四象限變流器擴展應(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)代交流電力傳動系統(tǒng)、新能源并網(wǎng)發(fā)電、飛輪儲能系統(tǒng)、無刷雙饋電機驅(qū)動控制系統(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，其耐壓等級與開關(guān)頻率得到顯著提高，與此同時現(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。本文針對四象限變流器的核心拓撲結(jié)構(gòu)進行了詳細介紹，并分析了該拓撲結(jié)構(gòu)的工作原理。在此基礎(chǔ)之上擴展了其應(yīng)用領(lǐng)域，將其應(yīng)用于油井抽油機的電機控制、高壓級

2、聯(lián)變頻系統(tǒng)以及船舶軸帶同步發(fā)電機變流器系統(tǒng)。并在各自的領(lǐng)域內(nèi)，根據(jù)該領(lǐng)域的應(yīng)用特點進行了關(guān)鍵技術(shù)的分析和理論驗證。
　　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撲結(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。針對中性點電壓鉗位型（NPC）三電平和 T型（T-type）三電平拓撲結(jié)構(gòu)，為了

3、控制電容中點電壓平衡，在三電平SVPWM調(diào)制方式中引入中點電壓平衡策略。主要是合理利用每個扇區(qū)的正、負小矢量和中矢量，根據(jù)中點電壓的偏差和流入電容中點的電流方向及大小確定三者之間的組合關(guān)系，得到一個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電壓波動。針對H橋級聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)，類比載波移相CPS-SPWM調(diào)試技術(shù)，對錯時采樣空間矢量調(diào)制技術(shù)（STS-SVPWM）進行了簡化。分析了兩種級聯(lián)多電平調(diào)制技術(shù)的異同點，給出

4、兩種調(diào)制方式在數(shù)字控制系統(tǒng)中的實現(xiàn)方法和仿真實驗波形。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、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功電流在旋轉(zhuǎn)d-q坐標系下的解耦PI控制來實現(xiàn)。其中旋轉(zhuǎn)坐標變換的角度是否準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)電機變流器等場合，整流器輸入電壓相位和線路電感參數(shù)的

5、準確性將難以保證。針對這些工況，先后提出了基于復(fù)矢量 PI控制器的無電感參數(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)的新型準直接功率控制。仿真和樣機試驗驗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（如感應(yīng)電機或永磁同步電機）或者作為三相電源（如并網(wǎng)有源逆變或獨立供電），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，交流電機矢量控制因其良好的靜、動態(tài)品質(zhì)，已成為主流。但由于矢量控制系統(tǒng)是一個

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)電機復(fù)矢量數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了感應(yīng)電機的完全解耦控制，并對矢量控制中各環(huán)路的控制器參數(shù)整定方法進行深入研究。在轉(zhuǎn)子磁場定向控制的基礎(chǔ)之上分析了感應(yīng)電機無速度傳感器矢量控制策略，提出了一種滑模參考自適應(yīng)速度辨識方法，并應(yīng)用在了四象限變流器和能饋式H橋級聯(lián)高壓變頻器系統(tǒng)上，獲得了較好的動、靜態(tài)性能。當逆變側(cè)作為三相電源時，提出了基于交流電壓幅值外環(huán)和限流內(nèi)環(huán)的獨立供電雙閉環(huán)控制策略。為

7、了能夠與柴油發(fā)電機并聯(lián)運行，設(shè)計了基于同步發(fā)電機下垂特性的逆變器并網(wǎng)控制策略，且能與獨立供電模式進行平滑切換。⑷為了提高四象限變流器系統(tǒng)的功率響應(yīng)，研究了負載電流前饋控制，并設(shè)計了負載電流觀測器。為了進一步抑制直流母線電壓的脈動，并實現(xiàn)直流電容的最小化，在分析了四象限變流器小信號模型的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計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，在一個開關(guān)周期內(nèi)通過采集逆變側(cè)的電壓和電流信息