PWM原理分析及其在电气工程应用实现文档格式.docx
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1引言
电气工程是现代科技领域中的核心学科之一,更是当今高新技术领域中不可或缺的关键学科。
正是电子技术的巨大进步才推动了以计算机网络为基础的信息时代的到来,并将改变人类的生活工作模式等等,因此对于电气工程应用的研究有着重要的意义。
众所周知,电力是发展生产和提高人类生活水平的重要物质基础,电力的应用在不断深化和发展,电气自动化是国民经济和人民生活现代化的重要标志。
就目前国际水平而言,在今后相当长的时期内,电力的需求将不断增长,近几年来除了更有效地开发和利用已有能源之外,人们已经在大力探索和发展各种新能源。
而目前在除水电以外的各种新能源的开发中,风力发电的开发最具潜力,因为风能是一种无污染、可再生的绿色能源,下面简要介绍风力发电和PWM整流器。
1.1.风力发电
对于风力发电技术,风力发电技术可分为独立运行方式和并网运行方式。
并网运行方式,就是采用风力发电机与电网连接,由电网输送电能的方式,有恒速恒频和变速恒频两种运行方式。
相对于恒速恒频运行方式,变速恒频方式对风能的利用率更大,但需要增加变频装置。
而采用“交-直-交”变频方式,则需要把风力机发出的交流电先整流成直流电,再通过逆变电路实现与电网的互联。
国产风力发电机组的开发也取得了一定的成果,其中包括“八五”期间开发成功的200kW/250kW风力发电机组和在“九五”期间开发的600kW风力发电机组,并成功地开发了并网型风力发电机组的当地控制和远程控制系统,使大型风力发电机组的一项关键技术得到了解决。
国内可以制造的其他主要部件包括桨叶、发电机、齿轮箱、机舱、主轴、塔架、偏航系统、液压系统等为我国大型风力发电机组国产化奠定了基础。
我国已经开始了MW级风力发电机组的研发工作,这是我国自主研制开发的最大容量风力发电机组,将填补中国风力发电领域的空白。
图1-1风力发电系统构成
风力发电系统一般由风力发电机组、整流器、蓄电池组、逆变器和控制器等构成,如图1.1所示。
其中,风力发电机组又分为风力机和发电机两大部分,是实现从风能到电能转换的关键设备。
虽然风力发电具有资源蕴藏量巨大、可以不断的再生、无污染物排放以及建设时不淹地、占地少、周期短、规模灵活等诸多优点,是21世纪最有发展前景的一种替代能源,正因为风力发电的这些特点,所以它既可以单独使用,亦可以并入电网。
1.2PWM整流器
因为目前常用的整流装置几乎都采用二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路,它们对电网注入大量谐波及无功功率,网侧电流波形畸变严重,谐波含量高,造成严重的电网“污染”,所以将PWM技术引人整流器的控制之中,使整流器网侧电流正弦化且可运行于单位功率因数才是解决问题的主要思路。
随着PWM整流器技术的发展,现已设计出多种PWM整流器:
按直流储能形式分类可分为电压源型和电流源型;
按电网数分类可分为单相电路、三相电路和多相电路;
按PWM开关调制分类可分为硬开关调制和软开关调制;
按桥路结构分类可分为半桥电路和全桥电路;
按调制电平分类又可分为二电平电路、三电平电路和多电平电路。
尽管分类方法多种多样,但最基本的分类方法就是将PWM整流器分类成电压型和电流型两大类,这主要是因为电压型、电流型PWM整流器,无论是在主电路结构、PWM信号发生以及控制策略等方面均有各自的特点,并且两者间存在电路上的对偶性。
电压型PWM整流器直流输出电压高于电网电压,具有升压的特性;
而电流型PWM整流器直流输出电压可低于电网电压,具有降压的特性,两者在应用方面具有互补特性。
1.3本文主要工作
本文在参阅国内外大量文献的基础上,针对变速恒频风力发电系统的整流电路进行研究,简要说明了整流电路的缺点,建立三相PWM电压源型整流器的一般数学模型,并且对PWM整流器的参数和控制系统进行分析和设计,最后通过Matlab仿真软件进行仿真,分析仿真结果,改进方法。
2PWM整流器原理
2.1传统整流电路的不足与解决办法
2.1.1传统整流电路所遇到的问题
随着电力电子装置在工业市场和应用领域的不断扩大,特别是电力变换器的大功率化,带来了谐波污染、无功功率损耗等问题。
为了达到节约能源、降低成本、减少污染的目的,越来越多的电气设备对电能的品质提出了新的要求。
世界各国学者对电力电子技术进行了广泛的研究,取得了大量的科研成果。
电力系统谐波的主要来源之一是电网中的电力电子设备,在这些设备中,各种整流装置所占的比例最大。
而目前常用的整流装置几乎都采用二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路,它们对电网注入大量谐波及无功功率,网侧电流波形畸变严重,谐波含量高,造成严重的电网“污染”。
随着这类非线性负载容量的增大和应用的不断普及,电力电子装置的谐波污染问题成为电气工程领域关注的焦点问题之一。
解决谐波和无功功率问题的主要思路有两种:
一是在电网侧对己经产生的谐波和无功功率进行补偿;
二是通过对产生谐波的电力电子装置本身进行改造,使装置的输入正弦电压和电流同相位,不产生谐波也不消耗无功功率。
这种方法实质就是对电力电子装置进行功率因数校正,使其输入为单位功率因数,或根据需要对其功率因数进行调节。
2.1.2PWM整流器的优点
作为电网主要“污染”源的整流器,首先受到了学术界的关注,并开展了大量研究工作。
其主要思路就是将PWM技术引人整流器的控制之中,使整流器网侧电流正弦化且可运行于单位功率因数。
从电力电子技术发展来看,整流器是较早应用的一种变换装置。
整流器的发展经历了由不控整流器(二极管整流),相控整流器(晶闸管整流)到PWM整流器(门极关断功率开关管)的发展历程。
传统的相控整流器,虽应用时间较长技术也较成熟,切被广泛使用,但仍然存在以下问题:
(1)晶闸管换相引起网侧电压波形畸变;
(2)网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”;
(3)深控时网侧功率因数降低;
(4)闭环控制时动态响应相对较慢。
虽然二极管整流器,改善了整流器网侧功率因数,但仍会产生网侧谐波电流以“污染”电网,另外二极管整流器的不足还在于其直流电压的不可控性。
针对上述不足,PWM整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面改进。
其关键性的改进在于用全控型功率开关取代了半控型功率开关或二极管,以PWM斩控整流取代了相控整流或不控整流。
因此,PWM整流器可以取得以下优良性能:
(1)网侧电流为正弦波;
(2)网侧功率因数控制(如单位功率因数控制);
(3)电能双向传输,
(4)较快的动态控制响应。
由于PWM整流器实现了网侧电流正弦化且运行于单位功率因数,甚至能且可双向传输,因而真正实现了“绿色电能变换”。
由于PWM整流器网侧呈现出受控电流源特性,因而这一特性使PWM整流器及其控制技术获得进一步的发展和拓宽,并取得了更为广泛和更为重要的应用,如静止无功补偿(SVG)、有源电力滤波(APF)、统一潮流控制(UPFC),超导储能(SMES)、高压直流输电(HVDC)、电气传动(ED),新型UPS以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等。
2.2三相PWM整流器电路拓扑结构图
因要求直流侧电压比交流侧电压要高,故本文仅对具有升压特性的三相电压源型PWM整流器电路拓扑作详细介绍。
三相电压型PWM整流器主电路拓扑结构如图2.1所示。
三相电压型PWM整流器的主体包括电压源型整流器和串联连接在电网中的三个大小相等的控制电感L。
三个控制电感L一端连接在三相电源,另一端连接在电压源型整流器的输入端。
电压源型整流器由IGBT、VT构成的半桥臂和直流侧电容C组成。
3三相电压型PWM整流器的数学模型
所谓三相VSR数学模型就是根据三相VSR拓扑结构在三相静止坐标系(a,b,c)中利用电路基尔霍夫电压、电流定律对VSR所建立的一般数学描述。
并根据三相VSR特性分析需要,三相VSR一般数学模型的建立可采用以下两种描述形式:
开关函数和占空比描述。
下面介绍关于它的两种数学模型。
3.1ABC坐标系下系统数学模型
本文采用开关函数描述VSR的一般数学模型,三相半桥VSR拓扑结构如图3-1示,建立采用开关函数描述的VSR一般数学模型。
[2]
图3-1三相VSR开关等效图
如图3-1所示,当直流电动势=0时,直流侧为纯电阻负载,此时三相VSR只能运行于整流模式;
当<
时,三相VSR运行于整流模式。
为分析方便,首先定义单极性二值逻辑开关函数为:
(3-1)
将三相VSR功率管损耗等值电阻同交流滤波电感等值电阻合并,其值为R,采用基尔霍夫电压定律建立三相VSRa相回路方程:
(3-2)
当导通而关断时.,且;
当关断而导通时,开关函,且。
因此,式(3-2)可改写为:
(3-3)
b相、c相同理可得:
(3-4)
(3-5)
因为是三相对称系统,则有:
;
(3-6)
联立以上四式,得:
(3-7)
直流侧电流可表示为:
(3-8)
对直流侧电容正极点处应用基尔霍夫电流定律得:
(3-9)
将以上三式联立,并引入状态变量X,且,则可得到采用开关函数描述的三相VCR一般数学模型的状态变量表达式为:
(3-10)
其中,
。
3.2dq坐标系下的三相VSR模型
3.2.1关于坐标变换
前面对三相静止对称坐标系(a,b,c)中的VSR一般数学模型进行了研究分析。
这种VSR一般数学模型具有物理意义清晰、直观等特点。
但在这种数学模型中,VSR交流侧均为时变交流量,因而不利于控制系统设计。
为此,可以通过坐标变换将三相对称静止坐标系(a,b,c)转换成以电网基波频率同步旋转的(d,q)坐标系。
这样,经坐标旋转变换后,三相对称静止坐标系中的基波正弦变量将转化成同步旋转坐标系中的直流变量,从而简化了控制系统设计。
三相静止对称坐标系中的三相VSR一般数学模型经同步旋转坐标变换后,即转换成三相VSRdq模型。
[2]
3.2.2dq坐标系下的三相VSR模型
由式(3-3)—式(3-9)不难得出,在三相静止对称坐标系(a,b,c)中,三相VSR开关函数模型为[5]:
(3-11)
其中,—单极性二值逻辑开关函数(k=a,b,c);
—VSR直流侧负载电流。
以输入电压矢量的位置为d轴正方向,即取三相输入电压为:
(3-12)
得d-q坐标系下的表示为:
(3-13)
则对式(3-11)进行park变换,得PWM整流器dq坐标系下方程:
(3-14)
(3-15)
(3-16)
其中:
(3-17)
其模型结构图如图3-2所示:
图3-2dq坐标系下三相VSR的模型
3.2.3dq坐标系下三相VSR的模型的改进
在上述两相同步旋转坐标系(d,q)中,三相VSR开关函数模型表达式存在两个变量的乘积和,因而其模型具有典型的非线性特性,为此,常需对三相VSRdq模型线性化。
[18]
实际上,当忽略三相VSR桥路自身损耗,则三相VSR交流侧有功功率应与桥路
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- PWM 原理 分析 及其 电气工程 应用 实现