四象限工作特性與原理

1、四四象限的工作特性與控制原象限的工作特性與控制原理理電氣1310班“六個(gè)核桃”小組電力電子研討四象限D(zhuǎn)CDC變換器STATCOMPWM整流器IdUd第一象限：第一象限：Ud0, Id0第二象限：第二象限：Ud0, Id0第三象限：第三象限：Ud 0, Id 0 第四象限：第四象限：Ud 0 四象限直流直流變換器直流電機(jī)電樞繞組的反電勢Ea與其勵(lì)磁磁通和轉(zhuǎn)速N的乘積成正比： NKEea 電樞電壓平衡方程為：ABABaABaVIRVEeABeABaABeaKVKIRVKEN轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速高低由電樞電高低由電樞電壓的壓的大小大小決定，轉(zhuǎn)決定，轉(zhuǎn)速方向由電樞電壓速方向由電樞電壓的的方向方向決定。決定。ABT

2、eIKT 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為：電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為：轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩大小由電樞電流大小由電樞電流的的大小大小決定，轉(zhuǎn)矩方?jīng)Q定，轉(zhuǎn)矩方向由電樞電流的向由電樞電流的方向方向決定。決定。 轉(zhuǎn)矩方向與電機(jī)轉(zhuǎn)向相同為電動(dòng)狀態(tài)，反之為制動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)矩方向與電機(jī)轉(zhuǎn)向相同為電動(dòng)狀態(tài)，反之為制動(dòng)狀態(tài)直流電動(dòng)機(jī)的特性直流電機(jī)的四象限運(yùn)行 四象限直流直流變換器 SV1T2T1D2DaLaRaEABIAB(a)四象限直流-直流變換電路3T3D4T4D四象限直流直流變換器l第一、二象限第一、二象限運(yùn)行等效電路運(yùn)行等效電路VTTVDSonAB工作模式：降壓（將Vd的電壓降低后送到負(fù)載）輸出電壓方向：正向輸出電壓大小：輸出電流方向：正向 電

3、機(jī)運(yùn)行于電機(jī)運(yùn)行于正向電動(dòng)正向電動(dòng)狀態(tài)，能量由輸入直流電狀態(tài)，能量由輸入直流電源供向負(fù)載。源供向負(fù)載。(b)降壓變換電路l第一象限工作第一象限工作 四象限直流直流變換器工作模式：輸出電壓方向： 正向輸出電壓大小：輸出電流方向： 負(fù)向 電機(jī)運(yùn)行于電機(jī)運(yùn)行于正向制動(dòng)正向制動(dòng)狀態(tài)，狀態(tài)，能量由負(fù)載向直流輸入電源能量由負(fù)載向直流輸入電源回饋。回饋。ABABdVVDV11升壓（將負(fù)載的電壓升高后向Vd回饋電能）(c)升壓變換電路四象限直流直流變換器l第二象限工作第二象限工作四象限直流直流變換器l第三、四象限運(yùn)行等效電路第三、四象限運(yùn)行等效電路VTTVDSonBA工作模式：降壓（T3 D4構(gòu)成Buck降壓

4、變換器）輸出電壓方向：反向（VABUs，時(shí)， 0P PQ Q0P 1()ssU UUQX電流從系統(tǒng)流向STATCOM且電流相位超前系統(tǒng)電壓90，裝置輸出感性無功。當(dāng)不考慮等效阻抗R時(shí)：STATCOM的基本原理P PQ Q當(dāng)U1Us， 時(shí)，0電流從STATCOM流向系統(tǒng)且電流相位滯后系統(tǒng)電壓90，裝置吸收感性無功。0(1)PUs UsUQXP PQ Q當(dāng)U1=Us， 時(shí)，00PQ系統(tǒng)，STATCOM之間的電流為0，裝置和系統(tǒng)無功率交換。STATCOM的基本原理當(dāng)考慮等效阻抗R時(shí)：網(wǎng)側(cè)電壓由于需要為電路中的損耗電阻提供有功功率即電流I中有一定的有功分量，所以網(wǎng)側(cè)電壓Us與電流I相差比90度小可表示

5、為90- 角。STATCOM的基本原理當(dāng)STATCOM輸出電壓超前于系統(tǒng)電壓時(shí)裝置處于感性工作狀態(tài)：P PQ QILU1UUsIRjXIsinsinSSUUIRIR22(sin )sinSSUPUIPR2(cos )sin(2 )2SSUQUIQRP PQ Q因此，通過改變STATCOM的電壓幅值以及以系統(tǒng)的相位差就能實(shí)現(xiàn)對STATCOM輸出的有功，無功的四象限運(yùn)行。STATCOM的基本原理IRXIjsinsinSSUUIRIR22(sin )sinSSUPUIPR2(cos )sin(2 )2SSUQUIQR當(dāng)STATCOM輸出電壓滯后于系統(tǒng)電壓時(shí)裝置處于容性工作狀態(tài)：STATCOM的控制方

6、式 間接電流控制 直接電流控制 分相不對稱控制 模糊PI控制 魯棒非線性控制STATCOM的控制方式間接電流控制間接電流控制是指對STATCOM 裝置中逆變器所產(chǎn)生的交流電壓基波的相位和幅值的控制，以此來間接控制STATCOM交流側(cè)電流。間接電流控制分為單控制和 與 配合控制。采用單 控制時(shí)，雖然簡單有效，但忽略了對的控制，使得直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定困難、損耗增加。在與 配合控制中，角的控制用于無功功率控制，而對角進(jìn)行控制可起到維持電容電壓穩(wěn)定的作用。因此可對無功功率控制采用逆系統(tǒng)非線性PI方法，對STATCOM 直流側(cè)電容電壓采用傳統(tǒng)的PI控制方法，兩個(gè)控制環(huán)互相獨(dú)立，互不干擾。單控制： 分析間

7、接電流控制以前面的容性工況的向量圖舉例 sincosSLUU22221sin(90)sin22cos(90)(1 cos2 )2cos()cososLQoSLpSUUIRRXUUIURRXUU 可以證明在感性工況下 STATCOM在電網(wǎng)中吸收的電流同樣滿足上式，不過此時(shí)吸收的是感性電流， 的值是U1超前Us的角度。 從上式可見的值與有、無功電流基波電壓的幅值都是以一對應(yīng)的。QIPI1USTATCOM的控制方式通過以上分析，我們可以得到最簡單的電流間接控制方法，即將我們想要的、補(bǔ)償?shù)臒o功電流的參考值Iref作為指令值，通過上面的公式轉(zhuǎn)換的的值，然后來控制 STATCOM變流器的觸發(fā)脈沖，使STA

8、TCOM交流側(cè)輸出的電流跟隨參考值動(dòng)態(tài)變化。其示意圖和相關(guān)波形如下：在波形圖中，Us為STATCOM接入點(diǎn)處系統(tǒng)的相電壓，U1為STATCOM變流器橋式電路觸發(fā)后在交流側(cè)形成的相電壓，其幅度等于直流電容電壓的值，而i1是STATCOM吸收電流中的基波分量。 對STATCOM吸收的無功電流進(jìn)行反饋控制，其原理圖如下：STATCOM的控制方式STATCOM的控制方式間接電流控制方式(與 配合控制)上圖為與 配合的逆系統(tǒng)控制框圖。圖中，三相瞬時(shí)電壓，和瞬時(shí)電流，經(jīng)過，變換和瞬時(shí)無功功率計(jì)算得到補(bǔ)償無功功率，并與參考補(bǔ)償無功功率進(jìn)行比較，經(jīng)過環(huán)節(jié)得到控制量，參考電壓與直流側(cè)電壓進(jìn)行比較，經(jīng)過環(huán)節(jié)得到控

9、制量，將控制量 和 作為控制參數(shù)輸入STATCOM控制系統(tǒng)。系統(tǒng)模型搭建及仿真結(jié)果分析按照下圖所示，在Multisim中搭建基于間接電流控制的STATCOM 的系統(tǒng)仿真模型。圖中用無窮大系統(tǒng)電壓的有效值為 V，頻率為50HZ，額定負(fù)荷為S=9000+j9000。2203上面是家補(bǔ)償器之前的，下面的是加補(bǔ)償器之后的，可見功率因數(shù)提高明顯系統(tǒng)模型搭建及仿真結(jié)果分析PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 單相單相PWM整流整流電路電路 三相三相PWM整流整流電路電路26PWM整流器的分類 按直流儲(chǔ)能形式：電壓型、電流型 按電網(wǎng)相數(shù)：單相電路、多相電路、三相電路 按PWM開關(guān)調(diào)制：硬開關(guān)調(diào)制、軟開關(guān)調(diào)制 按橋路結(jié)構(gòu)：半

10、橋電路、全橋電路 按調(diào)制電壓分類：二電平電路、三電平電路、多電平電路 27 PWM整流器整流器的原理的原理 我們可以通過控制V1-V4的開斷，使Uab產(chǎn)生不同的波形，當(dāng)Us確定的時(shí)候，Is變由Uab來確定，通過控制Us與Is之間的相交便可以實(shí)現(xiàn)整流運(yùn)行、逆變運(yùn)行、無功發(fā)生器運(yùn)行等狀態(tài)。 PWM整流器的原理 當(dāng)電路在整流運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，當(dāng)電路在整流運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，UabUab滯后于滯后于UsUs一定一定 角度，此時(shí)角度，此時(shí)UsUs與與Is Is同相。功率因數(shù)為同相。功率因數(shù)為1 1，電源只向負(fù)，電源只向負(fù) 荷輸送有功。這是荷輸送有功。這是PWMPWM整流器最基本的工作狀態(tài)。整流器最基本的工作狀態(tài)。 當(dāng)

11、電路在逆變狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)電路在逆變狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，UabUab超前超前Is Is一定角度，一定角度， 此時(shí)，此時(shí)，UsUs和和Is Is反向。此時(shí)電源吸收有功。反向。此時(shí)電源吸收有功。PWMPWM整流器的整流器的 通過整流運(yùn)行和逆變運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸通過整流運(yùn)行和逆變運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸 PWM整流整流的原理的原理 PWM PWM整流器在無功補(bǔ)償狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，整流器在無功補(bǔ)償狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，IsIs超前超前Us90Us90。此。此時(shí)時(shí) 其相當(dāng)于靜止無功發(fā)生器?？梢韵螂娫窗l(fā)出無功。同理當(dāng)其相當(dāng)于靜止無功發(fā)生器。可以向電源發(fā)出無功。同理當(dāng)IsIs滯后于滯后于 于于Us90Us90時(shí)又相當(dāng)于無功補(bǔ)償

12、器。時(shí)又相當(dāng)于無功補(bǔ)償器。 通過對通過對UabUab幅值和相位的控制，可以使幅值和相位的控制，可以使Is Is超前或滯后超前或滯后UsUs 任意角度。也就是說電源向負(fù)荷發(fā)出的有功和無功可大可小任意角度。也就是說電源向負(fù)荷發(fā)出的有功和無功可大可小 可正可負(fù)?？烧韶?fù)。 三相三相PWM整流器整流器 工作原理和前述的單相全橋電路相似，只是從單相擴(kuò)展到三相。進(jìn)行SPWM控制，在交流輸入端A、B和C可得SPWM電壓，按整流運(yùn)行相量圖控制，可使ia、ib、ic為正弦波且和電壓同相且功率因數(shù)近似為1。和單相相同，該電路也可工作在逆變運(yùn)行狀態(tài)或無功發(fā)生器等狀態(tài)。 PWM整流器整流器的控制的控制 PWM整流器的

13、控制通過控制交流側(cè)電流來實(shí)現(xiàn)，三相VSR的控制技術(shù)按有無引入電流反饋分為間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制間接電流控制 PWM整流器整流器的控制的控制 間接電流控制間接電流控制 和實(shí)際的直流電壓和實(shí)際的直流電壓udud比較后送入比較后送入PIPI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器，PIPI調(diào)節(jié)器的輸出為一直流電流信號調(diào)節(jié)器的輸出為一直流電流信號id id，id id的大小和整流器交流輸入電流幅值成正比。穩(wěn)態(tài)時(shí)，的大小和整流器交流輸入電流幅值成正比。穩(wěn)態(tài)時(shí)，udud=udud ，PIPI調(diào)節(jié)器輸入為零調(diào)節(jié)器輸入為零，PIPI調(diào)節(jié)器的輸出調(diào)節(jié)器的輸出id id和負(fù)載電流大小對應(yīng)，也和交流輸入電流幅值相對應(yīng)。負(fù)載

14、電和負(fù)載電流大小對應(yīng)，也和交流輸入電流幅值相對應(yīng)。負(fù)載電流增大時(shí)，流增大時(shí)，C C放電而使放電而使udud下降，下降，PIPI的輸入端出現(xiàn)正偏差，使其輸出的輸入端出現(xiàn)正偏差，使其輸出id id增大，進(jìn)而使交增大，進(jìn)而使交流輸入電流增大，也使流輸入電流增大，也使udud回升。達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，回升。達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，udud和和udud相等，相等，PIPI調(diào)節(jié)器輸入仍恢調(diào)節(jié)器輸入仍恢復(fù)到零，而復(fù)到零，而id id則穩(wěn)定為新的較大的值，與較大的負(fù)載電流和較大的交流輸入電流對則穩(wěn)定為新的較大的值，與較大的負(fù)載電流和較大的交流輸入電流對應(yīng)。負(fù)載電流減小時(shí)，調(diào)節(jié)過程和上述過程相反。應(yīng)。負(fù)載電流減小時(shí)，調(diào)節(jié)過

15、程和上述過程相反。 PWM整流器整流器的控制的控制 間接電流控制的評價(jià)間接電流控制的評價(jià) 其根據(jù)電路阻抗特性用數(shù)學(xué)的方法代替電流閉環(huán)作用，控制結(jié)構(gòu)比較簡單，便于其根據(jù)電路阻抗特性用數(shù)學(xué)的方法代替電流閉環(huán)作用，控制結(jié)構(gòu)比較簡單，便于微機(jī)實(shí)現(xiàn)，有較高的可靠性。而且沒有引入電流閉環(huán)節(jié)省了兩個(gè)高精度的電流傳感微機(jī)實(shí)現(xiàn)，有較高的可靠性。而且沒有引入電流閉環(huán)節(jié)省了兩個(gè)高精度的電流傳感器。但其動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢，存在瞬態(tài)直流電流偏移。器。但其動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢，存在瞬態(tài)直流電流偏移。 PWM整流器整流器的控制的控制 直接電流控制接電流控制 直接電流控制有電流滯環(huán)控制、固定開關(guān)頻率控制、電流矢量控制、狀態(tài)反饋控直接電

16、流控制有電流滯環(huán)控制、固定開關(guān)頻率控制、電流矢量控制、狀態(tài)反饋控制、無差拍控制、極點(diǎn)配置法等。其都引入電流閉環(huán)，有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能。但制、無差拍控制、極點(diǎn)配置法等。其都引入電流閉環(huán)，有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能。但都需要兩個(gè)寬帶的電流傳感器。都需要兩個(gè)寬帶的電流傳感器。滯環(huán)電流控制滯環(huán)電流控制 是基于瞬時(shí)電流反饋的一種常用的非線性控制方式，將實(shí)測的三相電流與參考信是基于瞬時(shí)電流反饋的一種常用的非線性控制方式，將實(shí)測的三相電流與參考信號比較，然后根據(jù)比較器的輸出決定開關(guān)的狀態(tài)。電流跟蹤精度高，響應(yīng)快，但開號比較，然后根據(jù)比較器的輸出決定開關(guān)的狀態(tài)。電流跟蹤精度高，響應(yīng)快，但開關(guān)頻率不恒定。關(guān)頻率不恒定

17、。 PWM整流器整流器主電路參數(shù)選擇主電路參數(shù)選擇 PWMPWM整流器的性能好壞不僅與其控制策略有關(guān)，還與自身電路的參數(shù)有很重要的整流器的性能好壞不僅與其控制策略有關(guān)，還與自身電路的參數(shù)有很重要的關(guān)系。關(guān)系。1 1、交流測電感的選擇、交流測電感的選擇 電感上壓降盡可能小，一般不大于額定電壓的百分之三十；電感上壓降盡可能小，一般不大于額定電壓的百分之三十； 交流測電流總畸變率交流測電流總畸變率THDTHD盡可能小，小于百分之五；盡可能小，小于百分之五； 在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)交流測電流的最大超調(diào)量盡可能小，小于交流測額定電流峰值在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)交流測電流的最大超調(diào)量盡可能小，小于交流測額定電流峰值的百

18、分之十。的百分之十。 滿足瞬態(tài)電流跟蹤要求滿足瞬態(tài)電流跟蹤要求 ， PWM整流器整流器主電路參數(shù)選擇主電路參數(shù)選擇2 2、直流側(cè)電容的選擇、直流側(cè)電容的選擇 直流側(cè)電容的大小影響在各種擾動(dòng)下直流母線電壓的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響直流側(cè)電容的大小影響在各種擾動(dòng)下直流母線電壓的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響PWMPWM整流整流器的抗負(fù)載擾動(dòng)性能。器的抗負(fù)載擾動(dòng)性能。 可以按典型的可以按典型的2 2型系統(tǒng)設(shè)計(jì)型系統(tǒng)設(shè)計(jì)PIPI調(diào)節(jié)器，同時(shí)根據(jù)調(diào)節(jié)器，同時(shí)根據(jù)udcudc的最大動(dòng)態(tài)降落允許值決定的最大動(dòng)態(tài)降落允許值決定C C的的下限值。下限值。 PWM整流器整流器主電路參數(shù)選擇主電路參數(shù)選擇3 3、直流電壓的選擇、直流電壓的選擇 三相三