲；％=击(昆一足)·和上述分析相同可知，若系统采用三相对称结构，则有‰=0，Z／ra=&‰，材坩=SBz／出·公式(3-22)能变换为厶diadtRLT喝 ]- 旺H到 (3．23)dto吨 o足4&＆O％％0r幽L一出233．3．2．3在砌坐标系下的数学模型下面利用两种变换矩阵推导其在由坐标系下的数学模型【38】I、利用等量变换矩阵首先求得旋转坐标系下的等量变换矩阵fCOSwt cos(wt-1200)cos(wt+120口)’帆。，匈口=i／lsinwt sin(wt一120。)sin(wt+120口) (3．24)jL1／2 1／2 1／2 求逆可得，一 sinwf咖咖=蚝。，咖=C0S例oO。)sin(wt-120。) (3．25)M0S，L，LH，眩忆OD)sin(wt+120。) ●●■，●■，l，，f．．．．．．．．。．．．．．．-／由以上两式，即可得到其数学模型式如公式(3—26)di。L出 一讹 O厶一 ]- R (3．26)diB出咖咖0屹％0 3兹‘％ ，，，．．。．．。．．．．．．．．．LO．乙Cdu．． R儿》一i69，，．．。．．。．。．。．．．．．．一／一二出如果甜耐=&‰，llrq=&％代入式(3—26)得di。L一西 一儿 mB ㈧一臣 (3．27)L2 犬出3¨、．b．～kR比》a，幽L一 —i69二面如果负载为纯电阻，那么可得屯2iUdc，代入上式得厶，呶破 一儿 r‘1L出 ]_ ㈦diB R 。乏趵蚴％0，，J．．．。．．。。．．．．。．LL，’幽出 尺比》一三&品&上冠dt2、利用等功率变换矩阵首先求得旋转坐标系下的等功率变换矩阵Wt Wt 20口)‰叫后jLIC凇OS c咖osc(w；wt≯-120。)e如osc(w；wt≯+1 (3．29)求逆可得rf， COSWt sinwt ／r1删如=％胁=蚓cos(w_120口)sin(wt-120口)／ (3．30)【cos(wt+1200)sin(wt+120。) ／压压压、、●●●●●●●●●／由以上两式，即可得到其数学模型为厶T蛾dt0 0硪。 ]- ㈢／Adc]-三—旦 砒R O (3．31)防，，．．．。。。．．．。．．．L R比R儿喝 儿R乜 ，，．。．。。．．．．．．．．．L‰‰O 即咖00，，，．．．。。。．．．．．．L0．屯Lr幽证出将“耐=品“出，‰=&‰代入式(3—31)可得Tdia山一出(R —wL 0lmBL出 1wL R (3．32)l蚴～0 L一昌 一& &岛0V¨¨八‘‘％ O．乙．rldu乙一西如果负载为纯电阻，那么可得屯=U冠dc，代入上式得LTdit西 一此 LT虬 ]-足足儿 R (3-33)击，，．．．．．．．．．．．．．．．L％～O ．0．～‰乙，1幽出 包 一岛 U讲 ，，，-．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．。．．。．．。。L &■一l冠3．3本章小结主要是对PWM整流器的原理进行了详细的阐述，并且分析了PWM整流器在四个象限工作的基本原理；同时推导了PWM整流器在不同坐标系下的数学模型，并且给出了不同坐标系下相互转变的矩阵公式。第四章PWM第四章PWM整流器控制方法的研究及仿真PWM整流器的控制策略主要研究电流控制和功率控制。电流控制是从控制交流侧电流这个角度来分析的，依据有无电流环的控制分为两大类：无电流内环的是间接电流控制，有电流内环的是直接电流控制。应用较多的电流控制方法为双闭环控制，即外环为电压环，内环为电流环这样的结构。功率控制是从功率的角度进行分析的，它与电流控制最大的区别就是内环改为功率内环，通过控制系统的功率，包括有功功率和无功功率，从而达到良好的输出效果。由于直接对功率控制，通过控制功率来进行开关管状态的选择，这种控制方法控制效果好，动态响应快，而且控制结构相对简单，容易实现。4．1间接电流控制间接电流控制的原理是通过控制交流侧的电压间接的控制交流侧的电流。由图3-11电路图可知，电源电动势是保持不变的，交流侧电流主要就是由交流侧电压来控制了，那么交流侧电压的幅值和相位就直接影响交流侧电流的幅值和相位了，在这种控制策略中，可以通过PWM控制来实现对交流侧电压的幅值和相位的控制。该控制策略没有电流反馈环，同时交流侧电流的谐波含量较大，所以在交流侧串联了一个电感，滤去谐波。图4-1所示为间接电流控制的矢量图。-∥／／l／气＼八‘IE 呸图4—1间接电流控制的矢量图由图4．1可列出式(4．1)：V=E一圪一彤 (4-1)由矢量图可以看出，当E恒定不变时，J主要由V来控制。图中9为，与E的夹角，分析时以E的方向为参考方向，所以伊为J的相位，7为y与E的夹角，即T为V的相位，通过PWM控制川和y，由lVI和厂来控制I，I和缈。通过上述分析可知，该方法由于未加入电流反馈环节，所以相对来说结构比通过上述分析可知，该方法由于未加入电流反馈环节，所以相对来说结构比较简单，控制起来容易，而且用的算法也相对来说比较简单，但是由于没有电流反馈环节，使得该系统动态响应较慢，对于一些对动态响应和稳定性要求不高的场合可采用该方法来节省成本。4．2直接电流控制直接电流控制是电流控制中的另一种控制策略，由于间接电流控制不合适用于一些对动态相应要求较高的场合，所以研究了直接电流控制，在结构上，直接电流控制的内环设计了电流环，再加上外环电压环，就组成了双闭环控制系统，根据自动控制原理的知识可知，闭环控制相对于开环控制有很大优势，比如抗干扰性能加强，而且响应速度也提高，同时精度更高，稳态误差也降低【39】。所以，现今对于直接电流控制的应用还是比较广泛的。电压外环主要是控制直流电压，外环的输出为电流值，该电流作为电流内环的跟踪对象，与设定的电流值进行比较，得到偏差，之后将偏差信号反馈到交流侧，通过控制交流侧的电流进而控制开关管的通断，从而实现最优运行。在控制系统的设计中，首先设计电流内环，然后再设计电压外环【4¨21。4．2．1电流内环控制设交流侧三相电流为io=Lcos(cot+伊)屯=Lc。s(斛伊寺) (4-2)‘=驷s(研州争根据前面所讲述的坐标系之间的转换原理，把式(4-2)先变为(口，∥)坐标系下，然后再变换到由坐标系下，变换过程前面有详细的说明，这里就不做说明了，最后变换的结果如式(4．3)￡ =ud—R屯+cOLiq一“耐(4．3)三奶石啦百2‰一天‘一缈三屯一“，可，●●●●●●●J1，●●●【上式中，‰=岛‰，‰=&‰。有功电流为毛，无功电流为‘，d和g分别是由坐标系的两个轴，也就是将电流i分解在d和q两个方面。从式(4-3)可以看出屯，‘主要是由&％，墨％和coLid，彩三‘两对变量决定的，其中&‰，&％是控制量，而国三‘，O,Uq为耦合量，在设计的时候，希望‘，‘仅由&％，&“出决定，所以必须要用一种电流解耦的控制策略来简化控制器的设计&“出决定，所以必须要用一种电流解耦的控制策略来简化控制器的设计f43】㈣。本文用电流前馈来实现解耦，电流内环主要是采用PI控制。“耐，‰如公式(4．4)弘．耐=一(彩+粤)(艺一屯)+缈三‘+‰@。4’．w叫昂与“m"‰”』三d!i：a=-Rid+(尺。+争)(e一屯) (4．5¨驯【哮=一Rfg+(郎+争婀一乇)图4-2电流内环解耦控制结构图由图4—2可以看出，屯和‘内部的结构是对称的，所以两者设计的原理也是相同的，取‘为研究对象进行分析，‘同理可得。经过上述解耦过程，可以得出屯电流内环的结构图如下：图4-3乙电流内环结构图中，砟删=_Ude图中，砟删=_Ude，是PWM桥路的等效增益；C为开关周期。“．对于上图中的PI调节环节变换一种方式来表示，如式(4．6)％+争=雠菩 ㈨6，通过上式的表示，可以很容易的找出零点和极点，其中畅=昂／q，同时忽略扰动蚴，这样可以得到进一步简化的结构框图图4-4简化电流内环结构图根据自动控制中I系统的设计原理可知，为了把电流控制对象传递函数的极点用PI调节器零点抵消，设竖：一R (4．7)KIP 三由式(4．7)可得电流内环开环传递函数％(s)=面gi瓦pgp而wM (4·8)设‘=L／R可得％(s)=jRr，s鲢(O．5T,s+1) (4-9)取阻尼比孝=-压5-，可得Q：兰圣堡垒匦一一1 (4．10)Rr, 2由(4-10)得到雠为雠=去 (4．11)畅鲁=磊R (4．12)式(4式(4．11)，(4．12)分别为比例环节和积分环节的系数计算方法。根据自动控制原理中计算闭环函数的方法，由图4．4可以计算得到电流内环闭环传递函数如下 ％(s)2i互=1面‘4-13)KiPKF蹦 K|PKP聊蛳鲋时，忐》器删器殆溉M蛳公式(4．13)可以表示为公式(4．14)这种简化形式为％(s)2■} ‘4-14)KtPKP嘲把(4．11)代入(4．14)可以得到以垆高 “d5)通过上述分析得到了比例和积分参数的计算公式，这样就可以设计出PI控制器，同时也推导出了电流内环的闭环传递函数的计算公式，电流内环的设计非常重要，如果可以通过控制使得乞为零，就可以实现单位功率因数运行。4．2．2电压外环控制下面设计电压外环，电压外环中也由PI算法进行控制，PI控制的输入是电压比较值，输出是电流有功分量的给定值i：，同时给定艺=0，实现单位功率因数运行状态。系统的结构框图如下【45】f蛔士十1zd1覃 。“‘卜怔1‘卜—(引 PWMllg 士

—虻互哟≠wI图4-5电压电流双闭环控制系统结构图下面分析图4．5的基本工作原理：将直流侧检测到的直流电压％与之前已的部分是电流解耦控制的部分，其原理在前面做了详细的阐述，这里就不做说明了，该部分输出的部分是电流解耦控制的部分，其原理在前面做了详细的阐述，这里就不做说明了，该部分输出U耐，“w作为PWM整流器的输入，通过控制％，“一从而产生PWM波形，控制IGBT的通断。具体的设计过程如下：令交流侧三相电源电动势为I Ua=Ecos(cot)似2毛cos(rot一1200) (4．16)【Uc=毛cos(rot+1200)在设计过程中，由于电源电动势含有谐波，使得设计过程复杂，但是考虑到开关管的频率很高，甚至比其基波的频率还要高出很多，所以可以不考虑谐波的影响t44j，设开关函数为最(七-a，b，c)，在分析过程中只考虑＆(七=口，b，c)的低频分量，从而可得I 配≈o．5meos(tot一目)+o．5{&≈o．5mcos(tot-O-1200)+o．5 (4-17)【疋≈0．5mcos(rot-0+1200)+o．5上式中，口一开关函数基波初始相位角；m—PWM调制比。 设交流侧三相电流为I 乞=Lcos(a,t){‘=Lcos(rot-1200) (4．18)【t=Lcos(cot-1200)k可以由式(4-19)表示也=瓯乇+墨屯+足‘ (4·19)把(4．17)，(4．18)代入(4．19)可得k=0．75mlmcos8 (4-20)将PI控制器写成零极点的形式为勘+KJ,1=b(1+去)，其中“：争。通过上面的推导，得出电压外环的结构图如图4-63l图4-6图4-6电压外环的结构图电压信号在采样时，具有延时性，相当于要增加一个延时环节z品，电流内环相当于一个3倍时间延时的惯性环节，则吸(s)=熹，由图4-6中发现卜卜3l。s结构图中含有0．75mcos8环节，矽为变量，所以0．75mcos8为一个变化的环节，这对于整个电路是不利，为了避免这样的不利情况，要将整个变化的环节近似等效为一个常量，取O．75代替该变化环节。忽略f，的影响，由上述分析可以得到电压外环简化的控制图如图4．7所示。图4-7电压J,l-环简化的控制图电压外环的设计主要是以稳定直流侧直流电压为目标的，为了达到这个目标，最主要的是要在设计时提高系统的抗干扰性。电压外环的开环传递函哪)=鬻(4．21)由上述分析可知电压环中频宽为氏2考 ㈨22，由自控原理中对II型系统的设计可得以下参数整定的关系式—0．75—K,：堡±! (4．23)cr, 32h2T,2取丸=5，可得PI控制器的参数计算公式心心(4．24)，●●●●●●●‘●●●●●【k专c一钇b一狐4．3直接功率控制在阐述直接功率控制(DPC)的基本原理之前，先介绍瞬时功率的知识，这部分是基础。4．3．1瞬时功率理论直接功率控制主要是控制瞬时有功功率和瞬时无功功率，对瞬时功率的计算进行理论推导，在直接功率控制中使用的是功率模型，有别于之前介绍的数学模型，在下面也将介绍。1、传统的功率理论【52】传统功率是建立在平均值基础上，传统有功功率的表示如p(，)=”(r)f(r) (4-25)如果电压和电流为周期性变化的量，通过傅里叶级数可表达如下r I材(r)=∑皿sin(％H％)肛o{ (4．26)旧=∑√弘siIl(％H虬一纯)L 其中，％=arc抛丝，％主要由％和瓦决定；％硼q，t01=2z石，可得％-2万西2孚乩=痧，u为n次谐波电压的均方根；厶=厢面，厶为11次谐波电流的均方根。定义有功功率P如下尸=；rp(f)讶=；r“(f)fo)出=萎￡=乩厶+喜乩厶c。s以 (4-27)定义视在功率S如下s=‰k=厨鬲厢磊s=‰k=厨鬲厢磊=辱季22 ∽28，定义无功功率Q如下Q：厨 (4．29)系统采用三相三线制结构(无中性线)，则％jlD=0，将砜厶=0代入公式(4．27)、(4．28)和(4．29)，可得尸=∑只=∑以厶cos％几■——i—S=、／∑研∑露 (4—30)VQ=∑Q=∑砜厶sin够．其中，纯表示以次谐波电压与谐波电流的相位差。由公式(4．29)可得尸、Q、S存在尸2+Q2=S2这样的关系，但是通过上述的变换，公式(4．30)所示发现尸2+Q2≠S2，对于这样的情况，定义了“失真功率(D)”，对于P、Q、S以及D的关系定义如下D=归j；呵对于(4．31)所表示的关系可以用图4．8来描述DP图4-8P、Q、S以及D的关系图若电压和电流的波形都是正弦波，则D=0，这是最好的状态。通过上述分析可得，传统功率的定义有其局限性，在定义之前假设系统所采用的电压和电流为周期性变化的量，这样的假设才可得出D=0，此时才是需要的电路状态。而如果电压和电流都是非正弦量，或者电压电流的波形发生畸变的时候，尸2+Q2=S2这样的状态不存在了，D≠0，这个时候传统的功率定义已经不能对电路的功率进行表示了。而在实际应用中，与理想设定的是有很大区别的，电压电流畸变是时有发生，在这样情况下，传统的定义已经不能精准的使用了，电压电流畸变是时有发生，在这样情况下，传统的定义已经不能精准的使用了，需要应用瞬时功率来表示了，下面介绍瞬时功率的理论知识。2、瞬时功率理论瞬时无功功率理论是由日本的学者HirofumiAkagi研究提出的，应用这一理论解决了很多实际问题，引起了很多学者的关注以及研究，使得这一理论更加成熟f47491。首先推导瞬时功率的计算公式。(1)在(口，b，c)坐标系下的表示前面第三章讲述了电压和电流在(口，b，c)坐标系下的模型，现在由上述理论来推导瞬时功率在(口，b，c)坐标系下的计算公式。用”表示瞬时相电压矢量值，用f表示瞬时相电流矢量值，将“和f在三相静止(口，b，c)坐标系中定义为“=(Uo％t／c)1和f=(乞毛‘)1·云、7如图4-9，一i、云分别表示电流矢量的有功分量(与电压矢量重合)与。电流矢量的无功分量(与电压矢量垂直)。对电压矢量进行取模运算可得f云I=√“：+《+“；，同理可得同=√艺+孝+毒。于是可以定义瞬时功率如下一= 吼如 吼如 咄以罱rp叫训(4．32)其中P为瞬时有功功率，g为瞬时无功功率，前者为瞬时电压和瞬时电流的标量积，后者为它们的矢量积。由公式(4—32)把P和g转化为矩阵的形式㈢=呲咣u．(io] 件33，式(4-33)中的“：、以、以定义为[i|]=u：[i|]=u：l万1L／宅u,二-芝-b1LI乏Ncb] ㈤34，把g表示为矢量的形式孑和模的值引，如下所示弓=[塞]=(1≥：ll：乏lI之≥I]r c4—35，q=引=√磊+爵+露 (4-36)由P2+92=S2可知p和g也可以通过瞬时的i来计算，蓉为矢量，可以分解为实部加虚部的表示，实部就是P的值，而虚部则为q的值，如公式(4-37)所示蓉=云·尹=Re[-]+IIll[-]=p+为_[吼+％乇+训+／协[(％心)f：口+(‰一如电训‘])‘4-37)(2)在(口，∥)坐标系下的表示由第三章中的变换公式(3-16)和(3·18)，即变量由变换矩阵M咖，筇或乙。坤，变换到两相静止(口，∥)坐标系下，通过上述过程得到五和了的表达式如下所示云=(以口“材=【以口 “， )2，一=(口知毛))，2【i i 知 毛J (4。38)系统采用三相三线制结构，则有乇=屯+‘+‘=0，iD为零序电流分量