四象限變流器擴(kuò)展應(yīng)用及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、與傳統(tǒng)“交直交”變流器不同的四象限變流器被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代交流電力傳動(dòng)系統(tǒng)、新能源并網(wǎng)發(fā)電、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、無(wú)刷雙饋電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)以及中高壓變頻技術(shù)等領(lǐng)域。隨著電力電子器件的不斷更新，其耐壓等級(jí)與開關(guān)頻率得到顯著提高，與此同時(shí)現(xiàn)代控制理論的蓬勃發(fā)展為四象限變流器提供了廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。本文針對(duì)四象限變流器的核心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并分析了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理。在此基礎(chǔ)之上擴(kuò)展了其應(yīng)用領(lǐng)域，將其應(yīng)用于油井抽油機(jī)的電機(jī)控制、高壓級(jí)

2、聯(lián)變頻系統(tǒng)以及船舶軸帶同步發(fā)電機(jī)變流器系統(tǒng)。并在各自的領(lǐng)域內(nèi)，根據(jù)該領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)的分析和理論驗(yàn)證。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴PWM調(diào)制方式是由變流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所決定。在傳統(tǒng)三相橋結(jié)構(gòu)中主要應(yīng)用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）方式和空間矢量調(diào)制（SVPWM）方式。為了提高直流母線電壓的利用率常應(yīng)用SVPWM技術(shù)作為整流器和逆變器的調(diào)制方式。針對(duì)中性點(diǎn)電壓鉗位型（NPC）三電平和 T型（T-type）三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為了

3、控制電容中點(diǎn)電壓平衡，在三電平SVPWM調(diào)制方式中引入中點(diǎn)電壓平衡策略。主要是合理利用每個(gè)扇區(qū)的正、負(fù)小矢量和中矢量，根據(jù)中點(diǎn)電壓的偏差和流入電容中點(diǎn)的電流方向及大小確定三者之間的組合關(guān)系，得到一個(gè)變化的虛擬中矢量參與SVPWM調(diào)制，這樣可以有效抑制直流母線中點(diǎn)電壓波動(dòng)。針對(duì)H橋級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，類比載波移相CPS-SPWM調(diào)試技術(shù)，對(duì)錯(cuò)時(shí)采樣空間矢量調(diào)制技術(shù)（STS-SVPWM）進(jìn)行了簡(jiǎn)化。分析了兩種級(jí)聯(lián)多電平調(diào)制技術(shù)的異同點(diǎn)，給出

4、兩種調(diào)制方式在數(shù)字控制系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方法和仿真實(shí)驗(yàn)波形。⑵電流控制技術(shù)作為PWM整流器電壓、電流雙閉環(huán)控制的關(guān)鍵技術(shù)，決定了整流器的動(dòng)、靜態(tài)特性。傳統(tǒng)的電流控制技術(shù)主要是通過有功和無(wú)功電流在旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下的解耦PI控制來實(shí)現(xiàn)。其中旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的角度是否準(zhǔn)確和電感解耦是否完全，決定了 PI控制效果的好壞。在一些特定的電網(wǎng)條件下，如電網(wǎng)電壓不對(duì)稱、電網(wǎng)諧波含量較高，或者是應(yīng)用在軸帶同步發(fā)電機(jī)變流器等場(chǎng)合，整流器輸入電壓相位和線路電感參數(shù)的

5、準(zhǔn)確性將難以保證。針對(duì)這些工況，先后提出了基于復(fù)矢量 PI控制器的無(wú)電感參數(shù)電流解耦控制和基于自適應(yīng)PR控制器與變頻諧振鎖相環(huán)的新型準(zhǔn)直接功率控制。仿真和樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了所提控制策略的正確性和可行性。⑶四象限變流器中的逆變部分主要用來控制交流電機(jī)（如感應(yīng)電機(jī)或永磁同步電機(jī)）或者作為三相電源（如并網(wǎng)有源逆變或獨(dú)立供電），均能獲得優(yōu)良的控制性能。在現(xiàn)代交流傳統(tǒng)系統(tǒng)中，交流電機(jī)矢量控制因其良好的靜、動(dòng)態(tài)品質(zhì)，已成為主流。但由于矢量控制系統(tǒng)是一個(gè)

6、多環(huán)控制系統(tǒng)，需要整定參數(shù)較為復(fù)雜。本文在分析了感應(yīng)電機(jī)復(fù)矢量數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電機(jī)的完全解耦控制，并對(duì)矢量控制中各環(huán)路的控制器參數(shù)整定方法進(jìn)行深入研究。在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制的基礎(chǔ)之上分析了感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制策略，提出了一種滑模參考自適應(yīng)速度辨識(shí)方法，并應(yīng)用在了四象限變流器和能饋式H橋級(jí)聯(lián)高壓變頻器系統(tǒng)上，獲得了較好的動(dòng)、靜態(tài)性能。當(dāng)逆變側(cè)作為三相電源時(shí)，提出了基于交流電壓幅值外環(huán)和限流內(nèi)環(huán)的獨(dú)立供電雙閉環(huán)控制策略。為

7、了能夠與柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，設(shè)計(jì)了基于同步發(fā)電機(jī)下垂特性的逆變器并網(wǎng)控制策略，且能與獨(dú)立供電模式進(jìn)行平滑切換。⑷為了提高四象限變流器系統(tǒng)的功率響應(yīng)，研究了負(fù)載電流前饋控制，并設(shè)計(jì)了負(fù)載電流觀測(cè)器。為了進(jìn)一步抑制直流母線電壓的脈動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)直流電容的最小化，在分析了四象限變流器小信號(hào)模型的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種包括電容電流在內(nèi)的綜合電流前饋控制策略，該方法在不需要增加直流母線電流傳感器的前提下，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)通過采集逆變側(cè)的電壓和電流信息