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1、三相电流源并网电力变换器调制与控制技术研究第 1 章 绪 论1.1 课题研究背景和意义随着电力电子技术的迅速发展和电网规模的扩大，电力电子装置和非线性负载应用日益广泛，导致电力系统中的电压电流畸变严重，由此带来的谐波污染和无功功率损耗问题也日益严重，给系统的稳态运行带来巨大威胁。同时会影响电网中各种电气设备的正常工作，对邻近的通信设备造成干扰，导致继电保护和自动装置的误动作，对公用电网产生一系列危害。如何改善电网运行环境，提高电能质量成为电力电子领域亟待解决的问题。电力系统中的谐波来源于发电、输电、配电、用电环节，其中电力电子装置是最大的谐波污染源。整流器是电力电子装置中应用最为广泛的一种电能
2、转换电路，主要作为电网与用电设备的接口，其产生的谐波含量占电力网谐波总量的比重最高。传统的整流电路有二极管不控整流电路、晶闸管相控整流电路，如图 1-1 与 1-2 所示。二极管整流电路结构简单，不需要控制电路，但其直流输出电压不可控，仅由输入电压决定，交流侧输入电流含有大量谐波，功率因数很低，且能量只能单向流通。晶闸管相控整流可以通过改变触发角大小来改变直流输出电压，其控制技术已经非常成熟，但交流侧输入电流非正弦，且滞后于电网电压，功率因数很低，对电网产生严重的谐波污染。传统整流器的结构与控制电路简单，但存在谐波含量大、功率因数低的不足。为了减小电网谐波污染，提高系统运行效率与功率因数，国内
3、外各个组织都制定了相关限制谐波的标准，如我国于 1993 年制定的 GB/T 14549-1993电能质量公用电网谐波，国际组织制定的 IEEE519-1992、IEC555-2 等1-3。解决电力电子装置产生的谐波污染与无功功率损耗问题的基本思路主要有两种：被动式治理与主动式治理。其中被动式治理采用无源滤波器或有源滤波器对已产生的谐波和无功功率进行吸收和补偿；而主动式治理主要针对谐波污染源整流器装置，采用合适的控制方法，使网侧电流正弦化，减小网侧谐波含量，同时保证电网电流与电压同相位，使功率因数近似为 1。目前提高系统功率因数的整流器主要有多重化整流电路、PWM 整流器等4。多重化整流电路将
4、几个整流电路多重连结，增加整流电压的脉动数，减小交流侧输入电流谐波含量，但随着脉动数增多，系统功率器件增加，变压器结构更加复杂，系统体积、成本增加，功率密度及效率降低。PWM 整流器采用全控型功率器件，将正弦脉宽调制技术应用于整流电路，通过合适的控制，使网侧电流正弦化，且单位功率因数运行。PWM 整流器作为一种高效、绿色的电能变换器，具备能量双向流动，功率因数可调，输入电流连续且波形正弦化的优势，使得三相 PWM 整流器的研究一直是国内外学术界研究的热点。.1.2 电流型 PWM 变换器应用UPS 主要由前级整流器、储能装置和后级逆变器构成，可在电网发生故障时为用户设备继续供电，已经成为一种不
5、可或缺的电源设备。美国 GE 公司研制的 SG 系列与 SG-CE 系列的 UPS5-6，输出性能良好，可以为数据中心提供电源保护。GE 公司的 UPS 采用 CSR 整流器为后级逆变器供电，此时 CSR 相当于带电压型负载，整流器输出端并联大电容稳压。CSR 交流输入电流谐波畸变率小于 2%，效率高达 99%，输入侧功率因数为 0.99，转换时间小于 2ms，具有良好的电压调节能力和动态响应，适用于对电能质量要求较高的用户。当其应用于大功率场合时，最多可并联 6 个 UPS模块。图 1-4 为基于 CSR 整流器的双向能量转换 UPS 系统结构图。当供电设备正常工作时，UPS 工作在 SEM
6、(Super ECO mode)模式时，旁路开关 K6 将 CSR 整流器、蓄电池储能装置、逆变器旁路，电网直接供电给负载，同时三相电网电压经滤波器、CSR 整流将交流电能转换为直流电能后给蓄电池充电。当电网电压故障时，蓄电池作为直流电源经过逆变器 DC/AC 转换后，输出恒定幅值与频率的三相正弦交流电压供给用电设备。文献7针对 UPS 中的 CSR 整流器提出了一种鲁棒控制算法，采用直流输出电压外环交流电流内环双闭环控制结构，基于 20kVA 三相双向功率转换UPS 系统，实验验证了在不同的运行状况下，提出的算法可以实现输入电流正弦化且电压电流单位功率因数运行。.第 2 章 三相电流源并网变
7、换器系统分析2.1 引言本章首先介绍了三相电流源并网变换器的工作原理，建立了三相 CSR 在不同坐标系下的数学模型，为控制系统设计奠定基础。然后研究了三相 CSR 的正弦脉宽调制策略(sinusoidal pulse width modulation, SPWM)和空间矢量调制策略(space vectormodulation, SVM)，并分析了两种调制状态下系统的共模电压。在此基础上，提出一种减小共模电压的空间矢量调制方案(reduce common-mode voltage, RCMV)。为了验证 RCMV 方案可以减小系统共模电压幅值与变化率，进而减小系统电磁干扰，利用MATLAB/S
8、imulink 仿真软件对上述三种调制方案进行了仿真验证。.2.2 三相 CSR 工作原理三相 CSR 电路结构原理图如图 2-1 所示。它由 6 个主功率器件 S1S6组成，其中每个功率器件均串联一个二极管，以提高器件的反向阻断能力。交流侧是由电感 L、电容 C 构成的二阶低通滤波器，滤除电网电流的高频谐波。二极管 DF为电感电流提供续流回路，防止系统出现过电压。三相电压型整流器的基本工作方式为 180°导电方式，同一相上下桥臂开关管交替导通，在任意瞬间，将有三个桥臂同时导通。同一相上下桥臂开关管的驱动信号满足互补的逻辑关系，避免上下桥臂发生直通现象。为了验证本文提出的三相 CSR
9、减小共模电压调制方案的有效性，利用MATLAB/Simulink 软件对系统进行仿真研究，并对不同调制方案下系统的共模电压进行对比分析。三相 CSR 系统仿真参数：交流侧电压 380V/50Hz，交流侧滤波电感2.5mH，滤波电容 9.4 μF ，开关频率 10kHz，直流侧母线电压 400V，功率 5kW，直流侧滤波电感 2.5mH，滤波电容 940μF。仿真结果如下。图 2-16 为三相 CSR 电路 SPWM 调制仿真结果，电网电压与电流同相位，很好地实现了单位功率因数运行。系统共模电压幅值为交流侧电压幅值，与理论分析一致，共模电压分量出现在开关频率及其整数倍频率处，交流侧电
10、流呈三电平。.第 3 章 三相电流源并网变换器系统并网控制.363.1 引言 .363.2 软启动方案设计 .363.3 三相 CSR 谐振抑制策略.393.4 三相 CSR 双闭环控制策略.493.5 负载电流前馈控制策略 .523.6 仿真结果 .523.7 本章小结 .57第 4 章 实验平台设计.584.1 引言 .584.2 主电路硬件设计 .584.3 控制电路硬件设计 .634.4 系统软件设计 .664.5 本章小结 .68第 5 章 实验结果及分析.705.1 引言 .705.2 开关管驱动与保护实验波形 .705.3 不同调制方案实验结果分析 .715.4 闭环实验结果分析
11、 .745.5 本章小结 .79第 5 章 实验结果及分析5.1 引言第二章与第三章分别对三相 CSR 调制方式、控制策略进行了研究分析，本章在第四章介绍的实验平台基础上进行了实验验证。首先进行了三相 CSR 电路的 SPWM调制、SVPWM 调制、减小共模电压调制方案的对比实验，观察了三种调制方案下系统的共模电压变化。然后对系统在不加阻尼控制、无源阻尼与有源阻尼不同控制策略下分别进行了实验验证，对比分析实验结果。最后在负载阶跃变化时，对系统进行实验分析，研究负载电流前馈控制对系统瞬态响应速度的影响。本章对三相 CSR 的三种调制方式进行了实验研究，对比系统共模电压，并对系统的谐振抑制策略进行
12、了对比分析，最后对系统的软启动方案进行了测试。实验结果表明，系统软启动方案设计的可行性与有效性，能够抑制电路启动过程中的电流冲击，保护电路。在相同的实验参数下，低 CMV 调制可以有效减小系统共模电压变化范围，减小系统电磁干扰。同时，实验结果也验证了无源阻尼与有源阻尼控制可以抑制 LC 滤波器谐振，减小电网电流畸变，改善系统稳态性能。最后系统负载扰动实验波形验证了负载电流前馈控制可以提高系统抗输出扰动能力，改善系统动态响应。.结 论本论文以三相电流源并网变换器为研究对象，对其调制方案和控制技术开展研究，并通过 MATLAB 仿真软件对理论分析进行验证，最后设计搭建实验样机，完成了实验验证，得出
13、以下结论：(1) 针对三相电流源并网变换器系统，本文提出一种减小共模电压的方法，通过合理安排矢量作用顺序来减小共模电压变化范围与变化率，从而减小系统电磁干扰。(2) 本文设计了三相电流源并网变换器系统双闭环控制方案：直流输出电压外环电网电流内环控制，由于交流侧 LC 滤波器对谐振频率及其周围谐波分量有放大作用，本文采用电感并联电阻方式无源阻尼控制方案，设计阻尼电阻取值，抑制谐振尖峰。此外，本文采用电容电压反馈的有源阻尼控制方案，计算反馈系数，抑制 LC并联谐振，减小并网电流畸变。(3) 对于三相电流源并网变换器启动过程中的电流冲击，本文提出了一种软启动方案，相比于增加软启动电阻和逐渐增加开关管占空比与电压环给定的方法，该方法可以减小系统损耗，且不易受参数影响。(4) 为抵抗负载扰动，设计了三相 CSR 负载电流前馈控制，使负载变化信息提前反映在反馈通道中，加快系统动态响应速度，改善系统瞬态响应性能。.参考文献（略）