电力电子技术基础 教学课件 作者邢岩 第7章 电力电子控制.ppt

第七章 电力电子控制 7.1 概述 7.2 电力电子变换的理论基础 7.3 电压与电流的闭环控制 7.4 数字控制系统 7.1 概述 在电力系统中，公用电网提供的电源是频率固定的某一标准等级的单相或三相交流电源，而用电设备要求将发电厂生产的单一频率和电压的电能变换为最佳工作情况所需要的另一种特性和参数(频率、电压、相位和波形)的电能。 采用电力电子变换装置，可以实现不同频率、不同电压等级电能之间的相互变换。 首先要根据选择的电路拓扑结构建立其开关器件乃至整个系统的数学模型，然后再根据数学模型提出电压的控制策略，之后再根据控制方案设计控制算法，最后控制算法要通过模拟控制系统或者数字控制系统实现。 包含了建模分析方法、电压电流控制策略的电力电子控制技术是决定电力电子变换装置工作性能的关键因素。 7.2 电力电子变换的理论基础 7.2.1 开关函数及其应用 7.2.2 坐标变换 7.2.3 状态空间平均法 7.2.4 频域模型 7.2.1 开关函数及其应用 利用全控型电力电子器件的开关动作构成的电力电子变换电路中，常常用1、0表示开关器件的导通与关断，也即用开关函数表示开关动作，其定义为 开关函数是时间值的离散函数，可以用来表示对电力电子变换电路的控制。下图给出了一个典型的周期性开关函数，T表示其周期。 一个通用的开关函数可用下面三个参数来表征： 占空比d：指在一个周期里开关开通时间占整个周期时间的比值。一般来说占空比是可以调节的，以便达到所期望的控制目的，这个过程叫做脉宽调制（PWM），它是电力变换器控制的最重要的一种手段，常用来控制输出电压； 开关频率f=1/T：在一般情况下，为降低开关损耗，开关频率通常设置为固定不变的； 时间延迟 或相位控制角 ：一般用于基于半控型器件的相控整流器，通过调节相位控制角控制直流输出电压。几种特殊的AC-AC变换器也使用相位调节技术。 改变上述三个参数，就可以得到与其相对应的控制电力电子电路的几种方法。 在DC-DC变换电路和DC-AC变换电路中，经常利用调节占空比（PWM）来改变它们的输出特性； 在可控整流应用中，通常使用相位控制技术； 第6章介绍过的空间电压矢量PWM是开关函数的一个典型应用，其中的开关函数通过固定的开关频率限制了开关器件的开关频率，而通过每个周期内根据空间电压矢量方法计算出的各相桥臂占空比调节输出电压矢量的幅值和大小。 开关函数是描述电力电子变换装置工作状态的一种强有力工具，同时我们还可以从中得到一些广泛使用的控制方法。下面以一个Boost斩波电路来分析其实用性。 在下图所示的Boost斩波电路中，电路的电流通道取决于给定时刻系统中两个开关的状态，因此它的回路电压方程和节点电流方程也取决于在给定时刻系统中两个开关的状态。两种电路结构都有对应的方程，且开关函数是可以组合的。 用指定开关函数 和 分别来代表两个开关器件 和 ，在Boost斩波电路中开关是交替工作的，且开 关函数的值只能是0或1，因此有 。 将（7-1）代入（7-2）、（7-3），并加以归并，可得 这个合并的方程式比原始方程更加简单，且更容易分析。 如果系统采用固定开关频率的PWM控制，在一个开关周期内，开关函数 和 的作用时间可以直接用占空比D来描述，因此我们常常用占空比D这个参数来表示开关函数的离散时间作用效果，具体方法在后面状态空间平均法中将作进一步介绍 。 7.2.2 坐标变换 交流电机可以看作二次绕组运动的变压器，定、转子绕组之间的耦合系数是随转子位置角 连续变化的。异步电机定子各相绕组之间、转子各相绕组之间以及定子绕组和转子绕组之间的耦合关系相当复杂。 在三相静止坐标系下，电机模型被描述为有时变互感的非常复杂的微分方程组。因此，对交流电机模型直接进行分析、求解和运用是非常困难的。 20世纪20年代，Park提出了电机分析的新理论。他将电机定子上的变量（电压、电流、磁链）转换到与转子同步旋转的坐标轴上，所有由于相对运动产生的时变电感都被消除了。 后来人们进一步证明，定、转子的变量只要转换到任意速度的同一个参考轴上，都可以消除时变电感。这也是对交流电机在三相静止坐标系下的数学模型进行简化的主要思路。 选择变换时应遵循一定的物理原则。在这里我们遵循的最主要原则是磁势等效原则，即坐标变换前后，合成的气隙磁场保持不变。依据这一原则发展出多种坐标变换，下面我们介绍其中应用得比较多的两种—— 变换和dq变换。 1、 变换 将上式写成矩阵形式为 考虑三相不对称情况下中线电流不为0，引入零序