三相三電平VIENNA整流器的研究

1、工學(xué)碩士學(xué)位論文（ 同等學(xué)力 ）三相三電平vienna 整流器的研究劉平哈爾濱工業(yè)大學(xué)2006 年 6 月tm461.5621.3工學(xué)碩士學(xué)位論文（ 同等學(xué)力）三相三電平vienna 整流器的研究碩 士 研 究 生：導(dǎo)師：申請學(xué)位級別：學(xué)科 、 專 業(yè)： 所 在 單 位： 答 辯 日 期： 授予學(xué)位單位：劉平陳希有教授工學(xué)碩士 電工理論與新技術(shù) 黑河學(xué)院2006 年 6 月 哈爾濱工業(yè)大學(xué)classified index： tm461.5u.d.c.： 621.3a dissertation for the master degree inengineering(equivalent educ

2、ationlevel)the research of the three-phase three-level vienna rectifiercandidate：liu pingsupervisor：prof. chen xiyouacademicdegreeapplied for：theory and advanced technology ofelectrical engineeringspecialty：electrical engineeringaffiliation ：heihe collegedate of defence：june,2006degree-conferring-in

3、stitution： harbin institute of technology哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文本文摘要減少電網(wǎng)諧波污染、提高電力整流裝置的功率因數(shù)是電力電子研究領(lǐng)域 的重要課題。隨著綠色能源技術(shù)的快速發(fā)展，pwm整流器技術(shù)已成為電力電子技術(shù)研究的熱點和亮點。因為它可以降低電網(wǎng)污染并實現(xiàn)可調(diào)整的功率 因數(shù)。在整流器領(lǐng)域，三相三電平pwm整流器具有功率因數(shù)高、諧波小等優(yōu)點，己經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點之一，因此對三相三電平pwm整流器進行深入研究具有重要的現(xiàn)實意義。研究了新穎的三相三電平vienna整流器。首先通過對電力整流技術(shù)的文獻綜述，分析了當(dāng)前整流技術(shù)存在的不足以及工業(yè)應(yīng)用對電

4、力整流器 的技術(shù)要求，進而闡明了本文的研究目的、意義和價值。其次分析了三相三電平 vienna 整流器的基本工作原理，對 vienna 整流器的數(shù)學(xué)模型進行了研究，建立了三相三電平 vienna整流器在三相靜 止坐標(biāo)系、兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。然后將空間電壓矢量脈寬調(diào)制（svpwm）的控制方法應(yīng)用于 vienna整流器，利用代數(shù)和幾何方法判斷電壓扇區(qū)，導(dǎo)出了占空比等重要計算公式， 實現(xiàn)了 vienna整流器的空間矢量調(diào)制?；跍p小諧波和使功率因數(shù)等于1的原則，設(shè)計了 vienna整流器主電路的參數(shù)，并給出了網(wǎng)端電感和輸出端 電容的設(shè)計方法。最后綜合運用控制系統(tǒng)仿真軟件matlab 和通用電

5、路仿真軟件 pspice,建立了 vienna 整流器的系統(tǒng)仿真模型，對三相三電平 vienna 整流器進行了系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果表明了理論分析的正確性和可行性。關(guān)鍵詞 數(shù)學(xué)模型；vienna整流器；空間矢量調(diào)制；諧波分析；仿真-2 -abstracteliminating harmonic pollution and improving power factor of the power converter is an important subject in the field of power electronics. with the fast developing technology

6、 of green energy, an ever-enhanced attention has been focused to the pwm rectifier in the field of power electronics. characterize of pollution-free and adjustable power factor.in rectifier field , because of its advantages of high power factor and low harmonic pollution, the study on the three-phas

7、e three-level pwm rectifier is focused by many researchers. so it has an important meaning to study the three-phase three-level pwm rectifier.this paper describes the results of the three-level vienna rectifier-a novel single-stage three-phase pwm rectifier system. after summarizing the power rectif

8、ier technique, this article firstly analyzes the disadvantages of the rectifier technique and the requirements of the power rectifier for the use of industry. the purpose of the study is presented.secondly, the principles of the three-phase voltage source vienna rectifier are analyzed. in this paper

9、, we study the mathematical model of a three-phase three-level vienna rectifier s circuit. the models of the three-phase three-level vienna rectifiers in static frame and two-phase rotation frame are established.thirdly, we study the theory and the control way of the space-voltage vector pwm (svpwm)

10、 in detail. the formulas of the duty cycles of space voltage vectors are presented by estimating the sector through the method of algebra and geometry. the vienna rectifier is modulated by space vector pwm algorithm. the rules to identify the parameters of the vienna rectifier circuit and inductance

11、 and capacitance are obtained.finally, the correctness and feasible of theoretical analysis is verified by the three-phase three-level vienna rectifier of system simulation based on matlab and pspice simulation package. the simulation results show that this method is recommendable in designing svpwm

12、 rectifier.哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文keywords mathematical model; vienna rectifier; space vector modulation;harmonic; simulation-iii哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文目錄摘要1abstractii第1章緒論11.1 課題研究的背景及意義 11.2 整流技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀21.2.1 pwm整流器21.2.2 多電平變換技術(shù)31.2.3 vienna 整流器41.3 課題研究的主要內(nèi)容5第2章vienna整流器的原理和數(shù)學(xué)模型的建立 72.1 vienna整流器工作原理 72.2 abc三相靜止坐

13、標(biāo)系數(shù)學(xué)模型的建立 82.3 dq標(biāo)系數(shù)學(xué)模型的建立142.4 整流器的電流控制分析162.5 本章小結(jié)17第3章vienna整流器的控制策略 183.1 關(guān)于pwm整流器控制方法 183.2 電壓空間矢量svpwm調(diào)制機理193.3 三電平空間矢量(svpwm)調(diào)制策略223.4 優(yōu)化方案的設(shè)計273.5 本章小結(jié)28第4章vienna整流器參數(shù)設(shè)計 304.1 交流側(cè)電感的設(shè)計304.1.1 滿足快速電流跟蹤要求的電感設(shè)計 314.1.2 滿足諧波要求的設(shè)計334.2 直流側(cè)電容的選擇 344.2.1 負載突減時的電容設(shè)計 354.2.2 滿足直流電壓跟隨性指標(biāo)的電容設(shè)計 364.3 本章

14、小結(jié)38第5章vienna整流器的仿真研究 395.1 仿真電路模型395.2 仿真分析405.2.1 電路參數(shù)的選擇405.2.2 仿真波形 405.3 本章小結(jié)43結(jié) 論44參考文獻.45攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文49哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 50哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書 50哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位涉密論文管理 50致謝51個人簡歷52-v -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論1.1課題研究的背景及意義在電能變換技術(shù)中，電力電子裝置發(fā)揮著重要作用。電力電子器件決定著 整個電力變換裝置的性能、成本、質(zhì)量與體積。但由于這些器件的非線性特性， 在進行電能變換時，必然

15、要引起電壓、電流波形的畸變，產(chǎn)生大量諧波。實際 上，電力電子變換裝置是電力系統(tǒng)諧波的主要來源。電力系統(tǒng)中諧波的危害可概括為以下幾個主要方面 1:1）增加電力網(wǎng)發(fā)生諧振的可能性，從而造成過電流或過電壓，引發(fā)事故；2）增加附加損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率；3）使電氣設(shè)備（如旋轉(zhuǎn)電機、電容器、變壓器等）運行不正常，加速絕緣老化， 從而縮短其使用壽命；4）使繼電保護、自動裝置誤動作；5）使計量儀器誤差增加；6）干擾通信系統(tǒng)，降低信號的傳輸質(zhì)量，甚至損壞通信設(shè)備。大多數(shù)直流（dc）電源都是通過對交流（ac）電源的整流來獲取的。整流器的性能將直接影響到公共電網(wǎng)的質(zhì)量。目前，大部分電力電子裝置所使用

16、的直流 電源是通過不可控整流或相控整流得到的，這些設(shè)備在運行中向電網(wǎng)注入大量 的諧波和無功功率，造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)污染。由此引起的公用電網(wǎng)諧波污染問 題受到了人們的重視。國際電工委員會 （iec）制定的ieee555-2標(biāo)準(zhǔn)對用電裝置 的功率因數(shù)和波形失真度作了具體的限制，歐洲也制定了相應(yīng)的iec-1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)。我國于1993年由國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量 -公用電網(wǎng) 諧波（gb/t 14549-1993）,并于1994年3月1日起正式執(zhí)行2。為了解決電力電子裝置的諧波污染問題，可以裝設(shè)諧波補償裝置，或者設(shè) 計新型的電力電子裝置，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)為1。三相pwm電壓源

17、 整流器（voltage source rectifier,簡稱vsr）與傳統(tǒng)的二極管整流器和可控硅整流 器相比，具有交流側(cè)輸入電流諧波小、功率因數(shù)可調(diào)、直流側(cè)電壓波動小、能 量可雙向流動等特點。因此近年來，無論是其理論研究還是工程應(yīng)用都受到人 們的廣泛關(guān)注。本文所研究的vienna整流器是在二極管鉗位三電平變換器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的三相三電平整流器，它是整流器家族的一個重要成員3,4。其高功率因數(shù)、 低諧波的特性可以有效解決電網(wǎng)污染問題。1.2整流技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀隨著現(xiàn)代控制理論、微處理器技術(shù)以及現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，整流器的應(yīng) 用和研究有了突破性進展。1.2.1 pwm整流器傳統(tǒng)相控式低頻整流電路

18、采用半控型功率器件作為開關(guān)，用相控方式實現(xiàn) 電壓調(diào)節(jié)和換流。這種電路的優(yōu)點是主電路結(jié)構(gòu)簡單，控制比較方便，由于使 用較早，技術(shù)成熟，品閘管價格便宜，因而使用比較廣泛。但是，它存在網(wǎng)側(cè) 功率因數(shù)不高、導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變、調(diào)節(jié)性能差等不足。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率半導(dǎo)體開關(guān)器件性能不斷提高，已從早期 廣泛使用的半控型功率半導(dǎo)體開關(guān)，如普通品閘管（scr）發(fā)展到如今性能各異且 類型諸多的全控型功率開關(guān)，如雙極型晶體管（bjt）、門極關(guān)斷晶閘管（gto）、絕緣柵雙極型晶體管（igbt）、集成門極換向晶閘管（igct）、功率場效應(yīng)晶體管 （mosft）以及場控晶閘管（mct）等。而20世紀(jì)90年代

19、發(fā)展起來的智能功率模 塊（intelligent power module, ipm）開倉了功率半導(dǎo)體開關(guān)器件新的發(fā)展方向5。 功率半導(dǎo)體開關(guān)器件技術(shù)的進步，促進了電力電子變流裝置技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了以脈寬調(diào)制（pulse width modulation, pwm）控制為基礎(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等，這些變流裝置在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域中取得了廣泛應(yīng)用。但是，目前這些變流裝置很大一部分需要整流環(huán)節(jié)以獲得直流電壓，而傳統(tǒng)的整流環(huán)節(jié)會造成嚴(yán)重的電網(wǎng)“污染”。因此，作為電網(wǎng)主要“污染”源的整流器，首先受到了學(xué)術(shù)界的關(guān)注，并開展 了 大量研究工作。其主要思路

20、就是將pwm技術(shù)引入到整流器的控制之中，使整 流器網(wǎng)側(cè)電流正弦化且可運行于單位功率因數(shù)6。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，pwm整流器技術(shù)已日趨成熟。pwm整流器主電路已 從早期的半控型器件發(fā)展到如今的全控型器件；具拓撲結(jié)構(gòu)已從單相、三相電 路發(fā)展到多項組合及多電平拓撲電路；功率從千瓦級發(fā)展到兆瓦級。pwm整流器可分為電壓源型pwm整流器和電流源型pwm整流器兩種，與 電流源型整流器相比，電壓源型整流器直流側(cè)脈動小，輸入電流連續(xù)而且簡便 易行，因此電壓源型pwm整流器成為當(dāng)今主要研究對象。電壓源型pwm整流器的控制思路是：保證直流側(cè)輸出電壓恒定情況下，使交流側(cè)輸入電流盡可能 與電網(wǎng)電壓同相位，從而達到提高功

21、率因數(shù)和消除諧波的目的7。根據(jù)能量是否可雙向流動，派生出兩類不同拓撲結(jié)構(gòu)的pwm整流器，即可逆pwm整流器和不可逆pwm整流器。本論文研究的 vienna整流器是能 量只能單向流動的不可逆pwm整流器。近年來，隨著電工領(lǐng)域各種技術(shù)的全面發(fā)展，人們對電力電子裝置的高壓、 大功率和高頻化的要求越來越強烈，人們希望電力電子裝置能夠處理越來越高 的電壓等級和容量等級。多電平變換器也就是在這種背景下成為高壓大功率變 換研究的熱點。1.2.2 多電平變換技術(shù)一般認(rèn)為，現(xiàn)在統(tǒng)稱的多電平變換器的概念最早是由日本長岡科技大學(xué) a.naba好人提出的網(wǎng)。其基本原理是將多個直流電平合成階梯波，更加接近正 弦輸出電壓

22、。一般來說，電平數(shù)越多，輸出電壓波形越逼近正弦波，波形的諧 波含量越少。1983年，bhagwat等人在此基礎(chǔ)上，將三電平電路推廣到任意n電平9,對npc(neutral point clamped)中性點箝位電路及其統(tǒng)一結(jié)構(gòu)作了進一步的 研究。這些工作為高壓大功率變換器的研究提供了一條嶄新的思路。實際電路 中電平數(shù)超過三時會遇到許多困難，具硬件電路過于復(fù)雜，控制算法也較繁， 故實際的電路多以三電平變換為主。多電平變換器之所以成為高壓大功率變換研究的熱點，是因為它具有以下 突出優(yōu)點6;1)每個功率器件僅承受1/(n-1)的母線電壓(n為電平數(shù))，所以可以用低耐壓 器件實現(xiàn)高壓大功率輸出，且無需

23、動態(tài)均壓電路；2)電平數(shù)的增加，改善了網(wǎng)側(cè)電壓波形，減小了輸入電壓波形畸變(totalharmonic distortion, thd)；3)可以以較低的開關(guān)頻率獲得和高開關(guān)頻率下兩電平變換器相同的輸入電 壓波形，因而開關(guān)損耗小，效率高；4)由于電平數(shù)的增加，在相同的直流母線電壓條件下，較之兩電平變換器 其du/dt應(yīng)力要低，同時改善了裝置的電磁干擾(electromagnetic interference, emi) 特性。從目前所報道的各種多電平變換器主電路拓撲結(jié)構(gòu)來看，主要可歸結(jié)為四 種基本的拓撲結(jié)構(gòu)：1)二極管鉗位型(diode-clamp) ; 2)飛跨電容型（flying-capa

24、citor）； 3）具有獨立直流電源的級聯(lián)逆變器型（cascaded-inverters withseparate dc source） 4）混合的級聯(lián)型多電平變換器10。1.2.3 vienna 整流器在多電平變換器基本拓撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，許多改進的電路拓撲被提出。vienna整流器就是對二極管鉗位型三電平整流器的一種改進和發(fā)展。在三相整流器中，多采用三電平pwm整流器來減少諧波，但從國內(nèi)的一些 文獻11,12來看，大多采用的是二極管鉗位型三電平 pwm整流電路，如圖1-1所圖1-1三相三電平電壓型 vsr主電路圖fig.1-1 main circuit of three-phase thre

25、e-level voltage vs r二極管箝位型多電平變換器的優(yōu)點是便于雙向功率流控制，功率因數(shù)控制 方便。但電路有以下一些不足之處：1）需要大量鉗位二極管；2）每橋臂內(nèi)外側(cè)功率器件的導(dǎo)通時間不同，造成負荷不一致；3）存在直流分壓電容電壓不平衡問題；4）其開關(guān)器件較多，開關(guān)損耗大，控制復(fù)雜。本文所研究的vienna整流器是在二極管鉗位型三電平整流器基礎(chǔ)上用一雙向開關(guān)電路來完成鉗位功能，如圖1-2所示。經(jīng)分析其數(shù)學(xué)模型和二極管鉗位型三電平整流器是等效的，而 vienna整流器的可控器件減為三個，大大降低了開關(guān)損耗，同時也可降低整流器的成本1315。與二極管鉗位三電平整流器比較，vienna整

26、流器有如下特點： 優(yōu)點：1）在相同的電平數(shù)下，開關(guān) 器件由12個減小為3個；因而開關(guān)損耗小，效率高；2）電路得到簡化、可靠性更高；3）簡化了控制環(huán)節(jié)，降低成本和體積。缺點：1）能量只能單向傳遞；2）同樣需要大量的二極管；3）存在直流分壓電容電壓不平衡問題。dj h d,四 dj 21圖1-2 vienna 整流器主電路fig.1-2 main circuit of the vienna rectifier1.3課題研究的主要內(nèi)容本文對vienna整流器的主電路進行了設(shè)計和仿真，從電路的結(jié)構(gòu)和器件 參數(shù)方面，給出了設(shè)計參考。首先，分析了 vienna整流器的工作原理，利用 d-q變換建立了 vi

27、enna整流器的數(shù)學(xué)模型。其次，研究了空間矢量調(diào)制原理 在vienna整流器中的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上編制了仿真程序。再次，從電路模型 入手，本著使功率因數(shù)為一和減小諧波的原則， 給出了電感和電容的設(shè)計方法。 最后，通過設(shè)計的vienna整流器仿真電路模型，檢驗了理論分析的正確性， 為進一步深入分析奠定了基礎(chǔ)。本文結(jié)構(gòu)如下：第一章為緒論部分，介紹了近年來國內(nèi)外關(guān)于pwm整流器研究現(xiàn)狀及課題研究的背景和意義。第二章分析了 vienna整流器的工作原理和電路的數(shù)學(xué)模型。第三章研究了 svpwm控制策略，推導(dǎo)了 vienna整流器的相應(yīng)控制方程。第四章討論了 vienna整流器的諧波、功率因數(shù)和電感、電容

28、的關(guān)系，提 出了電路參數(shù)設(shè)計方法。第五章首先在pspice環(huán)境下搭建了仿真電路模型，用matlab編制了控 制程序，并把控制數(shù)據(jù)輸出給 pspice,最后進行了仿真驗證。- 56 -第2章vienna整流器的原理和數(shù)學(xué)模型的建立2.1 vienna整流器工作原理在vienna整流器的主電路(圖1-2)中交流側(cè)的ls為等值電感，用于抑制高 次諧波和平衡橋臂終端電壓和電網(wǎng)電壓的作用；&為等值電阻，通常情況下較小，可以忽略不計；ci, c2為濾波電容，為高次諧波電流提供低阻抗通路，減 少直流電壓紋波，同時還有平衡中點電位的作用。每相有一個由全控開關(guān)器件 (分別是sa, sb, sc)和四個二極管組成

29、的雙向開關(guān)，如圖 2-1所示，每只開關(guān)將承 擔(dān)直流側(cè)電壓的一半。圖2-1 vienna整流器的雙向開關(guān)fig.2-1 bidirectional switches of the vienna rectifier下面介紹vienna整流器的工作原理： 設(shè)三相輸入電壓為? ?u m cos( t)(2-1)u m cos& t - 2 冗 / 3)u m cos& t + 2 兀 / 3)三相電壓波形如圖2-2所示。以0 0t / 6為例，說明三相電壓在整流狀態(tài)時的工作情況。在這個區(qū)間 a相的輸入電壓始終為正，b、c相的輸入電壓始終為負。設(shè)開關(guān)管導(dǎo)通時為1, 關(guān)斷時為0o則三相開關(guān)有23 = 8種

30、狀態(tài)，分別如下：狀態(tài) 0(0,0,0):開關(guān)管sa,sb,sc 關(guān)斷，電壓uao=udc /2 ,ubo = -udc/2 ,uco = -udc/2正向電流對電容ci及c2充電。狀態(tài) 1(0,0,1):開關(guān)管sb 關(guān)斷&開通，電壓 uao=udc/2 , ubo = -udc /2,uco =0正向電流對電容ci充電，c2通過直流側(cè)負載放電。fig.2-2 input voltage waveforms狀態(tài) 2(0,1,0):開關(guān)管 sa, sc 關(guān)斷，sb 開通，電壓 uao = udc /2 , ubo=0, uco = -udc/2,正向電流對電容ci充電，c2通過直流側(cè)負載放電。狀態(tài)

31、 3(0,1,1)：開關(guān)管 sa 關(guān)斷，sb, sc 開通，電壓 uao=udc/2 ,ubo=0, uco =0 , 正向電流對電容ci充電，c2通過直流側(cè)負載放電。狀態(tài) 4(1,0,0):開關(guān)管 sa 開通，0, sc 關(guān)斷，電壓 uao=0, ubo = -udc/2, uco = -udc/2, ci通過直流側(cè)負載放電，正向電流對電容 c2充電。狀態(tài)5(1,0,1):開關(guān)管sa開通，&關(guān)斷，sc開通，電壓uao=0, ubo = - udc /2, uco =0, ci通過直流側(cè)負載放電，正向電流對電容 c2充電。狀態(tài) 6(1,1,0)：開關(guān)管 sa, sb 開通,sc 關(guān)斷,電壓 u

32、ao =0, ubo =0, uco = - udj2, ci通過直流側(cè)負載放電，正向電流對電容 c2充電。狀態(tài) 7(1,1,1)：開關(guān)管 0, 0, sc 開通，電壓 uao =0, ubo=0, uco =0, ci , c2通過直流側(cè)負載放電。由上面可推知線電壓uab可產(chǎn)生四個電平：udc, udc /2 , - udc /2, 0,其絕 對值是三個，組成了三電平。ubc , uca也由三電平組成。用這三個電平合成的 階梯波，接近正弦輸出電壓。其它扇區(qū)可仿照上面推得。建立研究對象的數(shù)學(xué)模型，是深入研究和分析對象的工作機理、特性，以 及提高系統(tǒng)控制性能的基礎(chǔ)和必要手段。2.2 abc三相靜

33、止坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型的建立基于能量守恒的pwm整流器的低頻數(shù)學(xué)模型，反映的是整流器中的各個 物理量，如輸入電壓、電流和輸出電壓、電流等之間的物理關(guān)系，本質(zhì)上是一種忽略高次諧波的狀態(tài)平均模型，適于作系統(tǒng)級的分析和設(shè)計。而基于開關(guān)函 數(shù)的整流器高頻數(shù)學(xué)模型，在基本不做簡化設(shè)計基礎(chǔ)上考慮了開關(guān)過程引入的 高次諧波，是對實際的pwm調(diào)制過程的更為精確的描述。如圖2-3所示，為方便,開關(guān)函數(shù)sj可分為三類sap, sao, san； sbp, sbo, sbn；n圖2-3 vienna整流器的開關(guān)函數(shù)等效電路圖fig.2-3 the equivalent circuit of switching funct

34、ion定義開關(guān)函數(shù)如下(2-2)c ?1i與j連通/ 人、sj = ?(i= a, b,c ；j= p,o, n )?0 其匕另設(shè)a、b、c三點的等效開關(guān)函數(shù)為sa,sb,sca b c? 1i與p連通(2-3)si = ?0i與o連通?-1 i與n連通對輸入端有等效電路，如圖2-4所示圖2-4 vienna整流器輸入端等效電路圖fig.2-4 equivalent circuit of the vienna rectifie r根據(jù)圖2-4所示等效電路，由kirchhoff電壓定律，列出交流側(cè) a,b,c三相 回路的電壓方程：? ? ? ? ? 9?.lslsdia dt dib dt di

35、c dt+ rsia - ua = -uao - uon = -ua n+ rsib - ub = -ubo - uon = -ubn+ ric - uc = - uco - uon = -ucn(2-4)式中l(wèi)s是整流器交流輸入側(cè)電感，rs是整流器交流輸入側(cè)等效電阻。uon是 sson直流側(cè)中點與電網(wǎng)三相中點的電壓差，ua,ub, uc是電源三相電壓，uao , ubo,uco為 交流輸入端到直流中點間的電壓差，可用開關(guān)函數(shù)表示為：(2-5)uonuao + ubo + vco + ua + ub + uc33(2-6)根據(jù)ia +ib + ic = 0 ,由(2-4)式得uon的表達式從而

36、得到?sa + s3 + sc . udc ua +ub +uc?uan = (sa -) v +-?323? ，八 sa + sb + sc、udc ua + ub + uc ?ubn = (sb -c ) +上 b c?323? g sa + sb+ sc udc ua+ub+uc ?ucn = 6) + -?323對于對稱的三相平衡無中線系統(tǒng)中，始終有ua + ub + uc = 0uonuao + ubo + uco3n na bu u? ? ? ?n csa + sb + sc)udc3-2sa+ &+ sc ) udc 3)2sa + sb + sc udc 3) 2把上式代入（2

37、-4）式中有? ? ? ?dia dtdibdts0?.-2sa + & + sc、+ rsia ua = ()udc6sa - 2sb + 場、 + &ib - ub = ()udc6舞 + rs ic -uc= (ssc )udc dt6對圖2-3中直流側(cè)的p點，應(yīng)用kirchhoff電流定律，得到?ip = ic1 + iload?ip = sjpia + sbpib + gpic代入式得到d uc1 ic1c1d t0*=(&/ + sp b + gp 1) -iload(2-7)(2-8)(2-9)(2-10)(2-11)(2-12)(2-13)(2-14)同理對圖2-3中的n點，有

38、:ic2 - iload= sania + sjb +代入式i = - c duc2c2 2 dt(2-16)得到-c2 請=(sani a + sbn ib + scn ic )+iload對圖2-3中的。點，有：(2-17)把式(2-14)式加(2-17)得:-(ciducidt?io = - (ici +心)?.?io = saoia + sboib+ scoic(2-18)-c2 ddit2 ) = sao ia + s。b + sco(2-19)再用(2-14)式減(2-17)式得:ci 譽 m2 柴=sa + & + a。(2-20)設(shè)uc1 = uc2 = udc，c1 = c2

39、 = c上式可簡化為：c 聆=sa ia + sb i + sc c -2iioad(2-21)dt對整個直流側(cè)回路，應(yīng)用 kirchhoff電壓定律，有uq +uc2 = iioadr + ld 包也(2-22)dt綜合式(2-4)-(2-22),可以得到整流器在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，表示為：a dx = bx + ce ,具體如式(2-23)所示，? dt ?海?-2sp + sbp + scp33-2sap + sbp + scp2% - sbn - 32% - sbn - 330012% - sbn -30011 2c c c a b c u u d ? ? ? ?空. ? ?

40、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 211 ? 3 一 3 一 3? 121?-? 3 33?ua ? ?(2-23)? 112 ?ub ?7?3飛3 ?uc ? 000 ?,? 000 ? 000 ?在電網(wǎng)電壓平衡的情況下，ua + ub + uc = 0,所以，矩陣c簡化為：? ? ? ?. o o o o o o o o o o o 1 o 1 o ?19?-c從式(2-23)給出的模型可以看出，每相輸入電流都由三相開關(guān)函數(shù)共同決定 的。vienna整流器直流側(cè)電容中點電位由中點電流決定，而該電流是由三相電流和開關(guān)函數(shù)共同決定的，為簡化分析，設(shè) uc1 = uc2 = udc /2。

41、根據(jù)數(shù)學(xué)模型 可得到整流器在abc三相靜止坐標(biāo)系下的高頻電路模型，如圖2-5。圖2-5 vienna整流器在abc三相靜止坐標(biāo)系下的電路模型fig.2-5 circuit model of three-phase static frame2.3 dq坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型的建立在分析和控制三相系統(tǒng)時，為便于控制方法的實現(xiàn)，通常的方法是將 abc 三相靜止坐標(biāo)系下的模型變換到 d-q兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中，一般分兩個步驟，即abc 三相靜止坐標(biāo)系到d-q兩相靜止坐標(biāo)系的變換和兩相靜止坐標(biāo) d-q到兩相旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo)系d-q的變換。從abc三相靜止坐標(biāo)系到d-q兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系有如下變換其中?xd ? ?= ?xq ?

42、2? cos cotcos(jt -3 ?2-sin wt - sin(t -?3cos(jt + -sin(t +q?xa?久？? ? . ? ?xb ? = t3/ 2 ?xb ?(2-25)?xc ?xc ?9 cos t2 ?3 ?-sin wt ?cos(ot -sin&t -cos (ot-sin&t(2-26)式中3為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的角頻率為得到d-q坐標(biāo)系下vienna整流器的圖頻數(shù)學(xué)模型，將式(2-23)中的所有 與abc三相坐標(biāo)相關(guān)的量都進行3/2變換，即?udttuq ? = t3/ 2 ua ub uc tiq ? = t3/ 2 iai bict?sdptsqp ? =

43、t3/ 2 ?saptscp ?sdntsqn ? = 丁3/ 2 sansbnscn t(2-27)(2-28)(2-29)(2-30)綜合式(2-23)(2-30),考慮電網(wǎng)電壓平衡的情況，可以得到 vienna整流 器的d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：? did ?ls? dt ?ls?-r ?-3 l?也?= ? s co=sip?d t?/?c蛆？ ?-sdn?dt?0?ld嗚? dt ?0cl) ls- rs0 ?2d ? ?0 ?為？-睜? + - 1?c2 ? r?3dc ?1?0%0? ?1? 詢d ?0? ?(2-31)?uq ?0?0?設(shè)uc1 = uc2 = udc /2。根

44、據(jù)數(shù)學(xué)模型可得到 vienna整流器在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo) 系下的電路模型，如圖2-6所示。經(jīng)過坐標(biāo)變換，對稱的三相正弦量變換為d,q軸上的恒定直流量，同時，交流側(cè)相當(dāng)于受兩個pwm控制的電壓源，對直流 側(cè)相當(dāng)于兩個受pwm控制的電流源。其目標(biāo)是控制直流側(cè)電壓穩(wěn)定，同時使 交流側(cè)輸入電流的電壓和電流同相位，使功率因數(shù)為1。圖2-6 vienna整流器d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電路模型等效電路圖fig.2-6 equivalent circuit of d-q rotation fr ame2.4 整流器的電流控制分析從能量變換的角度看，控制交流側(cè)電流就可以有效控制變換器交、直流側(cè) 能量的變換過程。根據(jù)是否

45、檢測整流器的輸入電流并將電流信號作為反饋量進 行控制，pwm整流器的控制策略可分為電流閉環(huán)的直接電流控制和電流開環(huán)的 間接電流控制兩大類。直接電流控制的方案很多，都具有不錯的動、靜態(tài)性能， 不過這些方案都需要兩個寬帶的交流電流傳感器，有的方案甚至還需要負載電 流傳感器。間接電流控制也稱為相位幅值控制(phase and amplitude control,pac),的基本思路源于整流器的穩(wěn)態(tài)電壓平衡關(guān)系，它最顯著的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡 單，無需電流傳感器，靜態(tài)特性良好。但這種控制方式的動態(tài)響應(yīng)慢，動態(tài)過 程中存在直流電流偏移和很大的電流過沖16。從系統(tǒng)的魯棒性、抗干擾能力和系統(tǒng)保護的角度看，引入電流反

46、饋是不可 缺少的，對大功率變流器尤其如此。直接電流控制是以檢測整流器的輸入電流 作為反饋和被控量，具有系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度快、限流容易、電流控制精度高等 優(yōu)點。直接電流控制的主要缺點是輸入電流的檢測需要三個寬頻帶的價格不菲 的電流傳感器，使其控制成本居高不下。直接電流控制的方案很多，有雙閉環(huán) 控制，狀態(tài)反饋控制，無差拍控制，極點配置，二次型最優(yōu)控制，lyapunov方法，非線性狀態(tài)反饋控制等。其中以雙閉環(huán)控制應(yīng)用最為廣泛。電壓電流雙閉環(huán)控制是目前應(yīng)用最廣泛，最為實用化的控制方式。它們的 共同特點是：輸入電流和輸出電壓分開控制。電壓外環(huán)的輸出作為電流指令信號，電流內(nèi)環(huán)則控制輸入電流，使之快速地跟蹤電

47、流指令。電流內(nèi)環(huán)不僅是控 制電流，而且也起到了改善控制對象的作用。由于電流內(nèi)環(huán)的存在，只要使電 流指令限幅就自然達到過流保護的目的，這是雙環(huán)控制的優(yōu)點 17。本文所采用的是間接電流控制。具體的控制策略下章詳述。2.5 本章小結(jié)本章對vienna整流器的工作原理進行了詳細分析， 重點研究了 vienna 整流器的主電路拓撲和數(shù)學(xué)建模問題。三相靜止坐標(biāo)系的一般模型具有物理意義清晰、直觀等特點。但這種數(shù)學(xué)模型中，對vienna整流器交流側(cè)均為時變交流量，因而不利于控制系統(tǒng)設(shè)計。 為此，可以通過坐標(biāo)變換將abc三相對稱靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同 步旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系。這樣，經(jīng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換后，三相

48、對稱靜止坐標(biāo)系中的基 波正弦變量將轉(zhuǎn)化為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流變量，從而簡化了控制系統(tǒng)設(shè)計。本章基于開關(guān)函數(shù)，分別建立了 abc三相靜止坐標(biāo)和d-q兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 中的vienna整流器數(shù)學(xué)模型。為以后各章節(jié)的分析奠定了基礎(chǔ)。同時為引入 下一章內(nèi)容，簡要分析了電流控制問題。第3章vienna整流器的控制策略開關(guān)型電源變換器的調(diào)制方式主要有：1）脈沖寬度調(diào)制（pwm）,其開關(guān)頻率恒定，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通脈沖寬度來改變通斷比，從而實現(xiàn)對電能的控制，稱之 為“定頻調(diào)寬”；2）脈沖頻率調(diào)制（pfm）方式，其脈沖寬度恒定，通過調(diào)節(jié)開關(guān) 頻率改變通斷比，從而實現(xiàn)對電能的控制，亦稱為“定寬調(diào)頻；3）混合調(diào)制方式，

49、它是以上兩種制式的復(fù)合，脈沖寬度和頻率均不固定18; 4）跨周期調(diào)制方式（pulse skip cycle modulation, psm）通過改變有效工作頻率來改變輸出功率， 其開關(guān)損耗與輸出功率成正比，采用這種調(diào)制方式的開關(guān)電源的效率幾乎與負 載無關(guān)19,20。本文從技術(shù)的成熟角度和實際出發(fā)，采用了脈沖寬度調(diào)制（pwm）中的空間矢量調(diào)制法（svpwm）。3.1 關(guān)于pwm整流器控制方法作為降低諧波的有效措施，pwm技術(shù)很早就用于逆變電源，將 pwm技術(shù) 引入整流器，則可獲得單位功率因數(shù)和非常接近正弦的輸入電流。電壓空間矢 量pwm技術(shù)由于電壓利用率高，便于數(shù)字化實現(xiàn)，目前在傳動領(lǐng)域得到了廣

50、泛 的應(yīng)用，有較大的發(fā)展前景。實用的整流電路幾乎都是品閘管整流或二極管整流。晶閘管相控整流電路 中，輸入電流滯后于電壓，且其中諧波分量大，因此功率因數(shù)很低。二極管整 流電路雖然能使功率因數(shù)接近 1,但輸入電流中諧波分量很大。把逆變電路中的 svpwm控制技術(shù)用于整流電路，就形成了 pwm整流電路。最初是采用模擬電路來完成三角調(diào)制波和參考正弦波的比較，繼而產(chǎn)生正 弦脈寬調(diào)制spwm信號以控制功率器件的開關(guān)的。目前主要采用全數(shù)字化方案， 完成優(yōu)化的實時在線pwm信號輸出?？梢哉f直到目前為止，pwm在各種應(yīng)用 場合仍占主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點。pwm調(diào)制方法主要有三種：1）正弦 pwm,即

51、spwm;2）特定諧波pwm ,即shepwm ;3）空間矢量pwm調(diào)制，即svpwm。3.2 電壓空間矢量svpwm調(diào)制機理1971年，由f. blaschka出的矢量控制理論將交流傳動的發(fā)展向前推進了 一大步?？臻g矢量pwm就是將各個輸出狀態(tài)等效為靜止直角坐標(biāo)系中靜止矢 量，形成空間電壓矢量分布，利用相鄰的三個電壓矢量合成得到任意輸出電壓 矢量，合成的原則是等效作用時間相等?？臻g矢量pwm的優(yōu)點有：利用電壓空間矢量直接生成pwm信號，計算簡便；輸出線電壓基波的最大幅值為直流側(cè)電 壓。盡管空間矢量pwm在兩電平電路中有很多的應(yīng)用，但是由于多電平電路開 關(guān)狀態(tài)多，輸出矢量分布復(fù)雜，所以如何快速

52、確定輸出電壓矢量和輸出順序、 計算作用時間比較困難。另外，多電平電路中由于變換器能量轉(zhuǎn)換時中點電位 參與能量的傳輸會導(dǎo)致電容電壓不平衡，從而導(dǎo)致輸出電壓中含有包括偶次諧 波在內(nèi)的低次諧波，因此在空間矢量 pwm中必須考慮電容電壓平衡問題，更增 加了空間矢量pwm實現(xiàn)的難度21。與普通的spwm相比，基于svpwm的三相pwm整流器控制具有如下優(yōu)點： 1)三相直流電壓利用率提高了 15.4%,由于直流電壓利用率的提高，相同直流電 壓條件下，可以提高三相pwm整流器網(wǎng)側(cè)電壓的設(shè)計，相對減少了三相pwm整流器網(wǎng)側(cè)電流，降低了整流器網(wǎng)側(cè)及功率開關(guān)管導(dǎo)通損耗附，提高了整流器的運行效率；2)相同的波形品質(zhì)

53、條件下，svpwm控制具有較低的開關(guān)頻率，且 平均降低約30%23,有效降低了功率開關(guān)管的開關(guān)損耗；3)svpwm控制具有更 好的動態(tài)性能；4)更易于數(shù)字化實現(xiàn)24。因而，svpwm控制具有很好的研究價 值。在圖1-2中，用1表示開關(guān)閉合，0表示斷開。則三相系統(tǒng)中sa, sb, sc共 有23=8種組合，而由式(2-1)知sa, sb, &是三態(tài)函數(shù)，此函數(shù)有 33=27種組合， 但(1,1,1)狀態(tài)表示圖1-2中三相的上橋臂同時導(dǎo)通,(-1,-1,-1)表示圖1-2中三相 的下橋臂同時導(dǎo)通，實際不可能，故沒有物理意義，舍去。因此實際有 25種組 合。設(shè)整流器輸出電壓矢量為：?, 2 , ?v =(, ?32.2冗 ， j 3?a =結(jié)合第二章的內(nèi)容,由式0uan,2.+ a bn + a un )1u(3-1)(2-8)代入上式中，整理得到這樣對應(yīng)sa, sb,y=a +,1 sb + 2a(3-2)25種組合，如表3-1所示，可得到25個電壓矢量。根據(jù)它們的幅值和相位，可畫出空間矢量圖 3-1。(000) f(ioo)%(口加)(110)孔（0口。）粵光）匕】（口 01）j(ooo) ,(100)用(口。口)圖3-1電壓空間矢量及對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)fig.3-1 correspon