风力发电_三相双pwm控制变流系统讲义.docVIP

风力发电_三相双PWM控制变流系统讲义 ———————————————————————————————— 作者： ———————————————————————————————— 日期： 三相双PWM控制变流系统 张海燕 一 概述 传统的整流器由二极管或晶闸管组成，由于其控制简单，工作可靠，故作为电力电子设备的电网接口在工业领域得到了广泛的应用，然而这类整流器存在以下主要缺点： 〔1〕输入电流谐波含量较高，成为电网主要的谐波污染源； 〔2〕从电网吸收无功功率，输入功率因数较低； 〔3〕能量单向传递，只能从交流侧传递到直流侧； 而 PWM 整流器技术较好地同时解决了以上问题，其主要特点有： 〔1〕输入电流高度正弦化； 〔2〕输入功率因数可调，既可运行于单位功率因数，也可完成无功补偿； 〔3〕能量可在交流侧、直流侧间双向流动； 因此研制高性能 PWM 整流器，对于未来实现传动领域大容量、高效能的电机调速系统有深远意义。 PWM整流器工作原理 〔1〕主电路拓扑 电压型PWM整流器包括单相、三相以及半波、全波PWM整流器，它们有个共同特点就是在PWM整流器直流输出侧有一个电容作为储能元件。图1-1给出了三相VSR的主电路拓扑构造，可以看出，主电路中采用了6个开关管，此构造与三相逆变器的构造非常相似，但是，其主电路的输出是直流侧，而三相逆变器的输出是交流侧。主电路中交流侧有3个滤波电感，用来滤除网侧电流的谐波。 图1-1　三相VSR主电路拓扑图 〔2〕工作原理 PWM整流器采用了全控器件，不同于一般传统意义上的AC/DC变换器。由于电流在其主电路中具有双向流动性，这就决定了PWM整流器能够工作于不同的状态。 当PWM整流器从电网吸收能量时，它就运行于整流状态。反之，假设PWM整流器向电网传输能量时，PWM整流器就工作于有源逆变状态。实际上，PWM整流器是一个其交、直流侧均可控的四象限运行的变流装置。 图1-2　PWM整流器等效模型 PWM整流器可以等效为如图1-2所示的模型电路。从图1-2可以看出：PWM整流器模型电路由交流回路、功率开关桥路以及直流回路组成。交流侧电压、网侧电流分别为，，〔j=a,b,c〕，直流侧电压、电流为，由交直流功率平衡关系，有 　　　 〔2-1〕 所以，从交流侧就能控制直流侧的各个量。对于交流侧，根据图1-2，可以得到式〔2-2〕 E=+V 〔2-2〕 式中E为电网电动势，为电感两端的电压，V为交流侧电压，从而可以得到如图1-3的静态矢量关系。 忽略各量的谐波分量，并且忽略交流侧电阻，假设保持| I |不变，那么|| =ωL| I |也固定不变，随着V的变化，的变化轨迹将是一个以||为半径的圆。对于〔图1-3〕a，可以看到，当PWM整流器纯电感特性运行时，网侧电流I与电网电压E相位角为90度。此时V处于与E同相位；假设改变V，使之处于〔图1-3〕b的位置，此时可以看到I与E同相位，此时就是所说的单位功率因数运行状态；假设V到达〔图1-3〕c的位置时，I超前于E的相位角90度，此时处于纯电容特性运行；〔图1-3〕d所示的是V处于D点时，其电流与E反相位，处于负阻性运行状态。 图1-3　PWM整流器交流侧静态矢量关系 从图中还可以看出，当V矢量的端点在AB圆弧运动时，PWM整流器运行于整流状态，需从电网中吸收有功及感性无功功率，电能从电网流向负载。并在B点实现单位功率因数运行，只吸收有功功率；而在A点只吸收无功功率；在BC圆弧上运动时，PWM整流器运行于整流状态，需从电网中吸收有功及容性无功功率，电能从电网流向负载；在CD圆弧上运动时，处于有源逆变状态，向电网传输有功功率及感性无功功率；在DA段运动时，处于有源逆变状态，向电网传输有功功率及容性无功功率。 PWM整流器数学模型与控制策略 〔1〕三相PWM整流器的数学模型 假设： 〔a〕电网电动势为三相平衡的、纯粹弦波电动势。 〔b〕网侧滤波电感是线性的，其内阻为且不考虑饱和。 〔c〕功率开关管的导通电阻为，实际的开关等效为理想开关与串联模型。三相电网电动势为[]，三相网侧电流分别为[]，直流侧负载为电阻，直流电动势为。将三相VSR功率开关管的损耗等效电阻与电感内阻合并为，即。采用基尔霍夫定律建立三相VSR回路方程，可以得到： 〔3-1〕 〔3-2〕 〔3-3〕 〔3-4〕 式中，，是三相桥臂的开关函数，其值为0或1，=1表示下标对应的桥臂上管导通，下管关闭，=0表示下标对应的桥臂上管关闭，下管导通，Vn0是