PWM变流器原理及APF基础1

PWM变流器原理及APF基础黄落成硕研11级2班导师：张晓副教授中国矿业大学ChinaUniversityofMiningandTechnology2013年9月14日中国矿业大学信息与电气工程学院主要内容一、PWM变流器概述、拓扑结构及分类二、PWM变流器工作原理及控制技术三、PWM变流器仿真分析四、APF基本拓扑结构及分类五、APF工作原理及谐波检测方法六、APF控制方法七、APF仿真分析中国矿业大学信息与电气工程学院一、PWM变流器概述、拓扑结构及分类概述什么是PWM变流器？PWM变流器是PWM整流器和PWM逆变器的统称，是运用脉宽调制技术对由电力电子开关器件构成的特定的电路进行控制从而使得交流侧输入电流正弦且功率因数为1、能量可双向流动的一种电路结构。由于其优点众多，因此得到了学术界的广泛关注和研究，当前研究主要集中在以下几个方面：1，PWM变流器的建模与分析2，电压型PWM变流器的电流控制3，主电路拓扑结构研究4，系统控制策略研究5，电流型PWM变流器研究中国矿业大学信息与电气工程学院一、PWM变流器概述、拓扑结构及分类概述电流控制策略是当前研究的热点之一，其主要有两类：1、间接电流控制策略

间接电流控制实际上就是所谓的“幅相”电流控制，即通过控制电压型PWM整流器的交流侧电压基波幅值、相位，进而间接控制其网侧电流。由于间接电流控制的网侧电流的动态响应慢，且对系统参数变化灵敏，因此这种控制策略己逐步被直接电流控制策略取代。2、直接电流控制策略直接电流控制电流响应快，不受系统参数影响，鲁棒性好；直接电流控制当前有以下几种形式：固定开关频率且采用电网电动势前馈的SPWM控制；滞环电流控制；能够提高电压利用率并降低损耗的空间矢量PWM控制(SVPWM)。中国矿业大学信息与电气工程学院一、PWM变流器拓扑结构及其分类PWM变流器的原理在系统控制方法上，主要有以下的几种：1、滞环电流控制2、固定开关频率电流控制3、直接功率控制4、电网不平衡条件下的PWM整流器控制5、预测电流控制6、无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制7、滑模变结构控制8、反馈精确线性化控制9、基于

Lyapunov稳定性理论的控制10、模糊控制传统方法新型方法中国矿业大学信息与电气工程学院一、PWM变流器拓扑结构及其分类拓扑结构单相半桥单相全桥1、单相半桥、全桥拓扑2、三相半桥拓扑说明：半桥电路结构简单，开关管为全桥的一半，造价低，用于小功率场合。相比于全桥电路，获得相同的电流时半桥直流侧电压为全桥的2倍，因此开关管耐压升高，还得对电容中点电位进行控制。电流型整流器可靠性高、直流侧需要串联较大的电感，损耗大，体积大，适合于高压大容量场合；电压型整流器直流侧采用电容器，体积小，损耗小，可靠性也较高，适用于中等功率中等电压等级场合。三相电压型三相电流型中国矿业大学信息与电气工程学院一、PWM变流器拓扑结构及其分类拓扑结构中点箝位式三电平VSR中点箝位型多电平VSR3、三电平及多电平结构说明：优点：三电平及多电平结构的整流器只要是面对当前高压大功率、大容量场合而诞生的新型拓扑结构，其多个功率开关器件的串联使用有效提高了耐压等级，降低了交流谐波电流，等效开关频率得到提高。缺点：随着电平数的增多，开关器件数量成倍增多，控制越发复杂，造价更高。中国矿业大学信息与电气工程学院一、PWM变流器拓扑结构及其分类PWM变流器的分类中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的原理和传统意义上的整流电路相比，PWM整流器不仅是AC／DC变换器。由于电能的双向传输，当PWM整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态；而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工作状态。无论工作在那种状态，其网侧电流均能实现单位功率因数控制。所谓单位功率因数是指：输入电流波形正弦，且当PWM整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相位；当PWM整流器运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相位。因此，PWM整流器实际上是一个交、直流侧可控的四象限运行的变流装置。下面通过变流器的模型来说明其工作的原理。中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的原理变流器的单相等效模型如上图所示，在不考虑功率管以及连接电感损耗时，按照交直流侧功率平衡原则可得：由(1)式不难得出，在电网电压不变时，可以通过控制交流侧电流即可实现对直流侧的控制；反之亦然。由于整流电路的目的就是要获取一个稳定的直流侧电压且交流侧电流按正弦规律变化，同时实现单位功率因数，因此，其控中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的原理制完全可以通过直接或者间接的对网侧电流进行控制实现。稳态条件下，PWM整流器交流侧矢量关系可由下图表示。a)正电阻特性运行b)纯电感特性运行c)负电阻特性运行d)纯电容特性运行E—电网电动势矢量VL—电感电压矢量V—交流侧电压矢量I—交流侧电流矢量中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的原理(1)电压矢量V端点在圆轨迹AB上运动时，PWM整流器运行于整流状态。此时，PWM整流器需从电网吸收有功及感性无功功率，电能将通过PWM整流器由电网传输至直流负载。值得注意的是，当PWM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，PWM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BC上运动时，PWM整流器运行于整流状态。此时，PWM整流器需从电网吸收有功及容性无功功率，电能将通过PWM整流器由电网传输至直流负载。当PWM整流器运行至C点时，PWM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。中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的工作原理(3)当电压矢量P端点在圆轨迹CD上运动时，PWM整流器运行于有源逆变状态。此时PWM整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能将从PWM整流器直流侧传输至电网。当PWM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。(4)当电压矢量V端点在圆轨迹DA上运动时，PWM整流器运行于有源逆变状态。此时，PWM整流器向电网传输有功及感性无功功率，电能将从PWM整流器直流侧传输至电网。中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的工作原理1、单相VSR双极性调制分析开关模式12导通器件V1(VD1)V4(VD4)V2(VD2)V3(VD3)开关函数p1-1中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的工作原理如上表所示，按照一定的组合规律，当开关管工作在被不同的开关状态时，就会在交流侧产生不同的交流电压，在双极性调制方式下，组合1和组合4为无效状态，因此单相全桥只工作在组合2、3及其反并联二极管形成的续流状态。根据基尔霍夫电路定律可得单相VSR的回路方程为：开关状态组合交流测电压V(t)-1-10-11-Udc1-1Udc110无效状态而交流侧电压v(t)=p(t)*Udc，p(t)为开关函数，因此(1)式可以中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的工作原理改写成：由(2)式可以解出在不同开关时刻的瞬时电流i(t)，由于电感L的作用，使得网测电流比较平滑的波动，在一定的时间内，由于电网电压为正弦交流电，所以网测电流在经过L滤波后也表现为一个正弦波。同时，根据基尔霍夫电流定律可以求得流过直流侧电容器的电流ic(t)：中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的工作原理由(4)式可得得出t时刻的直流侧电容电压udc，由于直流侧电容取值一般较大，使得直流侧电压波动较小，使得直流侧电压稳定在某一定值。

中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的工作原理2、三相电压型变流器（VSR）SVPWM分析由基尔霍夫电路定律得：定义开关函数Sk：中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的工作原理考虑到系统三相对称，且考虑到交流侧电压与开关函数和直流侧电压的关系，因此有：带入(6)式可得：中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的工作原理在某一时刻，某一开关状态下对直流侧电容与负载运用基尔霍夫电流定律，并联立(8)(9)式，可得三相电压型PWM整流器在abc三相静止坐标系数学模型。中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的工作原理abc三相静止坐标系PWM控制框图中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的工作原理若将abc三相静止坐标系数学模型向αβ两相坐标系进行坐标变换即可得到αβ两相静止坐标系下的数学模型，可表示为：可用控制框图表示为：中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的工作原理αβ两相静止坐标系PWM控制框图中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的工作原理将(11)式从静止坐标系向dq旋转坐标系坐标变换可得PWM变流器在dq坐标系下的数学模型：同上，可用控制框图表示为：中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的工作原理dq两相旋转坐标系PWM控制框图中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的SVPWM调制αβ两相静止坐标系和dq两相旋转坐标系下的PWM变流器控制均可用电压空间矢量（SVPWM），下面就SVPWM做一个详细的介绍。定义开关函数Sk(k=a,b,c)如下：SaSbScUVWvk000000v0001-1/3Udc-1/3Udc2/3Udcv1010-1/3Udc2/3Udc-1/3Udcv2011-2/3Udc1/3Udc1/3Udcv31002/3Udc-1/3Udc-1/3Udcv41011/3Udc-2/3Udc1/3Udcv51101/3Udc1/3Udc-2/3Udcv6111000v7中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的SVPWM调制说明：每个扇区对应的时间均为60度。由于逆变器的工作时间都是对称的，因此，分析一个扇区的方法可以推广到其他扇区。中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的SVPWM调制在实际系统中，应该尽量减少开关状态变化时引起的开关损耗，因此不同开关状态必须遵守下述原则：每次切换开关状态时，只切换一个功率开关器件，以满足最小开关损耗。为方便研究以第Ⅲ扇区为例，此扇区内的电压空间矢量作用顺序为：V0(000)V4(100)

V6(110)V7(111)V7(111)V6(110)

V4(100)

V0(000)在这个过程中

V4先作用，随后

V6才作用。我们把

先作用的矢量称为主矢量，

后作用的矢量称为次矢量。

扇区ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ主矢量V2V4V4V1V2V1次矢量V6V5V6V3V3V5中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的SVPWM调制扇区判断：在确定扇区时，引入三个决策变量A,B,C。根据给出的待合成的空间矢量

的两个分量

来决定A,B,C的取值，有以下关系式：由此得出所在扇区：中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的SVPWM调制在确定出矢量所在的扇区之后，就需要确定出在这个扇区中主次矢量以及相应的零矢量的作用时间。，以第3扇区为例，设主矢量V4、次矢量V6及零矢量V0、V7的作用时间分别为T4、T6、T0，在一个周期内有：参照扇区分布图，根据伏秒平衡原理可得：由于非零矢量的模值均为2/3Udc，因此上式可以化简为：从而可以根据αβ坐标系下各个矢量的关系可得：中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的SVPWM调制中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的SVPWM调制为了方便描述主次矢量作用时间，引入X、Y、Z三个变量表示主次矢量的作用时间，X、Y、Z分别表示为：扇区123456主矢量ZY-Z-XX-Y次矢量Y-XXZ-Y-Z中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的SVPWM调制过饱和判断：当

T1+T2>Ts时，需对主次作用时间进行过饱和处理，即：中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的SVPWM调制在确定各个扇区主次矢量的作用时间并进行过饱和处理后，在一个特定的扇区，需要就零矢量与该扇区对应的主次矢量切换时间做出判定。由于DSP的事件管理器（EV）的有三个比较寄存器，每个比较单元控制两组PWM脉冲，正好可以实现七段式的SVPWM，为了给出比较寄存器的值，这里引入一些时间变量Ta、Tb、Tc，其表示为：中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的SVPWM调制扇区号ⅠⅡⅢⅣⅤⅥCMP1TaTaTaTcTcTbCMP2TaTcTbTbTaTcCMP3TcTbTcTaTbTa中国矿业大学信息与电气工程学院二、PWM变流器的工作原理及控制技术PWM变流器的分类中国矿业大学信息与电气工程学院三、PWM变流器的仿真分析1影响电气设备的正常运行2产生附加损耗，降低发输电及用电设备的效率3引起电网局部并联谐振和串联谐振4使继电保护和自动装置误动作5对通信系统产生干扰中国矿业大学信息与电气工程学院一、课题背景、研究意义及现状、选题依据谐波的危害中国矿业大学信息与电气工程学院一、课题背景、研究意义及现状、选题依据研究意义谐波是衡量电能质量的一个重要指标，直接关系到电力系统的安全、稳定、经济运行及用户设备的安全、正常工作，将其限制在允许的范围之内，还电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电网”，对节能减排，科学发展、创造低碳生活有着重大的意义。研究谐波，治理谐波不仅可以净化电网环境，与此同时，还可以促进电力电子技术的向前发展，特别是高频率、高耐压的半导体电子开关的发展，为经济的持续发展营造机遇。中国矿业大学信息与电气工程学院一、课题背景、研究意义及现状、选题依据有源滤波器基本原理有源滤波器基本原理图可以实现动态补偿同时补偿谐波和无功受电网阻抗影响不大可单独补偿，也可以集中补偿中国矿业大学信息与电气工程学院一、课题背景、研究意义及现状、选题依据研究现状（1）:谐波检测方法研究实时性更好，检测精度更高的谐波检测方法传统方法新型算法1、基于模拟电路滤波的检测方法2、基于离散傅立叶变换的谐波检测3、基于Fryze传统功率定义的谐波检测4、基于瞬时无功理论的p-q法、ip-iq法5、FBD法、p-q-r法1、自适应谐波电流检测2、人工神经元网络谐波检测3、小波变换谐波检测ip-iq法是运用最成熟、最广泛、最经典的谐波检测方法检测精度高，实时性难以保证，工程实现困难中国矿业大学信息与电气工程学院一、课题背景、研究意义及现状、选题依据研究现状（2）：补偿电流控制方法研究鲁棒性好，控制精度高，稳定性好的跟踪控制方法传统方法新型算法1、比例-积分（PI）控制2、滞环比较控制3、三角载波控制4、重复控制5、无差拍控制6、广义比例积分控制（PR）1、滑模变结构控制2、人工神经网络控制3、预测电流控制4、模糊控制滞环比较控制法动态响应快、开关损耗小、控制精度高、鲁棒性好，开关频率受滞环宽度影响而难以固定。尚处于仿真理论研究阶段，工程实践困难。中国矿业大学信息与电气工程学院一、课题背景、研究意义及现状、选题依据研究现状（3）：补偿容量扩充传统两电平APF多电平APF结构简单，易于控制，容量小。特点：特点：研究新型拓扑结构以实现补偿容量扩展耐压高，容量增大，输出畸变率小，等效开关频率提高，中点电位控制困难。中国矿业大学信息与电气工程学院一、课题背景、研究意义及现状、选题依据研究现状（3）注入式APF结构复杂，无源滤波及注入支路参数选取困难，系统参数易受电网参数影响。APF容量得到大大的降低，无需变压器即可与高压电网连接。特点：研究新型拓扑结构以实现补偿容量扩展中国矿业大学信息与电气工程学院一、课题背景、研究意义及现状、选题依据研究现状（3）传统单模块APF多模块APF结构简单，易于控制，容量小。在保留单模块APF结构优点的基础上扩大了系统容量特点：特点：研究新型拓扑结构以实现补偿容量扩展中国矿业大学信息与电气工程学院二、主要研究内容结合前一节分析，本文拟从以下几个方面进行展开：1、研究一种基于有效值的谐波检测方法

提出这种谐波检测方法拟解决负载频繁变化时快速检测出谐波的问题，即实时性的问题。2、研究一种基于空间矢量变环宽滞环控制方法

提出这种控制方法拟解决APF补偿电流快速、准确跟踪谐波指令电流的问题。3、研究一种多模块并联扩容的APF拓扑结构

提出这种拓扑结构拟解决两电平APF容量过小的问题。中国矿业大学信息与电气工程学院三、关键技术研究基于有效值的谐波检测方法原理框图一

关键技术之一关键技术之二关键技术之三谐波检测关键技术中国矿业大学信息与电气工程学院三、关键技术研究关键技术之一：锁相环PLL准确获取负载电流基波相位关键技术之二：直流侧电压控制量兼误差补偿信号引入接点选取关键技术之三：负载电流有效值计算模块离散化编程实现并保证快速性由于负载电流畸变严重，因此利用锁相环获取的负载电流基波相位信息的准确性必然受到严重影响，因此必须采取相关技术对锁相环加以改进或者采用其他方式。利用负载电流有效