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  本文關(guān)鍵詞：三電平脈寬調(diào)制高頻整流器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及仿真分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第19卷第7期1999年7月中　國　電　機(jī)　工　程　學(xué)　報

ProceedingsoftheCSEEVol.19No.7Jul.1999

三電平脈寬調(diào)制高頻整流器

系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及仿真分析

詹長江　秦荃華　韓英鐸　王仲鴻

清華大學(xué)電機(jī)系,100084北京

陳　堅

華中理工大學(xué)電力系,430074武漢

STUDYONMATHEMATICALMODELANDYSTEION

OFTHETHREE-LEVELPWMLZhanChangjiang　QinQTn,,China

ScienceandTechnology,Wuhan,430074China

ABSTRACT　conceptofSwitchingFunction(SF)andSpaceVector(SV),andcitedthecoordinatetransformation

matrixonspacereferenceframeintheunifiedtheoryofanACmotor,thepaperpresentsanewmathematicalmodelofthethreeLevelPWMreversiblerectifierinABC、ΑΒanddqrefer2enceframe.Thesystemmathematicalmodelhasbeenusedforthedevelopmentandstudyofanactualprototypeofthree2levelreversiblerectifier.Theresultofcomputer2aidedsimulationver2ifiesthevalidityofthesystemmodel.

范圍內(nèi);③三電平PWM高頻整流器輸入側(cè)電流波形即使在開關(guān)頻率較低時也能保證一定的正弦度,在同樣的開關(guān)頻率及控制方式下,它的電流諧波總畸變率(THDi)要遠(yuǎn)小于二電平變流器[1～3]。功率因數(shù)可調(diào)節(jié)的PWM高頻整流器作為PWM功率變流器中的一種重要結(jié)構(gòu),它不僅能控制有功功率的傳輸,而且能提供無功功率的吞吐。本文在開關(guān)函數(shù)和空間矢量的概念基礎(chǔ)上,引入交流電機(jī)統(tǒng)一理論中的空間坐標(biāo)系變換矩陣[4],從工程應(yīng)用角度出發(fā),提出三電平PWM高頻整流器在ABC、ΑΒ及dq坐標(biāo)系下的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,最后給出了基于MATLAB語言和SIMULINK仿真環(huán)境下的系統(tǒng)仿真結(jié)果,證明了該模型的正確性。

KEYWORDS　pulsewidthmodulation(PWM);three2lev2el;reversiblerectifier;mathematicalmodel;systemsimula2tion

摘要　在開關(guān)函數(shù)和空間矢量的概念的基礎(chǔ)上,引入交流電機(jī)統(tǒng)一理論中的空間坐標(biāo)系變換矩陣,提出了三電平脈寬調(diào)制(PWM)高頻整流器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,系統(tǒng)仿真的結(jié)果驗證了該數(shù)學(xué)模型的正確性。

關(guān)鍵詞　脈寬調(diào)制　三電平　高頻整流器數(shù)學(xué)模型仿真中圖分類號　TM401

1　引言

三電平脈寬調(diào)制(PWM)變流器與常規(guī)的二電平PWM變流器相比,其主電路結(jié)構(gòu)雖較復(fù)雜,但它具有后者所沒有的優(yōu)點:①每一個功率開關(guān)器件所承受的關(guān)斷電壓僅為直流側(cè)電壓的一半,這樣在同等情況下,功率器件的相同直流母線電壓就可以提高一倍,容量也就可以提高一倍,故它比較適用于高電壓、大容量功率應(yīng)用場合;②在同樣的開關(guān)頻率及控制方式下,三電平變流器輸出電壓或電流的諧波大大小于二電平變流器,故應(yīng)用GTO作為開關(guān)元件是非常適合的,其開關(guān)頻率一般在300～600いHz

2　三電平PWM高頻整流器的工作原理

三電平主電路基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,這里不包括緩沖及保護(hù)電路。由圖可見,每相上下兩個橋臂各有2個開關(guān)管T1～T4和2個輔助二極管D5、其D6。中T1和T4相當(dāng)于二電平PWM變流器中的上下互

補(bǔ)開關(guān)管,而T2(D2)、T3(D3)與D5、D6構(gòu)成中點箝位電路,因此,三電平主電路又稱中點箝位電路(neutral2交流側(cè)仍然與二電平的相point2clamped)。同,直流側(cè)由2個電容Cd相連,其聯(lián)結(jié)中點與D5、這D6中點相連,故中點電位Vn受in的影響而浮動。里負(fù)載用等效電阻R0與電感

L0串聯(lián)來替代。當(dāng)

46　　　　　　　　　　中　國　電　機(jī)　工　程　學(xué)　報　　　　　　　　　　　　　　　第19卷

dc2

V

dc1

=V=Vdc??2時,主開關(guān)管T1～T4關(guān)斷承受

1　當(dāng)T1a、T2a導(dǎo)通且T3a、T4a關(guān)斷

Vdc的一半電壓

。

　　Sa=0　當(dāng)T2a、T3a導(dǎo)通且T1a、T4a關(guān)斷

-1　當(dāng)T3a、T4a導(dǎo)通且T1a、T2a關(guān)斷

為了便于推導(dǎo)出系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,可將開關(guān)函數(shù)

Sa進(jìn)一步分解:

(1)if　Sa=1,then　S1a=1,S2a=0,S3a=0;(2)if　Sa=0,then　S1a=0,S2a=0,S3a=1;(3)if　Sa=-1,then　S1a=0,S2a=1,S3a=0;故三電平主電路可等效為圖2所示結(jié)構(gòu)。省略

圖1　三電平PWMFig.1　Themainc繁瑣的公式推導(dǎo),在ABC坐標(biāo)系下的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為

?

(1)ZX=Ae

式中

Z[LSSd　L0]

T

[iSAiiSVdc1　Vdc2　I0][1　1　1　0　0　0]

T

e=[VSA　VSB　VSC]

三電平通過T1～jT4j(j=a,,c)的優(yōu)化,使得交流AC側(cè)線電流isA、isB、isC正弦化,功率因數(shù)接近于1。同時保證直流側(cè)輸出電壓Vdc保持平衡,并且系統(tǒng)能工作在再生狀態(tài),將能量從直流側(cè)反饋到電網(wǎng)中去。

若能控制好中點電位Vn,使得Vdc1=Vdc2=Vdc??2,那么變流器橋臂終點輸出電壓VRn幅值為±Vdc??2的單極性調(diào)制波。將其傅立葉級數(shù)分解為基波電壓VRn1和高次諧波電壓VRn(k)(k≥2),故控制VRn1的幅值及相位就可以控制電流is1的幅值及相位,同時優(yōu)化開關(guān)序列使得VRn(k)分量較小且向高頻段分布,從而就達(dá)到了控制線電流的波形及功率因數(shù)的目的。

圖2　三電平PWM高頻整流器等效電路Fig.2　Theequivalenttopologyofmaincircuit

3.2　ΑΒ和dq坐標(biāo)系下的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

定義數(shù)學(xué)意義上的空間矢量:

VS=iS=

2

(VSA+Α?VSB+Α?VSC)3

2

(iSA+Α?iSB+Α?iSC)3

(2)

3　三電平PWM高頻整流器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

3.1　ABC坐標(biāo)下三相系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

323

上式中,Α=ej2Π??,Α=e2j2Π??,故有

VS=LS+RSiS+VR

dt

從上節(jié)分析表明,T1～T4的開關(guān)控制受到開關(guān)函數(shù)Sa的約束。Sa的表達(dá)式為:

-RS

A=

(3)

R=VR1-VR2

0-RS

S1bS2b

00-RS

S1cS2c

-(S1a--(S1b--(S1c-

3

)))

(S2a-(S2b-(S2c-

3

)))

000-1-1-R3

3

S1a-S2a

3001

3001

000

　第7期　　　　　　　　　　　詹長江等:　三電平脈寬調(diào)制高頻整流器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及仿真分析

[4]

　　由變換矩陣TΑΒ??可得坐標(biāo)系下的三電平ABC

PWM高頻整流器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型:

?

(4)ZX=AX+Be

式中:

Z=diag[LS　LS　Cd　Cd　L0]

T

X=[iSΑ　iSΒ　Vdc1　Vdc2　I0]B=diag[1　1　0　0　0]

T

e=[VSΑ　VSΒ]

-Rs0-S1ΑS2Α00-Rs-S1ΒS2Β0S1Α-S1Β00-1A=

-S2Α-S2Β00-10011-R0

[4]

由變換矩陣Tdq??可得dq坐標(biāo)系下的三電平ΑΒ

PWM高頻整流器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型:

?

ZX=AX+Be

式中

Z=diag[LS　LSd　L0T

X=[isdi10]

-Rs-Sd1Sd20-ΞLs-Rs-Sq1Sq20Sd1Sq100-1A=

-Sd2-Sq200-10011-R47

　　B=diag[1　1　0　0　0]

T

e=

2

sm

　0

4　仿真結(jié)果

整個三電平PWM高頻整流器系統(tǒng)仿真基于

[5]

MATLAB語言環(huán)境及SIMULINK環(huán)境編程。

(1)仿真基本參數(shù)電網(wǎng)參數(shù):Vsm=311V,Ξ=314.16rad??s,f=50Hz;AC側(cè)參數(shù):Ls=7mH,Rs=0.58;DC側(cè)參數(shù):Cd=4700ΛF,L0=3m輸出功率Pout=15kW,采樣頻率fs=dcg=1200V,Tonlimit=50Λs,off

limit

=0.

08mS之前系

1,其后為

isq=-20A的系統(tǒng)(2)系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的仿真結(jié)果1)交流側(cè)電流線電流isA、isB、isC波形如圖3(a)所示。

2)有功電流isd和無功電流isq波形如圖3(b)所示。

3)直流側(cè)輸出電壓Vdc及中點電位Vn波形分別如圖3(c)和(d)所示。

圖3　負(fù)載階躍變化下系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)

Fig.3　Dynamicsystemresponsetoloadstepchange

48　　　　　　　　　　中　國　電　機(jī)　工　程　學(xué)　報　　　　　　　　　　　　　　　第19卷

　　從仿真結(jié)果中可以得到以下結(jié)論:

(1)三電平PWM高頻整流器由于其主電路具有開關(guān)元件關(guān)斷承受直流側(cè)一半電壓,且允許開關(guān)頻率較低等優(yōu)點,所以特別適合于高電壓、大功率應(yīng)用場合。

(2)采用電壓空間矢量PWM調(diào)制方式,通過優(yōu)化開關(guān)矢量,可以降低開關(guān)頻率,減小AC側(cè)線電流的總諧波畸變率。

(3)通過檢測直流側(cè)上下電容兩端的電壓差,且根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)來進(jìn)行反饋補(bǔ)償控制,可以達(dá)到控制中點電位Vn的目的。仿真結(jié)果表明,沒有中點電位Vn控制,中點電位Vn將偏離而且越偏越嚴(yán)重;而當(dāng)加入中點電位Vn控制后,通過調(diào)節(jié)因子Θ重新分配正負(fù)開關(guān)矢量作用時間,可以將中點電位Vn約束在一定范圍內(nèi)(Vdc?5%)。,(4)三電平功率的傳輸,。它們的控,,這取決于控制器的結(jié)構(gòu)和算法。

數(shù)學(xué)模型,并通過基于MATLAB語言及SIMULINK(仿真環(huán)境對三電平PWM高頻整流器的系統(tǒng)進(jìn)行仿真,驗證了所提出的模型的正確性,對以后進(jìn)行實際系統(tǒng)設(shè)計及研究提供了理論基礎(chǔ)。

6　參考文獻(xiàn)

1　MasatoKoyamaetal.Spacevoltagevector2basednewPWM

methodforlargecapacitythree2levelinverterGTOinverter.

～276IEEE2PESC’1992:271

2　LinHL,ChoGH,PankSS.OptimalPWMdesignforhighpow2

erthree2levelinverterthroughcomparativestudies.IEEE

～46TransactionsonPowerElectronics,1995,10(1):38

3　EkanayakeJB,JenkinsN.AthreeadvancedstaticVAR

compensator.IEEETPowerDelivery,1996,11(1):545

4.:國防工業(yè)出版社,

高頻整流系統(tǒng)波形控制技術(shù)研究.[博士

]武漢:華中理工大學(xué),1997

5　結(jié)論

本文首次提出了三電平PWM高頻整流器系統(tǒng)

(上接第44頁continuedfrompage44)

收稿日期:1998203202;　改回日期:1998212216。

詹長江　1970年生,工學(xué)博士,研究領(lǐng)域為電力電子技術(shù)及FACTS和CUSTOMPOWER技術(shù)研究。

秦荃華　清華大學(xué)電機(jī)系工程師,從事電力電子技術(shù)研究。韓英鐸　工程院士,博士生導(dǎo)師,研究領(lǐng)域為電力系統(tǒng)的分析與穩(wěn)定性控制和FACTS技術(shù)研究。

王仲鴻　博士生導(dǎo)師,研究領(lǐng)域為電力系統(tǒng)的分析與穩(wěn)定性控制和FACTS技術(shù)研究。

陳　堅　博士生導(dǎo)師,研究領(lǐng)域為電力電子技術(shù)及電機(jī)控制研

究。

邊界節(jié)點。相應(yīng)的計算結(jié)果見表1。

表1　算例計算結(jié)果.1　CalculationresultsofTab

distributionnetworksample

電氣量

邊界節(jié)點注入電流節(jié)點C電壓故障支路電流

無FCL有FCL無FCL有FCL無FCL標(biāo)幺值

7.127∠115.4123.602∠125.2450.343∠-22.9540.683∠-10.6103.560∠115.412電容的配電網(wǎng),在計及線路對地電容的情況下,仍可采用文中方法進(jìn)行故障計算。

9　參考文獻(xiàn)

1　劉萬順.電力系統(tǒng)故障分析.北京:水利電力出版社,1986

2　曹國臣,宋家驊,柳焯.66kV及以下電網(wǎng)短路計算的新方法.中國電機(jī)工程學(xué)報,1997;17(3)

3　SladePGetal.Theutilityrequirementforadistributionfault

currentlimiter.IEEETransonPWRD,1992,PWRD27(2)

4　StrezoskiVC,BekutDD.Acanonicalmodelforthestudyoffaultsinpowersystems.IEEETransonPWRS,1991,PWRS26(4)

5　張伯明,揚健.一種規(guī)范化的計算機(jī)故障分析計算方法.清華大學(xué)學(xué)報,

1995,35(1)

6　曹國臣.變結(jié)構(gòu)電力系統(tǒng)任意復(fù)雜故障的快速計算.中國電機(jī)工程學(xué)報.

1995,15(5)

　　由表1可見,固態(tài)限流器可明顯降低短路電流,改善母線電壓質(zhì)量。

8　結(jié)論

本文提出的配電網(wǎng)故障計算通用方法,無需形成配電網(wǎng)節(jié)點復(fù)數(shù)導(dǎo)納參數(shù)矩陣或阻抗參數(shù)矩陣,可自動適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)操作引起的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化,可計及固態(tài)限流器的作用,對故障類型沒有限制,具有故障計算方法統(tǒng)一、極易在計算機(jī)上實現(xiàn)等特點。

對中性點無消弧線圈、網(wǎng)絡(luò)中又沒有無功補(bǔ)償

收稿日期:1998202224;　改回日期:1998207209。

曹國臣　博士,教授,從事電力系統(tǒng)故障分析及繼電保護(hù)整定計算方面的教學(xué)和研究工作。

張　弓　碩士研究生,從事電力系統(tǒng)及其自動化方面的研究工作。

宋家驊　教授,院長,從事電力系統(tǒng)及其自動化方面的教學(xué)和研究工作。

柳　焯　教授,博導(dǎo),從事電力系統(tǒng)分析與控制方面的教學(xué)和研究工作。

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本文編號：102146