三相电压型PWM整流器控制策略研究.pdf

1、青岛大学硕士学位论文三相电压型PWM整流器控制策略研究姓名：刘钊申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：赵克友20080607摘要摘要传统的整流装置是电网污染的主要来源，三相电压型P W M 整流器具有输出电压恒定、实现单位功率因数运行的特点，并可以实现电能回馈电网。本文主要研究三相电压型P W M 整流器，包括三相电压型P W M 整流器原理、拓扑结构、数学模型及控制策略。建立数学模型是研究三相P W M 整流器的有效手段。分别在三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相旋转坐标系下建立数学模型。本文研究了P W M整流器电压矢量定向控制和直接功率控制这两种控制策略，并对电网电压不平衡

2、时三相P W M 整流器控制策略进行了探讨。电压矢量定向控制包括间接电流控制和直接电流控制，本文分别介绍了它们的原理，并建立了控制系统仿真模型以验证策略的正确性。直接功率控制的主要特点是结构简单、动态响应快、抗干扰性能好。本文介绍了瞬时功率和虚拟磁链的概念、直接功率控制原理及不定频直接功率控制和定频直接功率控制两种方法。传统不定频直接功率控制开关状态表使无功功率控制效果差，交流侧电流畸变大，针对这一不足提出了改进的开关状态表。仿真结果验证了改进方法的有效性。本文提出一种计算S V P W M 算法开关作用时间的简便方法，应用于定频直接功率控制中效果良好。当电网电压不平衡时，会严重影响三相电压型

3、P W M 整流器的工作，甚至会使系统崩溃。本文介绍了电压不平衡时整流器控制策略，研究了抑制直流输出电压谐波的方法并建立了仿真模型。研究成果分别发表于青岛大学学报(工程技术版)、第一届分布式发电系统中的电力电子技术国际研讨会(中国合肥，2 0 0 7 8)。论文各章节主要内容如下：第一章对P W M 整流器的发展作了综述。第二章叙述了三相电压型P W M 整流器原理，利用M a t l a b S i m u l i n k 仿真软件建立仿真模型；介绍了电压矢量定向控制策略，分别讨论了间接电流控制和直接电流控制。第三章介绍了直接功率控制策略，包括不定频直接功率控制和定频直接功率控制两种控制方法

4、。改进了不定频直接功率控制的开关表和定频直接功率控制中的S V P W M 算法，并通过仿真实验加以验证。第四章介绍了电网电压不平衡时三相电压型P W M 整流器的控制策略。第五章总结全文工作，并提出下一步继续研究的问题。关键词：整流器；电压定向控制；直接功率控制；虚拟磁链；电压不平衡控制A b s t r a c tA b s t r a c tT h et r a d i t i o n a lr e c t i t i e r sa r et h em a i ns o u r c eo fh a r m o n i cp o l l u t i o ni np o w e rs y s

5、 t e m T h r e e。P h a s eP W Mv o l t a g er e c t i f i e rc a np r o d u c ec o n s t a n to u t p u tv o l t a g et oa c h i e v eu n i t yp o w e rf a c t o ro p e r a t i o n，a n di ta l s oh a st h ec a p a b i l i t yt of e e d b a c kt h el i n ep o w e r T h i sp a p e ri n t r o d u c e s

6、t h r e e p h a s eP W Mv o l t a g er e c t i f i e r,i n c l u d i n gt h et h r e e p h a s eP W Mv o l t a g er e c t i f i e rp r i n c i p l e，t h et o p o l o g y,t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ec o n t r o ls t r a t e g i e s T h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fP W Mr e c

7、 t i f i e ri sa ne f f e c t i v em e a nt oi n v e s t i g a t et h er e c t i f i e r T h em a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e du n d e rt h r e e p h a s es t a t i o n a r yc o o r d i n a t es y s t e m，t w o p h a s es t a t i o n a r yc o o r d i n a t es y s t e ma n dt h

8、 et w o p h a s er o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e mr e s p e c t i v e l y T h i sp a p e rs t u d i e sv o l t a g ev e c t o ro r i e n t e dc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ed i r e c tp o w e rc o n t r o ls t r a t e g y,t h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h r e e-p h a s eP W

9、Mr e c t i f i e ru n d e ru n b a l a n c e dg r i dv o l t a g ei sa l s od i s c u s s e d M e t h o d so fv o l t a g ev e c t o ro r i e n t e dc o n t r o ls t r a t e g yi n c l u d i n gi n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o la n dd i r e c tc u r r e n tc o n t r 0 1 T h i sp a p e ri n t

10、r o d u c e st h e i rp r i n c i p l e s，a n de s t a b l i s h e st h es i m u l a t i o nm o d e lo fc o n t r o ls y s t e m T h ea d v a n t a g e so fd i r e c tp o w e rc o n t r o la r es i m p l es t r u c t u r e，f a s td y n a m i cr e s p o n s e，a n dt h ea b i l i t yt o r e s i s td i

11、 s t u r b a n c e T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p to fi n s t a n t a n e o u sp o w e ra n dv i r t u a lf l u x，t h ed i r e c tp o w e rc o n t r o lp r i n c i p l e，t h ei n c o n s t a n ts w i t c h i n gf r e q u e n c yc o n t r o la n dt h ec o n s t a n ts w i t c h i

12、 n g 矗e q u e n c yc o n t r 0 1 T h es w i t c h i n gt a b l ei nc o n v e n t i o n a ld i r e c tp o w e rc o n t r o lw i l ll e a di n e f f e c t i v e n e s so fr e a c t i v ep o w e rc o n t r o la n da cc u l l r e n td i s t o r t i o n W ei m p r o v e dt h es w i t c h i n gt a b l ea

13、n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ei m p r o v e dm e t h o d T h i sp a p e rp r o p o s e sas i m p l em e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h es w i t c h i n gt i m eo fS V P W Ma l g o r i t h m；i tw o r k sw e l li nd i r e c tp o w e rc o n t

14、 r o ls t r a t e g y W h e nt h eg r i dv o l t a g ei su n b a l a n c e d,i tw i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h eo p e r a t i o no ft h r e e p h a s eP W Mr e c t i f i e r,a n de v e nt h es y s t e mw i l lc o l l a p s e T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n t r o ls t r a t e g

15、yo fP W Mr e c t i f i e ru n d e ru n b a l a n c e dg r i dv o l t a g ea n ds t u d i e sm e t h o d st os u p p r e s st h ed co u t p u tv o l t a g eh a r m o n i c W ea l s oe s t a b l i s has i m u l a t i o nm o d e lt ot e s t i f yt h es t r a t e g y T h er e s e a r c hr e s u l t sa r

16、 es e p a r a t e l yp u b l i s h e di nJ o u r n a lo fQ i n g d a oU n i v e r s i t y(e n g i n e e r i n g&t e c h n o l o g ye d i t i o n、a n dT h eF i r s tI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nP o w e rE l e c t r o n i c sf o rD i s t r i b u t e dG e n e r a t i o nS y s t e m s(H

17、e f e i，C h i n aA u g 7-9，2 0 0 7)T h em a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s：C h a p t e r1r e v i e w st h ed e v e l o p m e n to ft h r e e p h a s eP W Mr e c t i f i e r s C h a p t e r2d e s c r i b e st h ep r i n c i p l eo ft h r e e p h a s eP W Mv o l t a g ep

18、 r i n c i p l e；w eu s eM a t l a b S i m u l i n ks i m u l a t i o ns o f t w a r et oe s t a b l i s ht h es y s t e mm o d e l w ea l s oi n t r o d u c e st h ev o l t a g ev e c t o ro r i e n t e dc o n t r o ls t r a t e g y，d i s c u s s e st h ei n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o la n

19、 dd i r e c tc u r r e n tc o n t r o ls e p a r a t e l y C h a p t e r3i n t r o d u c e sd i r e c tp o w e rc o n t r o ls t r a t e g y,i n c l u d i n gI青岛大学硕士学位论文t h ei n c o n s t a n ts w i t c h i n gf r e q u e n c yc o n t r o la n dt h ec o n s t a n ts w i t c h i n gf r e q u e n c yc

20、 o n t r 0 1 W ei m p r o v e dt h es w i t c h i n gt a b l eo fi n c o n s t a n ts w i t c h i n gf r e q u e n c yc o n t r o la n dt h eS V P W Ma l g o r i t h mo fc o n s t a n ts w i t c h i n gf r e q u e n c yc o n t r 0 1 T h es i m u l a t i o ns y s t e mw a se s t a b l i s h e dt ov e

21、 r i f yt h es t r a t e g y C h a p t e r4：i n t r o d u c e st h ec o n t r o ls t r a t e g yo fP W Mr e c t i f i e ru n d e ra n b a l a n c e dg r i dv o l t a g e C h a p t e r5s u m m a r i z e st h ew h o l et h e s i s，a n dp r o s p e c t ss o m ef u r t h e rr e s e a r c hi s s u e s K

22、e y w o r d s：R e c t i f i e r；V o l t a g e-O r i e n t e dC o n t r o l；D i r e c tP o w e rC o n t r o l；V i r t u a lF l u x；U n b a l a n c e dV o l t a g eC o n t r o lI V术语、符号及缩略语术语、符号及缩略语V S R：电压源整流器V o l t a g eS o u r c eR e c t i f i e rP W M：脉宽调制P u l s eW i d t hM o d u l a t i o n S V

23、 P W M：空间矢量脉宽调制S p a c eV e c t o rP u l s eW i d t hM o d u l a t i o nD P C：直接功率控制D i r e c tP o w e rC o n t r o la b c 坐标系：三相静止坐标系筇坐标系：两相静止坐标系由坐标系：两相(同步)旋转坐标系e a b e=e a，P。r：口6 c 坐标系下电网电压向量k=k，毛，屯r：口6 c 坐标系下网侧电流向量s 曲。=b。，s。r：口6 c 坐标系下功率器件开关函数向量=k。，锄r：筇坐标系下电网电压向量锄=k，绉r：筇坐标系下网侧电流向量口叩=U aU p J T：筇坐

24、标系下整流器桥臂电压向量y 叩=妒。，r：筇坐标系下虚拟磁链向量=k，白J r：匆坐标系下电网电压向量=k，J 1 r：砌坐标系下网侧电流向量略=k 7P；7 r：筇坐标系下电网，序电压向量(，=1 正，=1 负)l o 筇+r=k 7 易7 r：筇坐标系下网侧，序电流向量(，=l 正，=l 负)妒荔=k 7 罗；7 r：筇坐标系下虚拟，序磁链向量(，=l I E，=1 负)e 出：直流侧电源电压，出：直流母线输出电压V N O：直流母线N 点与电源中线0 点间的电压k=【111】T：分量皆为l 的三维向量R，：网侧电阻t：网侧电感C：直流侧电容R：直流侧负载电阻P：有功功率V青岛大学硕士学位

25、论文无功功率平均有功功率平均无功功率有功功率余弦二次谐波幅值有功功率正弦二次谐波幅值无功功率余弦二次谐波幅值无功功率正弦二次谐波幅值V Ig风吼学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明学位论文独创性声明本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下所取得的研究成果。凡文中涉及到非本人成果均已标注出处或得到许可，此外不再包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果，也不包含本人已用于申请其他学位的论文内容或成果。本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。论文作者签名：叫字f日期：2?年月，日学位论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。

26、学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用该学位论文内容或与该论文直接相关的成果时，署名单位仍然为青岛大学。本学位论文属于：保密口，在年解密后适用于本声明。不保密囱。(请在以上方框内打“4)论文作者签名：j 纠日期己p；年月，汨导师签名：只一龟日期：，-矾月7 日(本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用。)第一章绪论第一章绪论1 1 课题背景许多工程系统需要用到直流电源，如通讯、发电机励磁、电力操作、电力拖动以及消费电器等，过去的旋转直流电源也渐改为现在的静止电源，即整流器。随着功率开关器件性能不断提高，微处理器以及控制技

27、术的发展，促使整流器技术快速提升。功率开关器件从早期使用的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管(S C R)发展到如今性能各异且类型诸多的全控型功率开关，如双极型晶体管(B J T)、门极关断晶闸管(G T O)、绝缘栅双极型晶体管(I G B T)、集成门极换向晶闸管O G C T)、功率场效应晶体管(M O S F E T)及场控晶闸管(M C T)等。2 0 世纪9 0 年代发展起来的智能功率模块(I P M)贝U 开创了功率半导体开关器件新的发展方向。功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽调S J J(P W M)控制为基础的各类变流装置，如变频

28、器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛应用。但是，目前这些变流装置很大一部分需要整流环节以获得直流电压，由于常规整流采用了二极管不可控整流电路或晶闸管相控整流电路，造成网侧电流畸变与滞后，这是谐波污染和无功消耗的根源。实现变流装置网侧电流正弦化且运行于单位功率因数是根治上述弊病的根本，现代P W M 整流器(又称单位功率因数整流器(U n i t yP o w e rF a c t o rC o n v e r t e r)【l】)实现网侧电流正弦化且可运行于单位功率因数。数字信号处理器(D S P)的发展，使整流器控制系统可以将更为复杂的算法

29、编程实现，很大程度提高了控制效果，且系统更为稳定。近十几年来，各种整流器控制策略不断出现，提出了多种新颖且易于实现的算法，提高了整流器的功率因数，增强了系统的稳定性。经过几十年的研究与发展，P W M 整流器技术已日趋成熟。P W M 整流器主电路从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；P W M 开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制：功率等级从千瓦级发展到兆瓦级，而主电路既有电压源型整流器(V o l t a g eS o u r c eR e c t i f i e r-V S R)，也有电流源型整流器(C u r

30、 r e n tS o u r c eR e c t i f i e r-C S R)，两者在工业上均成功地投入应用。由于P W M 整流器实现了网侧电流正弦化且运行于单位功率因数，甚至能量可双向传输，因而真正实现了“绿色电能变换”。由于P W M 整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而这一特性使P W M 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、有源电力滤波、统一潮流控制、超导储能、高压直流输电、电气传动、新型U P S 以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等。1青岛大学硕士学位论文1 2P W M 整流器的发展自2 0 世纪9 0 年代以

31、来，P W M 整流器一直是学术界关注和研究的热点。随着研究的深入，基于P W M 整流器拓扑结构及控制的拓展，相关的应用研究也发展起来，如静止无功补偿(S V G)、有源滤波器(A P p)圆、。超导储能(s M E s)【3】、电气传动(E D)【4 1、高压直流输电(H V D C)【5】以及统一潮流控制(U P F C)【6】等，这些应用技术的研究，又促进了P W M 整流器及其控制技术的进步和完善。这一时期P W M 整流器的研究主要集中于以下几个方面：1 1P W M 整流器的建模与分析；2)P W M 整流器的电流控制策略；3)主电路拓扑结构研究；4)系统控制策略研究：5)电流源

32、型P W M 整流器研究。具体简述如下：1 P W M 整流器数学模型的研究P W M 整流器数学模型是P W M 整流器及其控制技术研究的基础。自A W G r e e n等提出了基丁坐标变换的P W M 整流器连续、离散动态数学模型之后，各国学者以不同方法从各方面对P W M 整流器的数学模型进行了深入仔细的研究，其中R W u、S B D e w a n 等【7-8】较为系统地建立Y P W M 整流器的时域模型，并将时域模型分解成高频、低频模型，且给出了相应的时城解。而C h u nT R i m 和D o n gYH u 等利用局部电路的砌坐标变换建立了P W M 整流器基于变压器的

33、低频等效模型电路 9 1，并给出了稳态、动态特性分析。在此基础k H e n g c h u nM a o 等人又建立了一种新颖的降阶小信号模型，从而简化了P W M 整流器的数学模型及特性分析【1 0 1。2 P W M 整流器电流控制策略的研究为了使电压型P W M 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P W M 整流器技术发展过程中，电压型P W M 整流器网侧电流控制策略主要分成两类：一类是由J W D i x o n 和B T O o i 首先提出的“间接电流控制【“】策略；另一类就是目前占主导地位的“直接电流控 韦1 J 1 2 1 3 1”策略。“间接电流控制”实际上就是所谓的“幅相 电流控制，即通过控制电压型P W M 整流器的交流侧电压基波幅值、相位，进而间接控制其网侧电流。由于“间接电流控制”其网侧电流的动态响应慢，且对系统参数变化灵敏