【文章內(nèi)容簡介】 功和容性無功， PWM 整流器運(yùn)行在整流狀態(tài)。當(dāng)矢量 .alU 端點(diǎn)運(yùn)動至 C 點(diǎn)， Ia超前 Ua， PWM 整流橋的網(wǎng)側(cè)顯現(xiàn)純電容特性。當(dāng)矢量 .aU 端點(diǎn)由 C 點(diǎn)運(yùn)動至 D 點(diǎn)的過程中， PWM 整流器需要從電網(wǎng)放出有功和吸收容性無功， PWM 整流器運(yùn)行在逆變狀態(tài)。當(dāng)矢量 UaL 端點(diǎn)運(yùn)動至 D 點(diǎn)， Ua 與 Ia 反相， PWM 整流橋的網(wǎng)側(cè)顯現(xiàn)負(fù)電阻特性。當(dāng)矢量 UaL 端點(diǎn)由 D 點(diǎn)運(yùn)動至 A 點(diǎn)的過程中， PWM 整流器需要從電網(wǎng)放出有功和吸收感性無功， PWM 整流器運(yùn)行在逆變狀態(tài)。 三相 VSR 數(shù)學(xué)模型 三相 VSR 的一般數(shù)學(xué)模型 三相 VSR 一般數(shù)學(xué)模型就是根據(jù)三相 VSR 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在三相靜止 坐標(biāo)系(a,b,c)中利用基爾霍夫電壓和電流定律，對 VSR 建立一般數(shù)學(xué)描述。假設(shè)電網(wǎng)電動勢為三相對稱正弦波，網(wǎng)側(cè)電感為線性電感。三相 PWM 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖中 26 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 9 所示。 Ea ， Eb 和 Ec 為三相對稱電源相電壓， ia， ib 和 ic 為三相相電流， Udc 為直流側(cè)電壓， L 為交流側(cè)濾波電感， R 為電感及關(guān)開管的等效電阻， VT1 至 VT6 開關(guān)管組成三相 PWM 整流橋。為分析方便，定義開關(guān)函數(shù) , 為： ),k01 cbaS k ????? （通上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo) 斷上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān) 圖 三相 VSR 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 由基爾霍夫電壓定律寫出三 VSR 電壓方程 : anodcaaa RiuusedtdiL ???? )(bnodcbbb RiuusedtdiL ???? )( odcccc RiuusedtdiL ???? )( 由基爾霍夫電流定律得： dcccbbaadc isisisidtduc ???? 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 10 三相 VSR dq 模型 在三相電壓型變流器中，交流側(cè)的電壓和電流都含有三個分量，這給系統(tǒng)的控制帶來難度，考慮到相電壓和相電流分別滿足約束條件： Ea+Eb+Ec=0 和 Ia+Ib+Ic=0,一般地，設(shè)矢量： V 的三個分量滿足約束條件： Va+Vb+Vc=0 ,下面對向量 V 進(jìn)行一般性研究進(jìn)行。 Va+Vb+Vc=0 實(shí)質(zhì)上在三維歐氏空間定義了一個子空間 Χ。 定義 abc 坐標(biāo)系到 dq 坐標(biāo)系的變換矩陣為 CroC23，對 abc 標(biāo)系的任一矢量： ?????????????????????????????????)32s i n ()32s i n ()s i n (.????????tvtvtvvvvvnmnmnmcba 其在 dq 坐標(biāo)系的象為 ? ?Tqa vv, ,即： ?????????????????cbaroqdvvvCCvv23 上述變換稱為： abc → dq 變換 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 11 abc →ab 變換 定義 abc 坐標(biāo)系到 ab 坐標(biāo)系的變換矩陣為 Cab，對 abc 坐標(biāo)系的任一矢量 : ? ??????????????????????????????????)32s i n ()32s i n (s i n.????????tvtvtvvvvvnmnmnmcba 其在 ab 坐標(biāo)系的象為 :? ?Tvv ??, ,即 : ?????????????????cbavvvCvv???? 上述變換稱為： abc→ab 變換。 VSR dq 模型的建立 上式中相電壓、相電流以及開關(guān)量都是三維矢量，可用 abc → dq 變換將 變換成二維矢量，即： ???????????????????????????????????????????????????cbaroqdcbaroqdcbaroqdmmmCCmmiiiCCiieeeCCee 232323 , 則： ???????????????????????????????????????????????????qdrcbaqdrcbaqdrcbammCCmmmiiCCiiieeCCeee132132132 , 由以上兩式得： 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 12 ???????????????????????????qdrqdrdcqdrqdr iiCRCmmccueeCCiiCCdtdL132123132132 )( 上式兩邊右乘 roCC23 得： ???????????????????????????????????????? ?qdqddcqdqdqdiiRmmueeiidtdLiiL *0110? 將其寫成頻域中的形式為： ?????????????????????????????qddcqdqdmmuiiRLsLLRLsee?? VSR 的 dq 模型見圖 所示。 圖 三相 VSR 的 dq 模型 三相電壓型 PWM 整流器的控制 常用控制方法 為了使三相電壓型 PWM 整流器運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，可以有多種控制方法。 根據(jù)有沒有引入交流側(cè)電流反饋可分為兩種，引入交流側(cè)電流反饋的稱為直接電基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 13 流控制，沒有引入交流側(cè)電流反饋的稱為間接電流控制。直接電流控制，是根據(jù)交流側(cè)電壓電流矢量關(guān)系來控制整流器交流側(cè)電壓，使得交流側(cè)電流和電壓同相位。這種控制方法在信號 運(yùn)算過程中要用到交流電感量 L 和電阻 R 。當(dāng) L 和 R 的運(yùn)算值有誤差時，必然會影響到控制交果。些外，這種控制方法是基于系統(tǒng)的靜態(tài)模型設(shè)計(jì)的，其動態(tài)特性較差。因此，間接電流控制的系統(tǒng)應(yīng)用較少。間接電流控制通過運(yùn)算求出交流端電流指令值，再用交流電流作為反饋量，交流電流跟蹤指令電流值。直接電流控制響應(yīng)速度快，對系統(tǒng)參數(shù)依賴不敏感，因而得到了廣泛的應(yīng)用。直接電流控制可分為固定開關(guān)頻率電流控制和滯環(huán)電流控制等。固定開關(guān)頻率電流物理意義清晰，控制算法簡便，且實(shí)現(xiàn)方便。且由于開關(guān)頻率固定，交流側(cè)濾波電感及變壓器設(shè)計(jì)方 便。但在開關(guān)頻率比較小的情況下，電流動態(tài)響應(yīng)速度比較慢，且動態(tài)誤差隨電流變化率變化而變化。相比之下，而滯環(huán)電流控制則具有較快的電流響應(yīng)速度，且電流誤差只取決于滯環(huán)寬度，與電流變化率無關(guān)。但主要不足在于開關(guān)頻率隨電流變化率變化而變化，使網(wǎng)側(cè)濾波電感設(shè)計(jì)困難，開關(guān)損耗增大，大大限制了其在功率變流領(lǐng)域的應(yīng)用。圖 為三相 VSR 固定開關(guān)頻率 PWM 電流控制原理。穩(wěn)態(tài)時，三相靜止坐標(biāo) abc 中的指令電流為具有一定頻率、相角和幅值的正弦波信號；而二相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 dq 中的指令電流為時不變直流信號。當(dāng)電流 內(nèi)環(huán)均采用 PI 控制時，無法實(shí)現(xiàn)電流無靜差控制。 圖 為三相 VSR 固定開關(guān)頻率 PWM 電流控制原理。穩(wěn)態(tài)時，三相靜止坐標(biāo) abc 中的指令電流為具有一定頻率、相角和幅值的正弦波信號；而二相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 dq 中的指令電流為時不變直流信號。當(dāng)電流內(nèi)環(huán)均采用 PI 控制時，無法實(shí)現(xiàn)電流無靜差控制。 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 14 圖 abc 坐標(biāo)系中三相 VSR 固定開關(guān)頻率 PWM 電流控制原理 而兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 dq 中的 PI 電流調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)電 流無靜差控制，如圖 所示。顯然，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流控制方案具有更好的穩(wěn)態(tài)性能。要求較高的三相 VSR PWM 電流控制，一般優(yōu)先采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的固定開關(guān)頻 PWM 電流控制方案。 圖 dq 坐標(biāo)系中三相 VSR 固定開關(guān)頻率 PWM 電流控制原理 三相 VSR 的解耦控制方法 采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的固定開關(guān)頻率 PWM 電流控制方案，能獲得較高的三相 VSR PWM 電流控制。由式下式可知， VSR 的 dq 軸變量相互耦合，因而給 控制器設(shè)計(jì)造成一定困難。為此可采用前饋解耦控制策略，當(dāng)電流調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)節(jié)。 設(shè) ： dqddilird eLiiisKKu ?????? ?))(( * qdddilirq eLiiisKKu ?????? ?))(( * 用圖表示如圖 所示。 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 15 圖 三相 VSR 的解耦控制 三相 VSR 空間矢量控制 空間矢量 PWM 控制策略是依據(jù)變流器空間電壓矢量切換來控制的變流器。空間矢量 PWM 控制策略早期由日本學(xué)者在 20 世紀(jì)八十年代初針對交流電動機(jī)變頻驅(qū)動而提出的其采用逆變器空間電壓矢量的切換 以獲得準(zhǔn)圓旋轉(zhuǎn)磁場 。 將 SVPWM 應(yīng)用于 VSR 控制之中，主要繼承了 SVPWM 電壓利用率高、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)?；诠潭ㄩ_關(guān)頻率的 SVPWM 電流控制，利用 dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中電流調(diào)節(jié)器輸出空間電壓矢量指令，再采用 SVPWM 使 VSR 的空間電壓矢量跟蹤電壓矢量指令，從而達(dá)到電流控制的目的。前面所述，基于前饋解耦控制策略的電流調(diào)節(jié)器輸出在了 dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中 VSR 交流側(cè)空間電壓矢量指令值 Ud 和 Uq。下面介紹如何采用 SVPWM 使 VSR 的空間電壓矢量跟蹤電壓矢量指令，也就是使： qqdcdddc umuumu ?? , 寫成 矩陣形式： ?????????????qcqddc uummu 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 16 第 3 章 蓄電池充放電裝置的硬件設(shè)計(jì) 為了研究基于 PWM 的蓄電池充放電裝置，根據(jù)前面章節(jié)對 PWM 整流器工作原理和控制策略的理論分析，本論文設(shè)計(jì)了一臺功率等級為 的樣機(jī)。樣機(jī)設(shè)計(jì)