三相電壓型PWM整流器(VSR)及其控制策略的..._圖文

1、陜西科技大學碩士學位論文三相電壓型PWM整流器（VSR）及其控制策略的研究姓名：陳宗輝申請學位級別：碩士專業(yè)：電力電子與電力傳動指導教師：孟彥京20080501三相電壓型整流器（）及其控制策略的研究摘要隨著電網(wǎng)諧波污染問題日益嚴重和人們對高性能電力傳動技術的需要，整流技術引起人們越來越多的注意。三相整流器可以做到輸入電流正弦、單位功率因數(shù)、直流電壓輸出穩(wěn)定，具有良好的動態(tài)性能并可實現(xiàn)能量的雙向流功。因此，整流器成為當前電力電子領域研究的熱點課題之一。傳統(tǒng)的整流器一般采取不控整流或相控整流，這種類型的系統(tǒng)存在以下缺點：其一，在不控整流側輸入電流是非正弦的，因此，電流的諧波注入電網(wǎng)，造成干擾問題，

2、引起公害；其二，由于器件結構的單向性，功率傳遞只能從整流側到逆變側，使系統(tǒng)不能在再生狀態(tài)下運行，其動態(tài)性能受到限制；其三，對相控整流，在深度調節(jié)狀態(tài)下，功率因數(shù)較低，即使電阻負載，功率因數(shù)也小于。針對上述問題，本文對變流技術作了較為深入的研究。整流器既可以用作功率因數(shù)為的整流器，為負載提供直流電能；又可以用作輸出頻率可變的逆變器的直流環(huán)節(jié)，構成交流調速系統(tǒng)；還可以作為無功補償器，改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。本文首先對電壓型整流器的工作原理進行比較詳細的分析，提出了用空間電壓矢量方法分析三相單位功率因數(shù)電壓型整流器的換流方式，建立了整流器在坐標系以及在筇坐標系、坐標系的數(shù)學模型。并對整流器的電路參數(shù)取值

3、進行了初步的理論分析。其次，分析了直接和間接電流控制兩種控制方式，由于電流滯環(huán)控制具有硬件電路簡單、系統(tǒng)響應快等特點，對電流滯環(huán)控制作了詳細的分析，并得出了開關頻率在電壓過零點開關頻率最大、電壓峰值附近開關頻率最低的變化規(guī)律，以及影響開關頻率的因素。基于電流滯環(huán)控制對功率因數(shù)可調的原理分析作了仿真驗證，仿真結果表明，理論分析和仿真驗證一致，實現(xiàn)了功率因數(shù)可調。接著，論文結合瞬時無功功率理論和交流電機理論中矢量控制，提出了整流器的電壓空間矢量控制，詳細的分析其具體實現(xiàn)，并進行了基于中的的仿真研究，仿真結果驗證了該控制方法的可行性。文章的最后對滯環(huán)電流和電壓空間矢量這兩種控制方法進行了對比比較，闡

4、明了論文的意義。關鍵詞：整流器，功率因數(shù)，滯環(huán)控制，仿真，電壓空問矢量，勰，弱，勱，、，?？?，曲，：，陜西科技大學碩士學位論文原創(chuàng)性聲明及關于學位論文使用授權的聲明原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律責任由本人承擔。論文作者簽名：華瞥日期：一關于學位論文使用授權的聲明本人完全了解陜西科技大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留或向國家有關部門或機構送交論文的復印

5、件和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權陜西科技大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文和匯編本學位論文同時授權中國科學技術信息研究所將本學位論文收錄到中國學位論文全文數(shù)據(jù)庫，并通過網(wǎng)絡向社會公眾提供信息服務。（保密論文在解密后應遵守此規(guī)定）論文作者簽名：三相電壓型整流器（）及其控制策略的研究緒論課題的研究背景與意義一在現(xiàn)代工業(yè)、交通、國防、生活等領域中，很多場合需要大量其他各種類型的變流裝置將一種頻率、幄值、耀位酶電戇交換為另一種頻率、幅筐、褶位的電能，使褥用電設備處于理想工作狀態(tài)，或者滿足用電負載某些特殊要求，從而獲得最大的技術

6、經(jīng)濟效益。當今，經(jīng)過變換處理后再供用戶使用的電能在全國總發(fā)電量孛所占的酉分比值，已經(jīng)成為衡量一個國家技術進步的主要標準之一。二十世紀束期，美囡發(fā)電站生產(chǎn)的電能以上都是經(jīng)過變換和處理后才可以供負載使用的，預計到世紀二、三十年代，美國發(fā)電站生產(chǎn)的全部電能都將經(jīng)過交換和處理后供負載使用】。控制芯片的飛速發(fā)展和新的控制算法引入使得電力電子變流技術越來越受到全世界蒔重視，它的應震已經(jīng)深入到了電力、冶金、化工、通訊、鐵路以及家電等領域。晶闡管（）在美國的問世標志了電力電子技術的開端，我國上世紀年代將其列為節(jié)能技術在全國推廣。晶闡管是一種只能控制導逶焉不麓控制關斷麓半控型開關器件，其在交流傳動和變頻電源領域

7、中的應用受到了一定的限制。功率半導體開關器件性能不斷提高，從早期廣泛使用的半控型功率半導體開關，發(fā)展到如今性能各舞且類型諸多的全控型功率開關，如雙極型晶體管（）、門極關斷晶閘管（）、絕緣柵雙極型晶體管（）、集成門極換向晶閘管（）、功率場效應晶體管（）以及場控制晶聞管（）等。而世紀年代發(fā)展起來的智能型功率模塊（）則開創(chuàng)了功率半導體開關器件的發(fā)展方向。功率半導體的進步促進了電力電子變流技術的迅速發(fā)展，如交頻器、逆交電澡、高頻開關電源等，這些變流裝置在國民經(jīng)濟中得到廣泛應用。但是，這些變流器大部分都需要整流環(huán)節(jié)，以獲得直流電壓。常規(guī)的整流環(huán)節(jié)一般采用二極管不控整流或晶闡管相控整流。無功功率和諧波的危

8、害電網(wǎng)無功豹負作用主要體現(xiàn)在降低了發(fā)電、輸電及靂電設備的利用率，增加了線路的損耗。無功還使線路和變壓器的電壓降增大。如果是沖擊性負載，會使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生劇烈的波動，嚴重影響供電質量。近三四十年來，各種電力電子裝置的迅速發(fā)展及普及應用使得公用電網(wǎng)的諧波污染日趨嚴重。由諧波引起的各種事故也不斷發(fā)生，諧波危害的嚴重性引起了人們的離度重視。其危害大致有以下幾個方面：（）諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加損耗，降低了發(fā)電輸電及用電設備的效率：陜西科技大學碩士學位論文（諧波影響各種電氣設備的正常工作；（）諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振；（）諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表

9、計量不準確；（）諧波會對臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質量；重者導致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。本工婚圖卜三相不控整流橋電壓型逆變器一在交一直一交變頻調速系統(tǒng)中（圖），整流側一般采用不控整流橋，并假定中間直流側的電壓是固定不變的，逆變側采用脈寬調制控制技術去產(chǎn)生變頻，變幅的輸出電壓以控制交流電動機的轉速。這種類型的系統(tǒng)有以下不足之處：（）在不控整流側，輸入電流是非正弦的。因此，電流的高次諧波注入電網(wǎng)，造成干擾問題，引起公害；（）由于器件結構的單向性，能量只能從整流側到逆變側傳遞，使系統(tǒng)不能在再生狀態(tài)下運行，其動態(tài)性能受到限制。慟均卜工圖晶閘管反并聯(lián)電壓型逆變器若需考慮系統(tǒng)

10、的再生制動或快速制動時的能量反饋問題時，通常能解決的辦法是整流側使用兩套六脈沖可控整流橋以反并接的方式（圖），則可允許功率逆向流動。但從控制和經(jīng)濟的角度考慮，增加一組變流器，勢必增加了系統(tǒng)控制的復雜性，又增加了投資成本，而且電流畸變和干擾問題依然存在，所以在容量不大的逆變器系統(tǒng)中，大多數(shù)耗散再生電能的方式是將其消耗在電阻上或電動機繞組和逆交器中，而不是反饋到電源。這樣既增加了系統(tǒng)的能量耗費，又降低了整個系統(tǒng)的效率。特別是快速制動時，使中間直流側的電壓急劇升高，若無很好的保護措施，則易于造成濾波電容的損壞和逆變器中開關元件的損壞。三相電壓型刪整流器（）及其控制策略的研究消除無功和諧波的措施在我國

11、，一項調查顯示：目前的大型企業(yè)中，幾乎每家企業(yè)都有電網(wǎng)污染的現(xiàn)象。在現(xiàn)代通訊設施使用集中的商務樓內，污染更為嚴重。電網(wǎng)污染還會隨流動的電波而傳染，造成大面積隱患，并有可能引發(fā)重大事故。有關諧波的數(shù)學分析在世紀和世紀已經(jīng)奠定了良好的基礎，傅利葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在世紀年代和年代就引起了人們的注意卜廿。當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。年發(fā)表的有關變流器諧波的論文是早期有關諧波研究的經(jīng)典論文】。到了年代和年代，由于高壓直流輸電技術的快速發(fā)展，相關學者發(fā)表了有關變流器引起電力系統(tǒng)諧波問題的大量論文，在其著作中對此進行了詳細的總結

12、。隨著電力電子技術的迅猛發(fā)展，各種電力電子設備在電力系統(tǒng)、工業(yè)部門、家庭和民用事業(yè)部門得到了日益廣泛的應用，其產(chǎn)生的諧波以及造成的危害日益嚴重，世界各國對諧波問題都給予了高度重視。為了保證電網(wǎng)和用電設備的安全經(jīng)濟運行，目前許多工業(yè)國家、國際電工組織以及一些大的電力公司都制定了相應的諧波標準，對用電設備的輸入端性能作出嚴格的限制，如，。這些標準對輸入端功率因數(shù)和輸入端電流各次諧波的含量都作出了具體的限定。我國于年完成了國家標準電能質量及公用電網(wǎng)標準的制定。在這種背景下，人們開始對造成諧波污染的整流裝置進行了大量的研究，許多新的整流技術不斷地被提出來，以實現(xiàn)低諧波，高功率因數(shù)。目前解決電網(wǎng)污染的途

13、徑主要有兩條：）、對電網(wǎng)來說，采用在電力系統(tǒng)中加入補償器來補償電網(wǎng)中的諧波，如有源濾波（：），靜止無功補償（：）等；）、設計輸入電流為正弦、諧波含量低、功率因數(shù)高的整流器。前者是產(chǎn)生諧波后進行補償，而后者是消除了諧波源，是解決諧波問題的根本措施。把逆變電路中的技術應用于有、等全控器件組成的整流電路，工作時可以使網(wǎng)側電流正弦化，運行于單位功率因數(shù)，甚至能量可以雙向流動，真正實現(xiàn)綠色電能轉換，因而備受關注。這種整流器稱為整流器，又稱為單位功率因數(shù)變流器。高功率整流器國內外研究的現(xiàn)狀自世紀年代以來，整流器一直是研究的熱點。對整流器相關的應用領域的研究也越來越多，例如有源濾波、超導儲能、交流傳動【】、

14、高壓直流輸電以及統(tǒng)一潮流控制【加】等。這些應用領域的研究，又促進了整流器及其控制技術的進步和完善。當前主要的研究領域有如下五個方面：陜聰科技大學碩士學位論文（）關于整流器的建模研究整流器數(shù)學模型的研究是整流器及其控制技術研究的基礎。自從出現(xiàn)基于坐標變換的整流器的數(shù)學模型之后，各國學者對整流器的數(shù)學模型進行了仔細的研究，其中、等較為系統(tǒng)地建立了整流器的時域模型，并將時域模型分解成高頻、低頻模型，且給出了相應的時域解。麗和等則利用局部電路的坐標變換建立了整流器基于變壓器的低頻等效模型電路瑟毪，并給出了穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性分析。在此基礎上，等人又建立了一種新穎的降階小信號模型，從而簡化了整流器的數(shù)學模型及

15、特性分析湖；（）關于電壓型整流器的電流控制策略研究為了使電壓型整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)受控電流源特性，其網(wǎng)側電流控制策略的研究顯得十分重要。在整流器技術發(fā)展過程中，電壓型整流器網(wǎng)側電流控制策略主要分成兩類：一類是由提出的間接電流控誰策略湖。另一類就是目前占主導地位的直接電流控制策略嗍嘲。間接電流控制實際上就是所謂的“幅相一電流控制，鞠逶過控翩電壓型整流器的交流鍘瞧壓基波幅值、相位，進藹溺接控毒；其薅側巍流。由于間接電流控制的網(wǎng)側電流的動態(tài)響應慢，且對系統(tǒng)參數(shù)變化靈敏，因此這種控割策略已逐步被直接電流控制策略取代。童接電流控制以其快速的電流響應和魯棒性受到了重視，出現(xiàn)了不同的控制方案嗍，主要包括以固定開關

16、頻率且采用電網(wǎng)電動勢前饋的控制，以及滯環(huán)電流控制嗍。為了提高電箍利用率并降低損耗，基于空間矢量的控制在電壓型整流器中取得了廣泛的應用，并提出了多種方案勰刪。目前電壓型整流器網(wǎng)側電流控制有將固定開關頻率、滯環(huán)及空間矢量控制相結合的趨勢娜，以使其在大功率有源濾波等需要快速毫流響應場合獲得優(yōu)越的性能。此外，控制策略上出現(xiàn)了狀態(tài)反饋控锘（；（）關于整流器拓拎緒構的研究整流器拓撲結構可分為電流型和電壓型兩大類。在小功率場合，整流器拓撲結構的研究集中在減少功率開關和改進直流輸嬲性能上。，等對四開關三楣電壓型整流器進行了建模與分析惻。一般型變換器直流側電壓大于交流側電壓峰值，為了實現(xiàn)降壓功能，有學者對拓撲結

17、構進行了改造，并取得定的結果【。對于大功率整流器，其拓撲結構的研究主要集中在多電平湖、交流器組合嘲以及軟開關技術上【塒。多電平拓撲結構的整流器主要應用于高壓大容量場合。而對大電流應用場合，常采用交流器組合拓棼結構，鄂將獨立豹電流型整流器進行并聯(lián)組合。與普通并聯(lián)不同的是，每個并聯(lián)的整流器中的信號發(fā)生采用移相控制技本嘲，從恧以較低的開關頻率獲得了高效的高頻控制，幫降低損耗的固時，提高了電流、電壓波形品質。同樣，可以將電壓型整流器串聯(lián)組合，以適應高壓大容三相電壓型整流器（）及其控制策略的研究量的應用場合。此外，在大功率整流器設計上，還研究了基于軟開關（，）控制的拓撲結構和相應的控制策略，然而這一技術

18、有待完善；（）整流器系統(tǒng)控制策略的研究一些較為新穎的策略簡述如下：）無電網(wǎng)電動勢傳感器和無網(wǎng)側電流傳感器控制為簡化信號的檢測，等學者提出了一種無電網(wǎng)電動勢傳感器整流器控制策略町。這一研究主要包括兩類電網(wǎng)電動勢重構方案：一種是通過功率估計，另一種是通過電流的偏差求導重構電動勢。則通過直流側電流的檢測來重構交流側電流，進而實現(xiàn)無交流電流傳感器控制；）基于穩(wěn)定性理論的整流器控制針對整流器的非線性多變量強耦合的特點，常規(guī)的控制策略和控制器的設計一般采用穩(wěn)態(tài)工作點小信號擾動線性化處理方法，這種方法的不足是無法保證控制系統(tǒng)大范圍擾動的穩(wěn)定性。為此，有學者提出了基于穩(wěn)定性理論的控制策略。這一新穎的控制方案以

19、電感、電容儲能的定量關系建立了函數(shù)，并由三相整流器的模型以及相應的空間矢量約束條件，推導出相關的控制算法。這種方案較好的解決了整流器的大范圍穩(wěn)定控制問題；）整流器的時間最優(yōu)控制常規(guī)的基于模型的電壓型整流器控制，一般通過前饋解耦控制，并采用兩個獨立的調節(jié)器，分別控制相應的有功、無功分量。而有功、無功分量間的動態(tài)耦合和電壓利用率的約束，影響了電壓型整流器有功分量的動態(tài)響應。針對這一問題，有學者提出了直流電壓時間最優(yōu)控制例。其基本方法是根據(jù)時間最優(yōu)控制算法求解出跟蹤指令電流所需的最優(yōu)控制電壓，并在動態(tài)過程中降低無功分量的響應速度，提高有功分量的響應速度，實現(xiàn)了時間最優(yōu)控制；）電網(wǎng)不平衡條件下的整流器

20、控制一般的策略研究總是假設電網(wǎng)是平衡的；實際上，電網(wǎng)經(jīng)常處于不平衡狀態(tài)。當電網(wǎng)出現(xiàn)不平衡時，以三相電網(wǎng)平衡為約束所設計的整流器會出現(xiàn)不正常運行。不正常的表現(xiàn)：整流器直流側電壓和交流側電流的低次諧波幅值增大，且產(chǎn)生非特征諧波，同時損耗相應增大；整流器的交流側電流不平衡，嚴重時可使整流器故障燒毀。為使整流器在電網(wǎng)不平衡條件下仍能正常運行，有人提出了不平衡條件下，網(wǎng)儺電流和直流電壓的時域表達式。文章認為電網(wǎng)負序分量是導致網(wǎng)側電流畸變的原因。電網(wǎng)不平衡條件下，常規(guī)的控制方法會使直流電壓產(chǎn)生偶次諧波分量，交流側會產(chǎn)生奇次諧波電流。等人較為系統(tǒng)地提出了正序坐標系中的前饋控制策略，即通過負序分量的前饋控制來

21、抑制電網(wǎng)負序分量的影響【。但是由于該方法的負序分量在坐標下不是直流量，導致調節(jié)不能實現(xiàn)無靜差控制。因此，有學者提出了正、負序雙旋轉坐標系控制，該方法實現(xiàn)了無靜差控制，是較完善的理論。但是，雙旋轉坐標系控制陜西科技大學碩士學位論文的結構比較復雜，運算量大；）關于電流型整流器的研究長期以來，因為電壓型整流器的結構簡單、損耗較低、控制方便，所以一直是人們研究的重點。而電流型整流器由于需要較大的直流儲能電感，以及交流側濾波問題，制約了電流型整流器的發(fā)展。但是隨著超導技術的發(fā)展，電流型整流器在超導儲能技術中有更大的優(yōu)勢，因為超導線圈可以直接作為直流儲能電感。本文研究的主要內容、目標論文的主要研究內容為三

22、相電壓型整流器的控制策略，重點在于整流器的滯環(huán)電流控制和空間電壓矢量控制以及基于重復控制理論的改進型波形控制調節(jié)器的研究。具體如下：（）分析了三相整流器的工作原理、拓撲結構和靜止坐標系（咖，）和旋轉坐標系（也）下數(shù)學模型；（）針對整流器直接電流控制的優(yōu)點，建立基于滯環(huán)控制的整流器模型。并對其輸出電壓和諧波進行分析；（）通過對電壓空間矢量控制原理的分析，針對數(shù)字化實現(xiàn)的要求提出了兩種改進方法：）用給定參考電壓矢量在靜止坐標系下的分量來判斷電壓矢量所處扇區(qū)，給出了控制算法；）對給定參考矢量的坐標系坐標進行兩相非標準正交基分解，避免了復雜的極坐標變換，只是進行了簡單的線性計算；與傳統(tǒng)的方法相比，簡化

23、了計算量和節(jié)約了系統(tǒng)資源，使得控制系統(tǒng)更易于數(shù)字實現(xiàn)。（）針對滯環(huán)電流控制和電壓空間矢量控制的仿真結果進行比較，從而得出二者的優(yōu)缺點；本章小節(jié)本章首先說明了整流器相對于其他拓補結構的優(yōu)點以及進行研究的必要性，然后分別回顧了整流器國內外研究的發(fā)展和控制策略的分類，最后提出了本文所要進行研究的內容和目標。三相電壓型整流器（）及其控制策略的研究整流器原理、拓撲結構和數(shù)學模型本章將結合整流器的原理，對其改善功率因數(shù)以及四象限運行機理進行深入研究，并對整流器的各種拓撲結構進行比較分析，對各種坐標系下的數(shù)學模型進行詳細的推導及簡化，為后續(xù)章節(jié)打下基礎。三相整流器原理顯然，整流器已不是一般傳統(tǒng)意義上的變換器

24、。由于電能的雙向傳輸，當整流器從電網(wǎng)吸取電能時，其運行于整流工作狀態(tài)；而當整流器向電網(wǎng)傳輸能量時，其運行于有源逆變工作狀態(tài)。所謂單位功率因數(shù)是指：當整流器運行于整流狀態(tài)時，網(wǎng)側電壓、電流同相（正阻特性），當整流器運行于有源逆變狀態(tài)時，其網(wǎng)側電壓、電流反相（負阻特性）。忽略交流側等值電阻，其在理想狀態(tài)下運行的電壓矢量關系如圖所示。，（）整流時理想電壓矢量圖圖理想電壓矢量圖（）逆變時理想電壓矢量圖圖中：網(wǎng)側輸入交流電源；卜網(wǎng)側輸入電流；整流器的交流側電壓；秒叫與的夾角。研究表明，由于整流器其網(wǎng)側電流及功率因數(shù)均可控，因而可被推廣應用于有源電力濾波及無功補償?shù)确钦髌鲬脠龊?。而韜圖整流器模型圖陜西

25、科技大學碩士學位論文圖所示為整流器模型電路。從圖可以看出：整流器模型電路由交流回路、功率開關橋路以及直流回路組成。其中交流回路包括交流電動勢以及網(wǎng)側電感等；直流回路包括負載電阻也及負載電勢氣等；功率開關橋路可由電壓型或電流型橋路組成。當不計功率橋路損耗時，由交、直流側功率平衡關系得：。（）式（）中：“一模型電路交流側電壓、電流；、。一模型電路直流側電壓電流。由式（）不難理解：通過模型電路交流側的控制，就可以控制其直流側、反之亦然。以下著重從模型電路交流側入手，分析整流器的運行狀態(tài)和控制原理。為簡化分析，對于整流器模型電路，只考慮基波分量而忽略諧波分量，并且忽略交流側電阻。穩(wěn)態(tài)條件下，整流器交流

26、側矢量關系如圖所示。）純電感特性運行）正阻特性運行，一。圪、）純電容特生運行）負阻特性運行圖整流器交流側穩(wěn)態(tài)矢量關系圖。中：交流電網(wǎng)電動勢矢量；一交流側電壓矢量；圪交流側電感電壓矢量：三相電壓型整流器（）及其控制策略的研究卜交流側電流矢量。為簡化分析，對于整流器模型電路，只考慮基波分量而忽略諧波分量，并且不計交流側電阻。這樣可從圖分析：當以電網(wǎng)電動勢矢量為參考時，通過控制交流電壓矢量即可實現(xiàn)整流器的四象限運行。若假設，不變，因此彩三，也固定不變，在這種情況下，整流器交流電壓矢量端點運動軌跡構成了一個以巧為半徑的圓。當電壓矢量端點位于圓軌跡點時，電流矢量比電動勢矢量滯后。，此時整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)純電

27、感特性，如圖所示：當電壓矢量端點運動至圓軌跡點時，電流矢量與電動勢矢量平行且同向，此時整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)正電阻特性，如圖所示：當電壓矢量端點運動至圓軌跡點時，電流矢量超前電勢矢量。，此時整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)純電容特性，如圖所示：當電壓矢量端點運動至圓軌跡點時，電流矢量與電動勢矢量平行且反向，此時整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)負阻特性，如圖所示。以上，四點是整流器四象限運行的四個特殊工作狀態(tài)點；進一步分析，可得整流器四象限運行規(guī)律如下：（）電壓矢量端點在圓軌跡上運動時，整流器運行于整流狀態(tài)。此時，整流器需從電網(wǎng)吸收有功及感性無功功率，電能將通過整流器由電網(wǎng)傳輸至直流負載。值得注意的是，當整流器運行在點時，則實現(xiàn)單位功率因

28、數(shù)整流控制：而在點運行時，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；（）當電壓矢量端點在圓軌跡上運動時，整流器運行于整流狀態(tài)。此時，整流器需從電網(wǎng)吸收有功及容性無功功率，電能將通過整流器由電網(wǎng)傳輸至直流負載。當整流器運行至點時，此時，整流器將不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只從電網(wǎng)呀收容性無功功率：（）當電壓矢量端點在圓軌跡上運動時，整流器運行于有源逆變狀態(tài)。此時整流器向電網(wǎng)傳輸有功及容性無功功率，電能將從整流器直流側傳輸至電網(wǎng)，當整流器運行至點時，便可實現(xiàn)單位功率因數(shù)有源逆變控制；（）當電壓矢量端點在圓軌跡上運動時，整流器運行于有源逆變狀態(tài)。此時，整流器向電網(wǎng)傳輸有功及感性無功功率，

29、電能將從整流器直流側傳輸至電網(wǎng)。顯然，要實現(xiàn)整流器的四象限運行，關鍵在于網(wǎng)側電流的控制。一方面，可以通過控制整流器交流電壓，間接控制其網(wǎng)側電流；另一方面，也可通過網(wǎng)側電流的閉環(huán)控制，直接控制整流器的網(wǎng)側電流。陜西科技大學碩士學位論文整流器的拓撲結構拓撲結構是進行理論分析的基礎，下面介紹幾種能量雙向流動的整流器的拓撲結構。電壓型整流器（）最顯著拓撲特征就是直流側采用電容進行直流儲能，從而使直流側呈低阻抗的電壓源特性。以下介紹幾種常見的拓撲結構：（）單相半橋、全橋拓撲結構圖（）、（）分別示出了單相半橋和單相全橋主電路拓撲結構。兩者交流側結構相同，其中交流側電感主要用以濾除網(wǎng)側電流諧波。由圖可看出，

30、單相半橋拓撲只有一個橋臂采用了功率開關，另一橋臂則由兩電容串聯(lián)組成，同時串聯(lián)電容又兼作直流側儲能電容；而單相全橋拓撲結構則如圖所示，它采用了具有個功率開關的“橋結構。值得注意的是：電壓型整流器主電路功率開關必須反并聯(lián)一個續(xù)流二極管以緩沖過程中的無功電能。比較兩者，顯然半橋電路具有較簡單的主電路結構，且功率開關數(shù)只有全橋電路的一半，因而造價相對較低，常用于低成本、小功率應用場合。進一步研究表明，在相同的交流側電路參數(shù)條件下，要使單相半橋以及單相全橋獲得同樣的交流側電流控制特性，半橋電路直流電壓應是全橋電路直流電壓的兩倍，因此功率開關耐壓要求相對提高。另外，為使半橋電路中電容中點電位基本不變，還需

31、引人電容均壓控制，可見單相半橋的控制相對復雜。億。，：心一亂，）單相半橋拓補結構）單相全橋拓補結構圖單相拓補結構缸（）三相半橋、全橋拓撲如圖為三相半橋電壓型整流器拓撲結構。其交流側采用三相對稱的無中線連接方式，并采用只功率開關，這是一種最常用的三相整流器，通常所謂的三相橋式電路即指三相半橋電路。三相半橋較適用于三相電網(wǎng)平衡系統(tǒng)。當三相電網(wǎng)不平衡時，其控制性能將惡三相電壓型整流器（）及其控制策略的研究化，甚至使其發(fā)生故障。為克服這一不足可采用三相全橋設計，其拓撲結構如圖所示。其特點是：公共直流母線上連接了三個獨立控制的單相全橋，并通過變壓器聯(lián)接至三相四線制電網(wǎng)。因此，三相全橋實際上是由三個獨立的

32、單相全橋組合而成的，當電網(wǎng)不平衡時，不會嚴重影響整流器控制性能，由于三相全橋電路所需的功率開管是三相半橋電路的一倍，因而三相全橋電路一般較少采用。）三相半橋拓補結構）三相全橋拓補結構三相半橋、全橋拓補結構（）三電平拓撲結構以上所述的拓撲結構屬常規(guī)的二電平拓撲結構。這種拓撲結構的不足之處在于，當其應用于高壓場合時，需使用高反壓的功率開關或將多個功率開關串聯(lián)使用。此外，由于交流側輸出電壓總在二電平上切換，當開關頻率不高時，將導致諧波含量陜西科技大學碩士學位論文相對較大。為解決這些問題，設計了具有中點鉗位的三電平拓撲結構，這種拓撲結構中以多個功率開關串聯(lián)使用，并采用二極管鉗位以獲得交流輸出電壓的三電

33、平調制。顯然，三電平在提高耐壓等級的同時有效地降低了交流諧波電壓、電流，從而改善了其網(wǎng)側波形品質。圖為三相三電平電路拓撲結構，可見，三電平電路所需功率開關與二電平電路相比成倍增加，并且控制也相對復雜，這是這種電路的不足之處。另外，為了更好地適應高壓大功率應用，并降低交流輸出電壓諧波，近年來還設計出采用多個二極管鉗位的多電平拓撲結構嗍。三相三電平拓補結構（）基于軟開關的拓撲結構圖為三相軟開關拓撲結構。圖中，橋式并聯(lián)諧振網(wǎng)絡由諧振電感、諧振電容、功率開關巧、圪以及續(xù)流二極管嗎、哦組成；巧和為直流側開關，其主要作用是將直流側與諧振網(wǎng)絡和交流側隔離。在一定條件下，、，產(chǎn)生諧振，并使，兩端產(chǎn)生零電壓，此

34、時，對三相橋功率開關進行切換，便可實現(xiàn)軟開關控制。一丑與馬一本半一一囊亡芻毫亡芻型【一吁一礙一卒寧、氣圖三相軟開關拓撲結構三相電壓型整流器（）及其控制策略的研究三相換流方式分析在三相系統(tǒng)中，最常采用的三相拓撲結構為三相半橋結構。因此，本節(jié)主要分析三相半橋的過程。對于三相全橋拓撲結構，由于相當于三個獨立單相的組合，因而其過程分析類似于單相全橋分析。以下所稱三相即指三相半橋。與單相全橋拓撲結構相比，三相拓撲結構其主電路多了一相橋臂?；仡檰蜗嗟膯螛O性過程，只需對兩相橋臂施加幅值、頻率相等，而相位相差。的正弦波調制信號即可。與之相似，對于具有三相橋臂的三相拓撲結構，則需對三相橋臂施加幅值頻率相等，而相

35、位互差。的三相對稱正弦波調制信號。由于每相橋臂共有兩種開關模式，即上側橋臂導通或下側橋臂導通，因此三相共有種開關模式，并可利用單極性二值邏輯開關函數(shù)，（，）描述即巧，馬導通略峨導置口，式中，巧，（口，）表示上橋臂功率開關及續(xù)流二極管；形，助；（，）則表示下橋臂功率開關及續(xù)流二極管。三相的種開關模式如表所示表三相的開關模式開關模式導通器件砭（哦）圪（餓）以（哦）圪（餓）圪（喊）圪（哦）圪（哦蘆圪（喊）圪（餓）圪（覡）吃（哦）巧（喊）吒（）圪（吼）（喊）（哆）（唆）（唆）圪（餓）圪（阻）圪（哦）圪（阻）（唆）（）開關函數(shù)。至于三相開關模式對應的電流回路，由于不同的網(wǎng)側電流瞬時方向對應不同的電流回路

36、，因而較單相電流回路復雜。圖示出了三相網(wǎng)側電流，毛，時控制對應種開關模式的電流回路。刮島厶一【，當一（氣蜊，二三】嘎一）陜西科技大學碩士學位論文二皂二：啦一一一倒二芻嘣】嘣）二一匕當毒易一肋（一一生玉喇二馬吲惻與一“：互。三一陽一一。：一二鼉二）模式嘎砭乙）模式）模式模式）模式）模式）模式）模式三相不同開關模式時的電流回路（乞，），之）其中，由于模式、模式使交流側三相線電壓為零，因而稱為“零模式，一般以開關切換次數(shù)最少原則來選擇“零模式。與此類似可分析不同電流方向組合時的三相電流回路。三相的數(shù)學模型建立數(shù)學模型是深入分析和研究整流器的工作機理及動態(tài)和靜態(tài)特性的重要手段。本節(jié)在整流器拓補結構的基

37、礎上分別建立整流器在三相靜止坐標系、兩相靜止坐標系和兩相旋轉坐標系的數(shù)學模型。三相的一般數(shù)學模型【】三相一般數(shù)學模型就是根據(jù)三相拓撲結構，在三相靜止坐標系（，）中利用電路基本定律（基爾霍夫電壓、電流定律）對所建立的一般數(shù)學描述。三相三相電壓型刪整流器（）及其控制策略的研究拓撲結構如圖所示。醺斟曛搿：噸琢沙餓、；弼心譬：璽：；戥薩嘲；餓；已蠢相的拓補結構圖北圖為三相電壓型整流器的主電路拓撲結構，假設主電路的開關元件視為理想開關，通斷可以用開關函數(shù)來描述。當直流電動勢吃時，直流側為純電阻負載，此時三相只能運行于整流模式，當時，三褶既可運行于整流模式，又可運行于有源逆變模式當運行于有源逆變模式時，三

38、相將所發(fā)電能向電網(wǎng)側輸送，有時也稱這種模式為再生發(fā)電模式：當氣時，三輻也只簏運行予整流模式。定義單極性二值邏輯開關函數(shù)，為：葶，：量上簍鐾是翌，簍璧譬（：，）橋臂導通，上橋臂關斷”將三相功率管損耗等值電阻墨同交流濾波電感等值電阻避合并，且令焉璉，采用基爾霍夫電壓定律建立三相的相回路方程定氣氣一）（）當圪導通而圪關斷時，文，且；當圪關斷而圪導通時，開關函數(shù)，盛由于，式一）改寫成哮吃一呱）同理，可得相、相方程如下：（）哮麟咯一（屯哮般乇乓一心嘣考慮三相對稱系統(tǒng)，則（）（）陜西科技大學碩士學位論文（）龜；乞毛聯(lián)立式（）式（）則一選（），在圖中，任何瞬間總有三個開關管導通，其開關模式共有種，因此，直流

39、側電流可描述為，也毛概（）屯輯）（屯毛如）黽氣端屯，毛誓（）另外，對直流側電容正極節(jié)點處應用基爾霍夫電流定律，得警吼嘞慨一半二值邏輯開關函數(shù)描述的三相一般數(shù)學模型的狀態(tài)變量表達式為（）聯(lián)立式（）式（），并考慮弓人狀態(tài)變量，且【乞，毛，之，劐采用單極性（其中一。噸一丕。喝一，委，。薯（）一囊一善于；三上互剄（）（。）匙三相電壓型整流器（）及其控制策略的研究【吃，巳，（）三相的數(shù)學模型三相整流器在靜止坐標系（，）下的數(shù)學模型具有物理意義清晰、直觀等特點。但是，這種數(shù)學模型中，三相整流器的交流側均為時變交流量，因而不利于控制系統(tǒng)設計。為此，通過坐標變換可以將三相靜止坐標系（，）下的交流量變換為以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉的（）坐標系下的直流量，以便于對受控量進行獨立控制。因此，了解三相整流器從靜止坐標系下的模型轉換到旋轉坐標系（，）下的數(shù)學模型非常有必要。下面將給出三相整流器在坐標系下的模型的建立過程。三相靜止坐標系（，）到二相靜止垂直坐標系（口，）的變換圖表示了三相靜止坐標系（，）與二相靜止垂直坐標系（口，夕）的空間位置關系