1、北京交通大学硕士学位论文基于三相PFC的新型15kW充电模块设计姓名：沈志武申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：姜久春201106中文摘要中文摘要摘要：新能源汽车的发展有三个路径：改进现有的发动机和整车系统的能效；在现有发动机上使用清洁的非石油燃料；汽车电动化。综合考量这三个路径，汽车电动化是现今的发展所趋。随着全国充电站的不断兴建，充电设备对电网的污染日益严重，消除电网谐波污染，提高功率因数是这些充电设备的必要前提。本文提出的基于三相PFC充电模块，具有电网谐波小、功率因数高等特点，可供充电站各选使用。文章介绍了电力电子领域整流器的发展概况，对多种实现三相整流的控制方法进行了
2、总结，指出了各自的优缺点，特别是对电网的谐波污染。相比之下，电压型空间矢量调制方法能实现四象限运行，特别是在整流状态下，SVPW2VI控制方法能实现单位功率因数变流，电流波形畸变小。该充电模块很好地解决了新能源电动汽车充电设备对电网的谐波污染、电流波形畸变严重等问题。文章详细推导了SVPWM控制算法，并在MatlabSimulink环境下搭建了三相电压型PWM整流器。并选用飞思卡尔公司的DSP56F803实现三相整流器的数字化，并且成功应用在亚运会充电站充电设备上，验证了该三相PFC充电模块的良好性能。关键词：电动汽车；充电模块；整流器；SVPWM；DSP56FS03；分类号：TM92152A
3、BSTRACTABSTRACTABSTRACT：There are three development directions for new energy vehicles，they are：improving the efficiency of existing engines and vehicle system，using clean and non-oilfuel in current engines，and the electrification of vehiclesConsidering the directionsabove，the electrification of veh
4、icles is the current trendWith the constructing ofcharging stations around 0111“country,pollution of charging machines towards electricpower西ds has becoming increasingly serious，therefore，eliminating system harmonicpollution and improving the power factor of the charging equipments has required as a
5、necessary premise of charging devicesThis thesis proposes the three-phase PFCmodules which based on the charging system and has small harmonic，hi曲power factor,thus preferable for charging stationThis thesis introduces the overview on developmentof rectifiers in power electronics industries，concludes
6、 the several control methods ofthreephase rectifier realization as well as points out the advantages and disadvantagesof each method，especially the disadvantages of the harmonic pollution to electric powergridsIn contrast,the voltage space vector modulation method Can achievefour-quadrant operationE
7、specially when under rectifying conditions，the controlmethod of SVPWM Can achieve the rectification of unit power factor,smaller distortionof current waveforms and SO onThis charging module solves the problems ofharmonics population as well as the distortion of current waveforms successfullyThisthes
8、is derives the SVPWM algorithm in detail，and constructs a three-phase PWMvoltage rectifier in MatlabSimulink environment,implements the digitization ofthree-phase rectifier using Freescale DSP56F803 as well as applies it in the chargingdevices of the Asian Games successfully,thus validates its good
9、performanceKEYWoRDS： VSR；SVPWM；DSP56F803；CLASSNO：TM92152V致谢本论文的工作是在我的导师姜久春教授的悉心指导下完成的，姜久春教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢在两年多的时间里姜久春老师对我的关心和指导。张维戈副教授耐心指导我的试验，并与我们大家一起同甘共苦。无论在学习还是生活上，都很关心我们。在此对张维戈副教授表达我诚挚的感谢。从理论到实践的整个过程中，冯韬师兄对我的细心栽培和无微不至的关怀让我受益匪浅，特向冯韬师兄表示衷心的感谢。在实验室工作及撰写论文期间，牛利勇博士，张亚娟、林培峰、李剑、冯悦、上官明
10、珠等同学对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。同时，也感谢我的父母和姐姐，他们对我学业的支持和无私的奉献，让我完成了研究生学业。序序本人在北京交通大学电气工程学院读研究生阶段，实验室已经有动力电池充放电系统项目的多项研究成果，并且成功应用到很多国内重大项目中。本人于2010年3月始，进行亚运会15kW三相PFC充电模块的设计、实验验证工作以及产品调试等工作。自上而下的经历了理论知识的储备、系统关键参数的选型到实验平台的搭建、再到产品的成型。总结起来，主要掌握了SVPWM控制的思想和控制算法，对诸如电感、电容、IGBT等关键电路器件参数的选型有一定的工程经验，DSP的数字
11、算法实现和编程能力得到进一步提升，对PCB板的调试和设计有一定的工程经验。在实验过程中得到实验室诸多老师的热心帮助，以及北京优科利尔能源设备有限公司的领导和许多员工的积极配合，在此深表感谢，没有他们的帮助，就无法圆满完成该项目。诚然，该系统还有一些瑕疵，譬如工艺做的并不是很完美等，以后还应做相应的完善工作。绪论11 课题背景与意义1绪论我们国家现在正经历一个新能源产业高速发展的历程，各种新能源产业蒸蒸日上，诸如风力发电、光伏逆变、电动汽车。汽车电动化是一个有着广阔前景的产业，许多汽车巨头已有正式的电动汽车产品问世，并投入使用。从国外情况来看，电动汽车的发展有以下几个特点：第一是混合动力汽车已经
12、开始大规模产业化，第二是插电式混合动力汽车越来越受到重视，第三是纯电动汽车开始进入市场，并有快速增长的趋势。就我们国家而言，国家电网、南方电网、中海油、中石油在电动汽车产业里也起着至关重要的作用，他们对电动汽车产业的发展方向甚至有着决定性的引导。这种局势下，各种不同的规范纷纷出台，导致行业内部矛盾加剧。整个电动汽车产业链当中，充电站的建设以及充电装置的选择对电动汽车动力电池充电而言，显得尤为重要。主要考虑有两点，一是充电装置对电网的谐波污染问题。电力电子变流装置的控制方式和拓扑有许多，如不控整流、移相控制整流等都会在网侧产生严重的电流畸变，给电网注入丰富的无功，造成电网严重污染，使得电网电能质
13、量下降。二是动力电池本身所固有的充电特性，要求充电设备在充电过程中必须符合电池本身的充电特性，不能随意充电。这样不仅会导致电池寿命大大缩短，还有可能损坏电池本体。这就要求一种智能化的充电装置，对电池的各个充电阶段实施有效的控制，使得充电特性符合电池本身所固有的特性。对于问题一，随着电力电子技术的不断发展，控制方式的研究和应用，功率半导体开关器件本身性能的提高，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽调制(PwM)控制为基础的各类变流装置。“其主要思路就是将PWM技术引入整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化，且可运行于单位功率因数。PWM整流器实现能量的双向流动不仅体现了ACDC的
14、变流特性，而且还有DCAC的逆变变流特性，真正体现了“绿色电能变换“。因此本课题对能量效率和质量问题的研究对节约能源和提高电能的利用率有很大的积极意义和应用价值，同时该课题的研究还可应用于静止无功补偿(SVG)，有源电力滤波(APF)，新型UPS应用以及太阳能、风能等可再生能源的发电领域“24J。对于问题二，该系统能够满足客户本身的需求，针对不同的蓄电池，客户可以设置不同的充电模式，设置不同的整组电压和单体电压，完全满足使用不同蓄北京交通大学硕士学位论文电池客户的需求。经典的充电思想先恒流再恒压。在电池能量明显不足时，先以大电流恒流模式充电，BMS系统将整组电池电压和单体电池电压反馈给上位，当
15、蓄电池整组电压或者单体电压达到客户的预设值时自动转换为恒压充电，充电电流开始减小，当电流减小到客户预设的最小充电电流值时，保存数据，停机。整个过程完全自动化，BMS系统本身具有单体电池电压检测，能够很好的保护单体电池的过充问题。12 应对谐波污染问题的PFC解决方案开关电源的有源功率因数校正技术(Power Factor Correction technique，PFC技术)引起了国内外许多学者的重视，在PFC的原理、方法、电路拓扑、控制技术等方面也取得了许多成果。这些成果完全可以应用于开关电源型充电机。美国分别在1993年和1994年对两组电动汽车用充电机(共34台)进行了测试，其电流谐波畸
16、变平均达到4109，但随着一些先进的PFC技术在开关电源方面的应用，充电机的电流谐波含量大大降低，到1995年，对四台车载充电机进行测试时，发现总电流谐波含量从372到718不等，平均为612。PFC在充电机的使用上得到了长足的发展。本文提出的充电模块降低谐波的策略是，将PWM整流器作为充电机的PFC(功率因数校正)单元。实验和理论均证明，该策略不仅理论成立而且实验验证它的功率因数校正特性和谐波抑制特性。从根本上来说，电能在进行转换的时候，从一种能量的形式变为另一种能量形式，必然会引起电压、电流波形的非线性变化，从而产生丰富的谐波。所以根本上讲，电力电子变流装置本身就是一个谐波源。在传统工业用
17、电当中，最为广泛使用的是简单的二极管不控整流和晶闸管相控整流，这些整流装置最为显著的缺点是功率因数低，还有丰富的无功，电网的谐波大，为了滤除这些谐波就需要比较大的平波电抗器和滤波电感，设备的总体积因此增大，功率密度低，整体效率明显下降，又因为电抗器和滤波电感的存在使得整个系统的时间常数增大，系统的动态响应相应变慢。谐波污染的有一个显著的特点：高次谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，另外相同频率的谐波电压和谐波电流要产生同次谐波的有功功率和无功功率，降低了发电、输电设备的利用率，大量的谐波在流经中线的时候会发热甚至可能发生火灾。影响供电系统的无功补偿设备，谐波注入电网时容易造成变电站高压电容过
18、电流和过负荷，在谐波场合下，电容柜无法正常投切，更严重的请况下，电容柜会将电网谐波进一步放大。影响用电设备的稳定性，尤其是对继电保护装2绪论置，危害特大。谐波的存在会造成异步电动机效率下降，噪声增大。使低压开关设备产生误动作。对工业企业自动化的正常通讯造成干扰，影响电力电子计量设备的准确性。谐波的存在会使电力变压器的铜损和铁损增加，直接影响变压器的使用容量和使用效率。还会造成变压器噪声增加，缩短变压器的使用寿命。充电模块降低谐波的策略：动力电池充电模块的前级是一个三相ACDC整流器，为后级的DCDC提供稳定可靠的的母线电压。前级整流装置为抑制电网谐波的一个重要切入点，选择合理的控制方式和控制拓
19、扑，使其实现单位功率因数整流，能实现很好的电网电压和电网电流的同步，解决了电网电压和电流畸变。本文介绍的ADDC装置采用SVPWM控制策略，该控制策略可以很好的控制无功分量，理论上能够实现无静差控制，解决了用电设备对电网电能的利用率问题。该控制方式能够很好的控制谐波，工程实践表明，系统在满功率运行下经过调节PI调节器，能够将总谐波含量控制在5以内，很好的解决了此类用电装置经常会向电网注入大量谐波的问题。13 动力蓄电池充电技术的发展现状电动车因有其方便、简捷等特殊性，受到广泛的青睐，也因此推动了电动车行业的迅速发展。发展至今，各种阻碍着电动车产业发展的问题也相继突现，其中最为突出的除安全问题外
20、也即质量问题了。被人们喻称为电动车心脏的蓄电池寿命问题又成为质量问题中的重中之重。延长电池使用期限也就成为相关人员孜孜以求的目标。充电装置性能的好坏严重影响到蓄电池的使用寿命。目前，国内已经投入使用的充电设备总结起来有：自耦变压器型、可控硅整流充电型、功率晶体管型。自耦变压器充电装置是最为古老的不控型充电装置，在充电过程中需要人工操作，效率低下，对蓄电池的损害严重，已经被现代工业所被淘汰。可控硅整流充电装置通过改变导电角度来实现恒流充电，但是在实际应用中由于输出电流纹波成分较大，容易导致蓄电池电解液发热缩短了电池的使用寿命，且该充电设备网侧功率因数低、谐波污染严重、整体效率低下，正在被逐步淘汰
21、。“功率晶体管装置采用大功率晶体管作为恒流器件，通过调整功率晶体管CE极压降来稳定输出电流，输出的电流波形较好，对电网的干扰小，但由于功率晶体管处于线性状态下工作，消耗功率极大，其可靠性差效率较低。其充电一度采用恒压、恒压限流、恒流等单一模式，这种充电方法不仅效率低、能耗大、功率因数低，而且存在严重的过充电严重影响蓄电池的使用寿命”【131。北京交通大学硕士学位论文隔离的DcDc不控整流 变换器上f古 J1一图11传统的充电模块FigurelI Traditional charging modulePFCM块 隔；tflacacJ晤 T-变换器工 f图12有功率因数校正的充电模块Figurel
22、-2 Charging module contained PFCTl图13充电曲线Figurel一3 Charge curvo本文提出的充电模块基于现代动力蓄电池充电技术的发展趋势以及充电策略，采用恒流、恒压充电模式，并且配合BMS系统，对单体电池过压、过温等有很好的保护功能，防止单体电池过充现象发生，也就保证了整组电池的充电安全，电池使用寿命相对不会有太大的损害。网侧为三相电压源型整流器，能够实现单位功率因数整流，电压电流畸变小，谐波含量小，功率因数高，对电网谐波污染小。14 PFC技术的分类和发展功率因数校正技术(PFC)有很多分类法，按照市电电网输入方式可以分为单相PFC电路和三相PFC
23、电路。按照功率因数校正器本身的结构而言，功率因数校正器又可以分为两级式和单级式两种，如图l_4所示，其中图(a)是两级式，即PFC级和DCDC级。它们各自都有自己的开关器件和控制电路。PFC级主要作用是使线电流跟踪线电压，使电流正弦化，减少谐波对电网的污染，提高输入功率因数。DCDC级主要用来实现输出电压的快速调节。图(b)是单级式，即使PFC级和DCDC级合并，共用一个开关管和一套控制电路，同时实现对输入电流的正弦化和对输出电压的调节。由于控制电路主要是用来调节输出电压，因此输入电流正弦化的程度就差些，但电路要比两级式简单很多。4绪论图l-4两级式和单级式PFC变换器方框图Figure l-
24、4 Two-stage and single-stage of PFC converter按照电感电流是否连续，PFC可分为两种基本的PFC技术，其中一种是让变换器工作在连续导电模式下的乘法器型PFC技术，另一种是让变换器工作在不连续导电模式下的电压跟踪器型PFC技术。乘法器型PFC技术是根据输出电压反馈信号，利用一个乘法器电路来控制正弦参考电流信号，从而获得可调整的输出电压，其电感电流(即输入电流)被采样并被控制，使其幅值与输入电压同相位的正弦参考信号成正比，从而获得了功率因数校正的目的。电压跟踪器型PFC技术的一个显著优点是输入电流波形自然跟踪输入电压波形，其缺点是其输入电流波形为脉动三角
25、波，因此其前端需添加一个小容量的滤波电容以滤除高频纹波，并且其较高的开关峰值电流会带来较大的开关关断损耗。 ”按照拓扑结构划分，可分为升压式，降压式，升降压式，反激式，推挽式，半桥式和全桥式；按照输入电流的控制原理划分，可分为平均电流型，滞后电流型和峰值电流型；按照开关形式来分，PFC电路又可分为硬开关电路和软开关电路(ZCS或ZVS)。随着信息技术产业的发展，人们对开关电源提出更高的要求，对功率等级、负载特性、功率密度和可靠性等要求不断提高，开关电源技术的发展成为信息技术产业的一个重要基石。在相当多的场合，用电设备需要和电网电气绝缘，以保证用电设备的安全稳定和操作人员的人身安全。因此稳定可靠
26、的电源隔离技术是电源领域的重要部分，有着巨大的需求【4J。此前的兼具PFC与电气隔离的开关电源解决方案都存在结构复杂、功率因数低、效率低、功率小等缺点中的一项或者几项。随着开关电源技术的发展，开关器件更加接近理想器件的特征，磁性材料具有更低损耗、更高功率等级，高性能DSP得到广泛推广应用，以及电源控制技术特别是DSP在电力电子中应用的长足发展，使得我们有更多的手段和更充分的知识准备来研究中大功率等级的兼具结构简单、高功率因数、高效率等优点的单级隔离型PFC解决方案。15论文的主要研究工作本课题的研究对象是电动汽车用锂离子动力电池的充电系统。详细分析了三5北京交通大学硕七学位论文相PFC模块输入
27、三相电网电压平衡时的数学模型，控制方案采用空间电压矢量原理(SVPWM)，这不仅能够有效地控制开关器件的最高开关频率，而且数字实现简单。仿真和实验结果表明，三相PFC模块不仅能够有效地抑制注入电网的谐波，还可以实现单位功率因数控制，电流环的前馈解耦控制策略能有效抑制电网波动和负载突变的干扰。具体工作如下：(1)对于网侧电压平衡条件下三相PFC模块进行理论分析，深入研究基于同步旋转两相坐标系下的解耦控制策略；(2)分析电压空间矢量控制的基本原理，空间矢量的合成算法，提出SVPWM在实际应用中的简化算法；(3)总结了一些电流控制方案，选择基于空间矢量(SVPWM)的直接电流控制方法，并结合三相电压
28、型PWM整流器的数学模型，采用前馈解耦控制策略进行电流内环的控制器设计；(4)选择合适的开关模式，降低PWM整流的开关损耗；(5)完成电路主要器件电感、电容、IGBT等的参数设计和选型；(6)在MatlabSimulink下搭建控制模型，进行系统仿真；(7)选用Freescale DSP 56F803作为控制器，实现软件编程；(8)搭建系统的硬件实验平台，进行实验验证；(9)对铁氧体电感和非晶电感进行相应的温升实验，验证选型的可靠性；(10)参与充电机模块的整体结构优化。16 本章小结本章主要简单介绍了研究背景和应用前景。详细介绍了电动汽车产业的全球化以及中国电动汽车产业的发展。充电站作为电动
29、汽车产业发展当中一个不可缺少的环节，在充电站的建设过程中需要大量的充电机，如何提高充电机的功率因数，降低充电机对电网谐波污染等问题成为了关注的焦点，并且提出了自己的解决方案。最后陈述了本文的主要研究工作和主要任务。6主电路：I=作原理及数学模型2主电路工作原理及数学模型21 主电路工作原理211 逆变本质传统的电力电子整流装置基本都是由二极管组成的桥式整流，传统整流器的实质是，把交流能量经过不控整流变换成直流能量，整流器后级接一个支撑电容，将能量输出给负载。由于二极管的单向导电性，电能只能单向流通，无法实现能量的反向流动。并且直流侧滤波电容的存在，交流侧的输入电流会不连续，而且发生严重的畸变，
30、功率因数很低。对于相控整流器而言，这种问题也普遍存在。在不控整流电路或者相控整流电路的基础上，在每个整流二极管上并联一个全控器件(IGBT等)就成为可逆整流电路。由于每一个桥臂都可以通过控制其全控器件的通断而实现桥臂上电流的双向流动，从而使得功率不仅可以从交流侧流向直流侧，也可以从直流侧流回交流侧，实现了功率的双向流动。“PWM整流器已不是一般意义上的ACDC变换器，而是一种可以实现网侧单位功率因数控制的可逆整流器”【14J。其主要思路是：“将PWM技术引入整流器的控制中，使整流器网侧电流正弦化，且可运行于单位功率因数，所以PWM整流器也称为高功率因数整流器。当PWM整流器从电网吸取电能时，其
31、运行于整流工作状态；而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变状态。单位功率因数(Unity Power Factor Rectifier)是指当PWM整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相(正阻特性)；当PWM整流器运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相(负阻特性)。由于PWM整流器其网侧电流及功率因数均可控，因而也可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合【1】，。212工作原理分析在电力电子变换器中广泛采用了脉宽调制(PWM)技术，由于PWM技术可以有效地进行谐波抑制，而且它的动态响应好，在频率、效率诸方面有着明显的优点。使逆变电路的技术性能与可靠性得到了明显
32、提高。将PWM技术应用于三相功率因数校正模块，是为了获得高功率因数和低谐波，从而更加适应工业领域对7北京交通大学硕士学位论文电能质量的要求。为此，以下从功率因数的决定因素入手进行分析。功率因数是指：从电网输入的有功功率与视在功率的比值，即：p旯=吾 (21)( 、一。，上式中： P为有功功率；S为视在功率。视电网电压基波为标准正弦波， 力：些垒坚：U10I；七t+17则上式可以表示为：COS0上式中： 研、乃为电网电压和电流的基波有效值；伊为基波电压与基波电流相位差；厶、厶厶为电流当中含有的高次谐波电流有效值。设K= 为电流波形的失真度，则功率因数可以表示为：(22)旯=lcxcos0 (23
33、)式(23)表明功率因数兄可以表示为电流波形失真度K和基波相移因数cos臼的乘积。PWM整流器，网侧电流及功率因数均可控，能够四象限运行，因而在有源电力滤波及无功补偿等方面也有着广泛的应用。以下介绍PWM整流器的工作原理。如图2一l所示，为PWM整流器模型结构，可以看出PWM整流器模型电路由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势e以及网侧电感等；直流回路包括负载电阻R，及负载电动势q等；功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组成。一 略图2-1 PWM整流器模型电路Figure2一l Model circuit of PWM rectifier当不计功率开关管桥路损
34、耗时，由交、直流侧功率平衡关系得：8主电路j：作原理及数学模型zV-wV么 (24)式中：伏f为模型电路交流侧电压、电流；、0为模型电路直流侧电压、电流。由式(24)可以看出：通过模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧，反之也成立。以下着重从模型电路交流侧入手，分析PWM整流器的运行状态和控制原理。稳态条件下，PWM整流器交流侧矢量关系如图22所示。为简化分析，对于PWM整流器模型电路，只考虑基波分量而忽略PWM谐波分量，并且不计交流侧电阻。这样可从图22分析：当以电网电动势矢量为参考时，通过控制交流电压矢量y即可实现PWM整流器的四象限运行。若假设，的模值不变，因此慨l=rollsI也固定
35、不变，在这种情况下，PWM整流器交流电压矢量v端点运动轨迹构成了一个以I形l为半径的圆。当电压矢量1，端点位于圆轨迹A点时，电流矢量比电动势矢量E滞后90。，此时PWM整流器网侧呈现纯电感特性，如图22(a)所示；当电压矢量v端点运动至圆轨迹B点时，电流矢量与电动势矢量E平行且同向，此时PWM整流器网侧呈现正电阻特性，如图22(b)所示；当电压矢量v端点运动至圆轨迹C点时，电流矢量，比电动势矢量E超前90。，此时PWM整流器网侧呈现纯电容特性，如图22(c)所示；当电压矢量y端点运动至圆轨迹D点时，电流矢量，与电动势矢量E平行且反向，此时PWM整流器网侧呈现负阻特性【l】，如图22(d)所示。
36、OB B B BC图2-2 PWM憨流器交流侧稳态欠量关系Figure22 Vector diagram of PWM rectifier上图中：E为交流侧电网电压矢量；y为交流侧电压矢量；圪为交流侧电感电压矢量；，为交流侧电流矢量。以上，彳，B，C，D四点是PWM整流器四象限运行的四个特殊工作状态点，进一步分析，可得PWM整流器四象限运行规律如下：(1)电压矢量v端点在圆轨迹彳召上运动时，PWM整流器运行于整流状态，电压电流相位差臼在90。到O。此时，PWM整流器需从电网吸收有功及9北京交通大学硕士学位论文感性无功功率，电能将通过PWM整流器由电网传输至直流负载。当PWM整流器运行在B点时，
37、则实现单位功率因数整流控制；而在彳点运行时，PWM整流器则不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收感性无功功率。(2)当电压矢量V端点在圆轨迹BC上运动时，PWM整流器运行于整流状态，电压电流相位差秒在0。到一90。此时，PWM整流器需从电网吸收有功及容性无功功率，龟能将通过PWM整流器由电网传输至直流负载。当PWM整流器运行至C点时，PWM整流器将不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收容性无功功率。(3)当电压矢量v端点在圆轨迹CD上运动时，PWM整流器运行于有源逆变状态，电压电流相位差臼在90。到180。此时PWM整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能将从PWM整流器直流侧传至电网。当PWM整
38、流器运行至D点时，便可实现单位功率因数有源逆变控制。(4)当电压矢量1，端点在圆轨迹DA上运动时，PWM整流器运行于有源逆变状态，电压电流相位差口在180。到90。此时，PWM整流器向电网传输有功及感性无功功率，电能将从PW-M整流器直流侧传输至电网。由以上分析可以看出，要实现PWM整流器的四象限运行，关键在于网侧电流的控制。一方面，可以通过控制PWM整流器交流侧电压，间接控制网侧电流；另一方面，也可以通过网侧电流的闭环控制，直接控制PWM整流器的网侧电流【1】【191。22 主电路的数学模型221 开关函数描述的一般数学模型所谓三相VSR一般数学模型是指根据三相VSR拓扑结构，在三相静止坐标
39、系(口，b，c)中，利用电路基本定律对VSR所建立的一般数学描述口1。对三相VSR拓扑的数学模型一般有两种数学描述，一种是基于开关函数的数学描述；一种是基于占空比的数学描述。前者主要用来对系统进行仿真，后者主要用来设计系统的控制策略。三相VSR拓扑结构如图23所示。针对三相VSR一般数学模型的建立，通常做以下假设：(1)三相电网为理想的纯正弦平衡电动势；(2)三相回路等效电阻相等，且都为R。；(3)忽略丌关管的导通压降和开怪损耗；10主电路：l：作原理及数学模型(4)各相电感厶相等且为线性电感，不考虑电感饱和；(5)为描述能量双向流动性，负载由毗和钇串联组成。如图23所示，当eLVdc时候，三
40、相VSR既可运行与整流模式，又可运行于有源逆变模式，此时三相VSR将钇所发电能向电网侧输送，有时也称这种模式为再生发电模式；当eLa y alpha0ain图3-4三相静I七到两相静止坐标系变换模型Figure3-4 The transformation model from three-phase static to two-phase static coordinate将上面的模块做一个封装，在Matlab工作环境下，将上图中的元素全选，点控制策略及系统仿真击鼠标右键或者点击模型搭建窗口菜单栏的Edit选项，找到Creat subsystem选项，得到以下封装的模型：C图35三相静止到两相
41、静止坐标变换子系统Figure35 Subsystem from three-phase static to two-phase static coordinate transformation同理，创建alpha_beta2d q模块如下： 臣卜甲P甲图3_6两相静I：到两相旋转坐标变换模型Figure3-6 The transformation model from threephase static to two-phase rotary coordinate上图所示的模块中用到了MatlabSimulink中的Fen模块，这个模块允许用户自己编写输入输出变量之间的数学表达式，模块的输入
42、为多个变量时根据前级输入变量的次序，第一个变量的引用命为U(1)，第二个为U(2)，以此类推，就可以得到不同的输入想要的输出变量，这个模块只允许一个输出变量。同理创建上个模块的封装为：沛h；L alpha d!) beta祟厂sin co宇i、 l C9dq图37两相静止到两相旋转坐标变换子系统Figure3-7 Subsystem from threephase static to two-phase rotary coordinate transformation由式(312)做系统电流环的PI调节器控制结构，其中，g轴的PI调节器结构如下所示，为了达到高功率因数，设定g轴电流给定为0，让
43、无功分量为0，实现高功率因数，被减量为三相VSR系统交流输入侧做坐标变换后g轴电流分量。北京交通大学硕七学位论文图3-8q轴电流PI控制模型Figure3-8 Current PI control structure q axis同理得到d轴电流环PI控制结构图，d轴为有功分量，且d轴的给定为母线电压与给定电压做差后的PI输出，被减量为三相VSR系统交流输入侧做坐标变换后d轴电流分量。图3-9d轴电流PI控制模型Figure3-9 Current PI control structure d axis再根据图33的电流环控制框图，做MatlabSimulink下的控制结构图为：图310 Mat
44、labSimulink中前馈解耦电流环模型Figure310 Feedforward decoupling ofcurrent loop s仃uctIlre in MatlabSimulink图310中用到了锁相环Virtual PLL，锁相环的目的是把电流环的d轴定位在指令电压旋转矢量上，使得d轴与指令矢量同相位，这样一来，指令电压矢量的控制策略及系统仿真投影在d轴的投影为指令电压本身，模值最大，既有功功率最大化。而在g轴上的投影则为零，既无功功率最小化，通过坐标轴定位，就能控制整个系统电压电流相位差，使得拓扑实现在四象限工作的功能。323 相邻基础矢量作用时间的计算在整个体系搭建过程中，任
45、务最重的就是SVPWM算法在Matlab环境中的实现，实现SVPWM算法的模块有很多，可以用MatlabSimulink已经封装好的模块，也可以自己进行创建，为了更好的理解SVPWM算法，该仿真模型没有使用MatlabSimulink中已经封装好的SVPWM算法模块，采用Matlab强大的自编算法的功能，在已有的S-Function Builder模块中，采用这种方法的原因是Matlab支持C语言或者C+语言编写的MEX。MEX文件是一种“可在Matlab环境中调用的C(或fortran)语言衍生程序”。也就是说，MEX文件的源码文件是由C或Fortran语言编写的，后经Matlab编译器处理
46、而生成的二迸制文件；它可以被Matlab解释器自动装载并执行的动态链接程序，这种文件在Windows下是Dll文件。现就SVPWM算法做简单介绍。(100)图311瞬间指令电压矢量的合成Figure3-1 1 The synthesis of instantaneous command voltage vector图311现实了瞬间电压矢量的合成规则，现在要完成的任务是求解矢量V栅和矢量V佗t2的大小，也就是在一个开关周期Ts内，矢量V陀fl和矢量V陀岔的作用时间Tl和T2。图312瞬间指令电压矢量投影到alpha、beta轴的合成Figure3-12 The synthesis of instantaneous command voltage vector that projected to alpha-beta axis
