電壓型PWM整流器直接功率控制研究【控制理論與控制工程專業(yè)優(yōu)秀論文】

摘要 摘要 在目前的變流裝置中 如變頻器 逆變電源 高頻開關(guān)電源等 采用二極 管不可控整流電路或晶閘管相控整流電路 電網(wǎng)被注入大量的諧波以及無功 造成了嚴(yán)重的電網(wǎng) 污染 而三相電壓型P W M 整流器具有輸出電壓恒定 單 位功率因數(shù)運(yùn)行的特點(diǎn) 可以實(shí)現(xiàn)電能回饋電網(wǎng) 真正實(shí)現(xiàn)電能的 綠色變換 提高電能的傳輸和利用效率 從而解決電網(wǎng) 污染 的問題 本文以三相電壓型P w M 整流器為研究對(duì)象 采用了直接功率控制 D i r e c t P o w e rC o n 的l D P c 策略 與其他控制策略如電流控制策略 非線性控制策略 等相比 其主要優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 抗干擾性能好 本文主要包括下列內(nèi)容 在分析整流器控制原理的基礎(chǔ)上 分別建立了在 口6 c 三相坐標(biāo)系 n 毋兩相靜止坐標(biāo)系 由旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 分析了傳 統(tǒng)功率在整流器控制中的缺點(diǎn) 繼而引進(jìn)瞬時(shí)功率理論 通過對(duì)現(xiàn)行電壓型P w M 整流器的直接功率控制策略的仿真結(jié)果分析表明 利用開關(guān)表同時(shí)對(duì)有功功率 和無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié) 對(duì)無功功率的調(diào)節(jié)能力強(qiáng)于對(duì)有功功率的調(diào)節(jié) 則導(dǎo)致 了在暫態(tài)和抗干擾過程中有功功率 直流電壓出現(xiàn)較大的波動(dòng) 系統(tǒng)跟蹤參考 值速度慢 對(duì)負(fù)載運(yùn)行不利 對(duì)此 本文提出了根據(jù)有功功率瞬時(shí)值與其差值 設(shè)定變無功功率參考值的新策略 通過M a t l a b s i 舢l i I l l 仿真表明 該新策略有效 地抑制了直接功率 直流電壓的波動(dòng) 加快了有功功率 直流電壓的跟蹤速度 提高了系統(tǒng)的抗干擾能力 關(guān)鍵詞 P w M 整流器 直接功率控制 變無功功率參考值 A b s t r a c t A B S T R A C T R e c t i f i e 陪c o m p o s c do f t h ec o n v e n t i o n a lt l l 舛s t o ra n dd i o d ea r ew i d e l yl l s e di n c o n v e r t e r s s u c h 解仃a n s d u c e r i n v e r t c f 孤dl l i g h 丘e q u e n c ys w i t c hp o w e LT h e yc a u s e i n h e r 蚰td r a w b a c k s s u c ha sh 鋤o n i c sa n dr e 枷v ep o w e v e ns e r i o u sd o c t r i c n e t w o r kp o l l u t i o n 1 1 1 1 p r o n gt h ee 虢c t i V c l l e s so fl n i l i z a t i o na I l d 仃a I l 鋤i s s i o n t l l l 優(yōu)一p h a s ev o l t a g es o u r c eP w M r e c t m e r si st os o l v ed e c t r i cn e 呻o r kp o l l l n i o I I a n d a c l l i e v e g r c e n 打a I l s m o n w i t hu n i t yp o w e rf a c t o r s t e a d yD CV o l t a g eo u t p u t b i n d i r e c t i o n a le I l e r g yf l o w T h i sp a p e rf o c 璐懿o nm es 眥e g yO f m et 1 1 r o e p h 嬲eV o l t a g es o u r c ep o w e rP W M r e 吐i f i e r sb a s e do nt h ed i r e c tp o w e rc o n 仕0 1m e o 黟T h ea d v a l l t a g e so f m i sm e t l l o da r e s i m p l es 咖c t u r e f 缸td y n 鋤i cr e s p o m e a 1 1 db 甜盯a b i l i t ya g a i l l S t r e s i s t a I l c c d i s t u r b a I l c e c o m p a r e dw i mc I r r e I l ts 咖t e g y a n dn o I l l i n e a r m r o ls 缸a t e g y T h es u 伽a r yo fm i sp a p e ra r ea sf o l l o w s A n a l y z i n g l ef e c t m e r s p r i n c i p l e t h e m a m 鋤a t i c a lm o d d si n 口6 cc o o r d i n a t e 筇c o o r d i n a t e 砌c o o r d i l l a t ea r es c tu p r c s p e c t i v e l y m ed i s a d V 粕t a g eo fc o n V 鋤t i o n a lp o w e rm o o r yi ss h o w l li I lc o m p a r i s o n w i mi n s t a I l t a n e o 懈p o w c rm e o 哆m es i m u l a t i o nr 囂u l t so f td i r c c tp o w e r c o n 仃o I D P c 仍rv 0 1 t a g es o u r c eP W Mr e c t i f i e r sp r o V 鼯t l l es w i t c l l i n gt a b l eo ft l l e D P Cs y s t e me x e r t ss 仃o n g e ra d j l l s 仃n e n to nr e a c t i V ep o w c rm a no na c t i v eo m m u c h m o r ef l u c t l l a t i o no f 枷v ep o w e r 舭dD CV o l t a g ed u r i n gt h es 鋤i I l gs t a t ea 1 1 dl o a d d i s t I r b 鋤c ca r ef o l H l d 船w e l l 貓1 0 柑仃a c 虹r 喀a b i l i 咄t l l o s ea r eu n f a v o r d b l ef o rm e l o a do p 鋤t i o n T 1 1 i sp a p e rp r o p o s 鼯an 刪咖t e g ys e t t i n gr c l 研e n c ef c t i v ep o w e r d e f i n e db yt l l e 黜r b e t w e c I lt l l ei n s t a I l t a n e o l l sa c t i V ep o w e ra n d 耐b r e n c ea c t i v e p o w 既T h es t r a t e g yd e 淵鼯t l l en u c t L l a t i o nO fa c 丘v ep o w e r 柚dD Cv 0 1 協(xié)g e e I l l l a n c 舒仃a d d n ga b i l i t yo fa c t i v ep o w c r 鋤dD Cv o l t a g e 鋤dt l l ea b i l 毋o f 柚吐 d i s t u 而a n c c S i I I l u l a t i o ns h o w st l l ef e a s i b i l i t yo f t l l en e wc 0 廈m 講s 昀t e g y K e yw o r d s P w Mr c t i f i e r s d i r e c tp o w e rc o n t r 0 1 V a r y i n gr e f 酹 c eo fr 齟c t i V e p O w 盯 I l 知識(shí)水壩為您整理 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院關(guān)于收集 保存 使用學(xué)位論文 的規(guī)定 同意如下各項(xiàng)內(nèi)容 按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和 電子版本 學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版 并采用影印 縮印 掃描 數(shù)字化或其它手段保存論文 學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以 及提供本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服務(wù) 學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向 國家有關(guān)部門或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 在不以贏利為目 的的前提下 學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部內(nèi)容用于學(xué)術(shù)活 動(dòng) 學(xué)位論文作者簽名 矽黔漩 泖年弓月廬日 i 汪 菲葆番語文 芒需簽字 一 經(jīng)指導(dǎo)教師同意 本學(xué)位論文屬于保密 在年解密后適用 本授權(quán)書 指導(dǎo)教師簽名 學(xué)位論文作者簽名 年月 日年月日 知識(shí)水壩為您整理 碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下 進(jìn)行 研究工作所取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本學(xué)位論文 的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的 已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的 作品的內(nèi)容 對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集 體 均已在文中以明確方式標(biāo)明 本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任 由本人承擔(dān) 簽名 諦汪 枷 年弓月沙日 第l 章引言 1 1 概述 第1 章引言 隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展 出現(xiàn)了以脈寬調(diào)制 P w M 為控制基礎(chǔ) 的各類變流裝置 如變頻器 逆變電源 高頻開關(guān)電源以及各類特種變流器 這些變流裝置在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中取得了廣泛應(yīng)用 這些變流裝置很大一部分都 需要整流環(huán)節(jié) 以獲得直流電壓 而常用整流方式采用相控整流或不可控整流 方式 相控整流方式存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢 深控下網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低等缺點(diǎn) 不可控 整流方式也存在如下缺點(diǎn) 整流器從電網(wǎng)吸取畸變的電流 造成電網(wǎng)的諧波污 染 直流側(cè)能量無法回饋電網(wǎng) 解決這些問題的最根本的方法就是要求變流裝 置實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化 且運(yùn)行于單位功率因數(shù) 將P w M 技術(shù)引入到整流器控制中 使整流器網(wǎng)側(cè)電流正弦化且運(yùn)行于單位 功率因數(shù) 能夠?qū)崿F(xiàn)能量雙向流動(dòng) 真正實(shí)現(xiàn)電能的 綠色變化 P w M 整流 器分為電壓型 V o l t a g eS o u r c eR e c t i f i e r 縮寫為V S R 和電流型 C u r r e mv o l t a g c R e c t i f i c r 縮寫為c s R 兩類 無論在主電路結(jié)構(gòu) P w M 信號(hào)發(fā)生以及控制策略等 方面均有各自的特點(diǎn) 并且兩者存在電路上的對(duì)稱性 其他分類方法就主電路 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言 均可以歸結(jié)為電壓型或電流型整流器 當(dāng)前 對(duì)P w M 整流器的研究領(lǐng)域主要有如下五個(gè)方面 1 關(guān)于P W M 整流器的建模研究 P w M 整流器數(shù)學(xué)模型的研究是P w M 整流器及其控制技術(shù)研究的基礎(chǔ) 自從 出現(xiàn)基于坐標(biāo)變換的P w M 整流器數(shù)學(xué)模型之后 各國學(xué)者對(duì)P w M 整流器的數(shù)學(xué) 模型進(jìn)行了研究 其中R w u s B D e w a n 1 l f 2 等較為系統(tǒng)地建立了P w M 整流器的 時(shí)域模型 并將時(shí)域模型分解成高頻 低頻模型 且給出了相應(yīng)的時(shí)域解 而 C h u n T m m 和D o n g Y H u 等則利用局部電路的由坐標(biāo)變換建立了P W M 整流器基 于變壓器的低頻等效模型電路 3 1 并給出了穩(wěn)態(tài) 動(dòng)態(tài)特性分析 在此基礎(chǔ)上 H e I l 留c h mM a 0 等人又建立了一種新穎的降階小信號(hào)模型 從而簡化了P w M 整流 器的數(shù)學(xué)模型及特性分析 4 第l 章引言 2 關(guān)于電壓型P w M 整流器的電流控制策略研究 在P w M 整流器技術(shù)發(fā)展過程中 電壓型P w M 整流器網(wǎng)側(cè)電流控制策略主要 分成兩類 一類是由J w D i x o n 提出的間接電流控制策吲5 1 另一類就是目前占主 導(dǎo)地位的直接電流控制策略 6 間接電流控制實(shí)際上就是所謂的 幅相 電流 控制 即通過控制P w M 整流器的交流側(cè)電壓基波幅值 相位 進(jìn)而間接控制其 網(wǎng)側(cè)電流 由于間接電流控制的網(wǎng)側(cè)電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢 且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化靈 敏 因此這種控制策略已逐步被直接電流控制策略取代 直接電流控制策略以 其快速的電流響應(yīng)和魯棒性受到了重視 出現(xiàn)了不同的控制方案 主要包括以 固定開關(guān)頻率且采用電網(wǎng)電動(dòng)勢前饋的s P w M 控制 以及滯環(huán)電流控制 9 為了 提高電壓利用率并降低損耗 基于空間矢量的P w M 控制在電壓型P w M 整流器中 取得了廣泛的應(yīng)用 8 1 0 1 目前電壓型P w M 整流器網(wǎng)側(cè)電流控制有固定開關(guān)頻 率 滯環(huán)及空間矢量控制相結(jié)合的趨勢 l l 以使其在大功率有源濾波等需快速電 流響應(yīng)場合獲得優(yōu)越的性能 此外 控制策略上出現(xiàn)了狀態(tài)反饋控制 7 1 3 關(guān)于P w M 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究 在小功率場合 P w M 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究集中在減少功率管開關(guān)和改進(jìn) 直流輸出性能上 J J s h i e h 等對(duì)四開關(guān)三相電壓型P w M 整流器進(jìn)行了建模與分析 f 1 2 1 般B o o s t 型變換器直流側(cè)電壓大于交流側(cè)電壓峰值 為了實(shí)現(xiàn)降壓功能 有學(xué)者對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造 并取得一定的結(jié)果 1 3 1 對(duì)于大功率P w M 整流器 其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在多電平 1 4 1 變流器組合 1 5 1 以及軟開關(guān)技術(shù)上 1 6 1 多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的P w M 整流器主要應(yīng)用于高壓大容量場合 而對(duì)大電流應(yīng)用場 合 常采用變流器組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 即將獨(dú)立的電流型P w M 整流器進(jìn)行并聯(lián)組合 與普通并聯(lián)不同的是 每個(gè)并聯(lián)的P W M 整流器中的P W M 信號(hào)發(fā)生采用移相 P w M 控制技術(shù) 1 從而以較低的開關(guān)頻率獲得了高效的高頻控制 即降低損耗 的同時(shí) 提高了電流 電壓波形品質(zhì) 同樣 可以將電壓型P w M 整流器串聯(lián)組 合 以適應(yīng)高壓大容量的應(yīng)用場合 此外 在大功率P w M 整流器設(shè)計(jì)上 還研 究了基于軟開關(guān) z v s z c s 控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相應(yīng)的控制策略 然而這一技術(shù) 有待完善 4 P W M 整流器系統(tǒng)控制策略的研究 關(guān)于P w M 整流器系統(tǒng)控制策略研究的具體狀況詳見1 2 1 5 關(guān)于電流型P W M 整流器的研究 長期以來 因?yàn)殡妷盒驼髌鞯慕Y(jié)構(gòu)簡單 損耗較低 控制方便 所以一 2 第l 章引言 直是人們研究的重點(diǎn) 而電流型P w M 整流器由于需要較大的直流儲(chǔ)能電感 以 及交流側(cè)L c 濾波問題 制約了其發(fā)展 但是隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展 電流型P w M 整流器在超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)中有更大的優(yōu)勢 因?yàn)槌瑢?dǎo)線圈可以直接作為直流儲(chǔ)能 電感 1 2 整流器的研究現(xiàn)狀 1 2 1 整流器的發(fā)展及研究整流器的意義 從電力電子技術(shù)發(fā)展來看 整流器是較早應(yīng)用一種A c D c 變換裝置 其發(fā) 展經(jīng)過了不可控整流器 二極管整流 相控整流器 晶閘管整流 到P w M 整流器 門極關(guān)斷功率開關(guān)管 的發(fā)展過程 傳統(tǒng)的整流方式常采用相控整流或不可控 整流方式 相控整流方式存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢 深控下網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低等缺點(diǎn) 不 可控整流方式也存在整流器從電網(wǎng)吸取 畸變 電流 伴隨著電力電子器件的發(fā)展 功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的性能不斷提高 從早 期的半控型功率半導(dǎo)體開關(guān)如普通晶閘管 s c R 到現(xiàn)在的類型諸多的全控型功 率開關(guān) 如雙極性晶體管 B J T 門極關(guān)斷 G T 晶閘管 絕緣柵極雙極型晶體 管 I G B T 集成門極換向晶閘管 I G c T 功率場效應(yīng)晶體管 M o S F E T 以及場 控晶閘管 M c T 智能功率模塊 I P M 等 功率器件的發(fā)展促進(jìn)了變流裝置技術(shù) 的迅速進(jìn)步 應(yīng)用P w M 技術(shù)的各類變流裝置也隨之出現(xiàn)并逐漸成為國內(nèi)外研究 的熱點(diǎn) 經(jīng)過幾十年的發(fā)展 整流電路由傳統(tǒng)意義上的整流電路發(fā)展到現(xiàn)代意 義上的P w M 整流器 其拓?fù)洳粩喟l(fā)展 性能也不斷提高 現(xiàn)代意義上的P w M 整流器也己經(jīng)由起初的單相電路 三相電路發(fā)展到現(xiàn)在的多相組合 多電平電 路 由單純的采用硬開關(guān)技術(shù)發(fā)展到采用軟開關(guān)技術(shù) 并具有電壓源型和電流 源型等多種形式 目前 三相全橋電壓源型P w M 整流器具有四象限運(yùn)算能力 能量可以雙向 流動(dòng) 因此 除了可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的整流電路實(shí)現(xiàn)裝置的 電能綠色 運(yùn)行以外 還存在更為廣泛的應(yīng)用以及更為重要的實(shí)際意義 隨著電力系統(tǒng)理論的發(fā)展和 對(duì)電力系統(tǒng)中所存在的問題的認(rèn)識(shí) 如無功功率補(bǔ)償 諧波抑制等 三相全橋 P w M 整流器已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于改造電網(wǎng)污染和提高電能利用率的有源電力濾波 器 A P F 統(tǒng)一潮流控制器 u P F c 和超導(dǎo)磁能儲(chǔ)存 s M E C 以及交直流調(diào)速 第l 章引言 系統(tǒng) 另外 在對(duì)太陽能 風(fēng)能等新能源的利用方面 P w M 整流器也必將發(fā)揮 重要作用 考慮到三相電壓型P w M 整流器具有結(jié)構(gòu)簡單 易于控制等優(yōu)點(diǎn) 目前成為 研究的重點(diǎn)對(duì)象 圖1 1 三相電壓型整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) P w M 整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)近十幾年來沒有重大突破 主電路設(shè)計(jì)的基 本原則一直是在保證系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上 盡量簡化電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 減少開關(guān)元 件數(shù) 降低總成本 提高系統(tǒng)的可靠性 對(duì)于電壓型P w M 整流器 V S R 最顯著 的拓?fù)涮卣骶褪侵绷鱾?cè)采用電容進(jìn)行直流儲(chǔ)能 從而使V s R 直流側(cè)呈低阻抗的電 源特性 文獻(xiàn) 1 8 1 9 中提出了不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 經(jīng)比較采用圖1 1 所示的電路能夠較 好的滿足單位功率因數(shù) 低諧波 恒定直流電壓及功率雙向流動(dòng)的要求 1 2 2 三相電壓型P W M 整流器控制策略 目前 比較新穎的控制策略主要有以下幾種 2 川 1 無電網(wǎng)電動(dòng)勢傳感器和無網(wǎng)側(cè)電流傳感器控制 為簡化信號(hào)的檢測 I N o g I l c l l i 等學(xué)者提出了一種無電網(wǎng)電動(dòng)勢傳感器P W M 整流器控制策略 2 這一研究主要包括兩類電網(wǎng)電動(dòng)勢重構(gòu)方案 一種是通過功 4 第l 章引言 率估計(jì) 另一種是通過電流的偏差求導(dǎo)重構(gòu)電動(dòng)勢 M R i e s e 則通過直流側(cè)電流 的檢測來重構(gòu)交流側(cè)電流 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無交流電流傳感器控制 2 基于L p u n o v 穩(wěn)定性理論的P w M 整流器控制 針對(duì)P w M 整流器的非線性多變量強(qiáng)耦合的特點(diǎn) 常規(guī)的控制策略和控制器 的設(shè)計(jì)一般采用穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)小信號(hào)擾動(dòng)線性化處理方法 這種方法的不足之處 是無法保證控制系統(tǒng)大范圍擾動(dòng)的穩(wěn)定性 為此 有學(xué)者提出了基于L y a p u n o v 穩(wěn)定性理論的控制策略陶f 2 3 這一新穎的控制方案以電感 電容儲(chǔ)能的定量關(guān)系 建立了L y a p u n o v 函數(shù) 并由三相P w M 整流器的由模型以及相應(yīng)的空間矢量 P w M 約束條件 推導(dǎo)出相關(guān)的控制算法 這一方案較好的解決了P w M 整流器的 大范圍穩(wěn)定控制問題 3 P w M 整流器的時(shí)間最優(yōu)控制 常規(guī)的基于砌模型的電壓型P w M 整流器控制 一般通過前饋解耦控制 并 采用兩個(gè)獨(dú)立的P I 調(diào)節(jié)器 分別控制相應(yīng)的有功 無功分量 而有功 無功分量 間的動(dòng)態(tài)耦合和P w M 電壓利用率的約束影響了電壓型P w M 整流器有功分量的 動(dòng)態(tài)響應(yīng) 針對(duì)這一問題 有學(xué)者提出了直流電壓時(shí)間最優(yōu)控制 2 4 其基本方 法是根據(jù)時(shí)間最優(yōu)控制算法求解出跟蹤指令電流所需的最優(yōu)控制電壓 并在動(dòng) 態(tài)過程中降低無功分量的響應(yīng)速度 提高有功分量的響應(yīng)速度 實(shí)現(xiàn)了時(shí)間最 優(yōu)控制 4 電網(wǎng)不平衡條件下的P W M 整流器控制 般的策略研究總是假設(shè)電網(wǎng)是平衡的 實(shí)際上 電網(wǎng)經(jīng)常處于不平衡狀 態(tài) 當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)不平衡時(shí) 以三相電網(wǎng)平衡為約束所設(shè)計(jì)的整流器會(huì)出現(xiàn)不正 常運(yùn)行 不正常的表現(xiàn) P w M 整流器直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流的低次諧波幅值 增大 且產(chǎn)生非特征諧波 同時(shí)損耗相應(yīng)增大 P w M 整流器的交流側(cè)電流不平 衡 嚴(yán)重時(shí)可使整流器故障燒毀 5 關(guān)于電流型P w M 整流器的研究 長期以來 因?yàn)殡妷盒驼髌鞯慕Y(jié)構(gòu)簡單 損耗較低 控制方便 所以一 直是人們研究的重點(diǎn) 而電流型P w M 整流器由于需要較大的直流儲(chǔ)能電感 以 及交流側(cè)L c 濾波問題 制約了電流型P w M 整流器的發(fā)展 但是隨著超導(dǎo)技術(shù)的 發(fā)展 電流型P w M 整流器在超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)中有更大的優(yōu)勢 因?yàn)槌瑢?dǎo)線圈可以 直接作為直流儲(chǔ)能電感 5 第l 章引言 1 2 3 三相電壓型P w M 整流器的直接功率控制策略 從能量的角度來說 在交流電壓一定的情況下 如果能直接控制P w M 整流 器的瞬時(shí)功率 有功功率和無功功率 在允許的范圍內(nèi) 也就間接得控制了瞬時(shí) 電流 有功和無功電流 能在允許得范圍內(nèi) 通過控制瞬時(shí)功率以達(dá)到控制瞬時(shí) 電流的目的 從而實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)以及電流正弦化 在2 0 世紀(jì)9 0 年代初 T o k I l oO h n i s l i 提出了一種將瞬時(shí)有功功率和無功功 率運(yùn)用于P w M 變換器閉環(huán)控制系統(tǒng)中的新型控制策略 8 隨后T o s h i l l i k o N o g u c h i 等學(xué)者進(jìn)行了研究并取得了進(jìn)展 矧 整流器的直接功率控制 D P c 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)為功率內(nèi)環(huán) 電壓外環(huán) 根據(jù)交流電壓及瞬時(shí)功率在開關(guān)表中選擇整流器 所需要的開關(guān)量 實(shí)現(xiàn)高性能整流 與常用的電流控制策略控制效果相比較 直接功率控制能夠有效的實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制 以及具有較低的總電流諧波 高效率 算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn) 就目前直接功率控制策略的研究主要有以下幾種 1 電壓定向直接功率控制 V O D P C 電壓定向直接功率控制 v 0 D P c 是整流器D P c 基本控制策略 1 9 典 型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 2 所示 圖中略去R 的影響 功率和電壓估算器根據(jù)檢測到 的電流 開關(guān)函數(shù)E 島 咒及直流電壓 出進(jìn)行計(jì)算 得到瞬時(shí)有功功率 和無功功率的估算值p g 以及三相電壓砧 在a 玀兩相靜止坐標(biāo)系中 的 p 和礙與參考值的參考量 一和g 一比較后送入功率滯環(huán)比較器得到 滯環(huán)輸出信號(hào)s 為實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù) 珂設(shè)定為o 送入扇形 選擇器輸出電壓矢量的位置信號(hào)包 由s 只 眈共同在開關(guān)表中選擇所需要 的開關(guān)函數(shù)s 甌 咒去控制控制主電路功率開關(guān) 同時(shí)提供給功率和電壓估 算器 2 虛擬鏈定向的直接功率可控制 V F o D P C 為降低開關(guān)頻率 簡化電壓和功率算法 降低T H D 提高整流器D P c 系統(tǒng) 的性能 提出基于虛擬鏈的直接功率控制 1 9 I 硼18 f 2 9 1 o 是將電壓型P w M 整 流器交流側(cè)虛擬為交流電動(dòng)機(jī) R 工表示交流電動(dòng)機(jī)的定子電阻和定子電感 線電壓 是由氣隙磁鏈感應(yīng)產(chǎn)生的 即線電壓導(dǎo)致虛擬磁鏈?zhǔn)噶?6 第l 章引言 v F o D P C 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 3 所示 工作原理與V o D P C 相似 圖1 2 電壓定向直接功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3 基于輸出調(diào)節(jié)子空間的直接功率控制策略 o R s D P c 3 0 3 1 1 輸出調(diào)節(jié)子空間 0 R s 設(shè)y y y 7 為輸出矢量 致分別取為瞬時(shí)有功功率和無功功率 采用瞬時(shí)有功功率為電壓矢量和電流矢量的標(biāo)量積 瞬時(shí)無功功率為電壓矢量 與電流失量的矢量積 則有 M p 2 屯 a 9 1 1 I y 2 g r 甜 一乇 6 舯r R 計(jì) 輸出子空間為整流器輸入電壓空間R m 2 中毋 0 f l 2 的子空間 7 第l 章引言 對(duì)應(yīng)于乃 兒輸出調(diào)節(jié)子空間o R S M o R S y o R S y 1 為沿著r 方向 的直線 0 R S y 為沿著 方向的直線 且二者垂直 o R s y o R s y 將 輸入空間分為四個(gè)區(qū)域 每一區(qū)域?qū)?yīng)于不同的那個(gè)毋 O f 1 2 的符號(hào) 如 圖1 4 所示 為辮 蝗 O 輸入空間矢量根據(jù)圖中的乒的符號(hào)就可知瞬時(shí) 有功功率p 瞬時(shí)無功功率g 的變化趨勢 從而及時(shí)選擇 控制瞬時(shí)功率 有功 和無功 圖1 3 虛擬鏈定向的直接功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2 基于輸出調(diào)節(jié)子空間直接功率控制 O R s D P c 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 0 R S D P C 結(jié)構(gòu)如圖1 5 電流傳感器和電壓傳感器檢測到的電流 電壓信號(hào) 經(jīng)3 2 變換得到 如 由式1 1 算得p g p g 和相對(duì)應(yīng)的參考 值比較后得到瞬時(shí)功率差值信號(hào) 在選取控制矢量之前 將電源電壓矢量 旋 轉(zhuǎn)一個(gè) 或妒角度 旋轉(zhuǎn)甜就是為了補(bǔ)償采用近似O R s 所引起的誤差 1 4 8 第l 章引言 對(duì)應(yīng)于o R s y I H e 2 對(duì)應(yīng)于0 R S y 2 甜 e 9 甜 經(jīng)過P 2 g 砷旋轉(zhuǎn)后得到 根據(jù) 及瞬時(shí)功率差值信號(hào) 多 蠆 瞬時(shí)功率和參考值功 率的差值 在控制矢量選擇表中選蚱再經(jīng)過2 3 變化得到開關(guān)信號(hào)咒 墨 疋 外環(huán)采用積分和的通濾波器結(jié)構(gòu) 抑制直流側(cè)干擾 n q 鄉(xiāng) 弋 璣 4 尊 j 鼻 O 爻繇u UL f t q f 一j 二 l 入 1 醛 兒 吐 一 埔墨 以 圖1 4 三相電壓型P w M 整流器o R s 圖1 5 基于輸出子空間直接功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 9 第l 章引言 1 3 本文的主要研究內(nèi)容 本文主要以三相電壓型P w M 整流器的直接功率控制 D P c 系統(tǒng)研究對(duì)象 主要考慮了三相電壓型P w M 整流器的D P c 系統(tǒng)在滿足性能指標(biāo)要求前提下的控 制手段 所做的主要包括 1 詳細(xì)論述了電壓型P w M 整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理 并分別建立了三相電 壓型P w M 整流器在4 6 c 坐標(biāo)系下基于開關(guān)函數(shù)描述的一般數(shù)學(xué)模型 應(yīng)用等功 率變換建立了兩相靜止坐標(biāo)系筇 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系由坐標(biāo)系下的整流器數(shù)學(xué)模 型 從而簡化了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 詳細(xì)介紹了電壓型P w M 整流器的直接功率控制原理 并對(duì)其進(jìn)行控制策 略的仿真 3 通過分析目前的功率控制策略可知 由于開關(guān)表對(duì)有功功率調(diào)節(jié)能力 弱 導(dǎo)致有功功率跟隨參考值較弱 另外 有功功率和無功功率之間存在耦合 在啟動(dòng)動(dòng)態(tài)過程中 有功功率和無功功率相互影響和制約 導(dǎo)致有功功率 直 流輸出電壓產(chǎn)生較大的波動(dòng) 且在負(fù)載變化時(shí)出現(xiàn)了較大動(dòng)態(tài)壓降 整流器在 啟動(dòng)過程有功功率跟隨參考值能力較弱及負(fù)載變化擾時(shí)出現(xiàn)了較大動(dòng)態(tài)壓降 影響了負(fù)載的正常運(yùn)行 因此本文提出了一種快速跟蹤能力的變無功參考值直 接功率控制策略 并提供了相應(yīng)的仿真結(jié)果 1 0 第2 章P W M 整流器的拓?fù)?原理及結(jié)構(gòu) 第2 章P W M 整流器的拓?fù)?原理及模型 本章通過介紹電壓型P w M 整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 分析了P w M 整流器工作的 原理 說明了P w M 整流器具有改變功率因數(shù) 實(shí)現(xiàn)電流正弦化的原因 為了更 好的研究電壓型P w M 整流器 建立了其數(shù)學(xué)模型 為后續(xù)章節(jié)的研究奠定了基 礎(chǔ) 2 1 電壓型P w M 整流電路拓?fù)?電壓型P w M 整流器 V 0 1 t a g es o u r c er e c t i f i e f s v s R 最顯著的拓?fù)涮卣骶褪?直流側(cè)采用電容進(jìn)行直流儲(chǔ)能 從而使V s R 直流側(cè)呈現(xiàn)低阻抗的電源特性 以下 介紹幾種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)I j 1 單相半橋 全橋v s R 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 單相半橋和單相全橋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 1 所示 兩者交流側(cè)的結(jié)構(gòu)相同 交流側(cè)的電感主要用以濾除電流諧波 l 如 甜 一 1 一一 陽魚 z 一 十j I二 一 一 吼 a 半橋 甜I 嘎 一 吼 一 c一一 罵 j 啦刊 j 一 l 吼 一 圖2 1 單相v s R 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 b 全橋 圖2 1 a 中 單相半橋V s R 只有一個(gè)橋臂用了功率開關(guān)管 另一個(gè)橋臂由兩 個(gè)電容串聯(lián)組成 同時(shí)電容又作為直流側(cè)儲(chǔ)能電容 單相全橋v s R 如圖2 1 b 所 示 采用了4 個(gè)開關(guān)管的橋路結(jié)構(gòu) v s R 主電路功率開關(guān)管必須反并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二 極管 以緩沖P w M 過程中的無功電能 通過比較 半橋電路具有較簡單的主電 路結(jié)構(gòu) 且功率開關(guān)管數(shù)只有全橋電路的一半 成本較低 常用于低成本 小 功率場合 進(jìn)一步研究表明 在相同的交流側(cè)電路參數(shù)條件下 要使單相半橋 第2 章P w M 整流器的拓?fù)?原理及結(jié)構(gòu) v s R 以及全橋V S R 獲得同樣的交流側(cè)電流控制特性 半橋電路直流電壓應(yīng)是全橋 電路直流電壓的兩倍 因此功率開關(guān)管耐壓要求提高 為使半橋電路的電容中 點(diǎn)電壓電位不變 要求采取均壓措施 可見單相半橋V s R 的控制相對(duì)復(fù)雜 2 三相全橋V S R 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 當(dāng)三相電網(wǎng)不平衡時(shí) 控制性能將惡化 甚至發(fā)生故障 為克服這個(gè)不足 采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 2 a 的三相全橋v s R 設(shè)計(jì) 其特點(diǎn)是 公共直流母線上連接 了三個(gè)獨(dú)立控制的單相全橋v s R 并通過變壓器連接至電網(wǎng) 當(dāng)三相電網(wǎng)平衡時(shí) 三相全橋v s R 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 2 b 所示 其交流側(cè)采用三相對(duì)稱無中線連接方式 采用了6 個(gè)功率開關(guān)管 這是最常用的三相P w M 整流器 圖2 2 a 所示的三相全橋v s R 由三個(gè)獨(dú)立的單相全橋V s R 組合而成的 當(dāng)電 網(wǎng)不平衡時(shí) 不會(huì)嚴(yán)重影響P w M 整流器控制性能 由于其所需的功率開關(guān)管是 圖2 2 b 所示一倍 所以一般較少采用 2 2 電壓型P W M 整流器的原理 整流器作為較早應(yīng)用的一種A C D c 變換裝置 它的發(fā)展經(jīng)歷了由不可控整 流器 二極管整流 相控整流器 采用半控開關(guān)器件 如晶閘管 到P w M 整流器 采全控開關(guān)器件 如I G B T 的發(fā)展歷程 傳統(tǒng)的相控整流器 應(yīng)用的時(shí)間較長 技術(shù)也較為成熟 得到了廣泛的使用 但存在以下問題 1 晶閘管換相引起網(wǎng)側(cè)電壓波形畸變 2 網(wǎng)側(cè)諧波電流對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染 3 深控時(shí)功率因數(shù)很低 4 閉環(huán)控制時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢 雖然二極管整流器改善了網(wǎng)側(cè)功率因數(shù) 但是仍然會(huì)產(chǎn)生諧波電流 另外 二極管整流的不足還在于直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性差 針對(duì)上述不足 P w M 整流器 已對(duì)傳統(tǒng)的相控及二極管整流器進(jìn)行了全面改進(jìn) 其關(guān)鍵性的改進(jìn)在于用全控 型功率開關(guān)管取代半控型功率開關(guān)管或二極管 以P w M 斬控整流取代了相控整 流或不可控整流 因此 P W M 整流器可以取得以下優(yōu)良性能 1 網(wǎng)側(cè)電流近似正弦波 2 網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控 如單位功率因數(shù)控制 3 電能雙向傳輸 第2 章P w M 整流器的拓?fù)?原理及結(jié)構(gòu) 0 4 較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng) b 圖2 2 三相全橋V S R 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) k 也 顯然 P w M 整流器已不是一般傳統(tǒng)意義上的A C D C 變換器 由于電能的雙 向傳輸 當(dāng)P w M 整流器從電網(wǎng)吸取電能時(shí) 其運(yùn)行于整流工作狀態(tài) 而當(dāng)P w M 整流器向電網(wǎng)傳輸電能時(shí) 其運(yùn)行于有源逆變工作狀態(tài) 所謂單位功率因數(shù)是 1 3 第2 章P w M 整流器的拓?fù)?原理及結(jié)構(gòu) 指 輸入電流波形正弦 且當(dāng)P w M 整流器運(yùn)行于整流狀態(tài)時(shí) 網(wǎng)側(cè)電壓 電流 同相位 當(dāng)P w M 整流器運(yùn)行于有源逆變狀態(tài)時(shí) 其網(wǎng)側(cè)電壓 電流反相位 進(jìn) 一步研究表明 由于P w M 整流器其網(wǎng)側(cè)電流及功率因數(shù)均可控 因而可被推廣 應(yīng)用于有源電力濾波及無功補(bǔ)償?shù)确钦髌鲬?yīng)用場合 圖2 3P W M 整流器模型電路 P w M 整流器實(shí)際上是一個(gè)交 直流側(cè)可控的四象限運(yùn)行的變流裝置 為便 于理解 以下首先從模型電路闡述P w M 整流器的原理 P w M 整流器模型電路如 圖2 3 所示 P w M 整流器模型電路由交流回路 功率開關(guān)管橋路以及直流回路組 成 其中交流回路包括交流電動(dòng)勢H 以及網(wǎng)側(cè)電感三等 直流回路包括負(fù)載電阻 R 等 功率開關(guān)管橋路可由電壓型或電流型橋路組成 不計(jì)功率開關(guān)管橋路損 耗時(shí) 由交 直流側(cè)功率平衡關(guān)系得 l r2 o 出 出 2 1 式中 即 f 是模型電路交流側(cè)電壓 電流 甜出 么 是模型電路直流側(cè)電壓 電流 由式2 1 不難理解 通過模型電路交流側(cè)的控制 就可以控制其直流側(cè) 反之 也成立 以下著重從模型電路交流側(cè)入手 分析P w M 整流器的運(yùn)行狀態(tài)和控制 原理 穩(wěn)態(tài)條件下 P w M 整流器交流側(cè)矢量關(guān)系如圖2 4 所示 為簡化分析 對(duì)于P w M 整流器模型電路 只考慮基波分量而忽略P w M 諧波 分量 并且不計(jì)交流側(cè)電阻 這樣可從圖2 4 分析 當(dāng)以電網(wǎng)電動(dòng)勢矢量口為參考 時(shí) 通過控制交流電壓矢量口 即可實(shí)現(xiàn)P w M 整流器的四象限運(yùn)行 若假設(shè) JJ 不 變 因此l 即 卜 l J 也固定不變 在這種情況下 P w M 整流器交流電壓矢量 端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡構(gòu)成了一個(gè)以為I J 半徑的圓 如圖2 4 a 所示 當(dāng)電壓矢量 端點(diǎn)位于圓軌跡A 點(diǎn)時(shí) 電流矢量 比電動(dòng) 勢矢量搿滯后9 0 0 此時(shí)P W M 整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)純電感特性 1 4 第2 章P w M 整流器的拓?fù)?原理及結(jié)構(gòu) 如圖2 4 b 所示 當(dāng)電壓矢量即 端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至圓軌跡B 點(diǎn)時(shí) 電流矢量J 與電 動(dòng)勢矢量盯平行且同向 此時(shí)P W M 整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)正電阻特性 如圖2 4 c 所示 當(dāng)電壓矢量口 端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至圓軌跡C 點(diǎn)時(shí) 電流矢量 比電 動(dòng)勢矢量 超前9 0 0 此時(shí)P w M 整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)純電容特性 如圖2 4 d 所示 當(dāng)電壓矢量即 端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至圓軌跡D 點(diǎn)時(shí) 電流矢量 與電 動(dòng)勢矢量 平行且反向 此時(shí)P W M 整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)負(fù)阻特性 o 川 y 穆 c 6 c d 圖2 4P w M 整流器交流側(cè)矢量關(guān)系圖 以上A B C D 四點(diǎn)是P w M 整流器四象限運(yùn)行的四個(gè)特殊工作狀態(tài)點(diǎn) 進(jìn)一步分析 可得P w M 整流器四象限運(yùn)行規(guī)律如下 1 電壓矢量 端點(diǎn)在圓軌跡A B 上運(yùn)動(dòng)時(shí) P W M 整流器運(yùn)行于整流狀態(tài) 此時(shí) P w M 整流器需從電網(wǎng)吸收有功及感性無功功率 電能將通過P w M 整流 器由電網(wǎng)傳輸至直流負(fù)載 值得注意的是 當(dāng)P w M 整流器運(yùn)行在B 點(diǎn)時(shí) 則實(shí) 現(xiàn)單位功率因數(shù)整流控制 而在A 點(diǎn)運(yùn)行時(shí) P w M 整流器則不從電網(wǎng)吸收有功 功率 而只從電網(wǎng)吸收感性無功功率 2 當(dāng)電壓矢量 端點(diǎn)在圓軌跡B c 上運(yùn)動(dòng)時(shí) P w M 整流器運(yùn)行于整流狀 態(tài) 此時(shí) P w M 整流器需從電網(wǎng)吸收有功及容性無功功率 電能將通過P w M 整流器由電網(wǎng)傳輸至直流負(fù)載 當(dāng)P w M 整流器運(yùn)行至c 點(diǎn)時(shí) P w M 整流器將不 從電網(wǎng)吸收有功功率 而只從電網(wǎng)吸收容性無功功率 3 當(dāng)電壓矢量 端點(diǎn)在圓軌跡C D 上運(yùn)動(dòng)時(shí) P W M 整流器運(yùn)行于有源逆變 狀態(tài) 此時(shí)P w M 整流器向電網(wǎng)傳輸有功及容性無功功率 電能將從P w M 整流器 直流側(cè)傳輸至電網(wǎng) 當(dāng)P w M 整流器運(yùn)行至D 點(diǎn)時(shí) 便可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)有源 逆變控制 4 當(dāng)電壓矢量 端點(diǎn)在圓軌跡D A 上運(yùn)動(dòng)時(shí) P w M 整流器運(yùn)行于有源逆 變狀態(tài) 此時(shí) P w M 整流器向電網(wǎng)傳輸有功及感性無功功率 電能將從P w M 整 1 5 第2 章P w M 整流器的拓?fù)?原理及結(jié)構(gòu) 流器直流側(cè)傳輸至電網(wǎng) 2 3 電壓型P w M 整流器的數(shù)學(xué)模型 建立數(shù)學(xué)模型是深入分析和研究P w M 整流器的工作機(jī)理及動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性 的重要基礎(chǔ) 本文分別建立了P w M 整流器在三相靜止坐標(biāo)系口6 c 兩相靜止坐 標(biāo)系筇和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系由的模型 3 3 1 為便于研究整流器的特性 通常作以下假設(shè) 1 電網(wǎng)電動(dòng)勢為三相對(duì)稱電壓源 2 網(wǎng)側(cè)濾波電感是線性的 且不考慮飽和 3 功率開關(guān)管為理想開關(guān) 無功率損耗 根據(jù)三相V S R 特性分析的需要 三相V S R 一般數(shù)學(xué)模型的建立采用下述兩 種方式 1 采用開關(guān)函數(shù)描述的一般數(shù)學(xué)模型 2 采用占空比描述的一般數(shù)學(xué)模型 采用開關(guān)函數(shù)描述的一般數(shù)學(xué)模型是對(duì)v s R 開關(guān)過程的精確描述 比較適 合于v s R 的波形仿真 但是 采用開關(guān)函數(shù)描述的v s R 一般數(shù)學(xué)模型由于包括 了其開關(guān)過程中的高頻分量 在實(shí)際中很難用于控制器的設(shè)計(jì) 當(dāng)V S R 開關(guān)頻 率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)基波頻率時(shí) 為了簡化v s R 的一般數(shù)學(xué)描述 可忽略v s R 開關(guān)函 數(shù)描述模型中的高頻分量 即只考慮其中的低頻分量 從而獲得采用占空比描 述的低頻數(shù)學(xué)模型 這種采用占空比描述的v s R 低頻數(shù)學(xué)模型比較適合于控制 系統(tǒng)分析 并可直接采用控制器設(shè)計(jì) 然而 由于這種模型忽略了開關(guān)過程中 的高頻分量 因而不能進(jìn)行精確的動(dòng)態(tài)波形仿真 總之 采用開關(guān)函數(shù)描述的 數(shù)學(xué)模型 以及采用占空比描述數(shù)學(xué)模型 在V s R 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真中 各起著重要作用 常用后者對(duì)v s R 控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì) 然后再采用前者對(duì)V S R 控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真 從而校驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo) 2 3 1 三相如靜止坐標(biāo)系下的V S R 數(shù)學(xué)模型 為分析方便 先定義單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)s j 洲 1 6 第2 章P w M 整流器的拓?fù)?原理及結(jié)構(gòu) 島 圭纂喜羹磊 纂譬謄鬈c 口 6 c c z 力 1 l o 上橋臂關(guān)斷 下橋臂導(dǎo)通 一7 三相電壓型P W M 整流器的主電路圖如圖2 5 所示 圖中 為三 相對(duì)稱電源相電壓 毛 為三相線電流 咒 品 墨為整流器的開關(guān)函 數(shù) 為直流電壓 R 三為濾波電抗器的電阻和電感 c 為直流側(cè)電容 心 為負(fù)載 為整流器的輸入相電壓 t 為負(fù)載電流 韉f t 置 攤翠 二 圖2 5 三相電壓型P w M 整流器的主電路圖 圖2 6 電壓型P w M 整流器在三相靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型框圖 1 7 第2 章P w M 整流器的拓?fù)?原理及結(jié)構(gòu) 壓 三相對(duì)稱電壓源及線電流 4 mc o s f 鏟u 州岍等 c o H 孚 2 3 f L c o s f Q m c o s f 叩一等 2 4 f c 吐c o s 佃 爭 式中 Q 為電壓與電流相位差 國為電源頻率 L 為電壓 電流峰值 在交流側(cè)根據(jù)基爾霍夫第二定律可得 三旦 出 割 L 嘗 H R 1 噸 痂 一隆 或者 2 5 式中 島 0 為下橋臂節(jié)點(diǎn) 與交流側(cè)中心點(diǎn)N 之間的電 同時(shí) 這樣得到 從而 f o 乜 o 鯽 一警 s u o N2 一 乙3 i j 口 6 曠嘣驢 互 多 2 6 2 7 2 8 第2 章P w M 整流器的拓?fù)?原理及結(jié)構(gòu) 式中 口 6 c 對(duì)直流側(cè) 由基爾霍夫電流定理可得 c 爭叫出一靜 2 9 式中 i s i o sb I b s o c 從2 5 式可以看出 整流器三相輸入電流受調(diào)制電壓肌 的控制 不管采用什 么控制策略 對(duì)整流器輸入電流的控制都是通過調(diào)節(jié)控制電壓實(shí)現(xiàn)的 這就是 P w M 整流器控制的實(shí)質(zhì) 由上述推導(dǎo)可得整流器在三相靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型框圖2 6 2 3 2 兩相叩靜止坐標(biāo)系下的V S R 數(shù)學(xué)模型 通過矩陣7 k V S R 模型可以從三相靜止對(duì)稱坐標(biāo)系 以6 c 變換到兩相 筇靜止坐標(biāo)系下 按照功率不變理論通過變換矩陣z k 將三相靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型變 換到a 玀兩相靜止坐標(biāo)系中 f 月 I1 l 萬 D 口靜止坐標(biāo)系中電壓型P w M 整流器的數(shù)學(xué)模型為 1 9 2 1 0 一2壓一2 一厄 2塹2上壓 甜 一I吾了上壓一 2石丁上壓 2石丁上壓 o 上壓 壓慪 IlJ 1 I 缸 印 幻 綁咖 仃 U 第2 章P w M 整流器的拓?fù)?原理及結(jié)構(gòu) 三瑚 阱甜嘲 C 等鄧一A i L 2 1 1 2 1 2 式中 廖c s 耐 咋 廖s 附 最毒隘喝訇 s 擊 一籩 圖2 7 優(yōu)口靜止坐標(biāo)系中整流器模型框圖 2 3 3 兩相由旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的V s R 數(shù)學(xué)模型 通過矩陣z k 由 V s R 模型可以從三相靜止對(duì)稱坐標(biāo)系 4 6 c 變換到兩相 由旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 其數(shù)學(xué)模型框圖如2 8 所示 c o s 佃f 1 2 0 s i n f 1 2 0 c o s 佃f 一1 2 0 s i n f 一1 2 0 2 0 墨 別朝 s i n o f 1 2 0 l 茹二蹴r 1 3 s i n f 1 2 0 l 講耐 叫 引 硌 n m m 儀 虬 o s U丫jl 一氧厚壓 I I 二rJ U 一0 饑 幻 廠 l 第2 章P w M 整流器的拓?fù)?原理及結(jié)構(gòu) 由旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓型P w M 整流器的數(shù)學(xué)模型為 工瑚 臥樸時(shí)懾 式中 小跏 v 曠J 蓼 廳i 驢 c o s 耐 s i n 研 墨 c o s 研一 s i n 耐 直流側(cè) C 等咆S 川q S q 一鼉 2 4 本章小結(jié) 圖2 8 砌坐標(biāo)下數(shù)學(xué)模型框圖 1 介紹了P w M 整流器的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 2 分析了P w M 整流器的原理 3 建立P w M 整流器數(shù)學(xué)模型 2 l 2 1 5 第3 章瞬時(shí)功率理論 第3 章瞬時(shí)功率理論 伴隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用 諧波和無功功率補(bǔ)償問題日益受到重視 要做到對(duì)變化的諧波或無功功率進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償 定義在平均值基礎(chǔ)上 的傳統(tǒng)功率理論對(duì)電壓和電流的畸變 三相不平衡等問題己經(jīng)無法做出解釋 8 0 年代初 日本學(xué)者赤木泰文等人 2 1 1 3 5 提出了將建立在瞬時(shí)值基礎(chǔ)上的三相電 路瞬時(shí)功率理論引入到整流器的控制中 整流器的直接功率控制理論取得了一 定的發(fā)展f 3 6 3 7 1 與電流控制策略 3 8 相比 P w M 整流器的直接功率控制策略能夠 實(shí)現(xiàn)更高的功率因數(shù) 低的T H D 高效率 算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn) 3 1 傳統(tǒng)功率理論 3 1 1 傳統(tǒng)功率的定義 在傳統(tǒng)功率理論中 定義瞬時(shí)功率采用平均值定義法 電流波形為正弦的條件下 瞬時(shí)功率定義為 p f f f f 根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)展開 f f f 得 f 西 s 域 f 妒 它們只實(shí)用于電壓 3 1 3 2 f f 妻 j s 叫 f P 一單 3 3 m 其中 妒 培一一 紅 以為傅立葉級(jí)數(shù)展開時(shí)余弦相系數(shù)和正弦相系 4 數(shù) 5 卟舳 2 n 礬 等 3 4 第3 章瞬時(shí)功率理論 表示n 次諧波的角頻率 q Z 正分別表示基波角頻率 頻率 周期 以為撐 次諧波電壓的根均方值 璣 L 為以次諧波電 I 痧 流的根均方值 眄 1 2 q 2 2 3 5 Y0 1 f 2 2 f 2 2 3 6 YO 瞬時(shí)有功功率可以通過瞬時(shí)功率的平均值來定義如下 P 弘 矽 c 班c r 矽 薹只 厶 喜以L c o s 以 刀 視在功率 s U I 阿t 阿 鼯鼯 則無功功率為 Q s 2 一P 2 3 8 3 9 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的三相無中線系統(tǒng) 砜 0 為零 因此上述表達(dá)式中無直流分量 只存在交流分量 P Lc o s 以 3 1 0 n j l s 鼯鼯 3 1 1 Q F 可 藝以Ls i n 兒 3 1 2 l 式中 兒為療次諧波電壓和電流的相位差 在上述定義中 有功功率P 表示受干擾電力系統(tǒng)中的平均能量流 視在功 率s 表示最大無功功率 無功功率Q 是電力系統(tǒng)如P w M 整流器中比較關(guān)注的對(duì) 象 從上述的有功功率 視在功率 無功功率的定義表達(dá)式中可以看出 有功 第3 章瞬時(shí)功率理論 功率P 和無功功率Q 的平方和并不等于視在功率s 因此 為了完善定義引 V 失 真功率 的定義如下 D 壓j 歹 3 1 3 圖3 1 功率分量關(guān)系圖