电力电子建模与控制8

1第8章三相变换器的原理及PWM控制8.1传统的电力电子装置8.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.3三相电压型调制8.4三相电流型调制8.5小结28.1传统的电力电子装置根据用途不同，三相PWM变流器分为三相PWM整流器和三相PWM逆变器：电力电子装置一般通过整流器与电网接口；整流器有二极管，晶闸管整流桥。传统的整流器38.1传统的电力电子装置整流桥直流侧负载为电感性负载48.1传统的电力电子装置整流桥直流侧负载为电容性负载58.1传统的电力电子装置晶闸管或二极管存在着如下的缺点：1）输入电流谐波含量高；2）输入功率因数低；3）整流器诸如电流有效值大，使整流器效率降低；4）使交流侧电网电压产生畸变。电力电子装置是电网的主要谐波源，成为电力公害。1994年颁布了《电能质量公用电网谐波》标准。传统整流器面临着前所未有的挑战。68.1传统的电力电子装置抑制电力电子产生谐波的方法有两种：1）被动式，采用无源滤波或有源滤波电路来旁路或补偿谐波；2）主动式，设计新一代高性能整流器，具有输入电流为正弦波、谐波含量低、功率因数高等优点。（也称为功率因数校正PFC）。78.1传统的电力电子装置88.1传统的电力电子装置对于低于100kw，开关频率较高的（20kHz-100kHz）要求三相PWM变换器的控制目标：1）消除可见的噪声信号；2）减小有源器件的体积；3）闭环系统文波的提高；※建模※控制器的设计98.1传统的电力电子装置建模：108.1传统的电力电子装置控制：118.1传统的电力电子装置三相PWM变换器的建模步骤如下：1）建立开关模型。不连续，时变系统；2）建立静止坐标系平均模型。静止坐标系平均模型是对静止坐标系下原开关模型经开关周期平均而得到的。连续的，但仍为时变系统。3）d、q旋转坐标系平均模型。将静止坐标系平均模型经d-q坐标变换，得到d-q旋转坐标系平均模型。它一般仍为连续的，非时变系统。4）求线性化小信号模型。128.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.1三相电量的空间矢量表示三相电源的联结方式138.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.1三相电量的空间矢量表示三相负载的联结方式148.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.1三相电量的空间矢量表示158.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.1三相电量的空间矢量表示三相电量表示为三维欧氏空间的矢量：1()00aut()()()()abcitititit欧氏空间的一组基为：()()()()abcvttvtvtv0()10but1()00aut168.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.1三相电量的空间矢量表示内积：点积：1,nTTiiivwvwvwwv范数（长度）：122222121,ninivvvvvvv,cosvwvw叉积：sinvwvw向量的范数：0maxxAxAx178.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.1三相电量的空间矢量表示线电压矢量模与相电压矢量模的关系：110110011011101101aballbcbphcacvvvvvvvv1101100110113101101aballbcbphphcacvvvvvvvvv188.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.2静止三维坐标变换如果或线电压0,abciii0,abbccavvv则在三维欧氏空间定义了一个子空间。可以证明，该子空间为一平面，且与矢量垂直。111T基于平面定义一个新坐标系，称为坐标系。定义如下：轴为a轴在平面上的投影；轴与矢量方向一致；轴根据右手定则确定。111T198.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.2静止三维坐标变换从abc坐标系至坐标系的变换矩阵为：且/1abcT/111222330322111222abcT/abcabcvTv/abcabciTi/abcabcvTv/abcabciTi//1/110221313222131222abcabcTabcTTT208.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.2静止三维坐标变换例如：asinvb2sin3vc2sin3vaabcphbcvvvv3sin23cos20phvvvv可以看出，在坐标系上电压矢量没有分量，即落在平面上。218.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.2静止三维坐标变换表示成极坐标形式表示为：()233cossin2232233cossin222jphvvev()333sincos63322332cossin6322jlvvev228.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.2静止三维坐标变换可见：1）在坐标系中，对三相对称正弦波供电，相电压矢量和线电压矢量的定点均为同一平面上的半径不等的圆。2）在坐标系上电压矢量没有分量，即落在平面上。可以用坐标系下的两维矢量来表示。因此，若在abc坐标系中的三相电量之和为零，可以简化为两维坐标系下的两维矢量来表示。238.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.3旋转变换例：图示电路，列写状态方程为：xxTvvabciiiiabcvvvv目的：寻找变换矩阵，使时变的矢量v，i在稳态时变换后的矢量为常矢量。且矩阵的逆存在和可微。tdRiLdivxxiTi248.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.3旋转变换式中，为d、q坐标系的旋转速度。cossin0sincos0001dqovvvvvv设dqo坐标系的o轴与的轴重合，则空间到dqo空间的坐标变换为：[]Tvv建立如图所示的坐标系，则平面上的旋转矢量在旋转dq坐标系下为常数矢量，坐标变换公式为：tcossinsincosdqvvvv258.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.3旋转变换于是：，因此：///22coscoscos33222sinsinsin333111222dqoabcdqodqoTTT逆矩阵就是从dqo坐标系至的坐标系的变换。记为qoqo/qo//abcabcdddvTvTTv/qodT从abc至dqo的变换矩阵为：/cossin0sincos0001dqoTqoqo/abcabcddvTv268.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.3旋转变换可以看到在dqo坐标系中相电压矢量和线电压矢量均是常值。qoqo/3243640dldabcllvTvqo/0320adqophdabcbcvvTvv278.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.3旋转变换可以证明：aTphphabcbaabbcccipvvviviviviiviaabbccddqqoovivivivivivivivivi表明：坐标变换保持功率守恒。288.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.3旋转变换298.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.3旋转变换308.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.3旋转变换318.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.3旋转变换328.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.3旋转变换338.2三相电量的空间矢量表示和坐标变换8.2.3旋转变换348.3三相电压型调制8.3.1SPWM由和决定开关的状态。refVcarV开关频率与载波频率一致fc。358.3三相电压型调制8.3.1SPWM368.3三相电压型调制三相PWM变流器按电路结构可分为三相电压型和三相电流型。三相电压型PWM变流器按用途可分为三相电压型整流器和三相电压型逆变器。8.3.1状态平均模型378.3三相电压型调制三相PWM变流器中应用的开关有两类：·电流双向二象限开关·电压双向二象限开关8.3.1状态平均模型均可以抽象为理想开关：388.3三相电压型调制三相电压型PWM整流器或逆变器中有6个开关器件。8.3.2三相电压型调制in1,,,ipssiabc每相上、下开关之间满足如下约束条件：定义开关函数：in1,,,iipsssiabc398.3三相电压型调制三相电压型PWM整流器或逆变器中，交流侧电压与直流电压之间存在一定关系。8.3.2三相电压型调制408.3三相电压型调制※abc三相产生线电压（ab，bc，ca）在平面。※线电压（ab，bc，ca）在平面没有分量。8.3.2三相电压型调制418.3三相电压型调制8.3.2三相电压型调制/ababcbccavvTvvv/111222333022abcT状态空间22arctanjvevvvv如果Vm为三相线电压的幅值，则算得：32mV428.3三相电压型调制8.3.2三相电压型调制pnn的状态向量：1o2arctan30jpnndcVVeVvv/11212223033310222abdcdcpnnabcbcpnncadcpnndcvVVvVTvvvVV438.3三相电压型调制8.3.2三相电压型调制ppn的状态向量：2o2arctan90jppndcVVeVvv/110102223233022abppnabcbcdcdcppncadcppnvvVTvVvVvV448.3三相电压型调制8.3.2三相电压型调制ppp的状态向量：00ppnVV/11010222003330022abpppabcbcpppcapppvvVTvvv458.3三相电压型调制8.3.2三相电压型调制468.3三相电压型调制8.3.3三相电压型调制选择希望的开关状态向量Vref：计算所选开关向量的占空比；做出所选开关向量的时间序列。478.4三相电流型调制8.4