PWM整流系统的研究.docx

书目摘要2ABCTRCT2第一章绪论31.1 探讨背景意义、及其现状31.1.1 探讨背景及现状31.1.2 探讨意义及发展趋势31.2 主要探讨内容4第2章PWM整流器拓扑结构及其原理42.1PWM整流器的拓扑结构与基本原理42. 1.1PWM整流器的拓扑结构42. 2三相整流器基本原理7第三章三相PWM整流器的数学模型92.1 三相abc静止坐标系数学模型102.2 两相B静止坐标系数学模型103. 3两相dq旋转坐标系数学模型10第四章三相叫M整流器限制系统设计113.1 基于电流内环的限制器设计114. 2基于电压外环的限制器设计13第五章PHM整流系统的仿真探讨154.1 Matlab简介155. 2三相VSR系统仿真16第六章总结与展望17参考文献17第一章绪论1.1 探讨背景意义、及其现状1.1.1 探讨背景及现状在现代电气技术领域中电力电子技术必不行少，并且在现代电气行业中应用特别广泛。在电力电子装置和电网当中，整流器是充当接口的成分。m整流器数学模型的探讨是PWM限制技术及变流技术的基础。从PWM整流器拓扑结构上讲，可以将PWV整流器分为电流型整流器和电压型整流器两大类。近年来可逆PWM整流器因在能量双向传输以及限制技术的发展快速所以整流器在电气相关领域得到了充分的应用。凡是能干脆将沟通电能转换为宜流电能的电路广泛称之为整流电路，在应用中构成立流电源装置，由于沟通电能大多数来自公共电网，因而是公共电网及电力电广装置的接口，其性能将影响电网的运行和电能质量口。在二十世纪七十年头末PWM限制技术应用于整流器上，当时因可关断器件的相关探讨及生产工艺上的进步，加快了PWM技术的探讨及应用。自二卜世纪九I年头以来，高功率因数整流器始终是探讨的热点，其应用的领域探讨也越来越多。随着探讨的深化，高功率因数整流器及其限制技术渐渐变的完善。迄今为止PMl整流器已经发展到了全控型器件，拓扑结构也发展为多相组合拓扑。1.1.2 探讨意义及发展趋势在电力变换中，基本变换形式有四种分别是：沟通-直流(AC/DC)、沟通-沟通(AC/AC)、直流-沟通(DC/AC),直流-直流(DCDC)流电能是由整流和大电容或电感灌波后能够得到的相对平滑的波形。在社会各行各业变流装置的运用都特别的广泛，但是在广泛运用的同时在谐波污染问题上却越来越严峻。传统的相控整流器在较早的时候就应用就相对普遍了再技术方面的相对比较成熟，但是也会对电网产生的谐波进行污染并且在闭环限制时会影响相控整流的响应速度，使其响应速度变慢。变流装置是引起谐波污染及无功功率的主要来源，为r减小谐波及无功功率带来的污染，因此有必要探讨设计高功率因数整流器，满意限制系统的高效率、高性能、高稳定性等要求。传统方式是采纳并联电容器来补偿无功功率，但是仅仅只能补偿固定的无功功率所以还是会产生并联谐振，使得滤波放大。随着不断的试验及探讨发觉多重化整流器倒是可以避开产生并联谐波，能够削减整流装置所产生的谐波和无功功率对电网的干扰。但是同样也存在较多的缺陷：运用系统元器件增多，电路结构过于困难造成系统成本增加并且系统损耗增大。脉冲宽度调制（PWM）技术进入变流领域后，胜利取代传统整流器并且取得良好的效果。PwM整流器可以实现功率因数为1或者可调，并且使电网的一侧输入电压和电流趋于正弦化，降低了电容、电感滤波器件和储能元件的要求，并且提高r系统响应时间。这种解决方式满意了高功率因数整流器的工业需求以及将来对PWV整流器的探讨供应了良好的动力。1.2 主要探讨内容这篇文章的主要探讨对象为三相电压型PWM整流器，利用PWM整流器为主电路拓扑结构进行限制，以及对PWM整流器数学模型的分析和建立。通过MatIab软件中SUmIink建立仿真模型，并且得到网测输入电压及输入电流的仿真波形。依据SimPOWerSyStem仿真模型，设计电压型PWM整流器限制系统。主要进行以下几个方面的工作：1 .具体阐述了PWM整流器的工作原理和数学模型的建立，电压型PMI整流器的拓扑结构和各个坐标系卜的数学模型，以及PwM整流器的瞬态换相过程。2 .针对PWM整流器两种限制策略在SUmlink下的仿真探讨，介绍PWM信号生成的空间矢量脉宽调制（SVPWM）。3 .对双闭环限制系统进行了分析，分析其电压外环、电流内环,最终进行了SUmIink仿真验证。第2章PWM整流器拓扑结构及其原理2.1PWM整流器的拓扑结构及基本原理2.1.1PWM整流器的拓扑结构随着电力电子技术发展的探讨及应用，PlYM整流技术得到广泛的发展和推广，至今已设计出多种叫M整流器I）PHM整流器的分类可以依据如下图2-1T所示:厂按江流储能形式分类器编单相电路按电网相数分类三相电路PWM整流器I多相电路按PWM开关周期嚼瑞j按桥臂结构分类慧髓：电平电路1.按调制电平分类三电平电路I多电平电路图2T-1整流器分类图由上图可知PWM整流器分类具有多种多样的性质，实际通过主电路结构和限制技术把PwM整流器基本分为电压型PWM整流器及电流型PWM整流器两种类型。不管是电压型整流器还是电流型整流器，其两种整流器的主电路结构都具有对偶性，主要区分在于电压型PWM整流器的结构简洁、损耗较低、限制便利，所以始终是人们重点探讨的对象，并且电压型的开关管是用场效应管（电压限制）。而电流型PvM整流器由于须要较大的直流储能电感，以及存在沟通侧滤波问题，并且电流型的开关管是用双极型大功率三极（电流限制），所以它的发展受到门忸约。随着技术的革新超导技术渐渐浮出水面，超导技术使得电流型PwM整流器有更大的优势，因为超导线圈可以干脆作为直流储能电感，克服了电流型PWM整流器原有的不足。电压型PlYM整流器的主要特征是直流侧采纳电容进行直流储能，使电压型PWM整流器直流侧呈低阻抗的电压源特征：电流型PWM整流器的主要特征是直流侧采纳电感进行宜流储能，从而使电流型PWM整流器直流侧呈现高阻抗的电流源特征。下面介绍几种常见的VSR电路拓扑结构。1.单相电压型PwM整流器（VSR）拓扑结构。图27-2a为电压型PWM整流器单相半桥主电路，图2T-2b为全桥主电路，由卜图可知，两种VSR沟通侧具有相同的电路结构。在图2T-2a中，单相半桥型VSR电路只有其中一个桥臂有功率开关管，而另一桥臂则是由两个电容相互串联而成的：在图2-l-2b中，单相全桥型VSR电路中图2T-3三相电压型PWM整流器半桥电路结构图2-1-4三相电压型PWM整流器全桥电路结构2.2三相整流舞基本原理在整个三相平衡对称系统当中，三相半桥VSR电路结构是最常运用到的，如图2-13所示。本小节采纳开关函数对三相半桥VSR的一般数学模型进行较为具体的描述，对开关模式利用单极性二值逻辑开关函数Sh可定义为：(2-1)k=a,b,c将三相电压型PWM整流器功率开关管的损耗等效电阻&及电感内阻R进行合并，合并为R=RI+Rs,然后采纳基尔霍夫定律来建立三相电压型PWM整流器a相的回路电压方程。如下式：(2-2)当V,导通而V,关断时，SE,KVen=Vdc5当匕关断时V,导通时,S.,=Oo由于Vaii=VdS,式(2-2)可以改写为：(2-3)同理，可以得到b,c相得电压方程式:(2-4)考虑到三相平衡，可以得到:(2-6)由(2-3)、(2-4)、(2-5)、(2-6)可得:(2-7)在图2-13中，任何时候限制器运行中总会有三个功率管是导通的，其开关模式共有8(2x2x2=8)种,因此直流侧电流1.可描述为:(2-8)此外，对立流侧电容正极点处应用基尔霍夫电流定律可得：(2-9)通过式子(2-3)至(2-9),并且对其中引入状态变量X,且X=1.il.1.VIJ,采纳已定义的单极性二值逻辑开关函数年描述的三相电压型PWM整流器一般数学模型的状态变量表达式为：(2-10)式中：(2-11)(2-12)(2-13)(2-14)通过式子(2-3)至(2-9)可以得出三相静止堆成坐标系(a,b,c)中，三相开关函数的模型结构如下图2-2T所示：图2-2T三相静止坐标系(a,b,c)中三相VSR开关函数模型结构第三章三相PWM整流器的数学模型迄今为止，PWM整流器的探讨设计已经有很多种的电路拓扑。其中三相半桥电压型PWM整流器相比其他PWM整流器的运用最为广泛。所以在本章的下文当中主要是对三相半桥性PWM整流器进行探讨，其中论述的PWM整流器均是三相半桥电压型PWM整流器。为了分析并设计出三相电压型PWM整流器系统，我们必需先设计出三相电压型PWM整流器的数学模型。首先,我们依据三相电压型PWM整流器的拓扑结构，利用所学过的电路基本定律在三相静止坐标系中来建立三相电压型PWM整流器的一般数学模型。我们可以假设：(1)假设电网电动势为三相平衡的，纯正弦波电动势：(2)假设网侧滤波电感1.是线性的，其内阻为RI且不考虑饱和；(3)假设三相VSR功率开关管导通电阻为上,实际的开关等效为志向开关并且及串联。假设三相电网电动势为巳a&,三相网侧电流分别为1.i11iJ,宜流侧负载为电Rl,直流电动势为电。依据以上假设，我们便可以得到三相电压型PWM整流器拓扑结构图。3.1 三ffiabc静止坐标系数学模型由图2T-3可知，利用基尔霍夫电压定律是可以建立VSR的，其中A相回路方程为：(3-1)同理就可以得到另外两相电压的回路方程。对三相VSR运用基尔霍夫电流定律KC1.,可以得到三相VSR在三相abc静止坐标系中的数学模型，如3-2式：(3-2)3.2 两相B静止坐标系数学模型为r对三相VSR在三相abc静止坐标系下的数学模型进行简化,削减上小节得到的式子(3-2)中的变量。可以将三相VSR在三相abc静止坐标系下的数学模型转化为两相«P静止坐标系下数学模型。以电网电压矢量E为例，令轴及a轴重合，B轴超前轴90",变换关系如图3-2-1所示，便可以知道其变换关系：(3-3)式中E,Eu为三相电压矢量在a和B轴上的投影。图3-2-1aB坐标系及abc坐标系的变换令同理可得：(3-4)(3-5)将式(3-3)、(3-4).(3-5)代入式(3-2)中，即可得到三相VSR在两相aB静止坐标系下的数学模型：(3-6)3.3两相dq旋转坐标系数学模型在上一节中对三相对称静止坐标系(a,b,c)中的三相VSR数学模型进行了分析。上式(3-6)中的三相电压型PWM整流器的网侧变量均为时变量，为此可以通过坐标改变将两相QB静止坐标系下的三相电压型PWM整流器模型转化为及三相沟通电网同步旋转的两相dq旋转坐标系下的数学模型，从而简化三相电压型PWM整流器数学模型。令q轴的初始相位及轴轴线重合，q轴超前d轴90,并且dq坐标系是以电网基波角速度为逆时针同步旋转，依据两者之间的关系如图3-3-1,可以得到变换矩阵：(3-7)式中«为q轴及轴夹角。变换方程为：(3-8)将式(3-8)代入式(3-6)中，可以得到三相VSR在同步旋转dq坐标下的数学模型：图3-3-1坐标系及dq坐标系的变换(3-9)由上式可得VSR在dq坐标系下系统模型如图3-3-2所示。三相VSR无功重量参考轴。在三相VSR整流系统当中，其限制方式一般都是采纳电压外环及电流内环的双环限制结构。其中三相VSR整流侧母线电压是有电压外环限制，电流内环则是依据电压外环输出的电流指令进行限制的。4.1 基于电流内环的限制器设计三相VSR整流器如上图2T-3所示,在dq坐标系中三相VSR模型可以表示为：(4-1)令dq坐标系中的q轴及电网电动势e切矢量进行重合，则其d轴重量E11=O.从三相VSR在两相同步旋转dq旋转坐标系下的数学模型式(47)可知，三相VSR限制器设计变得困难，因为两轴重量相互耦合。如若电流调整器采纳Pl调整时，可以采纳前馈解耦的限制策略，就可以实现耦合变量分别至此实现解耦。此时k、V.的限制方程如下：(4-2)上式中Ks及上为电流内环Pl调整器的比例及积分系数：i；、i；为id、1电流指令值。典型电流内环简化结构如图4-1所示。图4T电流内环限制结构在忽视电流环扰动E“代配，由图4-1可得电流内环系统的开环传递函数为：(4-3)当Pl限制器零点及电流限制对象传递函数的极点抵消，即r. =1.R,电流内环的闭环传递函数G,变成典型二阶系统：(4-10)式子中，=一,任反工。依据二阶最佳整定N6KyKFTSyi.5KnTs法"”,取J=O.707,可以计算出电流内环Pl调整器中的参数K母、llO为了电流环获得较快的电流跟随性，按典1型限制系统设计PI参数。用PI调整器的零点抵消传递函数中的极点,即:(4-4)将式(4-4)代入式(4-3)中即可得到开环传递函数为:G(三)=Kjf、KflWMs1.(,wS+1)(4-5)取系统阻尼比力0.707即可得出电流内环Pl调整器设计参数为:(4-6)由此可以得到电流环简化闭环的传递函数：Ga(三)=(4-7)从上式(4-7)可以看出，电流内环依据典型I型系统设计。若是将电流内环近似的看做一个惯性环节，假如开关频率足够高那么电流内环就会有较快的动态响应。在实际设计当中，要实现高功率因数运行可以设定无功电流指令iq*=O,这样就可以让无功电流限制环和有功电流限制环选择相同的PI调整器参数。4.2基于电压外环的限制器设计电压外环的设计主要是对直流输出电压进行稳定限制，限制有功功率的输出。首先我们须要分析出电压外环的限制结构，假设三相电网电动势三相平衡对称，开关频率远高于电动势基波频率。在忽视PWM谐波重量的状况下可以得出开关函数的低频重量：sa0.5"ICOSaW-0)+0.5<sh0.5MCs(</-0-2Q)+0.5()st.0.5"/CoS(N-<7+120)+0.5三相VSR电压外环限制框图如图4-2所示，设设电压外环采样时间常数为7,图中，KP和心分别为电压外环Pl限制器的比例及枳分系图4-2电压外环限制结构图图47中G(三)为电流内环传递函数，K为时变环节0.75,Cos，为了便利系统的设计，在该环节去最大比例增益最大值为0.75,由于最大增益对整个电压环稳定性影响较大，所以去最大值是一种极限的处理方法。考虑到电压环的抗扰性能，因此选择典型H型系统设计电压调整器。系统的开环传递函数为:G(三)=(4-9)OJ5Ky(Tj.S+)C7>2(7>+l>式中7=r+T,则电压外环中频宽为/?=/。由典型：阶系统参数整定关系刈得：(4-10)0.75KP"ICrtly22r2由此，得电压环中频带宽氏为：(4-10)T按典型H型系统整定关系得：0.75X,vhv÷1CTv=2ht2Tt2一般工程上综合考虑系统的动态跟随性，抗干扰性，取儿=?；”,代入得：(4-12)Tv5Tl(4-13)在综合考虑系统跟随性和抗扰性的同时，依据典型Il系统来设计电压环时，若选择频宽九=5,代入式(4-11)中，则可以得到电压外环PI限制器参数。(4-14)由上面各式，已经实现解耦，由此可得到出三相VSR的限制系统框图，如图4-3。图4-3三相PWM整流器限制框图通过43所示：我们知道由于给定参考电压Udc*及整流侧检测输出电压相互比较后，它们之间的差经过电压外环Pl限制器，得到的输出信号作为网测电流的dq轴上的电流iq*o为了达到整流器的单位功率因数的运行，我们首先设定id*为0,然后dq轴的电流相互比较后，得到的输出信号进入电流内环限制器，最终生成的指令生成PWM整流模块上IGBT的门级驱动信号，共分为六路，如此一来实现了三相PWM整流器的单位功率运行。第五章PWM整流系统的仿真探讨s. IMatlab简介MAT1.AB是由两个词组合而成的,分别是matrix和Iaboratory,意为矩阵工厂或者矩阵试验室。MAT1.AB是一个可以多维数值计算的第四代编程语言，可用于基数计算的高级语言。MAT1.AB可以进行矩阵操作计算、数值分析、绘图功能和数据处理等集成在一个易于运用的视窗环境当中,并且新版本中加入了对C+,Java,Fortran和Python等其他语言编写的程序接口，可以将基于MAT1.AB的算法及外部应用程序和语言(如C、C+、FOrtran、Java、COM以及MicrosoftExcel)集成的各种函数。2019年，MAT1.AB在工业和学术界拥有大约一百万用户，MAT1.AB用户来Fl于各种背毋的工程学家、科学家、经济学学家等。MAT1.AB是一种广泛应用于学术方面、探讨机构以及工业企业的全能软件。5.2三相VSR系统仿真仿真是在以数学模型已建立为基础的条件下，通过对系统模型的试验来探讨存在的或设计中的系统。本节应用Matlab2019b软件中的Simulink工具箱进行三相VSR的建模及仿真。仿真的主要参数设置为：三相对称电压源E为660V,负载电阻40Q仿真算法为0de23tb,网侧滤波电感1.为2mll,整流侧电容C为200u鼠设定仿真中，Is之后负载突然增大一倍。仿真主电路如图5T为主电路模型：图5-IPWM整流器模型图5-2为双闭环限制电路模型，主要是由宜流测电压外环及前馈电流内环组成：图5-2PWM整流器限制电路从仿真我们可以得知：直流母线电压经过及给定直流电压相比较,经过电压外环PI调整器的作用之后生成1轴重量上的电流。同样地,PWM网侧三相输入电流经过三相静止到两相静止的变换器之后，及锁相环检测得到的信号偏转角经过dq变换,得到dq两轴上的电流重量。令q轴参考电流为0,电压外环Pl调整之后的d轴生成d轴给定电流，然后dq轴检测电流分别及参考电流相比较，分别经过dq两轴上的电流PI调整器，得到了dq轴上的参考电压。dq参考电压及前面锁相环检测的偏转角经过dq逆变换、三相两相逆变换，及空间矢量生成六路PWM波形限制整流电路。下图为输出直流测电压，给定直流测电压为IlOoV,可以看出电压波形稳定，Is之后负载突变，很明显电压波形经过扰动之后，立刻回复稳定了，达到前面的给定电压值IlOOVo图5-4为直流测电流,可以看出，电流值经过负载突变之后，也能快速回复之前的稳定状态。图5-5为锁相环跟标幺值，作为dq变换的参考正弦及余弦角度的偏转角。图5-6为网测输入电流及输入电压，很明显网测三相电压及相电压能够达到功率因数为1的运行状态。以看出整流器功率因数保证为1，网侧相电压及相电流同相位，实现了单位功率因数限制。整流电压、电流由于Pl限制器的调整，始终保持稳定。图5-4直流测电流图5-5锁相环及标么值图5-6网测输入电压及输入电流第六章总结及展望为了进一步改善整流器的性能，木文针对三相电压PwM整流器进行了分析及探讨，并基于同步旋转坐标系建立了三相限制系统dq模型。主要做了如下工作：I.分析并建立了三相电压型PWM整流器的电路拓扑结构及双闭环限制系统。2 .具体介绍了电压外环和电流内环的双闭环限制方法，对Pl参数调整进行了推导及探讨。3 .利用matlab仿真平台中的SimUlink模块搭建了三相双闭环整流系统，并且能够实现整流，整流时能实现电网电流及电网相电压同相位相、同频率，同时网测输入电压及输入电流波形畸变较小。虽然这篇论文中做了以上的工作，但是由于学识有限，未能够利用更加先进、优化的调制策略来探讨PWM整流器，所以接卜来的工作就是接着深化探讨PWM整流瑞限制策略，达到更为优质的输出量。对三相电压型PwM整流器的功率因数进行更进一步的提高。PWM整流器具有比较好的发展前景，但在本文中只是在MatIab/Simulink软件中进行了仿真，在实际中任然还存在很多没有解决的问题，这些都是以后探讨中须要解决的问题。参考文献1李永东，高跃，候轩.大容量多电平变换器PWM限制技术现状及发展U1.电力电子技术，2019,39(5)：2-6.陈国呈.PWM逆变技术及应用M.北京：中国电力出版社,2019：222-248.3刘风君.现代逆变技术及应用M.北京：电子工业出版社，2019：132-142.4林渭勋等编著.现代电力电子技术.北京:机械工业出版社,社19:286287页5姜齐荣，赵东元.有源电力滤波器一结构原理限制M.科学技术出版社，2019：20-28.6鞠建勇.并联有源电力滤波器工程应用关键技术的探讨D.杭州：浙江高校,2009：117-125.7易嬷，唐雄民，彭永进.不行控整流回路参数优化设计的探讨J.电力电子技术，2019,41(1)：90-91.8王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿(第2版)V.北京：机械工业出版社，2019：386-400.9陶慈，杨梅柱.多重化整流电路的MAT1.AB仿真和谐波分析J.电力学报，2019,23(6)：463-466.10张崇巍,张兴.PWM整流器及其限制国.北京：机械工业出版社，社19：420-466.11叶盛，黄守道，黄科元，等.不对称电压下PWM整流器的限制策略U.电网技术,2019,34(10)：94-98.12庞延庆，王建民，张乃标.电网不平衡时三相PWM整流器主电路电感设计及输出性能探讨J.电气应用,2019,25(1)：77-81.13徐金榜，何顶新，赵金，等.电压不平衡状况下PWM整流器功率分析方法U1.中国电机工程学报,2019,26(16)：80-85.14张东升，韩波，张东来，等.VIENNA整流器的滞环电流限制探讨U1.电力电子技术，2019,42(6)：1-5.15王兆安，黄俊.电力电子技术(第4版)M北京：机械工业出版社，2019：150-169.16赵莉，柳毅.三电平电压型PWM整流器J.电力电子技术，2019,44(2)：17薄保中，苏彦民，马学亮.多电平最优空间矢量PWM限制方法的探讨1.J.中国电机工程学报，2019,22(2)：89-92.18张纯江，王炎，刘彦明，等.基于矢量限制的三相AC/DC软开关变流器的探讨J.电力电子技术，2019,33(4)：16-18.19刘刚，陈涛，严干贵，等.背匏背四象限变流器的限制系统设计J电力电子技术，2019,41(11)：1-3.20李有善.自动限制原理(第3版)M.北京：国防工业出版社,2019：429-436.21梅晓蓉，庄显义.自动限制原理M.北京：科学出版社，2019：58-62.22李时杰，李耀华,陈睿.背靠背变流系统中优化前馈限制策略的探讨J.中国电机工程学报,2019,26(22)：74-78.23张兴，张崇诚.PWM可逆变流器空间电压矢量限制技术的探讨J.中国电机工程学报:2019,21(10)：102-109.24陈伯时.电力拖动自动限制系统一运动限制系统(第3版)M.北京:机械工业出版社，2009：165-184.25贾俊川,李卫国.三相电压型PWM整流器限制特性U1.电力自动化设备，2019,30(4)：63-65.