三电平脉宽调制高频整流器系统数学模型及仿真分析

发布时间：2016-08-24 16:22

  本文关键词：三电平脉宽调制高频整流器系统数学模型及仿真分析，由笔耕文化传播整理发布。

第19卷第7期1999年7月中　国　电　机　工　程　学　报

ProceedingsoftheCSEEVol.19No.7Jul.1999

三电平脉宽调制高频整流器

系统数学模型及仿真分析

詹长江　秦荃华　韩英铎　王仲鸿

清华大学电机系,100084北京

陈　坚

华中理工大学电力系,430074武汉

STUDYONMATHEMATICALMODELANDYSTEION

OFTHETHREE-LEVELPWMLZhanChangjiang　QinQTn,,China

ScienceandTechnology,Wuhan,430074China

ABSTRACT　conceptofSwitchingFunction(SF)andSpaceVector(SV),andcitedthecoordinatetransformation

matrixonspacereferenceframeintheunifiedtheoryofanACmotor,thepaperpresentsanewmathematicalmodelofthethreeLevelPWMreversiblerectifierinABC、ΑΒanddqrefer2enceframe.Thesystemmathematicalmodelhasbeenusedforthedevelopmentandstudyofanactualprototypeofthree2levelreversiblerectifier.Theresultofcomputer2aidedsimulationver2ifiesthevalidityofthesystemmodel.

范围内;③三电平PWM高频整流器输入侧电流波形即使在开关频率较低时也能保证一定的正弦度,在同样的开关频率及控制方式下,它的电流谐波总畸变率(THDi)要远小于二电平变流器[1～3]。功率因数可调节的PWM高频整流器作为PWM功率变流器中的一种重要结构,它不仅能控制有功功率的传输,而且能提供无功功率的吞吐。本文在开关函数和空间矢量的概念基础上,引入交流电机统一理论中的空间坐标系变换矩阵[4],从工程应用角度出发,提出三电平PWM高频整流器在ABC、ΑΒ及dq坐标系下的系统数学模型,最后给出了基于MATLAB语言和SIMULINK仿真环境下的系统仿真结果,证明了该模型的正确性。

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

摘要　在开关函数和空间矢量的概念的基础上,引入交流电机统一理论中的空间坐标系变换矩阵,提出了三电平脉宽调制(PWM)高频整流器系统数学模型,系统仿真的结果验证了该数学模型的正确性。

关键词　脉宽调制　三电平　高频整流器数学模型仿真中图分类号　TM401

1　引言

三电平脉宽调制(PWM)变流器与常规的二电平PWM变流器相比,其主电路结构虽较复杂,但它具有后者所没有的优点:①每一个功率开关器件所承受的关断电压仅为直流侧电压的一半,这样在同等情况下,功率器件的相同直流母线电压就可以提高一倍,容量也就可以提高一倍,故它比较适用于高电压、大容量功率应用场合;②在同样的开关频率及控制方式下,三电平变流器输出电压或电流的谐波大大小于二电平变流器,故应用GTO作为开关元件是非常适合的,其开关频率一般在300～600いHz

2　三电平PWM高频整流器的工作原理

三电平主电路基本结构如图1所示,这里不包括缓冲及保护电路。由图可见,每相上下两个桥臂各有2个开关管T1～T4和2个辅助二极管D5、其D6。中T1和T4相当于二电平PWM变流器中的上下互

补开关管,而T2(D2)、T3(D3)与D5、D6构成中点箝位电路,因此,三电平主电路又称中点箝位电路(neutral2交流侧仍然与二电平的相point2clamped)。同,直流侧由2个电容Cd相连,其联结中点与D5、这D6中点相连,故中点电位Vn受in的影响而浮动。里负载用等效电阻R0与电感

L0串联来替代。当

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dc2

V

dc1

=V=Vdc??2时,主开关管T1～T4关断承受

1　当T1a、T2a导通且T3a、T4a关断

Vdc的一半电压

。

　　Sa=0　当T2a、T3a导通且T1a、T4a关断

-1　当T3a、T4a导通且T1a、T2a关断

为了便于推导出系统数学模型,可将开关函数

Sa进一步分解:

(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;故三电平主电路可等效为图2所示结构。省略

图1　三电平PWMFig.1　Themainc繁琐的公式推导,在ABC坐标系下的系统数学模型为

?

(1)ZX=Ae

式中

Z[LSSd　L0]

T

[iSAiiSVdc1　Vdc2　I0][1　1　1　0　0　0]

T

e=[VSA　VSB　VSC]

三电平通过T1～jT4j(j=a,,c)的优化,使得交流AC侧线电流isA、isB、isC正弦化,功率因数接近于1。同时保证直流侧输出电压Vdc保持平衡,并且系统能工作在再生状态,将能量从直流侧反馈到电网中去。

若能控制好中点电位Vn,使得Vdc1=Vdc2=Vdc??2,那么变流器桥臂终点输出电压VRn幅值为±Vdc??2的单极性调制波。将其傅立叶级数分解为基波电压VRn1和高次谐波电压VRn(k)(k≥2),故控制VRn1的幅值及相位就可以控制电流is1的幅值及相位,同时优化开关序列使得VRn(k)分量较小且向高频段分布,从而就达到了控制线电流的波形及功率因数的目的。

图2　三电平PWM高频整流器等效电路Fig.2　Theequivalenttopologyofmaincircuit

3.2　ΑΒ和dq坐标系下的系统数学模型

定义数学意义上的空间矢量:

VS=iS=

2

(VSA+Α?VSB+Α?VSC)3

2

(iSA+Α?iSB+Α?iSC)3

(2)

3　三电平PWM高频整流器系统数学模型

3.1　ABC坐标下三相系统数学模型

323

上式中,Α=ej2Π??,Α=e2j2Π??,故有

VS=LS+RSiS+VR

dt

从上节分析表明,T1～T4的开关控制受到开关函数Sa的约束。Sa的表达式为:

-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　　　　　　　　　　　詹长江等:　三电平脉宽调制高频整流器系统数学模型及仿真分析

[4]

　　由变换矩阵TΑΒ??可得坐标系下的三电平ABC

PWM高频整流器系统数学模型:

?

(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]

由变换矩阵Tdq??可得dq坐标系下的三电平ΑΒ

PWM高频整流器系统数学模型:

?

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　仿真结果

整个三电平PWM高频整流器系统仿真基于

[5]

MATLAB语言环境及SIMULINK环境编程。

(1)仿真基本参数电网参数:Vsm=311V,Ξ=314.16rad??s,f=50Hz;AC侧参数:Ls=7mH,Rs=0.58;DC侧参数:Cd=4700ΛF,L0=3m输出功率Pout=15kW,采样频率fs=dcg=1200V,Tonlimit=50Λs,off

limit

=0.

08mS之前系

1,其后为

isq=-20A的系统(2)系统动态响应的仿真结果1)交流侧电流线电流isA、isB、isC波形如图3(a)所示。

2)有功电流isd和无功电流isq波形如图3(b)所示。

3)直流侧输出电压Vdc及中点电位Vn波形分别如图3(c)和(d)所示。

图3　负载阶跃变化下系统动态响应

Fig.3　Dynamicsystemresponsetoloadstepchange

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　　从仿真结果中可以得到以下结论:

(1)三电平PWM高频整流器由于其主电路具有开关元件关断承受直流侧一半电压,且允许开关频率较低等优点,所以特别适合于高电压、大功率应用场合。

(2)采用电压空间矢量PWM调制方式,通过优化开关矢量,可以降低开关频率,减小AC侧线电流的总谐波畸变率。

(3)通过检测直流侧上下电容两端的电压差,且根据系统运行状态来进行反馈补偿控制,可以达到控制中点电位Vn的目的。仿真结果表明,没有中点电位Vn控制,中点电位Vn将偏离而且越偏越严重;而当加入中点电位Vn控制后,通过调节因子Θ重新分配正负开关矢量作用时间,可以将中点电位Vn约束在一定范围内(Vdc?5%)。,(4)三电平功率的传输,。它们的控,,这取决于控制器的结构和算法。

数学模型,并通过基于MATLAB语言及SIMULINK(仿真环境对三电平PWM高频整流器的系统进行仿真,验证了所提出的模型的正确性,对以后进行实际系统设计及研究提供了理论基础。

6　参考文献

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.:国防工业出版社,

高频整流系统波形控制技术研究.[博士

]武汉:华中理工大学,1997

5　结论

本文首次提出了三电平PWM高频整流器系统

(上接第44页continuedfrompage44)

收稿日期:1998203202;　改回日期:1998212216。

詹长江　1970年生,工学博士,研究领域为电力电子技术及FACTS和CUSTOMPOWER技术研究。

秦荃华　清华大学电机系工程师,从事电力电子技术研究。韩英铎　工程院士,博士生导师,研究领域为电力系统的分析与稳定性控制和FACTS技术研究。

王仲鸿　博士生导师,研究领域为电力系统的分析与稳定性控制和FACTS技术研究。

陈　坚　博士生导师,研究领域为电力电子技术及电机控制研

究。

边界节点。相应的计算结果见表1。

表1　算例计算结果.1　CalculationresultsofTab

distributionnetworksample

电气量

边界节点注入电流节点C电压故障支路电流

无FCL有FCL无FCL有FCL无FCL标幺值

7.127∠115.4123.602∠125.2450.343∠-22.9540.683∠-10.6103.560∠115.412电容的配电网,在计及线路对地电容的情况下,仍可采用文中方法进行故障计算。

9　参考文献

1　刘万顺.电力系统故障分析.北京:水利电力出版社,1986

2　曹国臣,宋家骅,柳焯.66kV及以下电网短路计算的新方法.中国电机工程学报,1997;17(3)

3　SladePGetal.Theutilityrequirementforadistributionfault

currentlimiter.IEEETransonPWRD,1992,PWRD27(2)

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

5　张伯明,扬健.一种规范化的计算机故障分析计算方法.清华大学学报,

1995,35(1)

6　曹国臣.变结构电力系统任意复杂故障的快速计算.中国电机工程学报.

1995,15(5)

　　由表1可见,固态限流器可明显降低短路电流,改善母线电压质量。

8　结论

本文提出的配电网故障计算通用方法,无需形成配电网节点复数导纳参数矩阵或阻抗参数矩阵,可自动适应网络操作引起的网络拓扑结构变化,可计及固态限流器的作用,对故障类型没有限制,具有故障计算方法统一、极易在计算机上实现等特点。

对中性点无消弧线圈、网络中又没有无功补偿

收稿日期:1998202224;　改回日期:1998207209。

曹国臣　博士,教授,从事电力系统故障分析及继电保护整定计算方面的教学和研究工作。

张　弓　硕士研究生,从事电力系统及其自动化方面的研究工作。

宋家骅　教授,院长,从事电力系统及其自动化方面的教学和研究工作。

柳　焯　教授,博导,从事电力系统分析与控制方面的教学和研究工作。

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本文编号：102146