四象限工作特性与原理

四象限的工作特性与控制原理——电气1310班“六个核桃”小组电力电子研讨四象限DC—DC变换器STATCOMPWM整流器IdUd第一象限：Ud0,Id0第二象限：Ud0,Id0第三象限：Ud0,Id0第四象限：Ud0,Id0四象限直流—直流变换器直流电机电枢绕组的反电势Ea与其励磁磁通和转速N的乘积成正比：NKEea电枢电压平衡方程为：ABABaABaVIRVEeABeABaABeaKVKIRVKEN转速高低由电枢电压的大小决定，转速方向由电枢电压的方向决定。ABTeIKT电机的转矩方程为：转矩大小由电枢电流的大小决定，转矩方向由电枢电流的方向决定。转矩方向与电机转向相同为电动状态，反之为制动状态直流电动机的特性直流电机的四象限运行四象限直流—直流变换器SV1T2TaLaRaEABIAB3T3D4T4D通断(c)第三第四两象限变换电路SV1T2T1D2DaLaRaEABIAB(a)四象限直流-直流变换电路3T3D4T4DSV1T2T1D2DaLaRaEABIAB(b)第一第二两象限变换电路3T4T断通四象限直流—直流变换器第一、二象限运行等效电路SV1T2T1D2DaLaRaEABIAB(b)第一第二两象限变换电路3T4T断通VTTVDSonAB工作模式：降压（将Vd的电压降低后送到负载）输出电压方向：正向输出电压大小：输出电流方向：正向电机运行于正向电动状态，能量由输入直流电源供向负载。(b)降压变换电路第一象限工作四象限直流—直流变换器SV1T2T1D2DaLaRaEABIAB3T4T断通工作模式：输出电压方向：正向输出电压大小：输出电流方向：负向电机运行于正向制动状态，能量由负载向直流输入电源回馈。ABABdVVDV11升压（将负载的电压升高后向Vd回馈电能）(c)升压变换电路四象限直流—直流变换器第二象限工作SV1T2T1D2DaLaRaEABIAB3T4T断通SV1T2TaLaRaEABIAB3T3D4T4D通断(c)第三第四两象限变换电路四象限直流—直流变换器第三、四象限运行等效电路VTTVDSonBA工作模式：降压（T3D4构成Buck降压变换器）输出电压方向：反向（VAB0）输出电压大小：输出电流方向：反向电机运行于反向电动状态，能量由直流输入电源供向负载。第三象限工作四象限直流—直流变换器工作模式：输出电压方向：正向输出电压大小：输出电流方向：反向电机运行于反向制动状态，能量由负载供向直流输入电源。11sABABVVVD升压（T4D3构成Boost升压变换器）四象限直流—直流变换器第四象限工作SVaLaRaEABiAB4T3DASTATCOM静止同步补偿器（StaticSynchronouscompensatorSTATCOM）是柔性交流输电系统（FACTS）的重要设备之一，在稳定系统电压、提高功率因数、增加传送容量等方面发挥着重要的作用，代表着无功补偿技术的发展方向。STATCOM的基本结构设有一个并网电压源逆变器，通过某种控制方式，在其逆变输出侧产生一个幅值可调、相位可调与电网同步的正弦电压。STATCOM的基本原理电网电压用Us表示，STATCOM电压用U1表示，则电抗器上的电压为Us和U1的差，STATCOM从电网吸收的电流用I表示。当U1Us，时，0𝐈𝐔𝐬𝑼𝑰PQ𝑼𝑳0P1()ssUUUQX电流从系统流向STATCOM且电流相位超前系统电压90°，装置输出感性无功。当不考虑等效阻抗R时：STATCOM的基本原理𝐈𝐔𝐬𝑼𝑰PQ𝑼𝑳当U1Us，时，0电流从STATCOM流向系统且电流相位滞后系统电压90°，装置吸收感性无功。0(1)PUsUsUQX𝐔𝐬𝑼𝑰PQ𝑼𝑳当U1=Us，时，00PQ系统，STATCOM之间的电流为0，装置和系统无功率交换。STATCOM的基本原理当考虑等效阻抗R时：网侧电压由于需要为电路中的损耗电阻提供有功功率即电流I中有一定的有功分量，所以网侧电压Us与电流I相差比90度小可表示为90-角。STATCOM的基本原理当STATCOM输出电压超前于系统电压时装置处于感性工作状态：PQILU1UUsIRjXIsinsinSSUUIRIR22(sin)sinSSUPUIPR2(cos)sin(2)2SSUQUIQR𝐔𝐬𝑼𝑰PQ𝑼𝑳Ｉ．因此，通过改变STATCOM的电压幅值以及以系统的相位差就能实现对STATCOM输出的有功，无功的四象限运行。STATCOM的基本原理IRXIjsinsinSSUUIRIR22(sin)sinSSUPUIPR2(cos)sin(2)2SSUQUIQR当STATCOM输出电压滞后于系统电压时装置处于容性工作状态：STATCOM的控制方式间接电流控制直接电流控制分相不对称控制模糊PI控制鲁棒非线性控制STATCOM的控制方式间接电流控制间接电流控制是指对STATCOM装置中逆变器所产生的交流电压基波的相位和幅值的控制，以此来间接控制STATCOM交流侧电流。间接电流控制分为单δ控制和δ与θ配合控制。采用单δ控制时，虽然简单有效，但忽略了对θ的控制，使得直流侧电容电压稳定困难、损耗增加。在δ与θ配合控制中，δ角的控制用于无功功率控制，而对θ角进行控制可起到维持电容电压稳定的作用。因此可对无功功率控制采用逆系统非线性PI方法，对STATCOM直流侧电容电压采用传统的PI控制方法，两个控制环互相独立，互不干扰。单δ控制：分析间接电流控制以前面的容性工况的向量图举例sincosSLUU22221sin(90)sin22cos(90)(1cos2)2cos()cososLQoSLpSUUIRRXUUIURRXUU可以证明在感性工况下STATCOM在电网中吸收的电流同样满足上式，不过此时吸收的是感性电流，δ的值是U1超前Us的角度。从上式可见δ的值与有、无功电流基波电压的幅值都是以一对应的。QIPI1USTATCOM的控制方式通过以上分析，我们可以得到最简单的电流间接控制方法，即将我们想要的、补偿的无功电流的参考值Iref作为指令值，通过上面的公式转换的δ的值，然后δ来控制STATCOM变流器的触发脉冲，使STATCOM交流侧输出的电流跟随参考值动态变化。其示意图和相关波形如下：在波形图中，Us为STATCOM接入点处系统的相电压，U1为STATCOM变流器桥式电路触发后在交流侧形成的相电压，其幅度等于直流电容电压的值，而i1是STATCOM吸收电流中的基波分量。对STATCOM吸收的无功电流进行反馈控制，其原理图如下：STATCOM的控制方式STATCOM的控制方式间接电流控制方式(δ与θ配合控制)上图为δ与θ配合的逆系统ＰＩ控制框图。图中，三相瞬时电压ｕＡ，Ｂ，Ｃ和瞬时电流ｉＡ，Ｂ，Ｃ，经过α，β变换和瞬时无功功率计算得到补偿无功功率Ｑ，并与参考补偿无功功率Ｑｒｅｆ进行比较，经过ＰＩ环节得到控制量δ，参考电压ｕｒｅｆ与直流侧电压ｕｄｃ进行比较，经过ＰＩ环节得到控制量θ，将控制量δ和θ作为控制参数输入STATCOM控制系统。系统模型搭建及仿真结果分析按照下图所示，在Multisim中搭建基于间接电流控制的STATCOM的系统仿真模型。图中用无穷大系统电压的有效值为V，频率为50HZ，额定负荷为S=9000+j9000。2203上面是家补偿器之前的，下面的是加补偿器之后的，可见功率因数提高明显系统模型搭建及仿真结果分析PWM整流器拓扑结构单相PWM整流电路三相PWM整流电路26PWM整流器的分类•按直流储能形式：电压型、电流型•按电网相数：单相电路、多相电路、三相电路•按PWM开关调制：硬开关调制、软开关调制•按桥路结构：半桥电路、全桥电路•按调制电压分类：二电平电路、三电平电路、多电平电路27PWM整流器的原理我们可以通过控制V1-V4的开断，使Uab产生不同的波形，当Us确定的时候，Is变由Uab来确定，通过控制Us与Is之间的相交便可以实现整流运行、逆变运行、无功发生器运行等状态。PWM整流器的原理当电路在整流运行状态时，Uab滞后于Us一定角度，此时Us与Is同相。功率因数为1，电源只向负荷输送有功。这是PWM整流器最基本的工作状态。当电路在逆变状态运行时，Uab超前Is一定角度，此时，Us和Is反向。此时电源吸收有功。PWM整流器的通过整流运行和逆变运行可实现能量的双向传输PWM整流的原理PWM整流器在无功补偿状态运行时，Is超前Us90°。此时其相当于静止无功发生器。可以向电源发出无功。同理当Is滞后于于Us90°时又相当于无功补偿器。通过对Uab幅值和相位的控制，可以使Is超前或滞后Us任意角度。也就是说电源向负荷发出的有功和无功可大可小可正可负。三相PWM整流器工作原理和前述的单相全桥电路相似，只是从单相扩展到三相。进行SPWM控制，在交流输入端A、B和C可得SPWM电压，按整流运行相量图控制，可使ia、ib、ic为正弦波且和电压同相且功率因数近似为1。和单相相同，该电路也可工作在逆变运行状态或无功发生器等状态。PWM整流器的控制PWM整流器的控制通过控制交流侧电流来实现，三相VSR的控制技术按有无引入电流反馈分为间接电流控制和直接电流控制。间接电流控制PWM整流器的控制间接电流控制和实际的直流电压ud比较后送入PI调节器，PI调节器的输出为一直流电流信号id，id的大小和整流器交流输入电流幅值成正比。稳态时，ud'=ud，PI调节器输入为零，PI调节器的输出id和负载电流大小对应，也和交流输入电流幅值相对应。负载电流增大时，C放电而使ud下降，PI的输入端出现正偏差，使其输出id增大，进而使交流输入电流增大，也使ud回升。达到新的稳态时，ud和ud'相等，PI调节器输入仍恢复到零，而id则稳定为新的较大的值，与较大的负载电流和较大的交流输入电流对应。负载电流减小时，调节过程和上述过程相反。PWM整流器的控制间接电流控制的评价其根据电路阻抗特性用数学的方法代替电流闭环作用，控制结构比较简单，便于微机实现，有较高的可靠性。而且没有引入电流闭环节省了两个高精度的电流传感器。但其动态响应比较慢，存在瞬态直流电流偏移。PWM整流器的控制直接电流控制直接电流控制有电流滞环控制、固定开关频率控制、电流矢量控制、状态反馈控制、无差拍控制、极点配置法等。其都引入电流闭环，有较好的动、静态性能。但都需要两个宽带的电流传感器。滞环电流控制是基于瞬时电流反馈的一种常用的非线性控制方式，将实测的三相电流与参考信号比较，然后根据比较器的输出决定开关的状态。电流跟踪精度高，响应快，但开关频率不恒定。PWM整流器主电路参数选择PWM整流器的性能好坏不仅与其控制策略有关，还与自身电路的参数有很重要的关系。1、交流测电感的选择电感上压降尽可能小，一般不大于额定电压的百分之三十；交流测电流总畸变率THD尽可能小，小于百分之五；在一个开关周期内交流测电流的最大超调量尽可能小，小于交流测额定电流峰值的百分之十。满足瞬态电流跟踪要求，PWM整流器主电路参数选择2、直流侧电容的选择直流侧电容的大小影响在各种扰动下直流母线电压的稳定性，进而影响PWM整流器的抗负载扰动性能。可以按典型的2型系统设计PI调节器，同时根据udc的最大动态降落允许值决定C的下限值。PWM整流器主电路参数选择3、直流电压的选择三相VSR，当交流测线电压Uab大于0时，其等效为要保证整流器输入端线电压不含有PWM开关频率无关的低次谐波，直流电压Udc必须不小于交流侧线电压基波Uab的最大峰值。设交流侧相电压的有效值为Up，则6PdcUuThanksforyourlisteningandsleeping!