風(fēng)力發(fā)電三相雙PWM控制變流系統(tǒng)講義

1、三相雙pwm控制變流系統(tǒng)張海燕一 概述傳統(tǒng)的整流器由二極管或晶閘管組成，由于其控制簡單，工作可靠，故作為電力電子設(shè)備的電網(wǎng)接口在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，然而這類整流器存在以下主要缺點(diǎn)：（1）輸入電流諧波含量較高，成為電網(wǎng)主要的諧波污染源；（2）從電網(wǎng)吸收無功功率，輸入功率因數(shù)較低；（3）能量單向傳遞，只能從交流側(cè)傳遞到直流側(cè)；而 pwm 整流器技術(shù)較好地同時(shí)解決了以上問題，其主要特點(diǎn)有：（1）輸入電流高度正弦化；（2）輸入功率因數(shù)可調(diào)，既可運(yùn)行于單位功率因數(shù)，也可完成無功補(bǔ)償；（3）能量可在交流側(cè)、直流側(cè)間雙向流動(dòng)；因此研制高性能 pwm 整流器，對(duì)于未來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)領(lǐng)域大容量、高效能的電機(jī)調(diào)速

2、系統(tǒng)有深遠(yuǎn)意義。1 pwm整流器工作原理（1）主電路拓?fù)潆妷盒蚿wm整流器包括單相、三相以及半波、全波pwm整流器，它們有個(gè)共同特點(diǎn)就是在pwm整流器直流輸出側(cè)有一個(gè)電容作為儲(chǔ)能元件。圖1-1給出了三相vsr的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以看出，主電路中采用了6個(gè)開關(guān)管，此結(jié)構(gòu)與三相逆變器的結(jié)構(gòu)非常相似，但是，其主電路的輸出是直流側(cè)，而三相逆變器的輸出是交流側(cè)。主電路中交流側(cè)有3個(gè)濾波電感，用來濾除網(wǎng)側(cè)電流的諧波。圖1-1三相vsr主電路拓?fù)鋱D（2）工作原理pwm整流器采用了全控器件，不同于一般傳統(tǒng)意義上的ac/dc變換器。由于電流在其主電路中具有雙向流動(dòng)性，這就決定了pwm整流器能夠工作于不同的狀態(tài)。

3、當(dāng)pwm整流器從電網(wǎng)吸收能量時(shí)，它就運(yùn)行于整流狀態(tài)。反之，若pwm整流器向電網(wǎng)傳輸能量時(shí)，pwm整流器就工作于有源逆變狀態(tài)。實(shí)際上，pwm整流器是一個(gè)其交、直流側(cè)均可控的四象限運(yùn)行的變流裝置。圖1-2pwm整流器等效模型pwm整流器可以等效為如圖1-2所示的模型電路。從圖1-2可以看出：pwm整流器模型電路由交流回路、功率開關(guān)橋路以及直流回路組成。交流側(cè)電壓、網(wǎng)側(cè)電流分別為，（j=a,b,c），直流側(cè)電壓、電流為，由交直流功率平衡關(guān)系，有 （2-1）所以，從交流側(cè)就能控制直流側(cè)的各個(gè)量。對(duì)于交流側(cè)，根據(jù)圖1-2，可以得到式（2-2）e=+v （2-2）式中e為電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)，為電感兩端的電壓，v為

4、交流側(cè)電壓，從而可以得到如圖1-3的靜態(tài)矢量關(guān)系。忽略各量的諧波分量，并且忽略交流側(cè)電阻，若保持| i |不變，則| =l| i |也固定不變，隨著v的變化，的變化軌跡將是一個(gè)以|為半徑的圓。對(duì)于（圖1-3）a，可以看到，當(dāng)pwm整流器純電感特性運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流i與電網(wǎng)電壓e相位角為90度。此時(shí)v處于與e同相位；若改變v，使之處于（圖1-3）b的位置，此時(shí)可以看到i與e同相位，此時(shí)就是所說的單位功率因數(shù)運(yùn)行狀態(tài)；若v到達(dá)（圖1-3）c的位置時(shí)，i超前于e的相位角90度，此時(shí)處于純電容特性運(yùn)行；（圖1-3）d所示的是v處于d點(diǎn)時(shí)，其電流與e反相位，處于負(fù)阻性運(yùn)行狀態(tài)。圖1-3pwm整流器交流側(cè)靜

5、態(tài)矢量關(guān)系從圖中還可以看出，當(dāng)v矢量的端點(diǎn)在ab圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí)，pwm整流器運(yùn)行于整流狀態(tài)，需從電網(wǎng)中吸收有功及感性無功功率，電能從電網(wǎng)流向負(fù)載。并在b點(diǎn)實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，只吸收有功功率；而在a點(diǎn)只吸收無功功率；在bc圓弧上運(yùn)動(dòng)時(shí)，pwm整流器運(yùn)行于整流狀態(tài)，需從電網(wǎng)中吸收有功及容性無功功率，電能從電網(wǎng)流向負(fù)載；在cd圓弧上運(yùn)動(dòng)時(shí)，處于有源逆變狀態(tài)，向電網(wǎng)傳輸有功功率及感性無功功率；在da段運(yùn)動(dòng)時(shí)，處于有源逆變狀態(tài)，向電網(wǎng)傳輸有功功率及容性無功功率。2 pwm整流器數(shù)學(xué)模型與控制策略（1）三相pwm整流器的數(shù)學(xué)模型假設(shè)：（a）電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)為三相平衡的、純正弦波電動(dòng)勢(shì)。（b）網(wǎng)側(cè)濾波電感是線性的，

6、其內(nèi)阻為且不考慮飽和。（c）功率開關(guān)管的導(dǎo)通電阻為，實(shí)際的開關(guān)等效為理想開關(guān)與串聯(lián)模型。三相電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)為，三相網(wǎng)側(cè)電流分別為，直流側(cè)負(fù)載為電阻，直流電動(dòng)勢(shì)為。將三相vsr功率開關(guān)管的損耗等效電阻與電感內(nèi)阻合并為，即。采用基爾霍夫定律建立三相vsr回路方程，可以得到： （3-1） （3-2） （3-3） （3-4）式中，是三相橋臂的開關(guān)函數(shù)，其值為0或1，=1表示下標(biāo)對(duì)應(yīng)的橋臂上管導(dǎo)通，下管關(guān)閉，=0表示下標(biāo)對(duì)應(yīng)的橋臂上管關(guān)閉，下管導(dǎo)通，vn0是電源中心線和直流電容中點(diǎn)的電壓差，電流方程的節(jié)點(diǎn)是直流側(cè)電容一端的節(jié)點(diǎn)?？紤]到三相平衡，+=0， +=0，則有 （3-5） （3-6）（2）三相vsr

7、dq控制策略結(jié)合式（3-1）到（3-6），將三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，得到：其模型結(jié)構(gòu)圖1-4：圖1-4dq模型結(jié)構(gòu)圖（3）spwm空間矢量控制策略在目前的pwm調(diào)制方法中，空間矢量調(diào)制法可以獲得更高的直流電壓利用率和更低的輸出諧波，因而得到廣泛的應(yīng)用。另外，由于目前ti 2000系列dsp內(nèi)部都有空間矢量發(fā)生器，從而使得這一調(diào)制方法應(yīng)用更為方便。下面介紹一種軟件生成空間矢量調(diào)制的方法。圖1-5畫出了幾個(gè)基本的空間矢量以及扇區(qū)分布，圖中所示的是兩相固定坐標(biāo)，可以從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)經(jīng)坐標(biāo)變換得來，具體變換公式如下所示： （2-7）是轉(zhuǎn)子磁場軸與坐標(biāo)之間的電角度。圖1-5空間矢量圖其扇區(qū)計(jì)算

8、公式為：如果，則，否則 ；如果，則，否則 ；如果，則，否則 .則扇區(qū)為：令：每個(gè)扇區(qū)中電壓矢量的作用時(shí)間如表1-1所示。 123456表1-1不同扇區(qū)中電壓矢量的作用時(shí)間另外定義：dsp內(nèi)相應(yīng)的寄存器設(shè)置如表1-2。待添加的隱藏文字內(nèi)容2扇區(qū)123456cmpr1cmpr2cmpr3表1-2dsp內(nèi)比較寄存器的設(shè)置3 系統(tǒng)控制原理框圖pwm整流器系統(tǒng)控制原理框圖如圖1-6所示。圖1-6三相pwm控制器原理框圖由于輸入電感的濾波作用，整流器交流側(cè)的輸入可近似認(rèn)為是三相正弦電流，輸出呈直流電壓源特性，穩(wěn)態(tài)時(shí)的輸出直流電壓可保持不變。一般情況下，要求控制輸入電流與輸入電壓同相位，即輸入功率因數(shù)為1。

9、通常采用直流電壓外環(huán)和輸入電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。從圖中可知：主電路中三相電網(wǎng)輸入電壓通過自耦調(diào)壓器調(diào)壓，經(jīng)過rl濾波后送到ac/dc變換器中。本系統(tǒng)中ac/dc變換器為內(nèi)部集成有六個(gè)igbt管的預(yù)驅(qū)動(dòng)、過壓、過流、過溫保護(hù)于一體的智能ipm，控制簡單，體積小。變換器輸出直流電壓通過電容平波，最后連接負(fù)載?？刂齐娐凡糠忠詔ms320lf2812 dsp為核心，周邊電路包含三相交流電壓采樣電路，三相交流電流采樣電路，直流輸出電壓采樣電路，pwm輸出整形電路，pwm波形隔離與驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)處理電路等。控制算法全部在dsp內(nèi)完成。圖1-6虛線框內(nèi)為控制算法部分。（二）數(shù)字pid原理簡介圖2-5 所

10、示是pid控制框圖。圖2-5 pi調(diào)節(jié)器控制框圖目前常用的數(shù)字pid算法主要有以下兩種：1）位置式pid2）增量式pid 其中為調(diào)節(jié)器第個(gè)周期的輸出信號(hào)；為調(diào)節(jié)器的誤差信號(hào)；為比例系數(shù)；為積分系數(shù)，；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。pid調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)控制性能會(huì)造成很大的影響，以下進(jìn)行簡要分析：1 比例系數(shù) 對(duì)系統(tǒng)性能的影響1）對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響：比例控制加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快； 偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長；當(dāng)太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。若太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。2）穩(wěn)態(tài)特性的影響：加大比例控制，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但加大只減小誤差，卻不能完全消除

11、穩(wěn)態(tài)誤差。2 積分系數(shù)對(duì)控制性能的影響1）對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響：積分控制通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，太小，系統(tǒng)將不穩(wěn)定；偏小，振蕩次數(shù)較多；太大，對(duì)系統(tǒng)性能的影響減少。但合適時(shí)，過渡特性比較理想。2）靜態(tài)特性的影響：積分控制能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但若太大，積分作用太弱，以至不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。3 微分系數(shù)對(duì)控制性能的影響微分控制不能單獨(dú)使用，經(jīng)常與比例控制或積分控制聯(lián)合作用，構(gòu)成pd控制或pid控制。微分控制的作用，實(shí)質(zhì)上是跟偏差的變化速率有關(guān)，通過微分控制能夠預(yù)測(cè)偏差，產(chǎn)生超前的校正作用，可以較好地改善動(dòng)態(tài)特性，如超調(diào)量減少，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減少，提高

12、控制精度等。但當(dāng)偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長。當(dāng)偏小時(shí)，同樣超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間都較大。只有取得合適，才能得到比較滿意地控制效果。把三者的控制作用綜合起來考慮，不同控制規(guī)律地組合，對(duì)于相同地控制對(duì)象，會(huì)有不同地控制效果。一般來說，對(duì)于控制精度要求較高地系統(tǒng)，大多采用pi或pid控制。winger tuivasa-sheck, who scored two tries in the kiwis 20-18 semi-final win over england, has been passed fit after a lower-leg injury, while slater has been

13、 named at full-back but is still recovering from a knee injury aggravated against usa.both sides boast 100% records heading into the encounter but australia have not conceded a try since josh charnleys effort in their first pool match against england on the opening day.aussie winger jarryd hayne is

14、the competitions top try scorer with nine, closely followed by tuivasa-sheck with eight.but it is recently named rugby league international federation player of the year sonny bill williams who has attracted the most interest in the tournament so far.the kiwi - with a tournament high 17 offloads - h

15、as the chance of becoming the first player to win the world cup in both rugby league and rugby union after triumphing with the all blacks in 2011.id give every award back in a heartbeat just to get across the line this weekend, said williams.the (lack of) air up there watch mcayman islands-based web

16、b, the head of fifas anti-racism taskforce, is in london for the football associations 150th anniversary celebrations and will attend citys premier league match at chelsea on sunday.i am going to be at the match tomorrow and i have asked to meet yaya toure, he told bbc sport.for me its about how he

17、felt and i would like to speak to him first to find out what his experience was.uefa hasopened disciplinary proceedings against cskafor the racist behaviour of their fans duringcitys 2-1 win.michel platini, president of european footballs governing body, has also ordered an immediate investigation i

18、nto the referees actions.cska said they were surprised and disappointed by toures complaint. in a statement the russian side added: we found no racist insults from fans of cska. baumgartner the disappointing news: mission aborted.the supersonic descent could happen as early as sunda.the weather play

19、s an important role in this mission. starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. the balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-

20、day weather lives. it will climb higher than the tip of mount everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. as he crosses the boundary layer (called the tropopause),e can expect a lo

21、t of turbulence.the balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet ( then, i would assume, he will slowly step out onto something resembling an olympic diving platform.they blew it in 2008 when they got caught cold in the final and they will not make the same mistake against the kiwi

22、s in manchester.five years ago they cruised through to the final and so far history has repeated itself here - the last try they conceded was scored by englands josh charnley in the opening game of the tournament.that could be classed as a weakness, a team under-cooked - but i have been impressed by the kangaroos focus in their games since then.they have been concentrating on the sort of stuff that wins you tough, even contests - strong defence, especially on their o