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電樞繞組的反電勢Ea與其勵磁磁通和轉(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 電機的轉(zhuǎn)矩方程為：電機的轉(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)矩方向與電機轉(zhuǎn)向相同為電動狀態(tài)，反之為制動狀態(tài)轉(zhuǎn)矩方向與電機轉(zhuǎn)向相同為電動狀態(tài)，反之為制動狀態(tài)直流電動機的特性直流電機的四象限運行 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、二象限運行等效電路運行等效電路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?。狠敵鲭娏鞣较颍赫?電

3、機運行于電機運行于正向電動正向電動狀態(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 電機運行于電機運行于正向制動正向制動狀態(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?；仞?。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、四象限運行等效電路第三、四象限運行等效電路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， 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：STATCOM的基本原理P PQ Q當(dāng)U1Us， 時，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，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：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)的相位差就能實現(xiàn)對STATCOM輸出的有功，無功的四象限運行。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，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，兩個控制環(huán)互相獨立，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，三相瞬時電壓，和瞬時電流，經(jīng)過，變換和瞬時無功功率計算得到補償無功功率，并與參考補償無功功率進行比較，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上面是家補償器之前的，下面的是加補償器之后的，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確定的時候，Is變由Uab來確定，通過控制Us與Is之間的相交便可以實現(xiàn)整流運行、逆變運行、無功發(fā)生器運行等狀態(tài)。 PWM整流器的原理 當(dāng)電路在整流運行狀態(tài)時，當(dāng)電路在整流運行狀態(tài)時，UabUab滯后于滯后于UsUs一定一定 角度，此時角度，此時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)運行時，當(dāng)電路在逆變狀態(tài)運行時，UabUab超前超前Is Is一定角度，一定角度， 此時，此時，UsUs和和Is Is反向。此時電源吸收有功。反向。此時電源吸收有功。PWMPWM整流器的整流器的 通過整流運行和逆變運行可實現(xiàn)能量的雙向傳輸通過整流運行和逆變運行可實現(xiàn)能量的雙向傳輸 PWM整流整流的原理的原理 PWM PWM整流器在無功補償狀態(tài)運行時，整流器在無功補償狀態(tài)運行時，IsIs超前超前Us90Us90。此。此時時 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?？梢韵螂娫窗l(fā)出無功。同理當(dāng)IsIs滯后于滯后于 于于Us90Us90時又相當(dāng)于無功補償

12、器。時又相當(dāng)于無功補償器。 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，只是從單相擴展到三相。進行SPWM控制，在交流輸入端A、B和C可得SPWM電壓，按整流運行相量圖控制，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 和實際的直流電壓和實際的直流電壓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，的大小和整流器交流輸入電流幅值成正比。穩(wěn)態(tài)時，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，流增大時，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，進而使交增大，進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，回升。達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時，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，調(diào)節(jié)過程和上述過程相反。應(yīng)。負(fù)載電流減小時，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間接電流控制的評價 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，便于微機實現(xiàn)，有較高的可靠性。而且沒有引入電流閉環(huán)節(jié)省了兩個高精度的電流傳感微機實現(xiàn)，有較高的可靠性。而且沒有引入電流閉環(huán)節(jié)省了兩個高精度的電流傳感器。但其動態(tài)響應(yīng)比較慢，存在瞬態(tài)直流電流偏移。器。但其動態(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、極點配置法等。其都引入電流閉環(huán)，有較好的動、靜態(tài)性能。但制、無差拍控制、極點配置法等。其都引入電流閉環(huán)，有較好的動、靜態(tài)性能。但都需要兩個寬帶的電流傳感器。都需要兩個寬帶的電流傳感器。滯環(huán)電流控制滯環(huán)電流控制 是基于瞬時電流反饋的一種常用的非線性控制方式，將實測的三相電流與參考信是基于瞬時電流反饋的一種常用的非線性控制方式，將實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下直流母線電壓的穩(wěn)定性，進而影響直流側(cè)電容的大小影響在各種擾動下直流母線電壓的穩(wěn)定性，進而影響PWMPWM整流整流器的抗負(fù)載擾動性能。器的抗負(fù)載擾動性能。 可以按典型的可以按典型的2 2型系統(tǒng)設(shè)計型系統(tǒng)設(shè)計PIPI調(diào)節(jié)器，同時根據(jù)調(diào)節(jié)器，同時根據(jù)udcudc的最大動態(tài)降落允許值決定的最大動態(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