（机械电子工程专业论文）单相能量馈网系统的研制.pdf

摘要 ! ! ! ! ! ! i i ：= = = = ：= ：；：。，一m 摘要 随着社会经济的迅速发展，能源问题在当今社会中受到越来越多的关注。能 量回馈系统可以缓减经济发展和能源短缺之间的矛盾。无论在减少能源的浪费方 面还是在新能源的利用开发方面，能源回馈都发挥着重要作用。目前能量回馈技 术主要用于功率电子负载、分布式发电和电机制动能馈等场合。 本文主要研究了单相能量馈网系统。设计了一种可以将这些再生能源重新送 入电网的装置，该装置可将能源以与电网电压同频同相的正弦波电流送入电网， 极大的节约了电能并且降低了对电网的谐波污染。 能量馈网系统中包含两个关键环节：升压环节、逆变环节。升压环节采用 b o o s t 变换器使其电压达到逆变的要求，逆变环节是将直流电压转化为交流电 压。 在本文中分析了b o o s t 电路的工作原理以及各种控制方法。在此基础上设计 了b o o s t 变换器，采用闭环控制，p i 调节的方式对输出电压控制，使输出电压 恒定在一定的值。 本文分析了电压型逆变器的工作原理及电流控制方法，设计了单相全桥式逆 变器。采用与传统锁相技术不同的方法采集电网电压同步信号，用软件的方法产 生与电网电压同频同相的正弦波作为参考电流波形。控制策略为滞环电流控制。 最终让逆变器输出电流跟踪参考正弦波，使输出电流与电网电压同频同相。并用 仿真软件p s i m 对系统进行分析，仿真结果与理论分析吻合。 本文的最后给出了系统实验波形，实验结果与仿真结果相符，系统能较好的 输出电流跟踪性能，实现了能量回馈的功能，为能量回馈系统进行深入研究打下 了基础。 关键词能量回馈；升压变换器：逆变器：滞环控制 北京工业大学工学硕士学位论文 k b s t ra c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s o c i a le c o n o m y , p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o no ne n e r g ys o u r c e p r o b l e m e n e r g yf e e d b a c ks y s t e mr e s e a r c h e di sa i m e da ts e t t l i n gt h e s eq u e s t i o n s e n e r g yf e e d b a c k s y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l en o to n l yi nc u t t i n gd o w nw a s eo fe n e r g y , b u ta l s oi nu t i l i z i n g g r e e n e n e r g y n o w , t h i ss y s t e mi su s e di ne l e c t r o n i cp o w e rl o a d ，d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o na n dm o t o r b r a k i n gf e e d b a c k s i n g l e - p h a s ee n e r g yf e e d b a c ks y s t e mi sr e s e a r c h e d 缸t h i sp a p e r t h es y s t e mi sd e s i g n e dt o t r a n s f e rr e n e w a b l ee n e r g yt h a th a st h es a m ef r e q u e n c ya n ds a n l ep h a s ew i t hp o w e rn e t w o r ki n t o a cp o w e rn e t w o r ka tu n i tp o w e rf a c t o r t h i sd e v i c es a v e se n e r g ya n dr e d u c e sh a r m o n i cw a v e p o l l u t i o n t h e r ea r et w op a r t si ne n e r g yf e e d b a c ks y s t e m ，i n c l u d i n gb o o s ta n di n v e r t e r w i t hb o o s tc i r c u i t , d c d cc o n v e r t e ri su s e dt ob o o s tv o l t a g et om e e tt h er e q u i r e m e n t so fi n v e r t e r t h e nd cv o l t a g e i si n v e r t e dt oa c v o l t a g ei ni n v e r s i o nc i r c u i t t h ep a p e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l eo fb o o s tt r a n s f o r mc i r c u i ta n ds e v e r a lm e t h o d so fc o n t r 0 1 o nt h eb a s eo ft h ep r i n c i p l e ，d c d cb o o s tc o n v e r t e ri sd e s i g n e d t h i sc o n v e r t e rr e a l i z e sc o n s t a n t v o l t a g eb yc l o s e d - l o o pc o n t r o la n dp ia d j u s t i n g t h ep a p e rd e s i g n ss i n g l e - p h a s ef u l l b r i d g ei n v e r t e rb ya n a l y z i n gt h ef f n e i p l eo fv o l t a g e i n v e r t e ra n dt h em e t h o do fc u r r e n tc o n t r 0 1 l o c k i n gs i g n a li ss a m p l e di nan e wm e t h o dw i t c hi s d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lm e t h o d t h er e f e r e n c es i n ew a v ei sg e n e r a t e db ys o f t w a r e h y s t e r e s i sc o n t r o li su s e dt oc o n t r o ic u r r e n tt h eo r t p u tc u r r e n to fi n v e r t e rt r a c er e f e r e n c es i n e w a v ea n dk e e p st h e $ 1 1 1 n ef r e q u e n c ya n ds a m ep h a s ew i t hp o w e rn e t w o r kv o l t a g e t h i sp a p e r s i m u l a t e st h es y s t e mb yu s i n gp s i m a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sc o m p o r tw i t ht h e o r yr e s u l t s a tt h ee n do ft h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a l lo b t a i nw e l lo u t p u t e n t t e n tf o l l o w i n gp e r f o r m a n c et h es y s t e mr e a l i z e st h ef u n c t i o nt h a td ce n e r g yc a n b ef e db a c k t oa cp o w e rn e t w o r k ， k e yw o r d se n e r g yf e e d b a c k ；b o o s tc o n v e r t e r ；i n v e r t e r ；h y s t e r e s i sc o n t r o l n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：叠基迸空日期：鱼z 2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 毖蝉吼幽 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 电力电子技术的发展 电力电子技术是2 0 世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的学科，但其发展非 常迅速，它已发展成为横跨电力、电子和控制三大电工学科的- f 7 范围广泛的新 学科。电力电子技术的应用己在工农业生产、交通运输、科技领域以及人们的日 常生活之中普及，丽且正在发挥出越来越巨大的技术和经济效益。 1 1 1 电力电子器件的发展 电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力 电子技术的发展是以电力电子器件的发展史为纲的“1 。 1 9 5 7 年，美国研制出世界上第一个普通的( 4 0 0 h z 以下) 反向阻断型可控硅， 后称晶闸管( s c r ) ，s c r 是一种半控型器件。用它组成的电路简称半控型电路， 其基本特点是容量大，但电路结构复杂，开关频率低，功率密度和整机效率不高。 经过6 0 年代的工艺完善和应用开发，到了7 0 年代，晶闸管己形成从低压小电流 到高压大电流的系列产品。在这期间，世界各国还研制出一系列的派生器件，如 不对称晶闸管( a s c r ) 、逆导晶闸管( r c t ) 、双向晶闸管( t r i - a c ) 、门极辅 助关断晶闸管( g a t t ) 、光控晶闸管( l a s c r ) 以及8 0 年代迅速发展起来的可关 断晶闸管( g t o ) 。7 0 年代，门极可关断晶闸管( g t r ) 进入工业应用领域，由 于g t r 具有自关断能力且开关速度可达2 0 k h z ，是一种全控器件，在p w m 技术中 一度得到了广泛的应用，并促进装置性能进一步提高和传统直流电源装置的革 新，但因g t r 是一种电流控制型器件，开通增益有限。另外还存在二次击穿、不 易并联以及开关频率仍然偏低等问题。比较而言，功率场效应晶体管p o w e r m o s f e t 是一种电压控制型自关断器件，具有驱动功率低、安全工作区宽( 几乎 不存在二次击穿问题) 、漏极电流为负温度特性( 易并联) 、输入阻抗高等优点， 同时又是一种高频器件，能够在高频硬件开关环境中工作。工作频率达到几十千 赫至数百千赫，低压管甚至可达兆赫。m o s f e t 优点突出，但其导通电阻与耐压 大小成正比，这就限制了它在高频、大功率领域的应用。基于g t r 和m o s f e t 的 优缺点，8 0 年代电力电子器件最引人注目的成就之一就是开发出双极型复合器 件。研制复合器件的主要目的是实现器件的高压、大电流参数同动态参数之间的 最合理的折中，使其兼有m o s 器件和双极型器件的突出优点，即具有m o s f e t 的 输入特性、开关频率和g t r 的输出特性、开关容量，从而产生出较为理想的高频、 高压和大电流器件。目前被认为最有发展前途的复合器件是绝缘栅双极型晶体管 北京工业大学工学硕士学位论文 i g b t ( i n s u l a t eg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 。实际上它是一种用m o s 门控制的 晶体管。鉴于i g b t 优良的器件特性和不断提高的制造工艺， g b t 逐渐占领了电 力电子器件市场。 除了器件本身性能的不断提高，器件模块化和集成技术也相继发展起来。就 内部结构而言，m o s f e t 和i g b t 都是功率集成器件( p i d ) ，模块化技术的应用 大大提高了电路功率密度和可靠性。随着集成技术的发展，功率模块逐渐向智能 化方向发展，即模块内部除了主电路器件之外，还包括相应的各种接口电路、保 护电路( 过流、过压、过热保护等) 和驱动电路，故也称智能功率模块( i p m ) 或功率集成电路。这是电力电子技术的一大进步。说明集成电路已从信息电子技 术领域扩展到功率电子技术领域。尽管目前的i p m 在功率等级上还很有限，但已 在各个应用领域中显示出显著的优点。 1 1 2 脉宽调制( p w m ) 技术的广泛应用 随着器件性能在硬开关环境下高频化的发展，p t g t 技术控制方式成为当今逆 变电路的主要控制方式。p w m 作为诸多斩波控制方式中的一种，从直流变换电路 ( d c d c ) 发展到逆变电路( d c a c ) ，用改变调制信号频率实现输出电压基波频率的 调节；用改变调制信号幅值实现输出电压基波幅值的调节。与方波逆变电路比较 起来，p w m 逆变电路有如下特点： ( a ) 逆变器本身同时有电压和频率调节功能。 ( b ) 减少输出电压的谐波含量。载波频率越高，谐波含量就越低。 p w m 控制技术如今也越来越多的被应用在整流电路( a c d c ) 和交流变换电路 ( a c a c ) 中，以获得高的功率因数0 1 。 1 1 3 高频化下的软开关技术 隧着全控电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高， 即高频化是现代电力电子的特点，但由于器件的开关损耗与开关频率成正比，频 率越高器件和电路的损耗也就越大，电路的效率也随之降低，另外频率的提高对 于电路所产生的电磁干扰( e m i ) 也越强，对环境污染也越严重。一般从以下两方 面考虑： ( a ) 从器件工艺角度，缩短器件的开关时间。 ( b ) 改善器件在电路中的开关环境来减少损耗，将器件在开关过程中的电流 和电压相位错开。例如在零电压或零电流下开关，器件就不会产生开关损耗。具 有这些条件的开关环境称为软开关环境。从理论上讲，采用软开关技术可使开关 损耗降为零，可以提高效率。另外，它也使得开关频率可以进一步提高，从而提 第1 章绪论 高了电力电子装置的功率密度。 对器件所在电路进行改造以实现软开关的技术称为软开关技术，是当今电 力电子技术的发展方向之一。 1 2 能量回馈系统的应用场合 对于目前使用的能源大多是不可逆转的，随着世界经济的发展，大部分正在 使用的能源终将消耗殆尽。因此如何节约能源和开发利用环保、可持续的新型能 源成为我们必须解决的问题。能量回馈型有源逆变器作为和电网的接入口，实现 电能形式的转换，在这两方面都有广阔的应用前景。下面是能量回馈系统实际应 用的主要几个场合： 1 2 1 分布式发电 分布式发电系统( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns y s t e m ) 是指功率为数千瓦至几十 ，兆瓦、与环境兼容的独立电源系统，用以满足电力系统和用户的特殊要求，如为 ，边远地区的用户，商业区提供较高的供电可靠性。目前主要的分布式发电装置有 微型燃气轮机、燃料电池、太阳能发电的光伏电池和风力发电装置等。这些系统 多数具有污染小的特点，尤其是风力发电、太阳能发电具有投资较小、无污染等 特点，得到了广泛的重视“4 1 。 另外，由于传统的电网存在以下弊端：不能灵活跟踪负载变化。如夏季空 调负荷的激增会导致电力供应的短时不足，而为短时峰荷建造发电设旋是得不偿 失的，因为其利用率极低，随着负荷峰谷差的不断增大，电网的负荷正逐年下降， 发、输电设施利用率也有下降的趋势。大型电力系统网络中，局部事故极易扩 散，而导致大面积的停电，电力系统越庞大，事故发生概率也越高”。这样，分 布式发电显示出其优点： ( a ) 具有电网调蜂作用，性能好。分布式发电系统具有起停迅速的优点， 与传统电网并联运行，可起到调峰的作用，提高供电的可靠性、稳定性。 ( b ) 与电网配合提高供电可靠性。当电网出现意外事件时，可以给重要用 户供电。 ( c ) 在地处偏僻，人口分布的地区，传统电网输送消耗大，利用率低，而 分布式发电系统可以充分利用自然资源，避免能源的不必要消耗。 ( d ) 分布式发电系统为可再生能源利用提供了途径。分布式发电系统地广 泛应用有利于减少排出的温室气体，保护环境，是一种新型的清洁能源。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 2 能馈式功率模拟负载 一般各种电源在出厂之前都要进行可靠性实验( 主要是老化实验) 及电源输 出特性实验。如一般蓄电池出厂时须进行三充两放和容量校核，用户在使用过程 中还必须通过定期放电消除极化效应。”。在实验中产生的能源，传统地方法是采 用大电阻负载能耗放电的方法进行，这样不仅浪费了大量电能，提高了生产和维 护的成本，并且由于电阻负载体积庞大，散热需要专用的冷却装置，占用了生产 空间，不利于维护。能馈式功率模拟负载解决了这一问题。它是种利用电力电 子技术、计算机控制技术及电力系统自动化技术设计实现的，用于对各种直流电 源进行考核实验的实验装置。能馈式功率模拟负载与普通能耗式负载相比的优点 在于： ( a ) 环保、节能。 因为它的工作方式是利用电力电子变换技术在完成测试功率的前提下，将测 试设备的输出能量大部分无污染地反馈回电网，节约了大部分能源。 ( b ) 体积小、重量轻。 由于该电子负载没有把试验的功率变成热量，因此不必使用体积庞大的电阻 箱及冷却设备，因而节约了安装空间。 ( c ) 所模拟的功率连续可调。 电阻负载在功率较高时不得不采用有级调节，所以在使用中受到很大限制， 带来诸多不便，而电子负载使得用户在具体使用时可通过计算机界面设定所需要 的功率( 或电源输出电流) 一时间变化曲线，从而模拟实际电阻负载的大小就严 格按设定运行。 ( d ) 由于采用的是能量反馈方式，因此，试验场所不必配备较大的电源容量。 如：假设该电子模拟功率负载的效率为8 5 ，待测试设备的容量为5 0 k v a ，效 率为8 5 ，则试验场所的供电容量仅需1 4 k v a 即可完成5 0 i a ，a 的满载实验， 从而降低了系统供电容量的开支。 能馈式功率模拟技术可应用于牵引动力试验、通信电源出厂试验、各种整流 柜出厂试验、大功率充电电源试验、蓄电池放电试验、电机出厂试验、柴油机汽 油机出厂试验、汽车动力性能试验、电解电镀电源出厂试验，以及不问断电源 ( u p s ) 出厂试验等。 随着国民经济的发展，人们对能源的要求及试验自动化的要求越来越高，一 方面工业交通等场合需要越来越大的功率试验手段，另一方面由于能源的紧缺使 得能耗的费用也越来越高，基于节约能源减少开支和试验自动化的要求，能馈式 电子负载越来越多的用在了上述场合8 。“。 第l 章绪论 1 2 3 电机制动能量回馈 随着电力传动及控制技术的发展，变频调速越来越广泛地应用于社会各领 域，很好的解决了交流电动机的调速问题。而通用变频器通常采用交一直一交电 压型逆变拓扑结构，三相交流电首先通过整流二极管组成的不可控整流桥得到脉 动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经过无源逆变输出电压、频率可调的交 流电给电动机供电，这种变频器只能运行在一、三象限。但是通用变频器不能直 接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、 轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系 统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位势负载下放时，电机处于再 生发电状态。由于二极管不可控整流器能量传输不可逆，产生的再生能量将在滤 波电容上累积，产生泵升电压，如果泵升电压过高，会威胁系统的安全。传统的 方法是采取在直流母线之间接通一个能耗电阻，来释放能量。但如果电动机制动 频繁或长期带位势负载运行，则能量浪费严重；而且由于电阻发热，环境温度升 高，影响系统的可靠性；另外这种依靠电阻放电死亡制动模式无法实现快速的动 态响应；对于大功率交频器，电阻制动就显得更加困难。采用能量回馈制动可以 解决上述问题，不仅获得快速的动态响应，而且把制动电能回馈至电网“一。 1 3 能量回馈的发展现状 在七、八十年代，电流型的有源逆变器应用比较广泛，如燃煤磁流体发电， 简称m h d 、大功率交流电机的再生能量回馈、大容量蓄电池的出厂测试等。这 些变换装置大都采用晶闸管、g t o 等大功率半控型器件，控制上也以相移调压 为主。 随着全控型器件功率m o s f e t , i g b t 作为主功率器件和p w m 开关主回路拓 扑的发展和成熟，目前的有源逆变产品大都采用电压型p w m ，以满足电流波形 的正弦和功率因数最大的要求。此类装置广泛应用在通讯电源的出厂测试用电子 负载，分布式发电等等。 在分布式发电领域，国外特别是西方发达国家对这方面研究很多，从小功率 到大功率的产品比较普遍，也比较成熟。从燃料电池、燃气轮机、到光伏系统、 风力发电都有较成熟的产品和应用。在国内，由于目前我国的电力系统还是仍以 集中式电厂发电为主，这方面的应用甚少。但随着人们对能源的关注和国内电力 市场需求的不断扩大，近几年关于分布式发电的报道也逐渐增多，不少学者和专 家也呼吁决策者大力发展分布式发电。目前国内很多研究所和高校在分布式发电 进行研究，特别是光伏并网在做这方面的研究，合肥工业大学在这方面研究的比 北京工业大学工学硕士学位论文 较深入。目前，由合肥工业大学能源研究所研制的5 k w 光伏并网逆变器样机已 经在试运行，但离产品和大规模应用还有较大距离”1 。 国内运用能量回馈技术还有是作为电子负载的应用，已有不同功率等级的产 品商业化。北京交通大学的研究报道比较多，也有一些产品阱1 。 电机调速的应用方面主要是结合变频器产品的使用。德国西门子公司已经推 出了电机四象限运行的电压型交一直一交变频器，日本富士公司也成功研制了电 源再生装置，如r h r 系列、f r e n i c 系列电源再生单元，它把有源逆变单元从 变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外围装置，可并联到变频器的直流侧， 将再生能量回馈到电网中。同时，已见到国外有四象限电压型交一直一交变频器 及电网侧脉冲整流器等的研制报道。目前，普遍存在的问题是这些装置价格昂贵， 再加上一些产品对电网的要求很高，不适合我国的国情。国内在中小容量系统中 大都采用能耗制动方式，而关于能量回馈控制的研究虽然也能在文献报道中见 到，但产品仍不成熟峨2 叮。 1 4 本课题的研究内容 本课题的目的是对电源生产厂家进行可靠性实验所产生的能源以及自然能 源( 如风能、太阳能等) 进行充分利用，使其送入公共电网以得到充分利用。基 本原理就是将这些能源首先转化为可以进入电网的直流电压，该直流电压经逆变 转化为交流电，其电流与电网电压同频率、同相位，然后将该交流电送入电网， 这样就达到了能量回馈的目的。本课题的主要任务有以下几个部分： 1 将蓄电池、光伏电池等的低直流电压经d c d c 变换，升压为可以用来能量 回馈的高压直流电； 2 直流电压逆变为交流电，其输出电流与电网电压同频同相。在这部分里，需 要产生参考正弦波、锁相、控制输出波形等工作，并最终实现能量回馈。 第2 章能量回馈系统的研究 第2 章能量回馈系统的研究 巨磋转委 褥 删 h 薹 皿 嚣 杈 o 图2 - 2 方案二 f i g 2 - 2s c h e m et w o 采用这种方案的系统较为复杂，所用电力电子元件较多，但交流侧可以直接 接入公共电网，电流畸变很小。这种方案的难点在于低压大电流的d c d c 部分， 开关元件的导通损耗较大，对散热设计要求较高。”。 综上所述，考虑到系统的体积、重量以及成本，在本论文采用第二种方案， 即先将直流低电压经过直流斩波电路d c d c 变换器升为直流高电压，然后经过 逆变器送入电网。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 升压变换器的研究 直流斩波电路，b p d c d c 变换器的功能是通过控制主回路中的电子开关的通 断，将直流电变为另一固定电压或可调的直流电”1 。根据电路形式的不同，可以 分为降压( b u c k ) 型电路、升压( b o o s t ) 型电路、升降压( b u c k - b o o s t ) 型电 路、c u k 型丘克电路、s e p i c 型电路丰d z e t a 型电路。但是后几种都需要两个电感， 这必然导致变换器的损耗增加，效率变低，且体积和质量大。而b u c k 电路是降 压电路。故本文所采用的升压电路采用b o o s t 型的升压型变换器，这里对这种电 路的结构以及工作原理进行重点分析。 2 1 1b o o s t 电路理论分析 b o o s t 变换器又称为升压变换器、并联开关电路、三端开关型升压稳压器“”。 目前主要应用于直流电压的升压和功率因数校正等场合，如在不间断电源( u p s ) 中主要用于对蓄电池的充放电、舰用逆变器中的升压等“刎。 如图2 - 3 所示，b o o s t 电路主要由电感厶开关管q 、二极管 】d 、电容c 组 成。为了分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作如下几点假定： ( a ) 开关晶体管、二极管均是理想元件，也就是可以快速地“导通”和“截止”， 而且导通时压降为零，截止时漏电流为零。 ( b )电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电 容的等效串联电阻为零。 ( c )输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。 。v，d 尺 图2 - 3b o t 升压原理图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cc i r c u i to fb o o s t b o o s t 升压电路存在电感电流连续和电感电流断续两种工作过程。 ( a ) 电感电流连续工作模式。 工作于电流连续模式时，电路在一个开关周期内相继经历两个开关状态，如 图2 - 4 - a 与图2 - 4 - b 所示，电路工作时的波形如图2 5 一a 所示。 岛一f 。时段：电路处于开关管导通状态1 ，开关管口于岛时刻开通，并保持通 态直到t 时刻，在这一阶段，电感l 两端的电压为电感电流不断增长。二 第2 章能量回馈系统的研究 极管叨处于断态。 盎一玉时段：电路处于开关状态2 ，开关管9 于岛时刻关断，二极管叨导通， 电感通过叨向电容f 释放磁能，电感电流不断减小。直到岛时刻开关管9 开通， 下一个开关周期开始。 a ) 开关管导通状态 a ) s w i t c h i n gt u b eo ns t a t e 尺 b ) 开关管关闭状态 b 1s w i t c h i n gt u b eo f f s t a t e 图2 4b o o s t 变换器电感电流连续工作过程 f i g 2 - 4f o r k i n gp r o c e s so fb o o s ti n d u c t i o no c i | 当开关管p 开通 j = l 疵d i 舭= 华 r ( 2 - i ) ( 2 2 ) 当开关管q 关断时 虬= e + 工妄 ( 2 - 3 ) 在开关管口导通时，丘上升，开关管印关断时矗下降，其电流波形如图2 - 5 一a 所示。 p k t 。匡b p 卜f 半p o l l l l 一 “仨兰兰。 ：臼臼， a ) 电感电流连续波形 a ) i n d u c t i o nc c m e t - o 手，砷仁q 巧 凇一7 一 历厶； b ) 电感电流断续波形 b ) i n d a c t i o od c m 图2 - 5b o o s t 电路电感电流波形 f i g 2 巧i n d u c t i o nc u r r e n tw a v e f o r mo fb o o s t 北京工业大学工学硕士学位论文 在某一个输入电压下，负载平均电流为五时，且电路稳定工作，上升与下降 厶，应相等，即达到平衡，则有： 虬铂工警 a t i + 岛= c d ；丝! ；笪 a t i + 岛z 式中么f 卜q 导通时间； 厶f 2 - 吨关断时间； 纷呻w m 调制时间 a t = = d z ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) a t 2 = ( 1 - d ) z ( 2 - 7 ) 将式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 代入式( 2 4 ) 得 虬2 k 高( 2 - 8 ) 即：vo：l(2-9) 矿 l d 由于0 u o d ( i - d ) 2 t , r 一 2 整理得 j l d ( 1 - d ) 2 ( 2 1 3 ) r r , 2 通过式( 2 1 3 ) 可以判断b o o s t 电路电感电流连续与否的临界条件“。 在电感电流断续的情况下，其输入电压与输出电压也有一定的关系拉羽。首先 设开关管关断后电感的续流时间为a t s ，如图2 7 所示，其中o 翻s ( 1 - - d ) 。 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 7 电感电流断续波形 f i g 2 - 7w a v e f o md u r i n gi n d u c t i o nc u r r e n ti n t e r r u p t 根据稳态条件下电感电压开关平均值为零的原理有 k d z = ( 一1 ) 嵋 ( 2 1 4 ) 二极管电流开关周期平均值为 i d = 妥p 而负载电流为 l = 丝r 瑟态条件下，电容c 的开关周期平均电流为零，故二极管电流开关周期平 均值等于负载电流，即 三必口：丝( 2 1 5 ) 2 r 。7 由式( 2 1 4 ) 解出a ，并与式( 2 1 1 ) 一起代入式( 2 1 5 ) 得 三盟上d ：堡 2l 虬一圪 r 整理得 堡 ：l 以一k 虬d 2 r , r 令 k ：量l d z r 化筒得 第2 章能量回馈系统的研究 丝：监伢 匕 2 从式( 2 - 1 6 ) 可以看出，电感电流断续时，总有u o v s ( i - 4 ，且负载电流 越小，d o 越高。从表面看采用电感电流断续可以升高电压，但是当电感电流不 连续时，开关管上得峰值电流和电感电流都有急剧增加的趋势，所以对于大功率 的升压变换器应工作在电感电流连续的模式下“。 电感电流连续模式下，考虑滤波电容器有内部寄生的电阻，考虑二极管电流 f d 之纹波电流会全都流迸电容器c ，以保证负载上得到平直直流电流。因此，在 图2 - 7 所示斜线面积分为充电或放电能量q ，由q 形成纹波电压可表示为 圪= 等= 半= 意盆z 纹波电压等2 繁圳。 在指定纹波电压限值下，需要电容值c 为 c ：旦盟：丝l( 2 1 7 ) r 圪a v o 。 这时电容器等效串联电阻( 或称内阻) 由下式限定 a v o 通过的纹波电流可求得 s q w j _ v r o 图2 - 8b o o s t 纹波电压产生示意图 f i g 2 - 8s c h e m a t i cp l a no fb o o s tr i p p l ev o l t a g ep r o d u c e 北京工业大学工学硕士学位论文 b o o s t 电路中的二极管、r d 的选择要求 【雠1 = 巧 d ( m = 。) - - - - + 等小学小差d i 毛。，= l = ( 1 一d ) 2 1 2b o o s t 升压电路的控制方法 通常b o o s t 变换器的控制方法分为电压控制模式和电流控制模式两种。“， 其中电流控制模式中比较常用的有峰值电流控制和平均电流控制两种，以下对这 些控制模式逐一进行分析，并提出本升压电路所采用的控制方法。 2 1 。2 。1 电压控制模式电压控制是单环控制，由一个控制电压i l c 与一个频率与 希望的开关频率一致的锯齿波电压( 斜率为m c ) 通过电压比较器进行比较，从 而形成脉宽调制( p w m ) ，来控制开关管的开通与关断，关断时间的占空比为d ， 其中控制电压l l c 是输出电压反馈回的电压和给定参考电压经运算放大器运算后 输出的误差电压信号。 占空比d 可由式( 2 1 0 ) 计算： d ：堡z ( 2 1 0 ) m f 式中以控制u 电压的平均值；c 弘参考锯齿波的斜率； ，开关频率 2 1 2 2 峰值电流控制峰值电流控制一般都是双环系统，取电感电流的上升沿 ( 即开关电流) 与参考电流相比较。电感器位于内电流控制环，内环的基本目 的是控制电感器的平均电流，但实际上是瞬时峰值电感电流作为控制基础( 开关 导通时，开关电流与电感电流相同，通常被作为电流采样) 。若电感电流纹波很 小，则峰值电流控制与平均电流控制大致相同。输出电压反馈和参考电平经比较 器比较得到误差控制信号“作为外电压控制环。电流采样波作为调制器的输入 与控制电压也相交产生输出控制信号，控制开关通断，其占空比为d 。 当工作在电流连续状态时，占空比d 可由式( 2 1 1 ) 计算： 第2 章能量回馈系统的研究 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 式中舡采样电流波的斜率； 功率级输入直流电压值； ，电感电流平均值； z 开关周期 2 1 2 3 平均电流控制平均电流控制也是双环系统，直接取电感电流作为采样 信号与参考电流进行比较。图2 9 给出了平均电流控制模式的原理图。在平均 电流控制中电感电流先被一积分器平均后再与参考锯齿波比较，此时占空比d 可由式( 2 1 2 ) 计算。所以在电压控制及平均电流控制模式下，占空比d 的计算 公式相同。 图2 - 9 平均电流控制模式中积分器与调制信号发生器 f i g 2 - 9i n t e g r a t i n gd e v i c ea n dm o d u l a t i o ns i g n a lg e n e r a t o ri na v e r a g e c u r r e n t - c o n t r o l l e dm o d e l 在本系统中采用了控制比较简单的电压控制模式，即采集输出电压的信号与 给定电压信号进行误差运算，误差电压信号与标准锯齿波进行比较输出p w m 信 号。 2 2 逆变器的研究 d c a c 逆变器是将直流电能转化成交流电能的交流装置，供交流负载用电 北京工业大学工学硕士学位论文 或与交流电网并网发电1 。当交流侧直接与交流负载连接时，称为无源逆变；当 交流侧接入交流电网，即将直流电能转化为与电网电压同频同相的交流电能，称 为有源逆变。”。本逆变系统是将蓄电池，光伏电池等中的直流电能采用电压型逆 变器进行有源逆变，将直流侧的电能回馈到交流电网。下面就逆变系统的工作原 理与控制方法进行分析。 2 2 1 逆变器的工作原理 系统框图如图2 - 1 0 所示： 图2 一1 0 系统框图 f i g 2 - 1 0s y s t e md i a g r a m 从图中可以看出直流高压电u d 经逆变器逆变后输出电压“，通过电感l 接 入电网，电网电压为乩。逆变器输出端得到所需的交流电压波形弛。与固定的电 网波形翰形成压差龟加至8 平衡电感l 两端删，以形成输入电流厶使得输出电 流t 与电网电压同频同相，也即使其运行在功率因数近似为1 的工作状态 【孔2 7 嚣，嚣】 a 1 w l l o io 屯n b a ) 系统简化图b ) 系统矢量图 a ) s y s t e ms i m p l i f yd i a g r a mb ) s y s t e mv e c t o rd i a g r a m 图2 - i1 单相逆变电路的等效图 f i g 2 - i is i n g l e p h a s ei n v e r s i o ne q u i v a l e n tc i r c u i t 将系统框图简化为如图2 i i a 所示，右图2 i i b 是忽略了电感电阻和线路 电阻后的矢量图，根据能量回馈的理想状态，调节逆变输出电压t o 使其在直线 a b 上，并超前电网电压的相位妒，即可在电感两端得到地 第2 章能量回馈系统的研究 曼曼曼曼曼! ! ! 摹曼! 曼! ! ! 曼曼! ! ! ! ! 曼曼曼r il l ! 苎! 曼皇曼曼曼曼! 皇皇曼! 曼曼皇蔓曼! 曼曼皇! ! 曼曼曼曼曼詈鼍量量曼曼皇曼舅曼曼鼍置 “f = 咋一u 。= 此 ( 2 - 1 3 ) 式中w 工频角弧度 输入电网的电流为 t ：旦：竺型l( 2 1 4 ) 4 r r 一一 j w l j w l 从上式可以看出，当主回路结构一定，电网电压不波动时，回馈能量的调 节是通过调节逆变器输出电压u o 的大小以改变回馈电流，最终达至控制回馈能 量的目的。这就是电压型能量回馈系统的工作实质，从矢量图来看，回馈电流如 相位落后电压毗相位9 0 。，和电网相位一致。假设骗正弦，不包含谐波，则电 ， 流亦正弦，功率因数为1 ，满足能量回馈的理想情况阻“矧。 我们知道逆变器的输出是个降压的过程，而且从图2 - 1 5 - b 的矢量图可 以看出，为了使回馈单位功率因数，必须使，直流电压是越高越好，这样 输出的功率也越大。对于单相能量回馈系统来说，有 ud=x220=31tv(2-15) 也就是说直流升压电路输出电压必须大于3 1 1 伏嘲，考虑电网的波动，必须 有一定的余量，以及输出功率的要求，同时考虑开关器件的承受能力，因此本论 文在升压电路输出电压达到3 7 0 v 。 一般来说，电压型逆变器在直流侧接有大容量的电容器，用来缓冲无功能量 。本论文在逆变部分采用了电压型单相全桥逆变器嘲。3 ”，图2 一1 2 是本系统逆 变部分的拓扑图。 图2 1 2 逆变系统拓扑图 f i g 2 - 1 2i n v e r s i o nt o p o l o g i c a ld i a g r a m 本系统的逆变部分采用电流滞环控制的方法。电流滞环控制逆变器的输出虽 然仍是脉冲式的，但已完全脱离了原来意义的正弦脉宽调制，只是由于给定的电 流参考信号是正弦波，所以仍沿用正弦脉宽调制( s p w u ) 的名称。正弦脉宽调制 ( s p w m ) 就是由载波调制正弦波两获得脉冲宽度按正弦规律变化又和正弦波等效 北京工业大学工学硕士学位论文 的脉冲宽度调制波形。目前存在三种调制方式，分别为单极性调制、双极性调制 以及有限单极性调制，它们之间主要的差别表现在全桥电路中两桥臂对角线上两 只功率器件开关组合不同以及开关频率不同。1 。在本系统主要从转化效率考虑来 选择调制方式。对于主功率电路来说，各种损耗是影响系统效率的主要原因。在 开关频率一定的情况下，讨论三种调制方式的损耗特点，然后以此为依据选择合 适的调制方式。主电路的损耗主要分为通态损耗和开关损耗两类。下图2 - 1 3 是 各种调制方式中开关管驱动波形。 i 匦四画画匝凰匦囹圃 ” t 0 ： ” a ) 双极性s p t m 驱动脉冲波形 a ) b i p o l a rs p w md r i v ew a v e f o r m b ) 单极性s p w m 驱动脉冲波形 b ) u n i p o l a rs p w md r i v ew a v e f o r m i 二 二三王二二工二i “ 叠 。 一 c ) 有限单极性s p w m 驱动脉冲波形 c ) f i n i t eu n i p o l a rs p w md r i v ew a v e f o r m 图2 1 3 各种调制方式下开关管的驱动波形 f i g 2 - 1 3s w i t c h i n gt u b ed r i v ew a v e f o r mo nd i f f e r e n tm o d u l a t i o ns y s t e m 1 8 ， 第2 章能量回馈系统的研究 从以上三种调制方式的开关管图形中可以看出，双极性s p w m 调制方式的 开关损耗最大，有限单极性s p w m 调制方式的开关损耗最小；有限单极性s p w m 调制方式和双极性s p w m 调制方式的通态损耗最大，单极性s p w m 调制方式的 通态损耗最小。综合考虑这些因素，本文中选择有限单极性s p w m 调制方式来 实现。三种调制方式分别对应着不同电流的导通与续流回路，因此对应着不同的 主电路的工作模式。 有限单极性调制方式就是在整个全桥逆变电路中，同一桥臂的两个开关管工 作在不同的频率状态，一个工作高频开关状态，另一个工作工频开关状态，但是 同一桥臂上的两个开关管分别工作在电网电压的正半波和负半波，不同桥臂上对 角线上的开关管工作在电网电压的同一半波。 本论文的逆变原理拓扑图如图2 1 4 所示