單相背靠背綠色節(jié)能試驗(yàn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、各種電力電子變換電源，如不間斷供電電源(UPS)、交流電機(jī)驅(qū)動器等，出廠時(shí)需要進(jìn)行嚴(yán)格的老化和相關(guān)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性考核試驗(yàn)，以保證出廠電源的優(yōu)良品質(zhì)。
　　 針對傳統(tǒng)能耗型電源試驗(yàn)方式存在能源浪費(fèi)、調(diào)節(jié)不便等缺點(diǎn)，采用電力電子器件組成的綠色節(jié)能試驗(yàn)系統(tǒng)可以滿足對被試電源老化篩選考核日益增長的節(jié)能、環(huán)保需求。本文針對單相背靠背綠色試驗(yàn)系統(tǒng)，展開深入的研究工作。
　　 基于單相背靠背系統(tǒng)的基本組成電路及其工作原理，根據(jù)穩(wěn)態(tài)矢

2、量三角關(guān)系，闡明穩(wěn)態(tài)下交流電網(wǎng)和單相PWM 變流器之間有功、無功交換機(jī)理，研究了PWM 變流器作為可控電流源運(yùn)行的實(shí)質(zhì)，并建立了PWM 變流器的狀態(tài)平均空間數(shù)學(xué)模型。根據(jù)瞬時(shí)能量平衡，分析出單相系統(tǒng)瞬時(shí)輸入功率存在二倍頻脈動是導(dǎo)致母線電壓存在二次諧波的根源。研究了母線電壓二次諧波對輸入交流電流的影響，推導(dǎo)出雙環(huán)控制電壓控制器增益（帶寬）與輸入交流電流THD之間的矛盾關(guān)系，得出了通過對電壓閉環(huán)帶寬的限制可以改善穩(wěn)態(tài)輸入電流質(zhì)量的結(jié)論。對改

3、善輸入電流質(zhì)量的低通濾波器和100Hz 陷波器性能進(jìn)行了比較。
　　 本文建立L 濾波的并網(wǎng)變換器小信號模型，研究了變換器運(yùn)行工況（整流或回饋）、主電路參數(shù)母線電容變化對電壓閉環(huán)極點(diǎn)分布的影響，分析變換器在回饋狀態(tài)下可能存在的穩(wěn)定性問題。同時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)框圖，直觀分析各種擾動輸入對母線電壓動態(tài)響應(yīng)的影響，為全面提高并網(wǎng)變換器動態(tài)特性和擾動能力的控制策略提供指導(dǎo)。以負(fù)載電流擾動為主驗(yàn)證系統(tǒng)特性，定義了并網(wǎng)變換器直流側(cè)等效輸出阻抗的概念

4、。針對雙環(huán)控制下電壓閉環(huán)帶寬的限制，采用負(fù)載電流前饋的策略，并根據(jù)不同控制下輸出阻抗波特圖，比較了直接負(fù)載電流前饋和完全的負(fù)載電流前饋控制的區(qū)別。針對單相系統(tǒng)負(fù)載電流觀測器數(shù)字化實(shí)現(xiàn)存在的問題，提出通過瞬時(shí)輸入功率計(jì)算母線電流的方法，避免負(fù)載電流觀測過程中采樣頻率有限引起的失真和引入母線電流高頻開關(guān)分量，而為抑制負(fù)載觀測電流、母線電壓的二次低頻諧波的影響，設(shè)計(jì)一種新型濾波器。
　　 本文采用LCL 濾波器代替原來交流側(cè)L 濾波器

5、并網(wǎng)，可以解決L 濾波器對高頻諧波衰減不足的問題。通過對LCL 濾波器物理模型、PWM 調(diào)制諧波電壓理論、入網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)的研究，根據(jù)需要滿足的約束條件（諧波抑制、穩(wěn)態(tài)特性等），提出了完整、參數(shù)相互協(xié)調(diào)的LCL 濾波器設(shè)計(jì)原則。針對LCL 濾波器自身諧振，研究了一種易于實(shí)現(xiàn)且不會增加損耗的有源阻尼方法，分析了電流環(huán)控制參數(shù)變化時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性特性，并提出控制參數(shù)需滿足的約束條件。針對直接由公共耦合端（PCC）電壓波形獲得并網(wǎng)指令電流波形模

6、式，將控制器參數(shù)和物理模型結(jié)合建立了LCL 濾波并網(wǎng)變換器的閉環(huán)高頻輸入阻抗模型，詳細(xì)地研究其在不同功率等級時(shí)整流工況、有源逆變工況下的頻率特性；并比較兩種工況下PCC 電壓前饋對輸入阻抗特性的影響。
　　 本文針對背靠背系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，從整體角度建模，揭示直流母線電壓動態(tài)波動的本質(zhì)以及穩(wěn)態(tài)下母線電壓諧波成分與兩側(cè)交流電參數(shù)間的物理關(guān)系（尤其當(dāng)被試電源頻率不同于電網(wǎng)頻率時(shí)，結(jié)合瞬時(shí)功率理論和互調(diào)理論，推導(dǎo)出直流母線電壓諧波成分（

7、包括互調(diào)產(chǎn)物）表達(dá)式，分析并網(wǎng)輸出電流諧波和間諧波產(chǎn)生機(jī)理）。根據(jù)上述物理關(guān)系，從穩(wěn)態(tài)諧波和動態(tài)能量突變電壓波動兩方面給出了詳細(xì)的母線電容的設(shè)計(jì)原則。提出一種基于工頻陷波器的新型濾波器設(shè)計(jì)，減小輸出并網(wǎng)電流的間諧波。
　　 根據(jù)交流電子負(fù)載功率流動的方向，考慮到電流環(huán)的延時(shí)，提出了采用輸入電流指令前饋的功率前饋控制，解決直流母線電壓大范圍波動與瞬變能量動態(tài)平衡的難題。
　　 本文根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)存在可能諧振、PCC 并聯(lián)諧波

8、負(fù)載下PCC 電壓畸變的情況，引入諧波阻尼思想，為背靠背試驗(yàn)系統(tǒng)并網(wǎng)變換器提出一種新的并網(wǎng)指令電流策略。
　　 該算法使并網(wǎng)變換器在回饋能量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對畸變的PCC 電壓特定次的諧波電壓（電網(wǎng)諧振頻率處）呈現(xiàn)一定正值的諧波電阻，對提高綠色節(jié)能試驗(yàn)系統(tǒng)工作的電網(wǎng)適應(yīng)性，具有重要的實(shí)用意義。通過仿真，對比研究了傳統(tǒng)純正弦指令電流模式、直接由PCC 電壓波形獲取指令電流波形以及本文提出的特定頻率的諧波阻尼算法三種模式下的效果，驗(yàn)證了