【文章內(nèi)容簡介】 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 6 2 三相 VSR 原理分析與建模 三相 VSR 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 電壓型 PWM整 流器 (Voltage Source )最顯著拓?fù)涮卣骶褪侵绷鱾?cè)采用電容進行直流儲能，從而使 VSR 直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性。 圖 12給出了三相半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通常所謂的三相橋式電路即指三相半橋電路。 三相電壓型 PWM整流器也是本文進行電路建模、參數(shù)計算和控制器設(shè)計的基礎(chǔ)。 三相電壓型 PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 21，圖中 ae 、 be 、 ce 為三相對稱電源相電壓； ai 、 bi 、 ci 為三相線電流； 61~VV 、 61 ~VDVD 分別是絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管； dcV 為直流電壓； R、 L為濾波電抗器的電阻和電感； C 為直流側(cè)電容； LR 為負(fù)載；Li 為負(fù)載電流。 圖 21三相半橋 VSR 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) PWM基本原理分析 從電力電子技術(shù)發(fā)展來看，整流器是較早應(yīng)用的一種 AC/DC 變換裝置。整流器的發(fā)展經(jīng)歷了由不控整流器 (二極管整流 )、相控整流器 (晶閘管整流 )到 PWM 整流器 (可關(guān)斷功率開關(guān) )的發(fā)展歷程。傳統(tǒng)的相控整流器，雖應(yīng)用時間較長，技術(shù)也較成熟，且被廣 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 泛使用，但仍然存在以下問題 : （ 1）晶閘管換流引起網(wǎng)側(cè)電壓波形畸變 。 （ 2）網(wǎng)側(cè)諧波電流對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波“污染” 。 （ 3）深控時網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低 。 （ 4）閉環(huán)控制時動態(tài)響應(yīng)相對較慢。 雖然二極管整流器，改善了整流器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，但仍會 產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)諧波電流以“污染”電網(wǎng) 。另外二極管整流器的不足還在于其直流電壓的不可控性。針對上述不足， PWM整流器已對傳統(tǒng)的相控及二極管整流器進行了全面改進。其關(guān)鍵性的改進在于用全控型功率開關(guān)取代了半控型功率開關(guān)或二極管，以 PWM斬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優(yōu)良性能 : （ 1）網(wǎng)側(cè)電流為正弦波 。 （ 2）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制 (如單位功率因數(shù)控制 )。 （ 3）電能雙向傳輸 。 （ 4）較快的動態(tài)控制響應(yīng)。 顯然， PWM 整流器已不是一般傳統(tǒng)意義上的 AC/DC 變換器。由于電能的雙向 傳送，當(dāng) PWM 整流器從電網(wǎng)吸取電能時，其運行于整流工作狀態(tài) 。而當(dāng) PWM 整流器向電網(wǎng)傳輸電能時，其運行于有源逆變工作狀態(tài)。所謂單位功率因數(shù)是指：當(dāng) PWM 整流器運行于整流狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)電壓、電流同相 (正阻特性 )。當(dāng) PWM 整流器運行于有源逆變狀態(tài)時，其網(wǎng)側(cè)電壓、電流反相 (負(fù)勝特性 )。進一步研究表明，由于 PWM 整流器其網(wǎng)側(cè)電流及功率因數(shù)均可控，因而可被推廣應(yīng)用于有源電力濾波及無功補償?shù)确钦髌鲬?yīng)用場合。 圖 22 PWM 整流器模型電路圖 PWM 整流器實際上是一個交、直流側(cè)可控的四象限運行的變流裝置。為便于理解，以下首先從模型電路闡述 PWM 整流器的原理。圖 22 為 PWM 整流器模型電路，可以看出 :PWM 整流器模型電路由交流回路、功率開關(guān)管橋路以及直流回路組成。其中交流回路包括交流電動勢 e 以及網(wǎng)側(cè)電感 L 等 。直流回路包括負(fù)載電阻 LR 及負(fù)載電動勢 Le 等 。功+L+idcidcvLRLeve 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 8 率開關(guān)管橋路可由電壓型或電流型橋路組成。 當(dāng)不計功率開關(guān)管橋路損 耗時，由交、直流側(cè)功率平衡關(guān)系得 dcdcivi?v 式中 v 、 i 是模型電路交流側(cè)電壓、電流 。 dcv 、 dci 是模型電路直流側(cè)電壓、電流。 由上式不難理解，通過模型電路交流側(cè)的控制，就可以控制其直流側(cè)，反之也成立。以下著重從模型電路交流側(cè)入 手，分析 PWM 整流器的運行狀態(tài)和控制原理。 CBD39。0 0EIV LV A CDAB039。0 EV IV L （ a） (b) CDABD039。0 EVIV L ABCD39。0 EVIV L0 (c) (d) 圖 23 PWM 整流器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系 穩(wěn)態(tài)條件下， PWM 整流器交流側(cè)矢量關(guān)系如圖 23 所示。 為簡化分析，對于 PWM 整流器模型電路，只考慮基波分量而忽略 PWM 諧波分量，并且不計交流側(cè)電阻。這樣可從圖 23 分析 :當(dāng)以電網(wǎng)電動勢矢量為參考時，通過控制交流電壓矢量 V即可實現(xiàn) PWM 整流器的四象限運行。若假設(shè) I 不變，因此 LV LI?? 也因此不變，在這種情況下， PWM 整流器交流電壓矢量 V 端點運動軌跡構(gòu)成了一個以 LV 為半徑的圓。當(dāng)電壓矢量 V 端點位于圓軌跡 A 點時，電流矢量 I 比電動勢滯后 90 度，此時PWM 整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)電感特性，如圖 23a 所示 。當(dāng)電壓矢量 V 端點運動至圓軌跡 B 端點時，電流矢量 I 與電動勢矢量 E 平行且同向，此時 PWM 整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)正電阻特性，如圖 23b 所示 。當(dāng)電壓矢量 V 端點運動至圓軌跡 C點時，電流矢量 I 比電動勢矢量 E 超前90 度，此時 PWM整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)純電容特性，如圖 23c 所示 。當(dāng)電壓矢量 V 端點運動至圓軌跡 D點時，電流矢量 I 與電動勢矢量 E 平行且反向，此時 PWM 整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)負(fù)阻特性，如圖 23d 所 示。以上， A, B, C, D 四點是 PWM 整流器四象限運行的四個特殊工作狀態(tài)點，進一步分析，可得 PWM 整流器四象限運行規(guī)律如下 : 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 9 (1)電壓矢量 V 端點在圓軌跡 AB 上運動時， PWM 整流器運行于整流狀態(tài)。此時， PWM整流器需從電網(wǎng)吸收有功及感性無功功率，電能將通過 PWM 整流器由電網(wǎng)傳輸至直流負(fù)載。值得注意的是，當(dāng) PWM 整流器運行在 B點時，則實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流控制 。而在 A點運行時， PWM 整流器則不從電網(wǎng)吸收感性無功功率，而只從電網(wǎng)吸收有 功功率 (2)當(dāng)電壓矢量 V 端點在圓軌跡 BC上運動時， PWM 整流器運行于整流狀態(tài)。此時，PWM 整流器需從電網(wǎng)吸收有功及容性無功功率，電能將通過 PWM 整流器由電網(wǎng)傳輸至直流負(fù)載。當(dāng) PWM整流器運行至 C 點時， PWM 整流器將不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只從電網(wǎng)吸收容性無功功率。 (3)當(dāng)電壓矢量 V 端點在圓軌跡 CD 上運動時， PWM 整流器運行于有源逆變 狀態(tài)。此時 PWM整流器向電網(wǎng)傳輸有功及容性無功功率，電能將從 PWM整流器直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。當(dāng) PWM整流器運行至 D點時，便可實現(xiàn)單位功率因數(shù)有源逆變控制。 (4)當(dāng)電壓矢量 V 端點在圓軌跡 DA 上運動時， PWM 整流器運行于有源逆變狀態(tài)。此時， PWM 整流器向電網(wǎng)傳輸有功及感性無功功率，電能將從 PWM 整流器直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。 實現(xiàn)四象限運行的控制方法有 : 一、 可以通過控制 PWM 整流器交流側(cè)電壓，間接控制網(wǎng)側(cè)電流 。 二、可以通過網(wǎng)側(cè) 電流的閉環(huán)控制直接控制 PWM 整流器的網(wǎng)側(cè)電流。 三相 VSR 的數(shù)學(xué)模型 三相 VSR 在三相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型 所謂三相 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)中利用電路基本定律 (基爾霍夫電壓、電流定律 )對 VSR 所建立的一般數(shù)學(xué)描述。三相 VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上圖 21所示。 針對三相 VSR 一般數(shù)學(xué)模型的建立，通常作以下假設(shè) : （ 1）電網(wǎng)電動勢為三相平穩(wěn)的純正弦波電動勢 (ae ,be ,ce )。 （ 2）網(wǎng)側(cè)濾波電感 L 是線性的，且不考慮飽和 。 （ 3）功率開關(guān)損耗以電阻 R ，表示，即實際的功率開關(guān)可由理想開關(guān)與損耗電阻 R ，串聯(lián)等效表 （ 4）為描述 VSR 能量的 雙向傳輸，三相 VSR 其直流側(cè)負(fù)載由電阻 LR 和直流電勢 Le 串聯(lián)表示。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 10 由上述假設(shè)得到三相電壓型 PWM 整流器的主電路數(shù)學(xué)模型如圖 24所示。圖中 ae 、be 、 ce 為三相對稱電源相電壓 (在圖中用 e(t)表示 )； ai 、 bi 、 ci 為三相線電流； dcv 為直流電壓； R 、 L 為濾波電抗器的電阻和電感； C 為直流側(cè)電容； LR 為負(fù)載； Li 為負(fù)載電流。 aS 、 bS 、 cS 為整流器的開關(guān)函數(shù)。 圖 24 三相整流器的主電路數(shù)學(xué)模型 根據(jù)三相 VSR 特性分析需要，三相 VSR 一般數(shù)學(xué)模型的建立可采用開關(guān)函數(shù)描述的一般數(shù)學(xué)模型，采用開關(guān)函數(shù)描述的一般數(shù)學(xué)模型是對 VSR 開關(guān)過程的精確描述，較適合于 VSR 的波形仿真。 以三相 VSR 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，建立采用開關(guān)函數(shù)描述的 VSR 一般數(shù)學(xué)模型，如圖 24所示，當(dāng)直流電動勢 Le =0 時，直流側(cè)為純電阻負(fù)載，此時三相 VSR 只能運行于整流模式，當(dāng) dcL v?e ，三相 VSR 既可運行于整流模式，又可運行于有源逆變模式當(dāng)運行于有源逆變模式時，三相 VSR 將 :所發(fā)電能向電網(wǎng)側(cè)輸送，有時也稱這種模式為再生發(fā)電模式 。當(dāng)。當(dāng) dcL v?e 時，三相 VSR 也只能運行于整流模式。 為分析方便，首先定義單極性二 值邏輯開關(guān)函數(shù) kS 為 ? ?cbaks k ,01 ????? （ 21） 1?ks ，表示上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷； 0?ks ，表示上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通。 將三相 VSR功率管損耗等值電阻 R，同交流濾波電感等值電阻 fR 合并，且令 fsR=R+R ,采用基爾霍夫電壓定律建立三相 VSR a 相回路方程 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 11 ()aa a a N N odiL R i e v vdt ? ? ? ? （ 22） 當(dāng) aV 導(dǎo)通而 ?aV 關(guān)斷時， Sa=1，且 dcaN vv ? 。當(dāng) aV 關(guān)斷而 ?aV 導(dǎo)通時，開關(guān)函數(shù) Sa=0，且 aNv =0，所以 adcaN Svv ? ，式 (22)改寫成 ()aa a d c a NodiL R i e v s vdt ? ? ? ? （ 23） 同理，可得 b相 , c 相方程如下： )( Nodcbbb vveRidtdiL ???? （ 24） )(Nodcccc vveRidtdiL ???? （ 25） 考慮到三相對稱系統(tǒng)， 0。0 ?????? cbacba iiieee （ 26） 聯(lián)立式（ 23） ~式（ 26），則 ???? cbak kdcNo svv,3 （ 27） 在圖 23 中，任何瞬間總有三個開關(guān)管導(dǎo)通，其開關(guān)模式有 8 種，因此，直流側(cè)電流 dci 可描述為 ccbbaadc sisisii ??? （ 28） 另外，對直流側(cè)電容正極節(jié)點處應(yīng)用基爾霍夫電流定律，得 LLdcccbbaadc R evsisisidtdvC ????? （ 29） 聯(lián)立式（ ） ~式（ ）得三相電壓型 PWM 整流器在三相靜止坐標(biāo)系（ a,b,c)下的開關(guān)函數(shù)數(shù)學(xué)模型為： ??????????????????????????????????LLdcccbbaadcdc