三相电压型PWM整流器VSR及其控制策略的图文精.docx
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三相电压型PWM整流器VSR及其控制策略的图文精
陕西科技大学
硕士学位论文
三相电压型PWM整流器(VSR)及其控制策略的研究
姓名:
陈宗辉
申请学位级别:
硕士
专业:
电力电子与电力传动
指导教师:
孟彦京
20080501
三相电压型PWM整流器(VSR)及其控制策略的研究
摘要
随着电网谐波污染问题日益严重和人们对高性能电力传动技术的需要,PWM整流技术引起人们越来越多的注意。
三相PWM整流器可以做到输入电流正弦、单位功率因数、直流电压输出稳定,具有良好的动态性能并可实现能量的双向流功。
因此,PWM整流器成为当前电力电子领域研究的热点课题之一。
传统的整流器一般采取不控整流或相控整流,这种类型的系统存在以下缺点:
其一,在不控整流侧输入电流是非正弦的,因此,电流的谐波注入电网,造成干扰问题,引起公害;其二,由于器件结构的单向性,功率传递只能从整流侧到逆变侧,使系统不能在再生状态下运行,其动态性能受到限制;其三,对相控整流,在深度调节状态下,功率因数较低,即使电阻负载,功率因数也小于l。
针对上述问题,本文对PWM变流技术作了较为深入的研究。
PWM整流器既可以用作功率因数为1的AC/DC整流器,为负载提供直流电能;又可以用作输出频率可变的DC/AC逆变器的直流环节,构成交流调速系统;还可以作为无功补偿器,改善系统的功率因数。
本文首先对电压型PWM整流器的工作原理进行比较详细的分析,提出了用空间电压矢量方法分析三相单位功率因数电压型PWM整流器的换流方式,建立了整流器在ABC坐标系以及在筇坐标系、dq坐标系的数学模型。
并对PWM整流器的电路参数取值进行了初步的理论分析。
其次,分析了直接和间接电流控制两种控制方式,由于电流滞环控制具有硬件电路简单、系统响应快等特点,对电流滞环控制作了详细的分析,并得出了开关频率在电压过零点开关频率最大、电压峰值附近开关频率最低的变化规律,以及影响开关频率的因素。
基于电流滞环控制对功率因数可调的原理分析作了仿真验证,仿真结果表明,理论分析和仿真验证一致,实现了功率因数可调。
接着,论文结合瞬时无功功率理论和交流电机理论中矢量控制,提出了PWM整流器的电压空间矢量控制,详细的分析其具体实现,并进行了基于Matlab中的Simulink的仿真研究,仿真结果验证了该控制方法的可行性。
文章的最后对滞环电流和电压空间矢量这两种控制方法进行了对比比
较,阐明了论文的意义。
关键词:
PWM整流器,功率因数,滞环控制,仿真,电压空问矢量ll
ResearchonThree-・phaseVoltagePWMRectifierandThe
ControlStrategies
ABSTRACT
Withtheseriousproblemofharmonicspollutiontothepowersystem,aswell勰theneedofhighperformanceofACdriveapplication,three-phaserectifiershavebeen弱activeresearchtopicinpowerelectronicsPWMtorecently.duethevirtues,suchassinusoidalinputcurrents,unitypowerfactor,steadyoutputvoltage,gooddynamicsandbin-directionalenergyflow.
劢e
whichconditionalrectifier,diode-bridgerectifierlargelyusedtoorphase.controlledrectifier,areprovidedosourcefortheinverters,CaUSetheseriousharmonicproblemofpowerquality,lowpowerfactor,andtoinputside,evenifresistanceloads,inputCan’tfeedbackpowercurrentisn’tsinusoidalwaveformandthepowerfactorisn’tup
Inthetounitypowerfactor.lightofthedisadvantageswhathasbeenmentioned.Pulse—widthtechniqueshas
power
inthisbeenadoptedfortheserectificationdevicestoimprovetheinputfactorandshapetheinputcurrentoftherectifierintosinusoidalwaveformpaper.PWMrectifiernotonlyCanbeusedasunitypowerfactordosourcebutalsoCancompensatereactivecurrenttoimprovesystem’Spowerfactor.
Firstly,thispaperanalyzestheprincipleoftheP、^Mreversible
vectorrectifierindetail,exploresspacemethodtoinvestigateitsinversion,andestablishes
themathematicsmodelinABCcoordinate。
口8coordinateanddqcoordinaterespectively.Then,theoreticalresearch
accomplished.
Secondly,thedirectcurrentontheparametersofthecircuitiscontrolandindirectcurrentcontrolare
currentintroduced.Comparingindirectcurrentcontrol,thehysteresis
hascharacteristicsoffastcontroldynamicresponse,circuitsimple,goodaccuracyandhi曲robustness,SO
whichthehysteresiscurrentcontrolissimulated,andtheconclusion,adjustingpowerfactorisfeasible,isobtained.
vectorThen,thecontrolofvoltagespacemethodisexploredbasedon
instantaneousandACmotordrivetheory.ThesimulationiSdonewithsimulinkinMatlabandtheresultsverifiedthecorrectionofcontrollingreactivepower
III
solution.Finally,thispaperisputuptocomparethespacevectorcontrolandthehystereticcurrentcontrol,clarifiesthemeaningofthispaper.KEYWORDS:
PWMRectifier,PowerFactor,Simulation,HysteresisControl,VoltageSpaceVectorControlIV
陕西科技大学硕士学位论文
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原创性声明
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所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果。
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华瞥日期:
一
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(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名:
三相电压型PWM整流器(VSR)及其控制策略的研究
1绪论
1.1课题的研究背景与意义
一在现代工业、交通、国防、生活等领域中,很多场合需要大量其他各种类型的变流
装置将一种频率、幄值、耀位酶电戆交换为另一种频率、幅筐、褶位的电能,使褥用电设备处于理想工作状态,或者满足用电负载某些特殊要求,从而获得最大的技术经济效益。
当今,经过变换处理后再供用户使用的电能在全国总发电量孛所占的酉分比值,已经成为衡量一个国家技术进步的主要标准之一。
二十世纪束期,美囡发电站生产的电能40%以上都是经过变换和处理后才可以供负载使用的,预计到2l世纪二、三十年代,美国发电站生产的全部电能都将经过交换和处理后供负载使用ll】。
控制芯片的飞速发展和新的控制算法引入使得电力电子变流技术越来越受到全世界莳重视,它的应震已经深入到了电力、冶金、化工、通讯、铁路以及家电等领域。
晶阐管(SCR)在美国的问世标志了电力电子技术的开端,我国上世纪70年代将其列为节能技术在全国推广。
晶阐管是一种只能控制导逶焉不麓控制关断麓半控型开关器件,其在交流传动和变频电源领域中的应用受到了一定的限制。
功率半导体开关器件性能不断提高,从早期广泛使用的半控型功率半导体开关,发展到如今性能各舞且类型诸多的全控型功率开关,如双极型晶体管(BJT)、门极关断晶闸管(G]ro)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换向晶闸管(IGCT)、功率场效应晶体管(MOSFET)以及场控制晶闻管(MCT)等。
而20世纪90年代发展起来的智能型功率模块(IPM)则开创了功率半导体开关器件的发展方向[2-3|。
功率半导体的进步促进了电力电子变流技术的迅速发展,如交频器、逆交电澡、高频开关电源等,这些变流装置在国民经济中得到广泛应用。
但是,这些变流器大部分都需要整流环节,以获得直流电压。
常规的整流环节一般采用二极管不控整流或晶阐管相控整流。
1.1.1无功功率和谐波的危害
电网无功豹负作用主要体现在降低了发电、输电及雳电设备的利用率,增加了线路的损耗。
无功还使线路和变压器的电压降增大。
如果是冲击性负载,会使电网电压产生剧烈的波动,严重影响供电质量。
近三四十年来,各种电力电子装置的迅速发展及普及应用使得公用电网的谐波污染日趋严重。
由谐波引起的各种事故也不断发生,谐波危害的严重性引起了人们的离度重视。
其危害大致有以下几个方面:
(1)谐波使公用电网中的元件产生了附加损耗,降低了发电输电及用电设备的效率:
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(2>谐波影响各种电气设备的正常工作;
(3)谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振;
(4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作,并会使电气测量仪表计量不准确;(5)谐波会对临近的通信系统产生干扰,轻者产生噪声,降低通信质量;重者导致信息丢失,使通信系统无法正常工作。
本IIj-工婚l
图卜1三相不控整流桥电压型逆变器
Figl一1Three-phasevoltageinverterandnon-controlrectifier
在交一直一交变频调速系统中(图1-1),整流侧一般采用不控整流桥,并假定中间直流侧的电压是固定不变的,逆变侧采用脉宽调制控制技术去产生变频,变幅的输出电压以控制交流电动机的转速。
这种类型的系统有以下不足之处:
(1)在不控整流侧,输入电流是非正弦的。
因此,电流的高次谐波注入电网,造成干扰问题,引起公害;
(2)由于器件结构的单向性,能量只能从整流侧到逆变侧传递,使系统不能在再生状态下运行,其动态性能受到限制。
恸均卜/I
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图1-2晶闸管反并联电压型逆变器
Figl-eThyristorinverseparallelvoltageinverter
若需考虑系统的再生制动或快速制动时的能量反馈问题时,通常能解决的办法是整流侧使用两套六脉冲可控整流桥以反并接的方式(图1.2),则可允许功率逆向流动。
但从控制和经济的角度考虑,增加一组变流器,势必增加了系统控制的复杂性,又增加了投资成本,而且电流畸变和干扰问题依然存在,所以在容量不大的逆变器系统中,大多数耗散再生电能的方式是将其消耗在电阻上或电动机绕组和逆交器中,而不是反馈到电源。
这样既增加了系统的能量耗费,又降低了整个系统的效率。
特别是快速制动时,使中间直流侧的电压急剧升高,若无很好的保护措施,则易于造成滤波电容的损坏和逆变器中开关元件的损坏。
2
三相电压型P删整流器(VSR)及其控制策略的研究
I.I.2消除无功和谐波的措施
在我国,一项调查显示:
目前的大型企业中,几乎每家企业都有电网污染的现象。
在现代通讯设施使用集中的商务楼内,污染更为严重。
电网污染还会随流动的电波而传染,造成大面积隐患,并有可能引发重大事故。
有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础,傅利叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。
电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意卜廿l。
当时在德国,由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。
1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文fI.】。
到了50年代和60年代,由于高压直流输电技术的快速发展,相关学者发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文,KimbarkE.w.在其著作中对此进行了详细的总结[tq。
随着电力电子技术的迅猛发展,各种电力电子设备在电力系统、工业部门、家庭和民用事业部门得到了日益广泛的应用,其产生的谐波以及造成的危害日益严重,世界各国对谐波问题都给予了高度重视。
为了保证电网和用电设备的安全经济运行,目前许多工业国家、国际电工组织以及一些大的电力公司都制定了相应的谐波标准,对用电设备的输入端性能作出严格的限制,如EC555-2,IEEE519。
这些标准对输入端功率因数和输入端电流各次谐波的含量都作出了具体的限定。
我国于1993年完成了国家标准《电能质量及公用电网标准》的制定。
在这种背景下,人们开始对造成谐波污染的整流装置进行了大量的研究,许多新的整流技术不断地被提出来,以实现低谐波,高功率因数。
目前解决电网污染的途径主要有两条:
1)、对电网来说,采用在电力系统中加入补偿器来补偿电网中的谐波,如有源滤波(APF:
ActivePowerFiRer),静止无功补偿(SVC:
StaticVarCompensator)等;2)、设计输入电流为正弦、谐波含量低、功率因数高的整流器。
前者是产生谐波后进行补偿,而后者是消除了谐波源,是解决谐波问题的根本措施。
把逆变电路中的PWM技术应用于有MOSFET、IGBT等全控器件组成的整流电路,工作时可以使网侧电流正弦化,运行于单位功率因数,甚至能量可以双向流动,真正实现绿色电能转换,因而备受关注。
这种整流器称为PWM整流器,又称为单位功率因数变流器。
1.2高功率PWM整流器国内外研究的现状
自20世纪90年代以来,PWM整流器一直是研究的热点。
对PWM整流器相关的应用领域的研究也越来越多,例如有源滤波116]、超导储能071、交流传动【ll】、高压直流输电llgl以及统一潮流控制【加】等。
这些应用领域的研究,又促进了PWM整流器及其控制技术的进步和完善。
当前主要的研究领域有如下五个方面:
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(1)关于PWM整流器的建模研究
PWM整流器数学模型的研究是PWM整流器及其控制技术研究的基础。
自从出现基于坐标变换的PWM整流器的数学模型之后,各国学者对PWM整流器的数学模型进行了仔细的研究,其中R.Wu、S.B.Dowant2qt221等较为系统地建立了PWM整流器的时域模型,并将时域模型分解成高频、低频模型,且给出了相应的时域解。
丽ChurlT.Rim和DongY.Hu等则利用局部电路的dq坐标变换建立了PWM整流器基于变压器的低频等效模型电路瑟毪,并给出了稳态、动态特性分析。
在此基础上,HcngchunMao等人又建立了一种新颖的降阶小信号模型,从而简化了PWM整流器的数学模型及特性分析湖;
(2)关于电压型PWM整流器的电流控制策略研究
为了使电压型PWM整流器网侧呈现受控电流源特性,其网侧电流控制策略的研究显得十分重要。
在PWM整流器技术发展过程中,电压型PWM整流器网侧电流控制策略主要分成两类:
一类是由1.W.Dixon提出的间接电流控谁g策略湖。
另一类就是目前占主导地位的直接电流控制策略嗍嘲。
间接电流控制实际上就是所谓的“幅相一电流控制,鞠逶过控翩电压型PWM整流器的交流铡瞧压基波幅值、相位,进蔼溺接控毒|;其薅侧巍流。
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,因此这种控割策略已逐步被直接电流控制策略取代。
童接电流控制以其快速的电流响应和鲁棒性受到了重视,出现了不同的控制方案嗍,主要包括以固定开关频率且采用电网电动势前馈的SPWM控制,以及滞环电流控制嗍。
为了提高电箍利用率并降低损耗,基于空间矢量的PWM控制在电压型PWM整流器中取得了广泛的应用,并提出了多种方案f勰删。
目前电压型PWM整流器网侧电流控制有将固定开关频率、滞环及空间矢量控制相结合的趋势娜,以使其在大功率有源滤波等需要快速毫流响应场合获得优越的性能。
此外,控制策略上出现了状态反馈控锘lJ(2"rJ;
(3)关于PWM整流器拓拎绪构的研究
PWM整流器拓扑结构可分为电流型和电压型两大类。
在小功率场合,PWM整流器拓扑结构的研究集中在减少功率开关和改进直流输嬲性能上。
J.J,Shieh等对四开关三楣电压型PWM整流器进行了建模与分析恻。
一般Boost型变换器直流侧电压大于交流侧电压峰值,为了实现降压功能,有学者对拓扑结构进行了改造,并取得~定的结果【33l。
对于大功率PWIVI整流器,其拓扑结构的研究主要集中在多电平湖、交流器组合嘲以及软开关技术上【埘。
多电平拓扑结构的PWM整流器主要应用于高压大容量场合。
而对大电流应用场合,常采用交流器组合拓棼结构,鄂将独立豹电流型PWM整流器进行并联组合。
与普通并联不同的是,每个并联的PWM整流器中的PWM信号发生采用移相PWIVI控制技本嘲,从恧以较低的开关频率获得了高效的高频控制,帮降低损耗的固时,提高了电流、电压波形品质。
同样,可以将电压型PWM整流器串联组合,以适应高压大容4
三相电压型PWM整流器(VSR)及其控制策略的研究
量的应用场合。
此外,在大功率PWM整流器设计上,还研究了基于软开关(zvs,zcs)控制的拓扑结构和相应的控制策略,然而这一技术有待完善;
(4)PWM整流器系统控制策略的研究
一些较为新颖的策略简述如下:
1)无电网电动势传感器和无网侧电流传感器控制为简化信号的检测,T.Noguchi等学者提出了一种无电网电动势传感器PWM整流器控制策略p町。
这一研究主要包括两类电网电动势重构方案:
一种是通过功率估计,另一种是通过电流的偏差求导重构电动势。
M.Riese则通过直流侧电流的检测来重构交流侧电流,进而实现无交流电流传感器控制;
2)基于Lyapunov稳定性理论的PWM整流器控制针对PWM整流器的非线性多变量强耦合的特点,常规的控制策略和控制器的设计一般采用稳态工作点小信号扰动线性化处理方法,这种方法的不足是无法保证控制系统大范围扰动的稳定性。
为此,有学者提出了基于Lyapunov稳定性理论的控制策略。
这一新颖的控制方案以电感、电容储能的定量关系建立了Lyapunov函数,并由三相PWM整流器的dq模型以及相应的空间矢量PWM约束条件,推导出相关的控制算法。
这种方案较好的解决了PWM整流器的大范围稳定控制问题;
3)PWM整流器的时间最优控制常规的基于dq模型的电压型PWM整流器控制,一般通过前馈解耦控制,并采用两个独立的PI调节器,分别控制相应的有功、无功分量。
而有功、无功分量间的动态耦合和PWM电压利用率的约束,影响了电压型PWM整流器有功分量的动态响应。
针对这一问题,有学者提出了直流电压时间最优控制例。
其基本方法是根据时间最优控制算法求解出跟踪指令电流所需的最优控制电压,并在动态过程中降低无功分量的响应速度,提高有功分量的响应速度,实现了时间最优控制;
4)电网不平衡条件下的PWM整流器控制一般的策略研究总是假设电网是平衡的;实际上,电网经常处于不平衡状态。
当电网出现不平衡时,以三相电网平衡为约束所设计的整流器会出现不正常运行。
不正常的表现:
PWM整流器直流侧电压和交流侧电流的低次谐波幅值增大,且产生非特征谐波,同时损耗相应增大;PWM整流器的交流侧电流不平衡,严重时可使整流器故障烧毁。
为使整流器在电网不平衡条件下仍能正常运行,有人提出了不平衡条件下,网傩电流和直流电压的时域表达式1401。
文章认为电网负序分量是导致网侧电流畸变的原因。
电网不平衡条件下,常规的控制方法会使直流电压产生偶次谐波分量,交流侧会产生奇次谐波电流。
D.Vincenti等人较为系统地提出了正序dq坐标系中的前馈控制策略,即通过负序分量的前馈控制来抑制电网负序分量的影响【4ll。
但是由于该方法的负序分量在dq坐标下不是直流量,导致PI调节不能实现无静差控制。
因此,有学者提出了正、负序双旋转坐标系控制,该方法实现了无静差控制,是较完善的理论。
但是,双旋转坐标系控制
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的结构比较复杂,运算量大;
5)关于电流型PWM整流器的研究
长期以来,因为电压型整流器的结构简单、损耗较低、控制方便,所以一直是人们研究的重点。
而电流型PWM整流器由于需要较大的直流储能电感,以及交流侧LC滤波问题,制约了电流型PWM整流器的发展。
但是随着超导技术的发展,电流型PWM整流器在超导储能技术中有更大的优势,因为超导线圈可以直接作为直流储能电感。
1.3本文研究的主要内容、目标
论文的主要研究内容为三相电压型PWM整流器的控制策略,重点在于整流器的滞环电流控制和空间电压矢量控制以及基于重复控制理论的改进型波形控制调节器的研究。
具体如下:
(1)分析了三相PWM整流器的工作原理、拓扑结构和静止坐标系(咖,c)和旋转坐标系(也q)下数学模型;
(2)针对PWM整流器直接电流控制的优点,建立基于滞环控制的PWM整流器模型。
并对其输出电压和谐波进行分析;
(3)通过对电压空间矢量控制原理的分析,针对数字化实现的要求提出了两种改进方法:
1)用给定参考电压矢量在abe静止坐标系下的分量来判断电压矢量所处扇区,给出了控制算法;
2)对给定参考矢量的dq坐标系坐标进行两相非标准正交基分解,避免了复杂的极坐标变换,只是进行了简单的线性计算;与传统的方法相比,简化了计算量和节约了系统资源,使得控制系统更易于数字实现。
(4)针对滞环电流控制和电压空间矢量控制的仿真结果进行比较,从而得出二者的优缺点;
1.4本章小节
本章首先说明了PWM整流器相对于其他拓补结构的优点以及进行研究的必要性,然后分别回顾了PWM整流器国内外研究的发展和控制策略的分类,最后提出了本文所要进行研究的内容和目标。
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三相电压型PWM整流器(VSR)及其控制策略的研究
2PWM整流器原理、拓扑结构和数学模型
本章将结合PWM整流器的原理,对其改善功率因数以及四象限运行机理进行深入研究,并对PWM整流器的各种拓扑结构进行比较分析,对各种坐标系下的数学模型进行详细的推导及简化,为后续章节打下基础。
2.1三相PWM整流器原理131421
显然,PWM整流器已不是一般传统意义上的AC/DC变换器
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