四象限工作特性與原理

1、四象限的工作特性與控制原理,——電氣1310班“六個(gè)核桃”小組電力電子研討,四象限的工作特性與控制原理,第一象限：Ud>0, Id>0,第二象限：Ud>0, Id<0,第三象限：Ud < 0, Id < 0,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(shì)Ea與其勵(lì)磁磁通和轉(zhuǎn)速N的乘積成正比：,電樞電壓平衡方程為：,轉(zhuǎn)速高低由電樞電壓的大小決定，轉(zhuǎn)速方向由電樞電壓的方向決定

2、。,電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為：,轉(zhuǎn)矩大小由電樞電流的大小決定，轉(zhuǎn)矩方向由電樞電流的方向決定。,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),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,四象限直流—直流變換器,第一、二象限運(yùn)行等效電路,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?。?輸出電流方向：,正向,電機(jī)運(yùn)行于正向電動(dòng)狀態(tài)，能量由輸入直流電源供向負(fù)載。,(b)降壓變換電路,第一象限

3、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)行于正向制動(dòng)狀態(tài)，能量由負(fù)載向直流輸入電源回饋。,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,第二象限工作,四象限直流—直流變換器,第三、四象限運(yùn)行等效電路,工作模式：,降壓（T3 D4構(gòu)成Buck降壓變換器）,輸出電壓方向：,反向（VAB<0）,輸出電壓大小：,輸出電流方向：,反向

4、,電機(jī)運(yùn)行于反向電動(dòng)狀態(tài)，能量由直流輸入電源供向負(fù)載。,第三象限工作,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?。?輸出電流方向：,反向,電機(jī)運(yùn)行于反向制動(dòng)狀態(tài)，能量由負(fù)載供向直流輸入電源。,升壓（T4 D3構(gòu)成Boost升壓變換器）,四象限直流—直流變換器,第四象限工作,STATCOM,靜止同步補(bǔ)償器（ Static Synchronous compensator STATCOM ）是柔性交流輸電系統(tǒng)（FA

5、CTS）的重要設(shè)備之一，在穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、提高功率因數(shù)、增加傳送容量等方面發(fā)揮著重要的作用，代表著無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向。,,STATCOM的基本結(jié)構(gòu)設(shè)有一個(gè)并網(wǎng)電壓源逆變器，通過某種控制方式，在其逆變輸出側(cè)產(chǎn)生一個(gè) 幅值可調(diào)、相位可調(diào)與電網(wǎng)同步的正弦電壓。,STATCOM的基本原理,電網(wǎng)電壓用Us表示，STATCOM電壓用U1表示，則電抗器上的電壓為Us和U1的差，STATCOM從電網(wǎng)吸收的電流用 I 表示。,,,當(dāng)U1>Us，　

6、　　時(shí)，,,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,當(dāng)U1<Us， 時(shí)，,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。,當(dāng)U1=Us， 時(shí)，,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

7、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)：,,Ｉ,．,,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(duì)STATCOM輸出的有功，無功的四象限運(yùn)行。,STATCOM的基本原理,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)：,,

8、STATCOM的控制方式,間接電流控制,直接電流控制,分相不對(duì)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(duì)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δ控制和δ 與θ 配合控制。采用單δ 控制時(shí)，雖然簡單有效，但忽略了對(duì)θ的控制，使得直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定困難、損耗增加。在δ與θ 配合控制中，δ角的控

9、制用于無功功率控制，而對(duì)θ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(duì)無功功率控制采用逆系統(tǒng)非線性PI方法，對(duì)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δ控制： 分析間接電流控制以前面的容性工況的向量圖舉例,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， δ的值是U1超前Us的角度。

10、 從上式可見δ的值與有、無功電流基波電壓的幅值都是以一對(duì)應(yīng)的。,,STATCOM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δ的值，然后δ來控制 STATCOM變流器的觸發(fā)脈沖，使STATCOM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STA

11、TCOM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(duì)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(δ與θ 配合控制),上圖為δ與θ 配合的逆系統(tǒng)ＰＩ控制框圖。圖中，三相瞬時(shí)電壓ｕＡ，Ｂ，Ｃ和瞬時(shí)電流ｉＡ，Ｂ，Ｃ，經(jīng)過α，β變換和瞬時(shí)無功功率計(jì)算得到補(bǔ)償無功功

12、率Ｑ，并與參考補(bǔ)償無功功率Ｑｒｅｆ進(jìn)行比較，經(jīng)過ＰＩ環(huán)節(jié)得到控制量δ，參考電壓ｕｒｅｆ與直流側(cè)電壓ｕｄｃ進(jìn)行比較，經(jīng)過ＰＩ環(huán)節(jié)得到控制量θ，將控制量δ 和θ 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。,上面是家補(bǔ)償器

13、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PWM整流電路,,三相PWM整流電路,,26,PWM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整流器的原理,我們可以通過控制V1-V4的開斷，使U

14、ab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)，Uab滯后于Us一定 角度，此時(shí)Us與Is同相。功率因數(shù)為1，電源只向負(fù) 荷輸送有功。這是PWM整流器最基本的工作狀態(tài)。 當(dāng)電路在逆變

15、狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，Uab超前Is一定角度， 此時(shí)，Us和Is反向。此時(shí)電源吸收有功。PWM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,,PWM整流的原理,PWM整流器在無功補(bǔ)償狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，Is超前Us90°。此時(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)Is滯后于 于Us90°時(shí)又

16、相當(dāng)于無功補(bǔ)償器。 通過對(duì)Uab幅值和相位的控制，可以使Is超前或滯后Us 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)。,,三相PWM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

17、、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整流器的控制,PWM整流器的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,,PWM整流器的控制,間接電流控制 和實(shí)際的直流電壓ud比較后送入PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出為一直流電流信號(hào)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)

18、，ud'= ud ，PI調(diào)節(jié)器輸入為零，PI調(diào)節(jié)器的輸出id和負(fù)載電流大小對(duì)應(yīng)，也和交流輸入電流幅值相對(duì)應(yīng)。負(fù)載電流增大時(shí)，C放電而使ud下降，PI的輸入端出現(xiàn)正偏差，使其輸出id增大，進(jìn)而使交流輸入電流增大，也使ud回升。達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud和ud'相等，PI調(diào)節(jié)器輸入仍恢復(fù)到零，而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(duì)應(yīng)。負(fù)載電流減小時(shí)，調(diào)節(jié)過程和上述過程相反。,,PWM

19、整流器的控制,間接電流控制的評(píng)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。,,PWM整流器的控制,直接電流控制 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

20、感器。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號(hào)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。,,PWM整流器主電路參數(shù)選擇,PWM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。1、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； 交流測電流總畸變率THD盡可能小，小于百

21、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的百分之十。 滿足瞬態(tài)電流跟蹤要求 ，,,,PWM整流器主電路參數(shù)選擇,2、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PWM整流器的抗負(fù)載擾動(dòng)性能。 可以按典型的2型系統(tǒng)設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，同時(shí)根據(jù)udc的最大動(dòng)態(tài)降落允許值決定C的下限值。,,PWM整流器主