【文章內(nèi)容簡介】 隨著微機技術(shù)的發(fā)展，指令周期的縮短，計算功能的增強，存儲容量的增加，數(shù)字化 PWM 將有更廣闊的前景。數(shù)字化 PWM 是 PWM 控制技術(shù)發(fā)展的主流方向。但傳統(tǒng)的 SPWM 法比較適合于 模擬電路實現(xiàn)，而不適應(yīng)于現(xiàn)代電力電子技術(shù)數(shù)字化的發(fā)展趨勢。故一直以來人們都在努力研制一種新型的易于實現(xiàn)數(shù)字化的 PWM 控制方法。 八十年代中期，國外學(xué)者 H. W. 等在交流調(diào)速中提出磁鏈軌跡控制的思想，進而發(fā)展產(chǎn)生了電壓空間矢量脈寬調(diào)制 (SVPWM)的概念。SVPWM 控制技術(shù)是一種優(yōu)化了的 PWM 控制技術(shù)。和傳統(tǒng)的 SPWM 法相比，SVPWM 法具有直流利用率高 (比傳統(tǒng)的 SPWM 法提高了約 15%)，諧波少，控制簡單，易于數(shù)字化實現(xiàn)等優(yōu)點。而且電壓空間矢量的不同調(diào)制方法在不同程度上可以緩解開關(guān) 頻率與開關(guān)損耗之間的矛盾問題。正是由于 SVPWM 控制的這些優(yōu)點，使得本課題的研究具有現(xiàn)實意義。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 6 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大量由電力電子開關(guān)構(gòu)成的、具有非線性挑特 性的用電設(shè)備使電網(wǎng)中的諧波污染狀況日益嚴(yán)重。電網(wǎng)中的高次諧波會對電力系統(tǒng)中的各部分設(shè)備造成嚴(yán)重影響，因此，必須采取有效的措施來消除電網(wǎng)中的高次諧波。目前大量采用并聯(lián)型無源濾波器來抑制諧波，但由于并聯(lián)型的無源濾波器存在不少問題，影響到實際應(yīng)用。所以目前的趨勢是采用電力電子裝置進行諧波補償，這就是電力有源濾波器 ( APF)。與無源濾波器 ( PF)相比 ,電力有源濾波器能對變化的諧波進行迅速的動態(tài)跟蹤補償，而且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。 有源電力濾波器是當(dāng)前對電網(wǎng)中諧波污染補償或抵消的有效手段，本文對有源電力濾波系統(tǒng)的工作原理進行了理論研究和分析。 MATLAB /SIMULINK提供的 SimPower 工具箱基本涵蓋了電力系統(tǒng)建模和仿真的各個方面。利用SimPower 工具箱對有源電力濾波器裝置進行了建模和仿真，能夠?qū)⒂性措娏V波器的工作過程及有關(guān)波形準(zhǔn)確直觀地顯示出來，驗證了理論分析的正確性。 本文主要要完成以下幾項任務(wù)： 詳細分析空間電壓矢量脈寬調(diào)制 (SVPWM)技術(shù)的基本原理。 簡介有源電力濾波器的工作原理和結(jié)構(gòu)種類，諧波檢測方法。 對 SVPWM 的控制算法進行詳細地分析和推導(dǎo)。 利用 MATLAB 中的 SIMULTNK 動態(tài)仿真工具實現(xiàn) SVPWM 控制算法的動態(tài)仿真；同時在此基礎(chǔ)上建立 SVPWM 逆變器有源電力濾波器系統(tǒng)仿真模型，詳細分析了此種情況下系統(tǒng)的動態(tài)性能仿真。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 7 第二章 空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的理論基礎(chǔ) 傳統(tǒng)的 SPWM 控制技術(shù)主要著眼于使逆變器輸出電壓盡量接近正弦波，對電流波形一般只能采取間接控制。而在 實際應(yīng)用中，異步電機需要輸入電流盡量接近正弦波，從而在空間上形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。如果對準(zhǔn)這一目標(biāo)，按照跟蹤圓形磁場來控制 PWM 電壓，那么控制效果就會更直接。這就是“磁鏈跟蹤控制”的基本思想。磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到的，所以這種方法又叫做“電壓空間矢量調(diào)制”，即 SVPWM。 SVPWM技術(shù)最初是應(yīng)用在電機調(diào)速領(lǐng)域的，后來擴展成為一種在整流 /逆變領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的 PWM 方法。本節(jié)將從傳統(tǒng)的磁鏈跟蹤角度來介紹 SVPWM 技術(shù)的基本原理。 電壓空間矢量的概念 電壓空間矢量是按照電壓所加 在繞組的空間位置來定義的。電動機的三相定子繞組可以定義一個三相平面靜止坐標(biāo)系，如圖 。 圖 電壓空間矢量 這是一個特殊的坐標(biāo)系， A, B, C 分別表示在空間靜止不動的電機定子三相繞組的軸線，它們在空間互差 120176。三相定子相電壓 UA、 UB、 UC 分別加在三相繞組上，可以定義三個電壓空間矢量 uA0 、 uB0 、 uC0 ，它們的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時間按正弦規(guī)律做變化，時間相位互差 120176。 假設(shè) U? 為相電壓有效值， f 為電源頻率，則有： ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???????????????322c o s2322c o s22c o s2????????tfUtUtfUtUtfUtUAAA （ 21） f?2uA0uB0uC0)(tUABC安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 8 假設(shè)單位方向矢量 ??32j?，則電壓空間矢量相加的合成空間矢量 ??tU 就可以表示為： ? ? ? ? ? ? ? ?? ? eUtUUtUU ftjCBA ???? 22 2t32t ??????? （ 22） 可見 ??tU 是一個旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值不變，為相電壓峰值；當(dāng)頻率不變時，以電源角頻率 f2??? 為電氣角速度做恒速同步旋轉(zhuǎn)，哪一相電壓為最大值時，合成電壓矢量就落在該相的軸線上。 三相逆變器的基本電壓矢量 圖 所示為三相電壓型逆變器結(jié)構(gòu)圖。利用這種逆變器功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)和順序組合，以及開關(guān)時間的調(diào)整，以保證電壓空間矢量圓形軌跡為目標(biāo)，就可以產(chǎn)生諧波少的、且直流電源電壓利用率較高的 輸出。圖 中的 V1V6 是 6 個功率開關(guān)管，引入開關(guān)函數(shù) SA, SB 和 SC，分別代表三個橋臂的開關(guān)狀態(tài)。 圖 三相電壓型逆變器結(jié)構(gòu)圖 規(guī)定：當(dāng)上橋臂開關(guān)管“開”狀態(tài)時 (此時下橋臂開關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài) )，開關(guān)狀態(tài)為 1；當(dāng)下橋臂開關(guān)管“開”狀態(tài)時 (此時上橋臂開關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài) )，開關(guān)狀態(tài)為 0。三個橋臂只有“ 1”和“ 0”兩種狀態(tài)，因此開關(guān)函數(shù) SX(X=A, B, C)是一個二值變量，上橋臂器件導(dǎo)通時 SX=1，下橋臂器件導(dǎo)通時 SX=0 0 (SA, SB, SC)組合在一起，一共有 8 種基本工作狀態(tài) ，即： 100，110， 010， 011， 001， 101， 111， 000。其中前六個工作狀態(tài)是有效的，稱做非零矢量；后兩個工作狀態(tài)稱做零矢量?？梢酝茖?dǎo)出，三相逆變器輸出的線電壓矢量 ? ?TCABCAB UUU , 與開關(guān)函數(shù) ? ?TSCSB,SA, 的關(guān)系為： ???????????????????????????????SCSBSAUUUUdCABCAB101110011 (23) 三相逆變器輸出的相電壓矢量 ? ?TU,U,U CBA 與開關(guān)狀態(tài)矢量 ? ?TSCSBSA , 的關(guān)系為： 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 9 ??????????????????????????????????SCSBSAUUUUdCBA21112111231 (24) 式中， Ud 是直流電源電壓或稱總線電壓。式 (23)和 (24)的對應(yīng)關(guān)系可用表 21來表示。 表 21 開關(guān)狀態(tài)與相電壓和線電壓的對應(yīng)關(guān)系 將表 21 中的八組相電壓值代入式 (22)，就可以求出這些相電壓的矢量和相位角，這八個矢量就稱為基本電壓矢量，可分別命名為 U0(000)， U1(001)， U2（ 010）， U3(011)， U4(100)， U5(101)， U6(110)， U7(111)，其中 U0， U7 稱為零矢量。圖 給出了八個基本電壓空間矢量的大小和位 置。其中非零矢量的幅值相同 (模長為 2Ud/3)，相鄰的矢量間隔 60176。 ，而兩個零矢量幅值為零，位于中心。 表 21 中的線電壓和相電壓值是在圖 所示的三相 ABC 平面坐標(biāo)系中。利用 clark 變換，可將三相 ABC 平面坐標(biāo)系中的相電壓轉(zhuǎn)換到 ?? 平面坐標(biāo)系中去。其轉(zhuǎn)換式為： ????????????????????????????????UUUUUCBA232302121132?? （ 25） 根據(jù)式 ((25)，可將表 21 中與開關(guān)函數(shù) SA， SB， SC 相對應(yīng)的相電壓轉(zhuǎn)換成?? 平面直角坐標(biāo)系中的分量，轉(zhuǎn)換結(jié)果見表 22 和圖 SA SB SC UA UB UC UAB UBC UCA 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 3Ud? 3Ud? 32Ud 0 Ud? Ud 0 1 0 3Ud? 32Ud 3Ud? Ud Ud 0 0 1 1 32Ud? 3Ud 3Ud Ud 0 Ud 1 0 0 32Ud 3Ud? 3Ud? Ud 0 Ud 1 0 1 3Ud 32Ud? 3Ud Ud Ud 0 1 1 0 3Ud 3Ud 32Ud? 0 Ud Ud 1 1 1 0 0 0 0 0 0 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 10 表 22 開關(guān)函數(shù)與相電壓在 ?? 坐標(biāo)系的分量 SA SB SC U? U? 矢量符號 0 0 0 0 0 U0 0 0 1 Ud61? Ud21? U1 0 1 0 Ud61? Ud21 U2 0 1 1 Ud32? 0 U3 1 0 0 Ud32 0 U4 1 0 1 Ud61 Ud21? U5 1 1 0 Ud61 Ud21 U6 1 1 1 0 0` U7 圖 在復(fù)平面下三相逆變器的基本電壓矢量圖 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 11 第三章 有源電力濾波器的研究 有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型 建立有源電力濾波器主電路的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上確定其控制系統(tǒng)的控制方案，即電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)的控制方法 。電流內(nèi)環(huán)通常采用滯環(huán)控制、三角波比較控制以及電壓空間矢量控制等方法。本章重點研究電壓空間矢量控制并將其與無差拍控制結(jié)合作為電流內(nèi)環(huán)的控制方法，以提高補償電流跟蹤控制的實時性。為了維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，采用 PI 調(diào)節(jié)器對電容電壓進行控制，并給出 PI 參數(shù)的設(shè)計方法。 三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器主電路如圖 所示，圖中， ee cbae、 為三相電源電壓，將點 O 作為零電位參考點得到的 A, B, C, N 這四個點的電壓可以表示為 ua 、 ub 、 uc 、 un ， R 和 L 分別表示主電路交流側(cè)的等效電阻和電感， ica 、 icb 、 icc 是有源電力濾波器的補償電流， Udc 是直流側(cè)電容兩端的電壓。 圖 三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器的 主電路 為了分析方便而忽略了主電路中功率開關(guān)器件的通態(tài)壓降，交流側(cè)接口感 的非線性，直流側(cè)電壓的波動，電源內(nèi)阻抗與線路阻抗以及死區(qū)時間的影響。 根據(jù)基爾霍夫電壓定律得到有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型為： ????????????????????idieuidieuidieucccccccbcbbbcacaaaRdtLRdtLRdtL （ 31） 并且有： uUSXu ndcx ?? (32) 將式（ 32）代入式（ 31）可得： 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 12 ???????????????????????euUidieuUidieuUididcccccbndccbcbandccacaSCRdtLSBRdtLSARdtL （ 33） 假設(shè)是三相對稱系統(tǒng)，則有： ????? ??? ??? 00e iii ee cccbc