浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t c a r e f u l l ya n a t o m i n gt h er e a s o nt h a tc o n v e n t i o n a lt h r e e - p h a s ei n v e r t e ro u t p u t v o l t a g ei sb a df o ru n b a l a n c e da n dn o n l i n e a rl o a d s ，d i s s e r t a t i o ns u mu pt h e r e s e a r c ho f p r e d e c e s s o r , c o m p a r es om a n yk i n d so fp o w e rc i r c u i ts c h e m e sa n dc o n t r o lc i r c u i t m e t h o d s t h r e e - p h a s ef o u r - l e gi n v e r t e ra n dt h ep i dc o n t r o l l e ra r e s e l e c t e d t h ed e f i n i t i o n 、h a r m 、c o r r e l a t i o ns t a n d a r da n du n b a l a n c ed e g r e e 、n o n l i n e a r d e g r e eo f u n b a l a n c e da n dn o n l i n e a rl o a d sa r ea n a l y s e di nd e t a i l b a s i n g o nt h ec o m p a r eo fa n a l o gc o n t r o la n dd i g i t a lc o n t r o l ，d s pd i g i u d c o n t r o l l e ri ss e l e c t e d a n dc o r r r l a t i o nc o n f i g u r a t i o n 、p r i n c i p l e 、t h ed s pr e $ o 晰 d i s t r i b u t i o no fs y s t e m 、s o r w a r er e a l i z a t i o no f c o n t r o ls c h e m ea r ea n a l y s e d a c c o r d i n gt o t h er e q u e s to fe x p e r i m e n tp r o d u c t i o n ，r e c t i f i e rb r i d g e 、p o w e r s w i t c h 、f i l t e rc i r c u i t s 、d r i v ea n a l o gc i r c u i t s 、d s pm i n i m u mh a r d w a r es y s t e ma n dt h e j o i no f t w op a r t sa r ea n a l y s e d t h es w i t c hc y c l ea v e r a g em e t h o da n dt h er o t a r yc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o na r e u s e dt oe s t a b l i s hc o n t i n u o u si n v a r i a b l es y s t e mm o d e l a c c o r d i n gt ot h et r a n s f e r f u n c t i o no ft h ei n v e r t e r , t h ed i s t r i b u t i o no fe x p e c t e dp o l e sa n dd e m a n dp e r f o r m a n c e ， t h eo p t i m a lp a r a m e t e r so ft h ec o n t r o l l e rc a nb ec a l c u l a t e d m o d l i n ga l lp a r t so f s y s t e m o nm a t l a bs o f t w a r e ，t h es t a b i l i z a t i o na n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e so ft h ef o u rl e g s i n v e r t e rs y s t e mc o m b i n e dw i t ht h eo p t i m a lp i dc o n t r o l l e ra r et e s t e d e x p e r i m e n to f s i m u l a t i o np a r e m e n t si sv a l i d a t e d ，a n dr e s u l t si sg o r e df o rv e r i f y i n gt h ep r o p o s e d m e t h o d t h i sm e t h o di ss i m p l et oi m p l e m e n ta n dt h ed e s i g ni sc o n v e n i e n t k e yw o r d s ：t h r e e p h a s ef o u r - l e gi n v e r t e r ：m o d e l i n g ；p i dc o n t r o l l e r ：u n b a l a n c e d l o a d ；n o n l i n e a rl o a d l i 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論 分布式發(fā)電裝置作為小型模塊式、與環(huán)境兼容、可在電網(wǎng)崩潰和意外災(zāi)害 時(shí)維持重要用戶供電的獨(dú)立電源，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)越來越具有競(jìng)爭(zhēng)力。分布式發(fā)電 裝置后級(jí)的電力電子變流器及其控制系統(tǒng)，不僅承擔(dān)將高速發(fā)電機(jī)輸出的高頻 交流電能轉(zhuǎn)化為恒頻恒壓的工頻高質(zhì)量的電能，而且承擔(dān)了機(jī)組啟動(dòng)時(shí)高速發(fā) 電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的控制。隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用越來越多，對(duì)電力電子變 流裝置要求也越來越高，在可能出現(xiàn)的各種負(fù)載情況下，都要求電力電子變流 裝置能保證系統(tǒng)供電質(zhì)量穩(wěn)定。 1 1 逆變器應(yīng)用 逆變器不斷地發(fā)展，使用場(chǎng)合越來越多“：通過直流電( 蓄電池、開關(guān) 電源、燃料電池等) 轉(zhuǎn)換成交流電為電器提供穩(wěn)定可靠的用電保障，如筆記本電 腦、手機(jī)、手持p c 、數(shù)碼相機(jī)以及各類儀器等；與發(fā)電機(jī)配套使用，有效地節(jié)約 燃料、減少噪音；用于各類交通工具，如汽車、各類艦船以及飛行器；用于在太 陽能及風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域。同時(shí)逆變器可在斷電瞬間啟動(dòng)的優(yōu)勢(shì)使其在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、 安全系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備等重要用電地方發(fā)揮保障作用。小型逆變器還可 利用汽車、輪船、便攜供電設(shè)備，在野外提供交流電源等等。逆變器輸出的交流 電可用于各類設(shè)備，最大限度地滿足移動(dòng)供電場(chǎng)所或無電地區(qū)用戶對(duì)交流電源的 需要。 由于逆變器所帶負(fù)載容量的日益增大、各種負(fù)載情況日益復(fù)雜，從而對(duì)三 相逆變電源的研究也就日益深入。三相逆變電源不同于單相逆變電源，保證其 三相電壓的對(duì)稱輸出是對(duì)其最基本的一個(gè)要求。然而由于傳統(tǒng)逆變器的結(jié)構(gòu)限 制以及控制局限存在著不同程度的三相耦合問題，所以在不平衡負(fù)載時(shí)輸出電 壓幅值大小不一致，在非線性負(fù)載時(shí)輸出電壓畸變，諧波含量比較大。隨著這 兩類負(fù)載使用的廣泛，要求逆變器具有帶不平衡和非線性負(fù)載的能力就顯得迫 在眉睫。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 不平衡負(fù)載 1 2 1 不平衡負(fù)載介紹 三相輸出電壓不對(duì)稱可能由兩種情況引起：1 、三相電路參數(shù)的不一致。即 使三相負(fù)載平衡，三相輸出電壓波形也會(huì)不對(duì)稱。2 、三相負(fù)載不平衡。三相系 統(tǒng)中，各相負(fù)載分配不均或者負(fù)載故障都有可能導(dǎo)致負(fù)載不平衡狀況。不平衡的 負(fù)載將導(dǎo)致零序( 四線制) 和負(fù)序分量在系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)，對(duì)輸出阻抗為零的理想的電 源來說，問題不大，但是實(shí)際的系統(tǒng)都具有一定的輸出阻抗，這就將會(huì)導(dǎo)致輸出 電壓波形畸變。三相負(fù)載的不平衡是引起三相輸出電壓不對(duì)稱最常見的原因。三 相輸出電壓不對(duì)稱表現(xiàn)可能是相電壓的幅值大小不平衡，也有可能是相位偏移的 不平衡，或者兼而有之。 因此對(duì)于逆變器供電系統(tǒng)而言，逆變器應(yīng)該具有在一定負(fù)載不平衡的情況下 保證輸出電壓平衡的能力。 1 2 2 電壓不平衡的危害和標(biāo)準(zhǔn) 輸出電壓的不平衡可能導(dǎo)致電子設(shè)備的工作失常甚至損壞。例如不平衡的三 相電壓可以在電機(jī)繞組產(chǎn)生負(fù)序電流，從而增加電機(jī)的內(nèi)部損耗和溫升，如果電 機(jī)工作在額定工作狀態(tài)就有可能使電機(jī)過熱甚至嚴(yán)重?fù)p壞。另外，在三相系統(tǒng)中 電壓不平衡也可以引起與之相連接的電子設(shè)各的故障。 對(duì)于現(xiàn)代三相逆變電源，尤其是大容量三相逆變電源，通常都帶混合型負(fù)載， 因此對(duì)三相逆變電源要求帶1 0 0 不平衡負(fù)載，它的輸出電壓不平衡必須滿足一定 的要求。 根據(jù)國(guó)標(biāo)g b7 2 6 0 - 8 7 不間斷電源設(shè)備。中，要求在規(guī)定的正常工作條件 下( 包括規(guī)定的負(fù)載不平衡) ，三相輸出系統(tǒng)輸出電壓的不平衡度應(yīng)不超過5 。 信息產(chǎn)業(yè)部郵電工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心在通信用不間斷電源一u p s “1 中，要求u p s - i 相輸出中的任意一相接額定線性負(fù)載，其它兩相均為空載時(shí)， 輸出電壓的不平衡度小于等于5 。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 非線性負(fù)載 1 3 1 非線性負(fù)載與線性負(fù)載 非線性負(fù)載是相對(duì)于線性負(fù)載而言的。線性負(fù)載是指在正弦波電壓的作用下 吸收與電壓同頻率的正弦波電流。線性負(fù)載不包含任何有源電子元器件，只是由 電阻、電感器和電容器組成，逆變器的輸出質(zhì)量高。 非線性負(fù)載就是指在正弦波電壓的作用下吸收與電壓同頻率的周期電流，但 不是正弦波電流。對(duì)非線性負(fù)載吸收的電流進(jìn)行分解，其為基波電流和諧波電流 的合成。諧波電流都是幅值比基波電流小的正弦波，但頻率是基波頻率的正整數(shù) 倍。諧波是由于電力電子器件( 例如二極管、可控硅、i g b t 等) 對(duì)輸入電流進(jìn)行 開關(guān)操作所引起的。 非線性負(fù)載包括輸入端具有電子電路供電的開關(guān)型電源的所有裝置。主要存 在的有這些類型”： 一、變頻調(diào)速裝置。 二、電弧爐、電石爐，主要是5 、7 0 ：的諧波，平均可達(dá)基波的8 、2 0 ， 最大可達(dá)4 5 。 三、氣體放電類電光源。熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬 于氣體放電類電光源。它們會(huì)給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。 四、整流設(shè)備。常用的整流電路幾乎都采用晶閘管相控或二極管整流電路， 其中又以三相橋式和單相橋式整流電路為最多。晶閘管整流裝置采用的是移相控 制，它從電網(wǎng)吸收缺角的正弦波，留給電網(wǎng)的也是缺角的正弦波，顯然留下的這 部分缺角正弦波中含有大量的諧波；二極管整流電路，在接感性負(fù)載時(shí)則含有奇 次諧波電流，其中3 次諧波的含量可達(dá)基波的3 0 ；若接容性負(fù)載時(shí)則含有奇次 諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大；三相全控橋6 脈整流器，變壓器 原邊及供電線路含有5 次及以上奇次諧波電流：即使是性能較好的1 2 脈沖整流器， 也還有1 1 次及以上奇次諧波電流。 經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近4 0 ，這是最大的諧波 源。電力電子裝置大量應(yīng)用之前，最主要的諧波源是電力變壓器的勵(lì)磁電流，其 次是發(fā)電機(jī)。在電力電子裝置大量應(yīng)用后，它成為最主要的諧波源。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 2 非線性負(fù)載危害和諧波標(biāo)準(zhǔn) 非線性負(fù)載使供電電流發(fā)生畸變，致使供電電網(wǎng)諧波成分增加而造成電源 污染，供電質(zhì)量下降，過大的失真度會(huì)干擾并聯(lián)在逆變器輸出端的其它負(fù)載。 引起的諧波電流對(duì)于其它同源負(fù)載會(huì)有不良的影響睜“1 ： 1 、諧波畸變。負(fù)載諧波電流流過源輸出阻抗引起諧波壓降，而畸變的輸出電壓 又會(huì)引起負(fù)載電流的畸變。 2 、變壓器過熱。由于集膚效應(yīng)，諧波電流引起的傳導(dǎo)損耗增加，這將使為線性 負(fù)載設(shè)計(jì)的變壓器為避免過熱起火而不得不降額使用。 3 、系統(tǒng)振蕩。由于諧波電流的頻域較寬，可能會(huì)在系統(tǒng)固有頻率處發(fā)生振蕩。 4 、傳導(dǎo)和輻射干擾嚴(yán)重。諧波電流可以產(chǎn)生較大的傳導(dǎo)e m i 干擾，傳導(dǎo)干擾又會(huì) 通過導(dǎo)線成為輻射e m i 干擾源。大的e m i 干擾可能會(huì)影響附近電子設(shè)備和通訊 系統(tǒng)的正常工作。 為了保持逆變器輸出電壓的質(zhì)量，必須限制產(chǎn)生電壓失真的電流諧波含量。 事實(shí)上，供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員必須核準(zhǔn)帶非線性負(fù)載時(shí)的逆變器輸出容量，特別 是確認(rèn)所標(biāo)稱的失真度是符合標(biāo)準(zhǔn)的。 為了保證系統(tǒng)設(shè)備的安全和電網(wǎng)的安全運(yùn)行，必須對(duì)注入電力系統(tǒng)的諧波加 以限制，主要手段之一即制定相應(yīng)諧波標(biāo)準(zhǔn)“。采用標(biāo)準(zhǔn)化的非線性負(fù)載測(cè)量的， 并且電壓失真度應(yīng)非常低( 參見相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)) ，同時(shí)限制向負(fù)載供電的輸出電纜的長(zhǎng) 度( 阻抗) 。目前很多電力電子和電力工程領(lǐng)域的國(guó)際組織均成立了專門的機(jī)構(gòu)對(duì) 諧波進(jìn)行廣泛深入的研究，如國(guó)際電工委員會(huì)( i e c ) 、英國(guó)電力協(xié)會(huì)( e a ) 和 美國(guó)電氣與電子工程師學(xué)會(huì)( i e e e ) 。 關(guān)于諧波常用的三個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為：i e c 6 1 0 0 0 3 6 、g 5 4 和i e e e s t d 5 1 9 1 9 9 2 。作為管理諧波國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)，i e c 出版電磁兼容系列標(biāo)準(zhǔn)和 技術(shù)報(bào)告i e c6 1 0 0 0 ，其中涉及中高壓電網(wǎng)諧波及其限值的是i e c 6 1 0 0 0 3 6 。英 國(guó)于2 0 0 1 基于g 5 3 年正式頒布了e n g i n e e r i n gr e c o m m e n d a t i o ng 5 4 。1 9 8 6 年 電力工程師協(xié)會(huì)加入到工業(yè)應(yīng)用協(xié)會(huì)，美國(guó)i e e e s e 業(yè)應(yīng)用協(xié)會(huì)并將 i e e e s t d 5 1 9 1 9 8 1 更新為的i e e es t d 5 1 9 1 9 9 2 “i e e er e c o m m e n d e dp r a c t i c e s a n dr e q u i r e m e n t sf o rh a r m o n i cc o n t r o li ne l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m s ”。 具體表格如下： 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 表i - ii e c 6 1 0 0 0 - 3 - 6 總諧波電壓畸變率( t m ) 規(guī)劃水平 l 公共連接點(diǎn)( p c c ) 電壓 u 。3 5 k v3 5 k v i j , 2 3 0 k v2 3 0 k v u 。 t h d8 0 6 5 3 o i e c 6 1 0 0 0 - 3 - 6 將諧波分為非3 倍數(shù)奇次諧波、3 1 b 倍數(shù)奇次諧波和偶次諧波 三種，對(duì)單次諧波電壓含有率均有細(xì)致規(guī)定。 表i - 2g 5 4 總諧波電壓畸變率( t h d ) 規(guī)劃水平 p c c 電壓 u 。：o 4 k vu 。= 6 6 、1 1 和2 0 k v2 0 k v 川，超調(diào)量將變得很大。若非主導(dǎo)極點(diǎn)離虛軸較近而此極點(diǎn) 又和主導(dǎo)共軛極點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，例如h 一五i 怯| ，超調(diào)量將大為減小。 2 峰值時(shí)間f 。： 峰值時(shí)間對(duì)應(yīng)于最大超調(diào)量發(fā)生的時(shí)間。通過對(duì)式( 5 1 0 ) 求導(dǎo)數(shù)，并令 其等于零，即望竺：0 ，經(jīng)整理后可得： 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 鏟畝協(xié)一薔善印 ( 5 1 4 ) 式中n = 么( 一z ，) ，只= 么( 一 ) 。按公式( 5 1 4 ) 求得峰值時(shí)間 t 。= 二( 萬一礦1 + 島+ 幺+ 幺) ( 5 1 5 ) 由式( 5 1 3 ) 可見：閉環(huán)零點(diǎn)的作用在于提高系統(tǒng)反應(yīng)速度。而且零點(diǎn)越靠 近虛軸，上述作用就越大；閉環(huán)非主導(dǎo)極點(diǎn)的作用在于降低系統(tǒng)反應(yīng)速度，同 樣，這些極點(diǎn)越靠近虛軸，反應(yīng)速度就越慢；兩個(gè)靠得很近的閉環(huán)零點(diǎn)和極點(diǎn) 組成一對(duì)偶極子( 一對(duì)閉環(huán)零、極點(diǎn)，之間的距離比它們本身的模值小一個(gè)數(shù) 量級(jí)) 它們對(duì)系統(tǒng)性能的影響將互相抵消，因此可以不予考慮。 3 調(diào)整時(shí)問t ，： 調(diào)整時(shí)間為輸出與其對(duì)應(yīng)輸入的終值之間的偏差達(dá)到容許范圍所經(jīng)歷的暫 態(tài)過程時(shí)間。利用式( 5 1 0 ) 可得到調(diào)整時(shí)間t ： f 。z = 三 ( 誤差帶5 )( 5 1 6 ) 言國(guó)。 盯 根據(jù)高階系統(tǒng)零、極點(diǎn)分布，計(jì)算上述各項(xiàng)性能指標(biāo)，便可繪出高階系統(tǒng) 階躍響應(yīng)的大致圖形。 閉環(huán)零點(diǎn)可使峰值時(shí)間，。減小，提高了系統(tǒng)快速性( 反應(yīng)速度) 。但如離虛 軸太近，又將導(dǎo)致超調(diào)量過大，從而使系統(tǒng)性能變壞。因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)， 可以適當(dāng)?shù)亟o系統(tǒng)配置附加零點(diǎn)( 或極點(diǎn)) ，以便很好地解決f ，與盯，之間的矛 盾。 j o _ +0 x 圖5 - 5 系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)分布 如果將非主導(dǎo)極點(diǎn)略去不計(jì)，系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)分布變成圖5 - 5 所示。系統(tǒng)性 能指標(biāo)即為： ，一= 三( - 0 d ( 5 1 7 ) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 盯。= e - o ， ( 5 1 8 ) 采用主導(dǎo)極點(diǎn)法時(shí)，在全部閉環(huán)極點(diǎn)中，選留最靠近虛軸而又不十分靠近 閉環(huán)零點(diǎn)的一個(gè)或幾個(gè)閉環(huán)極點(diǎn)作為主導(dǎo)極點(diǎn)，略去不十分接近坐標(biāo)原點(diǎn)的偶 極子，以及比主導(dǎo)極點(diǎn)距虛軸遠(yuǎn)6 倍以上的閉環(huán)零、極點(diǎn)，高階系統(tǒng)就可以簡(jiǎn) 化為只有一二個(gè)閉環(huán)零點(diǎn)和- - = 個(gè)閉環(huán)極點(diǎn)的系統(tǒng)，從而可用比較簡(jiǎn)便的方法 估算高階系統(tǒng)的性能。為了使估算得到滿意的結(jié)果，選留的主導(dǎo)極點(diǎn)數(shù)要多于 選留的主導(dǎo)零點(diǎn)數(shù)。另外，必須注意核算在略去非主導(dǎo)零、極點(diǎn)后閉環(huán)傳遞函 數(shù)m ( 0 ) 不變，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差的估算錯(cuò)誤。 5 3 高階系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)控制 盟：堡墨： ( 5 1 9 ) r ( s )( s 2 + 2 善西。s + ) ( j + a ) 砸h ：燕儲(chǔ)2 ( p - 2 ) c o s c 忍? 眠。， + 警s i n ( 概f ) 一志11 一善2 吉【一2 j + 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)只是增加響應(yīng)曲線初始段的波動(dòng)。如果實(shí)數(shù)極點(diǎn)( 一a ) 遠(yuǎn)離共軛復(fù) 根，即處在共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)的左側(cè)比較遠(yuǎn)的地方，如5 - 6 右圖( b ) 所示，這時(shí)實(shí) 數(shù)極點(diǎn)為( 一五) 對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的影響較小，系統(tǒng)響應(yīng)主要由共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)決 定。 圖5 - 6 三階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)和三階系統(tǒng)得閉環(huán)極點(diǎn)分布圖 5 4 四橋臂逆變p l d 控制參數(shù) 那么如果高階系統(tǒng)中距離虛軸的距離最近的一對(duì)極點(diǎn)，其實(shí)部比其它極點(diǎn) 的實(shí)部的1 5 還要小，我們可認(rèn)為系統(tǒng)的響應(yīng)主要由該極點(diǎn)決定( 主導(dǎo)極點(diǎn)) 。 若四橋臂逆變器系統(tǒng)可以找到一對(duì)共軛復(fù)數(shù)主導(dǎo)極點(diǎn)，則此系統(tǒng)就可近似地當(dāng) 作二階系統(tǒng)來分析，其暫態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)都可按二階系統(tǒng)近似估計(jì)“”1 。 系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)期望值為： 2 一白q 辨l f ，2 ( 5 2 3 ) s , 3 = 一峨o s , 靠阻尼比； w r 無阻尼自然振蕩角頻率； ( 8 - - s r l ) x ( 8 - - 8 r 2 ) x ( s - s , 3 ) = j 3 + j 2 # r c o r ( 2 + h ) + ( 2 略2 + 1 ) q 2 s + f o r 3 ( 5 2 4 ) 因此滿足動(dòng)態(tài)性能要求的參數(shù)應(yīng)為： 幻= ( 2 + n ) ( o r l c k = ( 2 2 + 1 ) q 2 l c 一1( 5 2 5 ) 缸= n g c o , l c 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)各參數(shù)：二階系統(tǒng)的最佳阻尼比為“= 0 7 0 7 ，這時(shí)調(diào)整 時(shí)間最小，最大超調(diào)量也不大。1 1 取1 0 。系統(tǒng)未校正時(shí)自然振蕩角頻率為 4 4 k r a d s ，選取期望自然振蕩角頻率為3 k r a d s ，對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間約為1 4 m s ， 在可以接受的范圍內(nèi)。計(jì)算得到：島= 0 0 0 1 3 1 島= 4 2 2 5 8 1 島= 1 0 0 7 9 e + 0 0 4 。 5 5 系統(tǒng)特性 從四橋臂p i d 系統(tǒng)的零極點(diǎn)分布圖可以看到，如圖5 7 ，系統(tǒng)一對(duì)共軛零 點(diǎn)為z 】_ 1 o e + 0 0 3 * ( - 1 5 7 2 2 + 2 2 4 2 3 i ) ，z ，= 1 o e + 0 0 3 * ( 一1 5 7 2 2 2 2 4 2 3 i ) ； 一對(duì)共軛極點(diǎn)為p 。= 1 o e + 0 0 4 * ( 一2 1 2 1 0 ) ，p - = 1 o e + 0 0 4 * ( 一0 2 1 2 1 + 0 2 1 2 2 i ) ， 第三個(gè)極點(diǎn)為p 。= 1 o e + 0 0 4 * ( 一0 2 1 2 1 0 2 1 2 2 i ) 。閉環(huán)零點(diǎn)離虛軸較近，可使峰 值時(shí)間r 。減小，提高了系統(tǒng)快速性，同時(shí)離共軛極點(diǎn)較遠(yuǎn)，可能會(huì)使超調(diào)量增 大，單是矛盾之下，只能取個(gè)平衡值。第三個(gè)極點(diǎn)的實(shí)部為共軛極點(diǎn)實(shí)部的1 0 倍，共軛零點(diǎn)的實(shí)部小于共軛極點(diǎn)實(shí)部，并且相差比較遠(yuǎn)。極點(diǎn)分布結(jié)果都符 合控制系統(tǒng)的高階系統(tǒng)低階化的條件。同時(shí)第三個(gè)極點(diǎn)的實(shí)部離虛軸較遠(yuǎn)，可 以提高系統(tǒng)反應(yīng)速度。 圖5 7 四橋臂p i d 系統(tǒng)的零極點(diǎn)分布圖 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 良好的幅頻特性對(duì)應(yīng)于良好的穩(wěn)定性?！埃簑 g = 3 k 2 3 1 4 = 1 8 k h z ，相角 裕量大于5 0 。，在w g 處斜率為1 。如圖5 - 6 ，可以看到系統(tǒng)的相角裕量和增 益裕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于要求值。 圖5 8 四橋臂p i d 系統(tǒng)的幅頻特性圖 5 6d s p 軟件實(shí)現(xiàn)控制 除了通過模擬器件實(shí)現(xiàn)的輸出電壓降壓調(diào)節(jié)、采樣調(diào)理電路環(huán)節(jié)、信號(hào)驅(qū)動(dòng) 放大環(huán)節(jié)、過流信號(hào)保護(hù)發(fā)出環(huán)節(jié)外，d s p 軟件部分需要實(shí)現(xiàn)大部分的控制反饋 環(huán)節(jié)：a d 采樣、濾波、信號(hào)還原變換、交流旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換、誤差比較環(huán)節(jié)、p i d 補(bǔ)償環(huán)節(jié)、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)反變換、s p l 】y m 信號(hào)輸出等等。“。d s p 控制軟件示意圖如圖5 9 。 l 逆變器e = 彳 廠l i 驅(qū)動(dòng)l l 電路n 圖5 - 9d s p 控制軟件示意圖 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 l 、控制系統(tǒng)主程序流程圖和中斷流程圖如圖5 1 0 。 i 禁止中斷i t i 系統(tǒng)初始化i ， e v a 和e v b 初始化 t ia d 初始化i t 數(shù)字濾波初始化 + p i d 參數(shù)初始化 廣 薯醪 、逕! 夠 醇勻 二二 二 = = 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)反變換 比較寄存器值計(jì)算 比較寄存器值賦值 d a 轉(zhuǎn)換輸出賦值 仿真器波形顯示賦值 中斷返回 圖5 - 1 0 控制系統(tǒng)主程序流程圖和中斷流程圖 2 、數(shù)字濾波：采用遞推平均濾波法。 軟件濾波方法有很多，各種方法各有利弊。遞推平均濾波法是把連續(xù)取n 個(gè) 采樣值看成個(gè)隊(duì)列，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來隊(duì)首的一次 數(shù)據(jù)。把隊(duì)列中的n 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，就可獲得新的濾波結(jié)果。遞推平 均濾波法對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于高頻振蕩的系統(tǒng)。 但是對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差，不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng) 合。n 值的選取選6 。 3 、p i d 計(jì)算：采用增量式結(jié)合積分分離p i d 算法。 數(shù)字p i d 算法有位置式p i d 和增量式p i d 兩種【2 3 l 。位置式p i d 運(yùn)算量較大，且 如果故障出現(xiàn)，u ( k ) 的大幅度變化會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化。增量式p i d 是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量u ( k ) 。增量式p i d 輸出的控制量au ( k ) 望墓 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 對(duì)應(yīng)的是增量，而不是對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，可以避免上述位置式p i d 的缺 點(diǎn)。增量式p i d 算式不需要累加，控制增量?jī)H與最近3 次的采樣值有關(guān)，易通過加 權(quán)處理獲得比較好的控制效果；每次只輸出控制增量，即對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變 化量，故障時(shí)影響小。 設(shè)u 為第k 次采樣時(shí)刻控制器的輸出值，可得離散的增量式p i d 算式為： u ( k ) = k p x ( e r r o r ( k ) - e r r o r ( k - 0 ) + k ix e r r o r ( k ) x t ( 5 2 6 ) + k d x ( e r r o r ( k ) 2 x e r r o r ( k - 1 ) + - o k k - 2 ) ) f r u 0 ( ) 控制器的輸出； l 【采樣序號(hào)； a r r o r ( k ) 第k 時(shí)刻控制器的輸入，為設(shè)定值與被控量之差即誤差信號(hào)； e r r o r ( k - 1 ) 第k 1 次控制器的輸入，誤差信號(hào)； e r r o r ( k 2 ) 第k - 2 次控制器的輸入，誤差信號(hào)； k 口_ 一控制器的比例系數(shù)； k 廣一控制器的積分系數(shù)； k 廠控制器的微分系數(shù)； t - 一采樣周期 4 、s p w m 調(diào)制方法：采用不對(duì)稱規(guī)則采樣法。 采樣型s p w m 法，分為自然采樣法和規(guī)則采樣法，其中規(guī)則采樣法又有對(duì)稱 規(guī)則采樣法與不對(duì)稱規(guī)則采樣法兩種【2 4 】。不對(duì)稱規(guī)則采樣法是既在三角波的頂點(diǎn) 位置又在底點(diǎn)位置對(duì)正弦波進(jìn)行采樣，更真實(shí)地反映實(shí)際正弦波數(shù)值。如圖5 1 1 所示。雖然采樣次數(shù)增大了一倍，增大了數(shù)據(jù)的處理量，但是系統(tǒng)的載波頻率較 低，不會(huì)對(duì)處理器速度造成很大的影響。 t = ( 1 一m s i n o t l ) t m 2 號(hào)( 1 + m 5 缸。 ( 5 2 7 ) 其中采樣周期t s 是三角波周期t d 的1 2 。 脈寬為： ：善t f 2 = 導(dǎo) ( 5 2 8 ) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 7 小結(jié) t 。= t 扣爭(zhēng)m + s i n t o 如) ) ( 5 2 9 ) “l(fā) 3 弋7 、 i 7 7 玳肛 】 一 k 一 彭黝綴鯢 ，| 0 ，2“ 一 一一不一 圖5 1 l 不對(duì)稱規(guī)則采樣法示意圖 - 。 。l 眥1 心刪伽“1j 【 i 一 。? 1 “ _i r_l 。 圖5 1 2s p w m 輸出波形圖 p i d 控制優(yōu)點(diǎn)較多，但是控制器參數(shù)選擇對(duì)系統(tǒng)至關(guān)重要，同時(shí)也是p i d 控制 的難點(diǎn)，故本章主要針對(duì)控制器參數(shù)的合理快速選擇進(jìn)行分析。在第三章的小信 號(hào)模型的基礎(chǔ)上，介紹了電壓前饋解耦，得到四橋臂逆變器系統(tǒng)等效模型。進(jìn)一 步簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，推算出傳遞函數(shù)。同時(shí)引用控制理論高階系統(tǒng)低階化的極點(diǎn)分 布圖和單位階躍響應(yīng)證明其合理性。根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，建立期望的主導(dǎo)極點(diǎn)分 布，基于系統(tǒng)傳遞函數(shù)和期望極點(diǎn)分布分析p i d 參數(shù)。最后結(jié)合d s p 的軟件控制簡(jiǎn) 要介紹此系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方案。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 參考文獻(xiàn) 【1 】孫馳，畢增軍，魏光輝基于空間矢量電流調(diào)節(jié)器的三相四橋臂逆變器的解耦控制研 究 j 電工電能新技術(shù)2 0 0 3 ， 2 2 ( 3 ) ：3 7 4 0 1 2 】孫馳，畢增軍，魏光輝一種新穎的三相四橋臂逆變器解耦控制的建模與仿真 j 中 國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2 0 0 4 ，2 4 ( 1 ) ：1 7 【3 】孫進(jìn)，侯振義，蘇彥民三相四臂對(duì)逆變電源控制方法的研究 j 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2 0 0 4 ，1 9 ( 4 ) ：6 1 6 5 f 4 】孫進(jìn)，盧家林，蘇彥民三相四線逆變電源解耦控制方法的研究 j ，電氣傳動(dòng)，2 0 0 2 ， 3 2 ( 4 ) ：3 - 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l e gi n v e r t e r s c a p e c ，s t a t eo ft e x a s ，2 0 0 2 ，2 ：1 0 3 8 1 0 4 3 d 2 ) z a p a t a , f f ，s a l a z a r , l d ，e s p i n o z a , j r a n a l y s i sa n dd e s i g no f as i n g l e - p h a s ep w m c u r r e n t s o u r g er e c t i f i e r w i t hn e u t r a l l e g 1 9 9 8 ， 1 ( 3 1 ) ：5 1 9 5 2 4 f 1 3 】張宇，段善旭，康勇，等基于瞬時(shí)對(duì)稱分量的三相逆變器特性分析 刀中國(guó)電 機(jī)工程學(xué)報(bào)，2 0 0 5 ，2 5 ( 1 7 ) ：1 5 2 0 d 4 w ur u i ，x i es h a o j u n s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o nf o rv o l t a g e s o u r c ei n v e n e r s - au n i f i e d a p p r o a c h e l e c t r i c a lm a c h i n e sa n ds y s t e m s i c e m s2 0 0 5 2 ：1 4 4 2 1 4 4 6 i s lz m o o d d n h o l m e s d g s t a t i o n a r yf l a m ec u r r e n tr e g u l a t i o no f p w mi n v e r t e r sw i t hz e r o s t e a d ys t a t ee r r o r p o w e r e l e c t r o n i c s ，i e e e t r a n s a c t i o n s ，1 8 ，( 3 ) 2 0 0 3 ：8 1 4 8 2 2 f 1 6 1z h a n g ，r ，p r a s a d ，v h ，b o r o y e v i c h d ，l e e ，f c t h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n f o rf o u r - l e gv o l t a g e - s o u r g ec o n v e r t e r s p o w e re l e c t r o n i c s , i e e et r a n s a c t i o n s1 7 ，( 3 ) ，：3 1 4 3 2 6 d 7 m i c h a e lj r y a n ，r i kw d ed o n c k e r ，r o b e r td l o r e n z d e c o u p l e dc o n t r o lo fa f o u r l e gi n v e r t e rv i aan e w4 4t r a n s f o r m a t i o nm a t r i xl j j i e e et r a n s a c t i o n s o np o w e re l e c t r o n i c s ，2 0 0 1 1 6 ( 5 ) ：6 9 4 7 0 1 d s 夏德鈐自動(dòng)控制理論 m 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2 0 0 3 【1 9 】陳青昌，彭力，康勇基于極點(diǎn)配置的d c d c 變換器p i d 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) j 通信電 源技術(shù)，2 0 0 5 ，2 2 ( 2 ) ：6 - 9 1 2 0 l 彭力，張宇，康勇，等高性能逆變器模擬控制器設(shè)計(jì)方法 j 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2 0 0 6 ，2 6 ( 6 ) ：8 9 9 4 2 1 1 徐德鴻電力電子系統(tǒng)建模及控制 m 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2 0 0 6 2 2 1 劉和平t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s pc 語言開發(fā)應(yīng)用北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2 0 0 3 1 2 3 1 劉金錕先進(jìn)p i d 控制及其m a t l a b 仿真 m 北京：電子工業(yè)出版社，2 0 0 3 2 4 1 李建林，李玉玲，張仲超s p w d 調(diào)制方法對(duì)比分析電源技術(shù)應(yīng)用，2 0 0 3 ，6 ( 1 2 ) ： 卜5 5 7 - 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第六章試驗(yàn)結(jié)果及其分析 6 1 試驗(yàn)參數(shù)和要求 采用m a t l a b 軟件仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的特性，參數(shù)和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)一致。 仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：額定功率：3k w ；額定輸出電壓有效值：2 2 0 v ：濾波 部分：1 ：4 8 m t t ；廬1 1i if ；第四橋臂電感值l = 0 0 5 棚；負(fù)載：3 個(gè)l k w 電爐， 仿真中用4 8q 電阻模擬電爐。 6 1 1 不平衡負(fù)載 四橋臂逆變器不平衡負(fù)載測(cè)試情況：不平衡負(fù)載：r 。= 5 0 k q ，尼- - 2 4 q ， 尼= 4 8q 。為測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，特設(shè)置負(fù)載突變情況：0 0 6 s c 相負(fù)載由空載 ( 用r = 5 0 k q 模擬) 切入4 8 q 負(fù)載。 6 1 2 非線性和不平衡的混合負(fù)載 混合負(fù)載是指同時(shí)具有非線性和不平衡特征的負(fù)載。測(cè)試負(fù)載情況為：a 相接為4 8q 電阻；b 相接接不控整流負(fù)載流負(fù)載，輸出帶濾波電容旁4 7l lf 和 電阻負(fù)載r f 5 0 kq ；c 相接不控整流負(fù)載流負(fù)載，輸出帶濾波電容旁4 7uf 和 電阻負(fù)載r 7 2 4 q 。 6 2 試驗(yàn)項(xiàng)目、主要數(shù)據(jù)及分析 秘i aaa! 公+ 禽 ；妙擴(kuò)妙擴(kuò)鬯 圖6 - 1 系統(tǒng)滿載a 相輸出電壓和輸出電流 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 如圖6 - 1 為系統(tǒng)滿載時(shí)，a 相輸出電壓有效值為2 2 0 v 。輸出電流用采樣電 阻，阻值為0 1 q ，采的電壓有效值為4 9 0 m v ，那么可知輸出電流為4 9 a ，功 率為1 0 7 8 w 。其余兩相電壓和電流波形類似。 6 2 1 不平衡負(fù)載運(yùn)行情況分析 蟾 ； 8 u g u c 附蕊 文蝴 - 、_ ，j 圖6 - 2 三相三橋臂開環(huán)系統(tǒng)不平衡負(fù)載a 、b 、c 三相輸出電壓 三相三橋臂開環(huán)系統(tǒng)在不平衡負(fù)載時(shí)，三相輸出電壓和電流波形為圖6 2 ， 可以看到三相輸出電壓在不平衡負(fù)載時(shí)是不對(duì)稱的，雖然三相相位各差1 2 0 度， 但是幅值大小不一，負(fù)載重的幅值小些，如a 相幅值會(huì)大于c 相幅值。 三相四橋臂閉環(huán)系統(tǒng)在不平衡負(fù)載情況下： 黼啪 掀擻 圖6 - 3 四橋臂閉環(huán)系統(tǒng)不平衡負(fù)載a 、b 、c 三相輸出電壓 乏瓜瓜jk 瓜a ，礦vr 礦曠i i o m _ 格 圖6 - 4 四橋臂閉環(huán)系統(tǒng)不平衡負(fù)載b 、c 相輸出電流 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 搟航 l o m s 格 圖6 - 5 四橋臂閉環(huán)系統(tǒng)不平衡負(fù)載第四橋臂電感電流 三相四橋臂開環(huán)系統(tǒng)輸出電壓經(jīng)過第四橋臂的調(diào)節(jié)，很明顯看到三相電壓 在不平衡負(fù)載時(shí)幅值也可以保持基本一致。三相四橋臂開環(huán)系統(tǒng)不平衡負(fù)載a 、 b 、c 三相電流波形也是幅值大小不等，負(fù)載重的幅值大些，a 相電流幅值很小。 從第四橋臂電感電流看到第四橋臂在不平衡負(fù)載時(shí)能起到很好的調(diào)節(jié)作用，其 值與三相電流之和為0 。 如上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以清除地看到在不平衡負(fù)載下，系統(tǒng)調(diào)節(jié)平衡能力較強(qiáng)。 為了更好地說明系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的波形，用m a t l a b 軟件建立各個(gè)模塊，仿真帶不 平衡負(fù)載時(shí)的閉環(huán)p i d 系統(tǒng)。 如圖6 6 為突變負(fù)載三相輸出電壓波形，在突變時(shí)刻電壓調(diào)節(jié)很好，前后三 相電壓平衡。圖6 - 7 為突變負(fù)載加入瞬間的c 相電壓和電流波形，p i d 控制器在系 統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)能夠跟蹤突變并立即調(diào)節(jié)，反應(yīng)快速，穩(wěn)定性好。圖6 8 為第四橋 臂電流，第四橋臂電流在負(fù)載突變瞬間發(fā)生變化，起了很好的平衡調(diào)節(jié)作用。 i x x ) ( x x x x x x x x ) 圖6 - 6 四橋臂閉環(huán)系統(tǒng)不平衡突變負(fù)載三相輸出電壓 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 借。心仁 vvvv 圖6 7 四橋臂閉環(huán)系統(tǒng)突變負(fù)載c 相輸出電壓和l o 倍電流 j 1 1 月碉月j vvvv 圖6 8 四橋臂閉環(huán)系統(tǒng)突變負(fù)載第四橋臂電感電流 從圖6 9 可以看到閉環(huán)o i d 系統(tǒng)三相輸出電壓在不平衡負(fù)載時(shí)是對(duì)稱的， 三相相位各差1 2 0 度，幅值大小一致。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下d 通道和q 通道的電壓為 直流值，其大小與和參考輸入電壓0 ，- 3 1 1 v ，電壓上下波動(dòng)不到2 v ，如圖6 1 0 。 蘭莩 碧 g 。 g 莩 on 0 40 0 8o 1 2 0 1 6 啦) 圖6 9 四橋臂閉環(huán)系統(tǒng)不平衡負(fù)載下三相輸出電壓波形 圖6 1 0 四橋臂閉環(huán)系統(tǒng)不平衡負(fù)載下三相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)電壓波形 把三相輸出電壓分解成正序分量、負(fù)序分量、零序分量。閉環(huán)設(shè)計(jì)主要目 標(biāo)就是消除不平衡負(fù)載時(shí)負(fù)序分量和零序分量，可以看到其中正序分量的幅值 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 接近3 1 1 v ：負(fù)序分量、零序分量都在一2 2 v 之間，如圖6 1 1 、圖6 1 2 。 圖6 一1 1 四橋臂閉環(huán)系統(tǒng)不平衡負(fù)載下三相輸出電壓正序分量 圖6 一1 2 四橋臂閉環(huán)系統(tǒng)不平衡負(fù)載一f - - 相輸出電壓負(fù)序、零序分量 根據(jù)前面的不平衡程度分析理論，在m a t a b 中建立一個(gè)計(jì)算不平衡程度的 模塊，可以實(shí)時(shí)計(jì)算三相電壓負(fù)序和零序的不平衡程度。結(jié)果如圖6 一1 3 和圖 6 1 4 。三相負(fù)序不平衡程度都在0 2 左右。三相電壓的零序分量一致，所以不 平衡程度也一致，略小于0 2 。 x 1 0 - 3 g 礦 x 1 0 - 3 55 圖6 1 3a 相、b 相、c 相負(fù)序不平衡程度 圖6 - 1 4a 、b 、c 相零序不平衡程度 6 2 2 非線性兼不平衡負(fù)載運(yùn)行情況分析 5 三相三橋臂開環(huán)系統(tǒng)在非線性負(fù)載情況條件下，三相輸出電壓如圖6 1 5 。 unv_叫 一v 亂v 1一瑟一 v 丹v 一一vau一一v代v一 一溺甫 一v佴v一 硒一 一v i 抖v 一 一v a v 匣a 刪 脅2 蜀棒 嗍嗍 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 電壓諧波含量較大，畸變厲害，且幅值大小不一。 蛙 ； g敝崳 烈八了 夥蟻渺蛾 圖6 1 5 開環(huán)系統(tǒng)混合負(fù)載a 、b 、c 三相輸出電壓 在混合負(fù)載情況下，三相四橋臂p i d 閉環(huán)系統(tǒng)的三相輸出電壓、輸出電流和 第四橋臂電感電流： 摹 墨 聾蛙 砉； 2 霄黼燃 yiv v v v v v刪 圖6 一1 6 四橋臂閉環(huán)系統(tǒng)混合負(fù)載三相輸出電壓 俞龠。、斌i 岔相 卜i ：僦j v ：弋r 彤沙 l o m 吖格 圖6 1 7 四橋臂閉環(huán)系統(tǒng)混合負(fù)載a 相輸出電壓和輸出電流 - 6 3 - 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 蜂害 | l l o m s 格 圖6 - 1 8 四橋臂閉環(huán)系統(tǒng)混合負(fù)載b 相輸出電壓和輸出電流 堆癬 | ； 瓤瓜! 石0 艇融 w 盯1 1 妒曠飛 l o r e s 格 圖6 - 1 9 四橋臂閉環(huán)系統(tǒng)