基于三相pwm整流器蓄电池充放电系统的研究与设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于三相pwm整流器蓄电池充放电系统的研究与设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

功和容性无功， PWM 整流器运行在整流状态。 当矢量 .alU 端点运动至 C 点， Ia超前 Ua， PWM 整流桥的网侧显现纯电容特性。 当矢量 .aU 端点由 C 点运动至 D 点的过程中， PWM 整流器需要从电网放出有功和吸收容性无功， PWM 整流器运行在逆变状态。 当矢量 UaL 端点运动至 D 点， Ua 与 Ia 反相， PWM 整流桥的网侧显现负电阻特性。 当矢量 UaL 端点由 D 点运动至 A 点的过程中， PWM 整流器需要从电网放出有功和吸收感性无功， PWM 整流器运行在逆变状态。 三相 VSR 数学模型 三相 VSR 的一般数学模型 三相 VSR 一般数学模型就是根据三相 VSR 拓扑结构，在三相静止 坐标系(a,b,c)中利用基尔霍夫电压和电流定律，对 VSR 建立一般数学描述。 假设电网电动势为三相对称正弦波，网侧电感为线性电感。 三相 PWM 整流器拓扑结构如图中 26 基于三相 PWM 整流器蓄电池充放电系统的研究与设计 9 所示。 Ea ， Eb 和 Ec 为三相对称电源相电压， ia， ib 和 ic 为三相相电流， Udc 为直流侧电压， L 为交流侧滤波电感， R 为电感及关开管的等效电阻， VT1 至 VT6 开关管组成三相 PWM 整流桥。 为分析方便，定义开关函数 , 为： ),k01 cbaS k  （通上桥臂关断，下桥臂导 断上桥臂导通，下桥臂关 图 三相 VSR 拓扑结构 由基尔霍夫电压定律写出三 VSR 电压方程 : anodcaaa RiuusedtdiL  )(bnodcbbb RiuusedtdiL  )( odcccc RiuusedtdiL  )( 由基尔霍夫电流定律得： dcccbbaadc isisisidtduc  基于三相 PWM 整流器蓄电池充放电系统的研究与设计 10 三相 VSR dq 模型 在三相电压型变流器中，交流侧的电压和电流都含有三个分量，这给系统的控制带来难度，考虑到相电压和相电流分别满足约束条件： Ea+Eb+Ec=0 和 Ia+Ib+Ic=0,一般地，设矢量： V 的三个分量满足约束条件： Va+Vb+Vc=0 ,下面对向量 V 进行一般性研究进行。 Va+Vb+Vc=0 实质上在三维欧氏空间定义了一个子空间 Χ。 定义 abc 坐标系到 dq 坐标系的变换矩阵为 CroC23，对 abc 标系的任一矢量： )32s i n ()32s i n ()s i n (.tvtvtvvvvvnmnmnmcba 其在 dq 坐标系的象为  Tqa vv, ,即： cbaroqdvvvCCvv23 上述变换称为： abc → dq 变换 基于三相 PWM 整流器蓄电池充放电系统的研究与设计 11 abc →ab 变换 定义 abc 坐标系到 ab 坐标系的变换矩阵为 Cab，对 abc 坐标系的任一矢量 :  )32s i n ()32s i n (s i n.tvtvtvvvvvnmnmnmcba 其在 ab 坐标系的象为 : Tvv , ,即 : cbavvvCvv 上述变换称为： abc→ab 变换。 VSR dq 模型的建立 上式中相电压、相电流以及开关量都是三维矢量，可用 abc → dq 变换将 变换成二维矢量，即： cbaroqdcbaroqdcbaroqdmmmCCmmiiiCCiieeeCCee 232323 , 则： qdrcbaqdrcbaqdrcbammCCmmmiiCCiiieeCCeee132132132 , 由以上两式得： 基于三相 PWM 整流器蓄电池充放电系统的研究与设计 12 qdrqdrdcqdrqdr iiCRCmmccueeCCiiCCdtdL132123132132 )( 上式两边右乘 roCC23 得：  qdqddcqdqdqdiiRmmueeiidtdLiiL *0110 将其写成频域中的形式为： qddcqdqdmmuiiRLsLLRLsee VSR 的 dq 模型见图 所示。 图 三相 VSR 的 dq 模型 三相电压型 PWM 整流器的控制 常用控制方法 为了使三相电压型 PWM 整流器运行在单位功率因数状态，可以有多种控制方法。 根据有没有引入交流侧电流反馈可分为两种，引入交流侧电流反馈的称为直接电基于三相 PWM 整流器蓄电池充放电系统的研究与设计 13 流控制，没有引入交流侧电流反馈的称为间接电流控制。 直接电流控制，是根据交流侧电压电流矢量关系来控制整流器交流侧电压，使得交流侧电流和电压同相位。 这种控制方法在信号 运算过程中要用到交流电感量 L 和电阻 R。 当 L 和 R 的运算值有误差时，必然会影响到控制交果。 些外，这种控制方法是基于系统的静态模型设计的，其动态特性较差。 因此，间接电流控制的系统应用较少。 间接电流控制通过运算求出交流端电流指令值，再用交流电流作为反馈量，交流电流跟踪指令电流值。 直接电流控制响应速度快，对系统参数依赖不敏感，因而得到了广泛的应用。 直接电流控制可分为固定开关频率电流控制和滞环电流控制等。 固定开关频率电流物理意义清晰，控制算法简便，且实现方便。 且由于开关频率固定，交流侧滤波电感及变压器设计方 便。 但在开关频率比较小的情况下，电流动态响应速度比较慢，且动态误差随电流变化率变化而变化。 相比之下，而滞环电流控制则具有较快的电流响应速度，且电流误差只取决于滞环宽度，与电流变化率无关。 但主要不足在于开关频率随电流变化率变化而变化，使网侧滤波电感设计困难，开关损耗增大，大大限制了其在功率变流领域的应用。 图 为三相 VSR 固定开关频率 PWM 电流控制原理。 稳态时，三相静止坐标 abc 中的指令电流为具有一定频率、相角和幅值的正弦波信号；而二相同步旋转坐标系 dq 中的指令电流为时不变直流信号。 当电流 内环均采用 PI 控制时，无法实现电流无静差控制。 图 为三相 VSR 固定开关频率 PWM 电流控制原理。 稳态时，三相静止坐标 abc 中的指令电流为具有一定频率、相角和幅值的正弦波信号；而二相同步旋转坐标系 dq 中的指令电流为时不变直流信号。 当电流内环均采用 PI 控制时，无法实现电流无静差控制。 基于三相 PWM 整流器蓄电池充放电系统的研究与设计 14 图 abc 坐标系中三相 VSR 固定开关频率 PWM 电流控制原理 而两相同步旋转坐标系 dq 中的 PI 电流调节器可实现电 流无静差控制，如图 所示。 显然，同步旋转坐标系下的电流控制方案具有更好的稳态性能。 要求较高的三相 VSR PWM 电流控制，一般优先采用同步旋转坐标系中的固定开关频 PWM 电流控制方案。 图 dq 坐标系中三相 VSR 固定开关频率 PWM 电流控制原理 三相 VSR 的解耦控制方法 采用同步旋转坐标系中的固定开关频率 PWM 电流控制方案，能获得较高的三相 VSR PWM 电流控制。 由式下式可知， VSR 的 dq 轴变量相互耦合，因而给 控制器设计造成一定困难。 为此可采用前馈解耦控制策略，当电流调节器采用 PI 调节。 设 ： dqddilird eLiiisKKu  ))(( * qdddilirq eLiiisKKu  ))(( * 用图表示如图 所示。 基于三相 PWM 整流器蓄电池充放电系统的研究与设计 15 图 三相 VSR 的解耦控制 三相 VSR 空间矢量控制 空间矢量 PWM 控制策略是依据变流器空间电压矢量切换来控制的变流器。 空间矢量 PWM 控制策略早期由日本学者在 20 世纪八十年代初针对交流电动机变频驱动而提出的其采用逆变器空间电压矢量的切换 以获得准圆旋转磁场。 将 SVPWM 应用于 VSR 控制之中，主要继承了 SVPWM 电压利用率高、动态响应快等优点。 基于固定开关频率的 SVPWM 电流控制，利用 dq 同步旋转坐标中电流调节器输出空间电压矢量指令，再采用 SVPWM 使 VSR 的空间电压矢量跟踪电压矢量指令，从而达到电流控制的目的。 前面所述，基于前馈解耦控制策略的电流调节器输出在了 dq 同步旋转坐标中 VSR 交流侧空间电压矢量指令值 Ud 和 Uq。 下面介绍如何采用 SVPWM 使 VSR 的空间电压矢量跟踪电压矢量指令，也就是使： qqdcdddc umuumu  , 写成 矩阵形式： qcqddc uummu 基于三相 PWM 整流器蓄电池充放电系统的研究与设计 16 第 3 章 蓄电池充放电装置的硬件设计 为了研究基于 PWM 的蓄电池充放电装置，根据前面章节对 PWM 整流器工作原理和控制策略的理论分析，本论文设计了一台功率等级为 的样机。 样机设计。