電力電子設(shè)計報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)電力電子技術(shù)課程設(shè)計電力電子技術(shù)課程設(shè)計班級 學(xué)號 姓名 信息工程學(xué)院電氣及自動化工程二零一三年一月精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)目 錄 2.2 基本工作原理.4 2.2.1 工作條件.4 2.3 電路的基本計算.5 3.3 模型仿真及仿真結(jié)果.84、.125、3精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)1、概述1.1 有源逆變電路的概述1.1.1 有源逆變技術(shù)的分類隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及各行各業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展和對操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設(shè)備都不是直接使用通用交流電網(wǎng)提供的交流電作為電能源，而是通過各種形式對其進(jìn)行變換，從

2、而得到各自所需的電能形式。 現(xiàn)代逆變技術(shù)的種類很多，按輸出交流的頻率、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、輸出相數(shù)等來分類，按逆變器輸出能量的去向，可分為有源逆變和無源逆變。如果把逆變器的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電反送到電網(wǎng)去，稱為有源逆變；如果逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負(fù)載，即把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調(diào)頻率的交流電供給負(fù)載，則稱為無源逆變。1.1.2 有源逆變技術(shù)的應(yīng)用隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行各業(yè)對電氣設(shè)備控制性能要求的提高，有源逆變技術(shù)在許多領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。下面列舉的是其主要的應(yīng)用：(1)光伏發(fā)電 有源逆變一般用于大型光伏發(fā)電站（10kW）的系統(tǒng)中，很

3、多并行的光伏組串被連到同一臺集中逆變器的直流輸入端，一般功率大的使用三相的 IGBT 功率模塊，功率較小的使用場效應(yīng)晶體管，同時使用 DSP 轉(zhuǎn)換控制器來改善所產(chǎn)出電能的質(zhì)量，使它非常接近于正弦波電流。最大特點是系統(tǒng)的功率高，成本低。但受光伏組串的匹配和部分遮影的影響，導(dǎo)致整個光伏系統(tǒng)的效率和電產(chǎn)能。同時整個光伏系統(tǒng)的發(fā)電可靠性受某一光伏單元組工作狀態(tài)不良的影響。最新的研究方向是運用空間矢量的調(diào)制控制，以及開發(fā)新的逆變器的拓?fù)溥B接，以獲得部分負(fù)載情況下的高的效率。(2)不間斷電源系統(tǒng)（）UPS （Uninterruptible PowerSuPPly）的全稱是不間斷電源系統(tǒng)，顧名思義，UPS

4、是一種能為負(fù)載提供連續(xù)的不間斷電能供應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)備。UPS 最早的應(yīng)用，應(yīng)該是一些特殊的領(lǐng)域，比如：醫(yī)院的手術(shù)室供電保障、電臺/電視臺的節(jié)目播出系統(tǒng)供電、軍事應(yīng)用等等。今天計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，計算機(jī)在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，于是 UPS 似乎也成了計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)備的一個部分。不間斷電源的核心技術(shù)就是將蓄電池中的直流電能逆變?yōu)榻涣麟娔艿哪孀兗夹g(shù)。(3)電動機(jī)制動再生能量回饋交流電動機(jī)和直流電動機(jī)在制動過程中都會處于發(fā)電狀態(tài)而使直流母線電壓泵生。采用有源逆變系統(tǒng)將能量回饋到交流電網(wǎng)而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻能耗制動，既節(jié)約了電能，又提高了安全性能?；鼐x優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專

5、業(yè)饋制動采用的是有源逆變技術(shù)，將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送電網(wǎng)，從而實現(xiàn)制動。(4)直流輸電由于交流輸電架線復(fù)雜、損耗大、電磁波污染環(huán)境，所以直流輸電是一個發(fā)展方向。直流輸電目前主要用于：遠(yuǎn)距離大功率輸電；聯(lián)系不同頻率或相同頻率而非同步運行的交流系統(tǒng)；作網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和區(qū)域系統(tǒng)之間的聯(lián)絡(luò)線（便于控制、又不增大短路容量） ；以海底電纜作跨越海峽送電或用地下電纜向用電密度高的大城市供電；在電力系統(tǒng)中采用交、直流輸電線的并列運行，利用直流輸電線的快速調(diào)節(jié)，控制、改善電力系統(tǒng)的運行性能。首先把交流電整流成高壓直流再進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送，然后再逆變成交流電供給用戶。當(dāng)前，研制高壓直流斷路器、研究多

6、端直流系統(tǒng)的運行特性和控制、發(fā)展多端直流系統(tǒng)、研究交直流并列系統(tǒng)的運行機(jī)理和控制，受到廣泛的關(guān)注。 1.2 研究的目標(biāo)、內(nèi)容 我們知道，在工程實際中，有源逆變電路的結(jié)構(gòu)往往很復(fù)雜，如果不借助專用的系統(tǒng)建模軟件，則很難準(zhǔn)確地把一個有源逆變電路的復(fù)雜模型進(jìn)行分析，MATLAB 語言是一種功能強(qiáng)大的計算機(jī)輔助設(shè)計和仿真語言，尤其它提供的 SIMULINK 仿真工具具有圖形化、模塊化的界面，易于實現(xiàn)控制系統(tǒng)的仿真，因而倍受人們的青睞。本論文的目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題:三相半波有源逆變電路的建模與仿真。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)2、三相半波有源逆變電路的結(jié)構(gòu)及原理2.1 三相半波有源

7、逆變電路結(jié)構(gòu)圖 2.3 三相半波有源逆變電路 （a）整流工作狀態(tài) （b）逆變工作狀態(tài)圖 2.4 三相半波有源逆變電路的相關(guān)波形2.2 基本工作原理2.2.1 工作條件要使整流電路工作于逆變狀態(tài)，是必須有兩個條件的：（1）變流器的輸出 Ud能夠改變極性。因為晶閘管的單向?qū)щ娦裕娏?Id不能改變方向，為了實現(xiàn)有源逆變，必須去改變 Ud的電極性。只要使變流器的控制角 90即可5。（2）必須要有外接的直流電源 E，并且直流電源 E 也要可以改變極性，并且|E|Ud|。當(dāng)這兩個條件都滿足的前提下，就可以實現(xiàn)有源逆變。2.2.2 基本原理（1）電路的整流工作狀態(tài)（0/2）圖 2.4(a)所示電路中，=3

8、0時依次觸發(fā)晶閘管，其輸出電壓波形如圖黑實線所示。因負(fù)載回路中接有足夠大的平波電感，故電流連續(xù)。對于 =30的情況，輸出電壓瞬時值均為正，其平均電壓自然為正值。對于在 0/2 范圍內(nèi)的其它移相角，即使輸出電壓的瞬時值 ud有正也有負(fù)，但正面積總是大于負(fù)面積，輸出電壓的平均值 Ud也總為正，其極性如圖為上正下負(fù)，而且Ud略大于 ED。此時電流 Id從 Ud的正端流出，從 ED的正端流入，能量的流轉(zhuǎn)關(guān)系為交流電網(wǎng)輸出能精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)量， 電機(jī)吸收能量以電動狀態(tài)運行。 （2）電路的逆變工作狀態(tài)（/2）假設(shè)此時電動機(jī)端電勢已反向，即下正上負(fù)，設(shè)逆變電路移相角 =150，依次

9、觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管，如圖 2.4(b)在 t1時刻觸發(fā) a 相晶閘管 V1，雖然此時 ua=0，但晶閘管 V1因承受 ED 的作用，仍可滿足導(dǎo)電條件而工作，并相應(yīng)輸出 ua相電壓。V1被觸發(fā)導(dǎo)通后， 雖然 ua已為負(fù)值， 因 ED的存在，且| ED |ua|，V1仍然承受正向電壓而導(dǎo)通， 即使不滿足| ED | ua |，由于平波電感的存在，釋放電能，L 的感應(yīng)電勢也仍可使 V1承受正向電壓繼續(xù)導(dǎo)通。因電感 L 足夠大，故主回路電流連續(xù)，V1導(dǎo)電 120后由于 V2的被觸發(fā)而截止，V2被觸發(fā)導(dǎo)通后，由于此時 ubua，故 V1承受反壓關(guān)斷，完成 V1與 V2之間的換流，這時電路輸出電壓為 ub，

10、如此循環(huán)往復(fù)。 2.3 電路的基本計算為分析和計算方便，通常把逆變工作時的控制角改用 表示，令 =-，稱為逆變角。規(guī)定 = 時作為計算 的起點，和 的計量方向相反， 的計量方向是由右向左。變流器整流工作時，/2， 相應(yīng)的 /2， 而在逆變工作時， /2 而 /2。 逆變時，其輸出電壓平均值的計算公式可改寫成)17. 1(cos2UUUUdodod三相半波時 從 /2 逐漸減小時，其輸出電壓平均值 Ud的絕對值逐漸增大，其符號為負(fù)值。逆變電路中，晶閘管之間的換流完全由觸發(fā)脈沖控制，其換流趨勢總是從高電壓向更低的陽極電壓過渡。這樣，對觸發(fā)脈沖就提出了格外嚴(yán)格的要求，其脈沖必須嚴(yán)格按照規(guī)定的順序發(fā)出

11、，而且要保證觸發(fā)可靠，否則極容易造成因晶閘管之間的換流失敗而導(dǎo)致的逆變顛覆。三相半波電路在整流和逆變范圍內(nèi)，只要電流連續(xù)，每個晶閘管的導(dǎo)通角都是 2/3；故不論控制角 為何值，直流側(cè)輸出電壓平均值和 的關(guān)系都為： 201.117coscosddUUU 為分析和計算方便起見，電路進(jìn)入逆變狀態(tài)時，通常使用逆變角 表示，規(guī)定 角計算的起始點為控制角 = 處，計算方法為自 =（=0）的起始點向左方計量；因此控制角和逆變角的關(guān)系是 +=，或 =-。逆變角也稱作引前觸發(fā)角，即相對于換相電壓由正變負(fù)的過零點或 = 點的提前量。逆變工作時，逆變器直流側(cè)電壓計算公式亦可表示為 002coscos1.17cosd

12、ddUUUU 當(dāng) =/2 時，Ud=0，當(dāng) 值從 /2 減小時，Ud 變?yōu)樨?fù)值，隨著 的減小，Ud 的絕對值逐精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)漸增大，當(dāng) =0 時，Ud 絕對值最大?？梢?，逆變時變流器控制角 在之間變化，對90 180oo應(yīng)的逆變角 則在之間變化。90 180oo若考慮 xB，就存在換流重疊角 ，在 期間，和整流電路一樣，ud 值也等于參與換相的兩相鄰相電壓的平均值；因此換流過程的存在使直流輸出電壓平均值更負(fù)一些，即增加了途中一塊陰影面積，逆變器的輸出電壓為： 003coscos2BdddddxUUUUI 因此考慮換流過程的影響，在整流和逆變兩個范圍內(nèi)，全控變流器的控

13、制特性如圖 2.10 所示。（a） 輸出電壓波形； （b）全控變流器的控制特性圖重疊角對輸出電壓的影響精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)3、三相半波有源逆變電路的 matlab 建模與仿真3.1 仿真模型三相半波有源逆變的仿真設(shè)計如下圖所示圖 1 三相半波有源逆變的仿真模型3.2 仿真模型模塊的參數(shù)設(shè)置1交流電源 按三相對稱電源要求設(shè)置參數(shù) Um=100V、f=50Hz、初相位依次為 0、-120、120。2.晶閘管 晶閘管設(shè)置參數(shù)為 Ron=0.001、Lon=0.5mH、Vf=0V、Rs=10、Cs=4.7e-6F。3.RLC 原件 RLC 原件設(shè)置參數(shù)為 R=5、L=0.08H、

14、C=inf4.直流電源 直流電壓源電壓設(shè)置為 120V5.脈沖發(fā)生器 由于電源頻率為 50Hz，脈沖設(shè)置為 0.02s、脈沖寬度設(shè)置為脈寬的 10%、脈沖高度為 1、當(dāng) =60時，對于 Pulse,觸發(fā)脈沖對應(yīng)延遲時間 t=t/360=(60+30)*0.02/360=0.005；對于Pulse1,觸發(fā)脈沖對應(yīng)延遲時間 t=t/360=（90+120）*0.02/360=0.01167；對于 Pulse2，觸發(fā)脈沖對應(yīng)延遲時間 t=（90+240）*0.02/360=0.01833。當(dāng) =90時，對于 Pulse,觸發(fā)脈沖對應(yīng)延遲時間 t=t/360=(90+30)*0.02/360=0.00

15、667；對于精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)Pulse1,觸發(fā)脈沖對應(yīng)延遲時間 t=t/360=（120+120）*0.02/360=0.01333；對于 Pulse2，觸發(fā)脈沖對應(yīng)延遲時間 t=（120+240）*0.02/360=0.02。當(dāng) =120時，對于 Pulse,觸發(fā)脈沖對應(yīng)延遲時間 t=t/360=(120+30)*0.02/360=0.00833；對于 Pulse1,觸發(fā)脈沖對應(yīng)延遲時間 t=t/360=（150+120）*0.02/360=0.015；對于 Pulse2，觸發(fā)脈沖對應(yīng)延遲時間 t=（150+240）*0.02/360=0.。3.3 模型仿真及仿真結(jié)

16、果打開仿真參數(shù)窗口，選擇 ode23tb 算法，相對誤差設(shè)置為 1e-3，開始仿真時間設(shè)置為 0，停止仿真時間設(shè)置為 0.1s，三個晶閘管觸發(fā)脈沖依次相差 120。參數(shù)設(shè)置完成后，啟動仿真。圖中自上而下為負(fù)載電流 Id、負(fù)載電壓 Ud、晶閘管兩端電壓 UT 即 Uak。仿真曲線如下：圖 2 三相半波電路 =60時的仿真波形精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 3 三相半波電路 =90時的仿真波形圖 4 三相半波電路 =120時的仿真波形根據(jù)三相半波可控整流電路帶阻感負(fù)載時輸出電壓表達(dá)式 Ud=1.17Ucos?？芍寒?dāng) 90時，Ud0。圖 3.24 是三相半波電路工作在整流狀態(tài)時的波形（=60） ，變流電路輸出電壓波形精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)正面積大于負(fù)面積，平均電壓大于零;圖 3.25 是三相半波電路工作在整流、逆變交界時的波形（=90） ，電路輸出電壓波形正負(fù)面積相等，平均電壓等于零；圖 3.26 是三相半波電路工作在逆變狀態(tài)時的波形（=120） ，此時增加一個反電動勢，電路輸出電壓波形正面積小于負(fù)面積，直流平均電壓小于零，電流方向未變，仿真結(jié)果與理論分析吻合。通過以上的仿真過程分析可以得到以下結(jié)論：有源逆變電路實質(zhì)上是整流電路工作于移相控制角 /2，且存在一個極性與晶閘管導(dǎo)通方向一致的反電動勢時的特殊情況。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專