大工春《電源技術》大作業(yè)答案.doc
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大連理工大學電源技術大作業(yè)學習中心:奧鵬遠程教育深圳學習中心(直屬)層 次: 高起專 專 業(yè): 電力系統(tǒng)自動化技術 年 級: 2013年春季 學 號: 131061128286 學生姓名: 王嵐 大工14春電源技術大作業(yè)及要求題目四:PWM整流器控制技術的發(fā)展總 則:對PWM整流器控制技術的原理及發(fā)展趨勢進行研究。撰寫要求:(1)介紹PWM整流器控制技術的基本原理及其主要特點。(2)對三相電壓型和電流型PWM整流器主要控制技術的原理進行闡述。(3)分析國內(nèi)外對PWM整流器控制技術的研究現(xiàn)狀,并對其發(fā)展趨勢進行展望。(4)總結(需要說明的問題)。(5)為區(qū)分離線作業(yè)是否獨立完成,請寫些自己對該課程的想法或者學習心得。PWM整流器控制技術的發(fā)展 PWM整流器可以實現(xiàn)功率因數(shù)校正和諧波抑制,網(wǎng)側電流且電能可雙向流動。早在20世紀70年代,國外就開始了該項技術的基礎研究。從20世紀80年代后期開始,隨著全控型器件的問世,采用全控型器件實現(xiàn)PWM高頻整流的研究進入高潮。 控制技術是PWM整流器發(fā)展的關鍵。就已發(fā)展的控制技術看,三相電壓型PWM整流器的電流控制技術有滯環(huán)PWM電流控制、固定開關頻率的電流控制、預測電流控制、矢量控制、直接功率控制、單周期控制。另外,狀態(tài)反饋控制、滑模變結構控制、基于Lyapunov非線性大信號方法控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等也都已經(jīng)成功應用在電壓型PWM整流器的控制上;電流型PWM整流器常用的調(diào)制技術包括載波調(diào)制PWM、特定諧波消除PWM和空間矢量PWM。 為此,本文分別就三相電壓型PWM整流器的電流控制技術和電流型PVVM整流器調(diào)制技術、原理、特點進行系統(tǒng)的分析和綜述,并評述了國內(nèi)對PWM整流器控制技術研究的主要貢獻。由此展望未來的控制技術。一、PWM整流器控制技術的基本原理及其主要特點 從電力電子技術發(fā)展來看,傳統(tǒng)的相控整流器應用時間較長,技術也成熟,且被廣泛應用,但其存在如下的諸多問題:1.晶閘管換相引起網(wǎng)側電壓波形畸變;2.網(wǎng)側諧波電流對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波“污染”;3.深控時,網(wǎng)側功率因數(shù)降低;4.閉環(huán)控制時,動態(tài)響應相對較慢。 針對這些問題,PWM整流器進行了全面的改進。其關鍵性的改進在于用全控型功率開關管取代了半控型功率開關管和二極管,以PWM斬控整流取代了相控整流或不控整流。因此,PWM整流器就取得了以下的優(yōu)良性能:1.網(wǎng)側電流為正弦波;2.網(wǎng)側功率因數(shù)控制;3.電能雙向傳輸;4.較快的動態(tài)控制響應。 由于電能的雙向傳輸,當PWM整流器從電網(wǎng)吸取電能時,其運行于整流工作狀態(tài);而當PWM整流器向電網(wǎng)傳輸電能時,其運行于有源逆變工作狀態(tài)。所謂單位功率因數(shù)是指:當PWM整流器運行于整流狀態(tài)時,網(wǎng)側電壓、電流同相(正阻特性);當PWM整流器運行于有源逆變狀態(tài)時,網(wǎng)側電壓、電流反相(負阻特性)。進一步研究表明,由于PWM整流器網(wǎng)側電流及功率因數(shù)均可控。因而可被推廣應用于有源電力濾波及無功補償?shù)确钦髌鲬脠龊稀?綜上可見,PWM整流器實際上是一個交、直流可控的四象限運行變流裝置。二、電壓型PWM整流器控制技術電壓型PWM整流器要控制的變量有兩個:一是整流器的輸出電壓,二是整流器輸入電流;前者要求穩(wěn)定輸出控制,后者要求跟隨輸入電壓的相位,因此PWM整流器控制結構常采用雙環(huán)控制系統(tǒng)。 (一)滯環(huán)PWM電流控制 PWM整流器滯環(huán)PWM電流控制是將實際輸入電流與指令電流的上、下限相比較,其交點作為開關點。指令電流的上、下限形成一個滯環(huán),從而控制輸入電流的變化。該類控制原理如圖1所示。 圖1三相PWM整流器滯環(huán)電流控制 這種控制方法的優(yōu)點是結構簡單,電流響應速度快,控制運算中未使用電路參數(shù),系統(tǒng)魯棒性好,應用較廣。缺點是開關頻率在一個工頻周期內(nèi)不固定,諧波電流頻譜隨機分布,因而給濾波器的設計帶來困難。 (二)固定開關頻率PWM控制 固定開關頻率的PWM控制是將指令電流和實際電流誤差經(jīng)比例調(diào)節(jié)后和三角波比較,其結果用來控制整流器主電路中開關元件的通斷。三相PWM整流器固定開關頻率控制原理如圖2所示。 圖2三相PWM整流器固定開關頻率控制這種控制方法克服了滯環(huán)電流控制方式開關頻率不固定的缺點,每相電流的變化只和該相輸人電壓和輸出電流有關,電流響應速度快,系統(tǒng)魯棒性好。 (三)預測電流控制預測電流控制的思想是從開關的在線優(yōu)化出發(fā),根據(jù)負載情況和給定的電流矢量變化率,推導出使電流誤差矢量趨勢于零的電壓矢量去控制PWM整流器的開關。圖3為三相PWM整流器預測電流控制原理圖。 圖3三相PWM整流器預測電流控制預測電流控制具有良好的控制效果,但其控制精度依賴于系統(tǒng)參數(shù),且在采樣頻率不高或受微處理器運算速度限制的情況下,其電流誤差比滯環(huán)電流控制要大。 (四)矢量控制基于dq坐標變換的矢量控制通過對PWM整流器有功和無功電流的控制,達到控制輸入電流的結果。圖4給出基于dq坐標變換控制的系統(tǒng)框圖。其中,電壓調(diào)節(jié)器輸出有功電流給定,為保證整流器的功率因數(shù)為1,無功電流給定=0。這種控制策略不僅具有直接電流控制的動態(tài)響應快、穩(wěn)態(tài)性能好、自身有限流保護能力等優(yōu)點,并且還可以消除電流穩(wěn)態(tài)誤差,使系統(tǒng)得到較好的動靜態(tài)性能。圖4 三相PWM整流器基于dq坐標變換矢量控制 (五)直接功率控制直接功率控制是通過對PWM整流器瞬時有功和無功功率的直接控制,達到直接控制瞬時輸入電流的結果?;陔妷旱闹苯庸β士刂剖且曰赿q坐標變換控制為基礎的。圖5所示為基于電壓的直接功率控制系統(tǒng)框圖。有功功率的給定值由PI調(diào)節(jié)器的輸出和反饋的直流電壓相乘得到,為保證整流器的功率因數(shù)為1,無功功率給定值設為0。有功和無功功率的計算公式為: (1) (2) 直接功率控制系統(tǒng)的結構和算法都較簡單,系統(tǒng)動態(tài)性能好,魯棒性強,容易實現(xiàn)數(shù)字化,且對于交流側電壓的不平衡和諧波失真也有一定的補償作用。圖5 三相PWM整流器基于電壓的直接功率控制 (六)單周期控制 單周期控制是一種非線性控制技術網(wǎng),同時具有調(diào)制和控制的雙重性。單周期控制電路主要元件包括積分器、復位單元、比較器和D觸發(fā)器等器件。圖6所示是PWM整流器單周期控制原理圖:圖6 三相PWM整流器單周期控制單周期控制技術的主要優(yōu)點是:控制電路簡單,在一個周期內(nèi)消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差,動態(tài)響應快,開關頻率恒定,抗電源擾動性好,魯棒性好。三、電流型PWM整流器的控制技術三相電流型PWM整流器拓撲及其控制系統(tǒng)結構如圖7所示。從理論上講,電壓型PWM整流器的控制策略均可以對偶地應用在電流型PM整流器上。但由于電流型直流側需要較大的電感儲能,交流側的濾波電容與網(wǎng)側電感一起組成LC濾波器易導致振蕩和電流畸變,其結構和控制相對復雜,僅有有限的幾種控制方法得到應用和研究。本文重點介紹電流型PWM整流器的在線PWM調(diào)制技術。圖7三相電流型PWM整流拓撲及控制系統(tǒng)結構 (一)載波調(diào)制PWM 載波調(diào)制PWM利用載波與調(diào)制信號的交點決定開關動作的位置,產(chǎn)生PWM信號控制電流型PWM整流器。載波信號一般采用三角波和鋸齒波,調(diào)制信號可以是正弦波、注入零序分量的正弦波、梯形波等。三角載波與網(wǎng)側電流正弦信號波調(diào)制圈產(chǎn)生的整流橋人端三相線電流PWM波形中,含有與載波頻率相關且邊(頻)帶與調(diào)制波頻率相關的諧波成分,幅值較大的諧波主要分布在載波頻率及其整數(shù)倍附近。由于電流型PWM整流器網(wǎng)側具有二階濾波環(huán)節(jié),這些諧波的存在可能引起網(wǎng)側動態(tài)過程電流諧振。 (二)特定諧波消除PWM應用特定諧波消除PWM可以將電流型PWM整流器人端三相線電流PWM波形中不希望有的低次諧波消除,并控制基波電流的大小。文獻1給出了消除偶數(shù)次諧波和奇數(shù)次諧波的方法。文獻2利用三個單相電流型PWM整流器構成三相電流型PWM整流器,減少了求解非線性超越方程組的工作量,但與三相六管的結構相比,功率開關管增加了一倍。文獻3提出了一種在控制基波電流的大小的同時,消除任意次諧波的方法。 (三)空間矢量PWM三相電流型PWM整流器的六個開關管總共有9種開關狀態(tài),需采用三值邏輯PWM信號發(fā)生技術。定義三值邏輯開關函數(shù)為由電流型整流器的9種開關狀態(tài)構成的電流空間矢量圖如圖8所示。幾為6個非零矢量,為三個零矢量,當零矢量有效時,直流側電流通過二極管續(xù)流,三相電流型PWM整流器交流側不輸出任何電流。 圖8 電流空間矢量及扇區(qū)劃分4、 PWM整流器控制技術的研究現(xiàn)狀 目前,PWM整流器控制技術的研究取得了一定的進展。在電壓型PWM整流器控制技術方面,滯環(huán)電流控制4、瞬時值比較法電流控制5、固定開關頻率的PWM控制6、預測電流解耦控制7、非線性系統(tǒng)反饋解耦控制8、單周期控制、無電流傳感器的三相PWM整流器控制策略9均得到研究。另外,文獻10提出了一種新的帶初始磁鏈估計的虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測器方案。文獻11提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡電流內(nèi)環(huán)控制加混合模糊PI電壓外環(huán)控制的雙環(huán)控制結構。在電流型PWM整流順控制方面,文獻12-文獻15相繼對電流型PWM整流器的Dalta調(diào)制、空間矢量調(diào)制、預測控制、電網(wǎng)不平衡條件下的控制、非線性控制進行了研究。五、控制技術研究展望 隨著PWM整流器控制策略研究的的不斷深入,其控制技術主要向以下三個方面發(fā)展:(一)電網(wǎng)不平衡條件下PWM整流器的控制技術研究 目前關于電網(wǎng)處于不平衡狀態(tài)時,PWM整流器的研究主要圍繞整流器網(wǎng)側的電感及直流側電容的設計準則,或者是通過控制系統(tǒng)本身去改善和抑制整流器輸入側的不平衡因素。為了使PWM整流器在電網(wǎng)處于不平衡狀態(tài)下仍能正常運行,必須提出相應的控制策略。 (二)將非線性控制理論應用到PWM整流器控制技術中 為提高PWM整流器的性能,研究人員開始將非線性狀態(tài)反饋控制,Lyapunov非線性大信號方法以及無源性控制理論應用到PWM整流器控制中。待研究的主要問題是最佳能量函數(shù)和反饋控制率的確定方法。 (三)智能控制技術的研究針對PWM整流器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中的PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)難以確定,以及系統(tǒng)參數(shù)具有非線性和時變性的問題,為進一步提高PWM整流器的性能,將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制結合起來,利用模糊邏輯的智能推理機制和神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習能力,將能組成更好的控制方案。六、結論本文對PWM整流器控制技術原理、特點及三相電壓型和電流型PWM整流器主要控制技術的原理,以及國內(nèi)在PWM整流器控制領域的主要研究成果進行了綜述,同時展望了控制技術的發(fā)展趨勢。PWM整流器的控制策略均有各自的優(yōu)點和不足之處??梢灶A測的是,隨著電力電子技術的不斷發(fā)展,PWM整流器控制技術將會不斷地發(fā)展和深入,從而促進WPM整流器更廣泛地應用在更廣闊的領域。參考文獻:1HKarshenas,HKojori,SDewan.Generalizedtechniquesofselectiveharmoniceliminationandcurrentcontrolincurrentsourveinverters/convertersJ.IEEETransPowerElectron,1995,10(5):566-573.2MSalo,HTuusa.Avectorcontrolledcurrent-sourcePWMrectifier withanovelcurrentdampingmethodJ.IEEETransPowerElectron,2000,15(3):464-470.3DSharon,F(xiàn)WFuchs.SwitchedlinkPWM currentsource 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