（电力系统及其自动化专业论文）新型电磁耦合dcac传输技术的原理分析和研究.pdf

删戮 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者躲而少啦 学位论文使用授权说明 2 0 1 0 年月日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 函i 时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：1 l 亘 加厄导师签名：妊哆 2 。1 。年月日 新型电磁耦合d c a c 传输技术的原理分析与研究 摘要 当今电力系统，换流技术的相对滞后已经制约了各种新能源发电模式和负荷多样性 的发展。在无功和谐波问题日益成为电力系统发展的核心技术问题的情况下，有必要研 究能够适应各种新型电源并网和负荷正常工作，而又能保证电能质量的灵活、高效的自 适应换流接口。 本文对现有电力电子桥式逆变技术的原理和特点进行了分析和总结，指出当前方波 逆变方式、s p w m 逆变方式的不足，特别是针对s p w v l 控制技术中以惯性定理为应用前提的 问题，指出了该逆变方式直流电压利用率低而不适用于电力传输。受同步发电机优良运 行特性的启发，文章提出研究其电磁耦合过程机理并推广应用于静止逆变装置的设想。 根据设想，文章首先深入分析同步发电机的绕组结构和有功、无功发生的工作原理， 得到同步机单相三相电磁模型和等值电路。确立本课题的研究思路：仿照同步机电磁 机理研究静止的单相三相逆变技术。以双绕组变压器为载体，采用现代电力电子技术 进行巧妙的绕组控制，以电气运动代替机械旋转，设计一种静止的电磁型d c a c 电能传 输装置。结构上是时变耦合系数的变压器，功能上是具有无功与谐波隔离功能的逆变方 式。文章主要做了以下工作：( 1 ) 设计单相、三相的时变耦合系数电路；( 2 ) 探讨、 总结电路的控制策略；( 3 ) 对静止耦合逆变电路进行了周期性的电磁原理推导，并对时 变电感系数电路的过渡过程进行了详细的微分方程推导和研究，得到电磁耦合逆变电能 传输的基本原理；( 4 ) 在理论分析的基础上，设计和进行了相关的仿真分析和物理实验， 验证了理论的正确性和可行性。 本文建立了新型电磁耦合逆变的基本原理，并研究该原理在时变耦合系数电路中的 实现方法，构成了具有无功与谐波隔离功能的新型静止逆变方式。这种逆变方式不仅具 有传统桥式逆变的功能，而且直流电能利用率高，输出电压谐波含量小，逆变过程不需 要无功补偿和滤波环节，可实现无源逆变，还能用于中低压配电网，是一种高效、灵活、 经济的换流输电技术。因此，该技术理论不仅具有重要的科学意义，而且有着明确的实 用价值和广阔的应用前景。 关键词：逆变电磁耦合绕组变压器 r e s e a r c ha n da n a l y s iso nt h ep rln clp l eo fe l e c t r o m a g n e t ic d c a cp o w e rt r a n s m is sio nt e c h n o l o g y a b s t r a c t i nt h ec o n d i t i o n so ft h ec u r r e n tp o w e rs y s t e m ，t h ei n v e r s i o nt e c h n o l o g yr e s t r i c tt h e d e v e l o p m e n to fn e we n e r g ye l e c t r i c i t yg e n e r a t i o na n dl o a dm u l t i p l e w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m ，t h ep r o b l e m so fr e a c t i v ep o w e r a n dh a r m o n i cb e c o m et h e c o r et e c h n o l o g i e sp r o b l e m i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ea u t o a d a p t e di n v e r t e rc o n n e c t i o n t oa d a p tn e wp o w e rs o u r c eo rt h el o a dn o r m a lw o r k a n dg u a r a n t e et h ee l e c t r i c a le n e r g y q u a l i t y t h i sa r t i c l ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e dt h ep r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f e x i s t i n ge l e c t r i cp o w e ri n v e r s i o nt e c h n o l o g y , p o i n t e do u tt h ei n s u f f i c i e n c y o fc u r r e n t b r i d g e - t y p ei n v e r s i o nt e c h n o l o g y b yi n s p i r a t i o no f f i n ec h a r a c t e r i s t i co fs y n c h r o n o u s g e n e r a t o r ，p r o p o s e dan e w i d e at or e s e a r c ht h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i v e a n da p p l i e si nt h es t a t i ci n s t a l l m e n t a c c o r d i n gt o t h ei d e a ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e d t h ew i n d i n gs t r u c t u r ea n d e l e c t r o m a g n e f i ct h e o r y , o b t a i nt h es i n g l e t h r e e - p h a s ee l e c t r o m a g n e t i s mm o d e lw h i c h r e f l e c ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o ro p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c ，e s t a b l i s ht h er e s e a r c hm e t h o d ： r e s e a r c ht h et e c h n o l o g yo fs i n g l e p h a s e t h r e e p h a s es t a t i ci n v e r s i o nb yf o l l o w i n gt h e r e v o l v i n ge l e c t r o m a g n e t i s m m e c h a n i s mt o t h i sw o r kd e s i g nan e wi n v e r t e rw i t h d o u b l e - w i n d i n gt r a n s f o r m e rt o p o l o g y , u s i n ga d v a n c e dp o w e re l e c t r o n i c st oc o n t r o lt h e w i n d i n gs k i l l f u l l y i n s t e a do fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o rm e c h a n i c a lr o t a t i o nw i t he l e c t r i c m o v e m e n t i t san e wt y p eo fs t a t i ce l e c t r o m a g n e t i cd c a cp o w e rt r a n s m i s s i o n t h e s t 九i c t i l r ei sat i m e - v a r y i n gi n d u c t a n c et r a n s f o r m e r i th a st h ef u n c t i o no fr e a c t i v ep o w e r a n dh a r m o n i ci s o l a t i o n t h ep a p e rg i v e st h ep e r i o d i cp r i n c i p l ed e r i v a t i o nt ot h es t a t i c i n v e r t e rc i r c u i t ，a n dt h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o no ft r a n s i t i o np r o c e s si sd e r i v e da n ds t u d y i nd e t a i l ，a c c o r d i n gt ot h ed i s c u s s i o na n ds u m m a r yo fc i r c u i to p e r a t i n gp r i n c i p l ea n d c o n t r o lm e t h o d c o m et ot h eb a s i ct h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i cd c a cp o w e r t r a n s m i s s i o n t h r o u g ht h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ta n a l y s i so f t h ei n v e r t e rc i r c u i tm o d e l ，t h et h e o r y w a s p r o v e na c c u r a c ya n d f e a s i b i l i t y i nt h i st h e s i s ，t h ep r i n c i p l e so fe l e c t r o m a g n e t i cd c a cp o w e rt r a n s m i s s i o n i s e s t a b l i s h e d a n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h i sp r i n c i p l e si nt h et i m e - v a r y i n gi n d u c t a n c e n c i r c u i ti ss m d i e d t h i si n v e r t e ra p p r o a c hn o to n l yh a st h et r a d i t i o n a lb r i d g e i n v e r t e r f u n c t i o n b u to f f e rh i g hp o w e rc a p a b i l i t y , a s s o c i a t e dw i t hl o w e ro u t p u th a r m o n l c sa n d h i 曲d cu t i l i z a t i o n t h ep r o c e s sd o e sn o tr e q u i r er e a c t i v ep o w e r e o m p e n s a t i o n a n di ：i i t e l t h i si n v e r t e rc a nb eu s e di np a s s i v ei n v e r t e ra n d l o wv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r l i ti s a ne f f i c i e n t f l e x i b l ea n de c o n o m i c a lc o n v e n e rt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y t h e r e f o r e t h e t e c h n 0 1 0 9 yi sn o to n l yi m p o r t a n ts c i e n t i f i ct h e o r yo fm e a n i n g ，a n dh a s ac l e a rp r a c t i c a i v a l u ea n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：i n v e r t e r ；e l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n g ；w i n d i n g ；t r a n s f o r m e r i i i 目录 摘暑墓i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景。1 1 2 同步机发电原理、模型的研究现状1 1 2 1 描述同步发电机稳态特性的电机学方法：2 1 2 2 派克变换：3 1 3 换流输电技术的研究现状和发展趋势3 1 3 1 概况3 1 3 2 桥式逆变电路4 1 3 3 小结8 1 4 本文的研究目标、思路及特点o 9 1 4 1 研究目标：9 1 4 2 研究思路：9 1 4 3 特点和意义9 1 5 论文的研究内容和主要工作1 0 第二章同步发电机电磁机理的研究和应用1 1 2 1 同步发电机电磁机理的研究1 l 2 1 1 同步发电机电磁模型推导1 1 2 1 2 简化的电磁方程推导1 2 2 2 时变电感系数耦合电路的设计16 2 2 1 基本电路结构1 7 2 2 2 电磁原理推导18 2 3 本章小结2 2 第三章时变耦合系数逆变电路的分析与研究2 3 3 1 时变电感系数电路的分析2 3 3 1 1 恒定电感系数r l 电路2 3 3 1 2 时变电感系数r l 电路2 4 3 2 时变耦合系数逆变电路2 6 3 2 1 过渡过程分析2 6 3 2 2 线性化分析31 w 3 2 3 新型电磁耦合逆变的核心概念3 3 3 3 本章小结3 3 第四章电磁耦合逆变电路的控制策略3 4 4 1 变压器输入绕组的控制方式3 4 4 2 电路的基本工作原理3 5 4 3 算例j 3 7 4 4 三相逆变电路的控制方法3 8 4 5 本章小结3 9 第五章仿真与实验研究4 0 5 1 仿真试验4 0 5 1 1 单相电磁耦合逆变电路的仿真4 0 5 1 2 三相电磁耦合逆变电路的仿真4 3 5 1 3 有源逆变试验4 7 5 1 4 与桥式p w m 逆变电路的仿真对比4 8 5 2 物理实验5 0 5 2 1 设备选择51 5 2 2 电路制作概况。51 5 2 3 实验结果51 5 3 本章小结5 3 第六章总结与展望5 4 6 1 本文工作总结5 4 6 2 应用前景_ 5 5 6 3 展望一5 5 参考文献5 7 鸳谢j 一6 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录6 1 v 广西大掌硕士掌位论文 1 1 课题研究背景 当今社会， 第一章 随着科技进步和生活水平的提高，用电设备也在不断的更新换代。出现了不以5 0 h z 工频电压电流工作的各种节能型负荷。这些非线性负荷对电网造成了严重的谐波污染， 影响电能输送效率，使得供电质量降低。以逆变技术为基础的有源滤波器、静止无功发 生器等补偿设备是当前保证电网质量的核心技术。这种外加滤波装置虽然能够阻止谐波 注入电网【粥】，但增加了费用且工作效率不高。用户端迫切要求具有谐波和无功隔离功 能的高效自适应换流接口的诞生。 现代电力系统的发电、输电和用电结构发生了新的变化，呈现出汇集多种能源形式、 分布式电源、柔性调控、非线性物理网络等特点。系统已面临是让新电源及新负荷适应 传统的电力系统电能传输方式，还是推动电力传输技术的发展，以适应新电源及高效节 能负荷工作方式的严峻挑战。显然后者才是电力发展的出路，因此有必要研究新型逆变 技术，在新能源的开发和应用、改善供电质量、提高电力传输效率等方面出谋划策。随 着电力电子控制技术和功率器件的发展，多年来专家和学者对逆变器的发展进行了深入 的研究也取得了丰硕的成果。而现有的逆变技术仍在变换效率，输出电压波形质量、成 本、控制方法等方面或多或少的存在缺陷和不足【9 1 2 】。 要实现科技理论创新，充分利用现有基础理论和技术解决电力传输的基本问题是十 分重要的。电力系统中有着运行特性优良的同步发电机，它是旋转的耦合型电能变换装 置，能够提供负载需要的任何功率。将其功率发生的电磁原理加以应用，研制能够适应 各种新型电源、负荷正常工作，而又能保证电网电能质量的灵活、高效的电能传输接口， 不仅可以为换流输电技术的创新提供理论依据，更重要的是实现灵巧发电、用电方式的 完美功能来迎接电力发展的挑战。 1 2 同步机发电原理、模型的研究现状 同步发电机是电力系统中一种最重要、最常用的交流电源，仅调节励磁电流就能 广西大学硕士掌位论文新型电磁耦合d c a c 传输技术的原理分析与研究 够提供负载所需的有功、无功，满足负载随意、随机的用电要求【1 3 1 。同步发电机以其优 良特性，广泛应用于现代电力工业中的水力发电、火力发电、核能发电等等。当前 对同步发电机原理、模型及运行行为的研究主要有以下几个方面。 1 2 1 描述同步发电机稳态特性的电机学方法 电机学中，从旋转磁场和电枢反应的角度研究同步发电机方程，着重分析电枢磁势 与磁极磁势的空间位置及其在能量转换中的作用。将同步发电机等值为如下电路： 图i - i 同步发电机的等值电路 f i g 1 1e q u i v a l e n tc i r c u i to fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r 定义发电机发出的无功功率为： q = e g i s i n q ， 左。发电机的空载电势。应。与j 的相角，称为内功率因数角。定义咖= 0 时， ，与左。同相；驴 0 时，j f 滞后于左。；驴 o 时，j 超前于应。 同步发电机带上负载时，电机中存在由励磁电流产生的机械旋转磁场和由定子电流 产生的电枢磁场，后者对前者的影响，称为电枢反应【1 3 1 。引进内功率因数角西的定义可 以方便分析同步电机的运行特性，特别是在分析同步机的电枢反应很有用。 不同9 i 角时的电枢反应和发电机的无功功率性质如下：( 1 ) 砂= 0 ，发电机不发无功 功率。( 2 ) 妒= 等，发电机仅发出感性无功功率。( 3 ) 巾= 一妥，发电机仅发出容性无功功 二z 率。在实际的电力系统中，同步发电机通常运行在一妥 啼 姜的工况下。当运行在 zz 一等 巾 0 时，同步发电机发出容性无功，也就是进相运行；当运行在0 f ( 1 ) ( 2 ) 当开关k - - 2 - - - , 1 ，假设绕组初始电流为2 ) 。 ：誓：喾：参喾 、匕) 7 厶l ， 1 ) ( f ) 寺( 舡一争寺 开关切换时，即，( 。) = 0 时刻，有： 枞o ) = 等：) 厶1 ) 厶2 ) ，f ( 1 ) ( o ) & 2 ) ( 3 ) 以此类推，当开关切换时刻， 当kf 时，有： 当kl 时，有： 假设初始电流为“) 讥( o ) = 产 气k + 1 ) 讪) ( o ) = 产b ( 3 - 6 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 根据式( 3 1 0 ) 和式( 3 1 1 ) ，可知当开关切换前后，线圈上的电流瞬间阶跃变化， 电流大小与开关切换前后通电线圈电感的大小成比例关系。说明该电路电感线圈的能量 能够瞬间传递，而不是经过衰减再产生。在接下来的气”一f ( m ) - 2 t 幻专丘i 川) 时间段内， 线圈电流f ，仍然是按电感特性指数变化。若回路电感远远大于回路电阻尺，即时间常 ， 数百= 詈很大，则在相对很短的，( 的- - 9 ，( 川) 的时段内，绕组上电磁暂态过程不明显，变化 a 很平缓。 与恒定电感系数电路不同，时变电感系数电路绕组上的电磁能量是能够建立、累加 并传递的。电路在工作时，电感回路是持续导通的，开关控制的各个绕组间相互耦合， 当电流切换的瞬间，磁场能量跟随电流耦合到下一个通电绕组，电流大小与开关切换前 后通电线圈电感系数的大小成比例关系。在下一次开关动作到来之前，电路与恒定r l 电路工作情况相同，线圈上的电流以指数形式变化。所以时变电感系数电路是利用电感 匝数的变化来建立交变磁场的。电流响应的变化不是通过脉冲作用时间的不同来实现， 2 5 ) ) ) 7 8 9 - - - 3 2 j ，j，lll 广西大学硕士掌位论文 新型电磁耦合d c a c 传输技术的原理分析与研究 而是利用电感系数的变化来实现的。这里每个开关脉冲作用时间的长短只是体现在每个 。) 一，( ) 的时段内电流的指数变化程度，因为时间很短暂，所以绕组上电磁暂态过程 并不明显。 用恒定电感系数电路的暂态过程来分析本设计电路是不全面的。同时也说明了时变 电感系数电路的工作原理并没有和常规理论存在矛盾，而是更加全面深入地分析了多绕 组电路的电磁理论并加以应用。 3 2 时变耦合系数逆变电路 将电磁耦合原理直接应用于d c a c 电能传输技术是一种全新的尝试，其运行特性尚 未得到完全认识。装置要实现预计的优良运行性能还需要更加完善的数学模型和控制方 法的深入研究。要实现直流电磁能量的传递而又不违反电路原理，除了开关器件接连动 作，电路必须采用变压器结构。电力电子开关的重复性瞬态过程不同于恒定电感电路中 过渡过程的分析。为了说明时变耦合系数电路能够实现直流功率的耦合变换，下面对单 相电路的工作情况给出详细的微分方程推导。 3 2 1 过渡过程分析 下图是任一开关闭合时的单相电磁耦合d c a c 电路，以无源逆变为例。 图3 - 4 单相电磁耦合d c a c 电路 f i g 3 - 4s i n g l e - p h a s ed c a cc i r c u i to fm u t u a li n d u c t a n c e 一、二次绕组的磁链为： v 。= 厶一心 v ：= 蚴一厶屯 可列出微分方程： ( 3 1 2 ) 广西大学硕士掌位论文 新型电磁耦合d c a c 传输技术的原理分析与研究 设开关分别在瓦( 七= 1 ，2 ，3 ) 时刻动作。其中互感m 是在开关切换瞬间改变，互感 m 对时间f 的变化率相当大，所以f 掣这一项可以看做泐6 ( f ) ，它只在开关切换瞬间 a t ( t o _ t o ) 存在，作用是在t a k = 1 ，2 ，3 ) 时刻在绕组上感应出电势i k ( o ) m 。在接下 来的瓦t k + l 时段内m 是不变的，有f 警：o ( 疋 f 瓦+ ，) 。 运算电路如下： u d c s 图3 5 运算电路 f i g 3 - 5a l g o r i t h m i cc i r c u i t 对( 3 1 3 ) 式取拉式变换： 挚= ( 墨+ 鸭) 厶( s ) 一s 坞( s ) 一厶+ 心( o ) 一坞( o ) 【0 = s m i , ( s ) 一( 如+ 量乞) 厶( s ) 一 瓴( o ) + 厶之( o ) + 如( o ) 有： =i属+鸭一-(s坞msm+ 舅乞) l 有： l一( 坞+ 鸣) l = s 2 ( 肘2 一厶厶) 一s ( 墨厶+ 恐厶) 一局局 ( 3 1 4 ) ( 3 - 1 5 ) 控制理论中，s 2 这一项的存在说明系统的振荡，但在瓦瓦+ 。时段内，是毫秒级的， 系统振荡并不明显，也不是首要因素。假设该变压器是漏电感很小的紧耦合形式，耦合 系数扣彘= 1 o 则有洲2 一厶乞枷，这骼( 一蚴一项就可以忽略不计。 所以： a = _ s ( 墨岛+ r 2 z a ) + & r 2 】 ( 3 1 6 ) 2 7 3l孓，k 警学一_：=旦打争磅 m 斗 一 心一办虬衍哮 + p 匕 耻 让 印 一 掣掣 冗 心 棍 如 剐 t 旺 ! 查竺竺主竺竺竺查 一堑兰兰兰竺皇旦型竖堡竺苎查竺墨兰竺竺皇苎! 兰l 髂划 俘 = 一【丝+ 厶( 0 ) 】( r 2 + s l 2 ) + s m l 2 i , - ( 0 ) ：一丝( 恐+ s 厶) 一r 2 j h i , ( 0 ) + s 岛【坞( o ) 一厶f 1 ( o ) 】 妒矿i = 墨岛f 2 ( o ) + 鸭厶f 2 ( o ) 一埘 等+ 厶( o ) 】 ( 1 ) 当直流源单独作用时： 一次回路： 一生( 足+ 鸭)纽( 恐+ 鸭) 舶) = j 丁2 丽毒面再画 一丝堡 ! + 旦占一一ss ( 墨岛+ 曼厶) + 墨r 。s ( 8 厶+ r 厶) + 墨是 墨厶+ 堡刍墨刍+ 墨互 = 燕粤一盘，+ 撬壶r 厶+ r 厶。s j + i 芒竽矗墨岛+ 心厶s + 蔬 所以 i 一 ， o ， ：器喈一紫毒揣尊 ：生一红囊慧7 + 型l 矗。 墨墨。 蜀岛+ 恐厶 二次回路： 厶= 半。一m u d c 2 丽j 仫 u d c 高 i 2 ( t ) - - - 丽m u d c p 一盘 ) ： d d d 珈 埘 忽 一 一 广西大掌硕士掌位论文新型电磁耦合d c a c 穗硝俞技术的原理分析与研究 ( 2 ) 当初始电流单独作用时： 一次回路： ( 5 ) ：- r ：z 4 , ( 0 ) + s l ： m i ：= ( 0 ) - z 4 _ ( 0 ) - s ( r l 厶 1 - r 2 厶) t - r l 坞】 一 垒刍6 ( q ! 一些【丝! q 2 二刍6 塑! s ( 蜀厶+ r 2 厶) + 蜀恐s ( r 。厶+ r 厶) + 蜀恐 一墨：刍( q ! ! 一生 生堡( q 2 二刍! q 丝 兰 r 1 厶+ r 2 l ts + 墨鱼 墨岛+ 恐厶 s + 墨生 玛三2 + r 2 厶 r i l 2 + 尺2 厶 。 = 器p 彘一学糍产陬沪燕e 靠7 ， ”7 足厶+ 足厶冠厶+ 足厶 一 足厶+ 尼厶 。 二次回路： 厶。( s ) ：一且吆艘巡 。 j 【如岛- i - 心厶) 十托坞 ：一z a l a ( o ) - m i , ( o ) 三一 墨厶+ 足厶 s + 墨堡 墨厶+ 足厶 之= 一鼍警陬沪番p 靠， ( 3 ) 一、二次绕组的总电流 将式( 3 2 0 ) 和式( 3 2 4 ) 相加得一次绕组总电流： 1 ( t ) = 1 o ) + 。( f ) ：丝一生e 一。t + 匕刍p 且& z a + 赴h 墨墨墨厶+ r 厶 + 业e 靠f 一趔幽嘲南一且p 靠】 墨厶+ 足厶置厶+ 恐厶足厶+ 恐厶 。 ：盟一生星刍p 彘必趔p 胄i a l + & q 墨墨置厶+ 足厶属厶+ 是上l 一绁咀幽一且p 7 】 其中， 一 4 = 鲁一鲁者镭p 一蔬，一代表啪量的耦合徽 墨；j 烨p 一毒，代表电感厶上的漏磁场能量的释放，不属于能量传递范畴，1 冠厶+ 足厶 ) ) ) ) 3 4 5 6 乏 也 乏 也 3 3 3 3 ( ( ( ( 广西大掣墉页士掌位论文新型电磁藕合d c a c 传输技术的原理分析与研究 分析时可略去不计； c l ：一生坠生掣掣【6 ( ，) 一i 黑p 靠】一一代表一二次绕组上初始电流 1 墨厶+ 是厶“局厶+ r 2 厶 。 的影响，或者说是漏磁场建立和释放的过程： 将式( 3 2 2 ) 和式( 3 2 6 ) 相加二次绕组总电流： 之o ) = 之( d + 之( f ) = 瓶p 靠r 一臀陬力一旒g 靠， q 。2 8 局厶+ 恐厶置厶+ 足厶“置厶+ 足厶 。 其中， 4 = 瓶p 稳一代表啪量的耦合触 岛：一生竖奎譬掣 6 ( ，) 一i 黑p 靠7 】代表一二次绕组上初始电流的 2 墨厶+ 坞厶墨厶+ r 2 厶 。 影响，或者说是漏磁场建立和释放的过程。其中l j ：( o ) - 蚴( 0 ) 0 。 观察式( 3 2 7 ) 和式( 3 2 8 ) ，只有与直流电源相关的4 、以分量是实现直流电能 耦合传输的，旦、c 1 、局分量在能量传递中不起作用，只跟各个开关切换时( 0 一时刻) 绕组的初始电流、电感系数的变化有关。在接下来的瓦瓦+ 。时段内，暂态过程很短暂， 一 虽墨 ， 各个量都按指数p 焉岛+ 飓厶规律变化。又因为峨( 0 ) 一厶( 0 ) 之0 ，其对应项q 、垦几乎可 以忽略。式中的且分量仅对初值有影响，不做能量传输用，可视为一组周期变化的常数， 分析时暂略去不计。 又因为回路电阻墨 恐，有： ：墨堡 ：墨一：盈 蜀厶+ r 厶 里厶+ 生厶 厶 足尼1 卜= 鲁”燕p ， 卜= 再m u 面d c p 鲁 ( 3 2 9 ) f 瓦- g + 1 ( 3 - 3 0 ) 广西大掌硕士掌位论文新型电磁耦合d c a c 传输技术的原理分析与研究 上式表示了在个开关阶段内输入输出回路电流的变化情况。可以看出，矗( r ) 是在 初值i 詈宰矗下按指数p 一鲁7 变化的，而i 2 ( t ) 贝m j在初值i 乏等爰i 下按指数e 变化 的。初值的大小依赖于一次绕组电感系数厶的变化。因为输入回路的电感远远大于电阻， 则时间常数r = 丑很大，所以电感电流达到稳态的暂态过程很长，变化平缓。而两开关 墨 动作间期( 瓦不) 的时间很短，只有毫秒级，绕组上磁场建立和释放的电磁暂态过 程不明显。若是三相电路运行情况，各相波动电流相互抵消，输入总回路呈现( f ) = 挚 蚂 的纯电阻状态。下面对式( 3 3 0 ) 进行线性化分析加以验证。 3 2 2 线性化分析 在工程分析中，一个很重要的方法就是非线性方程的线性化。因为在同类方程 中线性函数可以进行叠加的独特属性，使得线性方程最容易解决和推演。使用线性 方程建立和分析模型很方便，在变量的变动非常小的情况下，实际应用中把许多非 线性方程转化为线性方程来处理。 。 对式( 3 3 0 ) 进行线性化分析： i 祀，= 鲁”者p ， 飘 线性化： 1 ( 0 ，2 老 协3 ， o ) = 鲁l ，；。，2 j i f a t 为毫秒级，相对很小，所以( r ) 可线性化为： p ) = f 1 ( 。) + 9 ) = j i + 且g l ：+ r a 7 ( 2 ) = 再m u 面d c p 一夸 线性化： i 2 ( o ) = 丽m y d c ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) 广。西f 大学硕士学位论文 新型电磁耦合d c a c 传输技术的原理分析与研究 姒忙乳一鲁宰瓶一等矗址 所以如( f ) 可线性化为： 之o ) = i 2 ( o ) + a i 2 ( t ) ：墼一丝墨f 玛厶+ 尺2 厶厶( r 1 5 2 + 马厶) 得到回路电流的线性方程： 栩= 老靠+ 老蠡r = 币m 了u d 西c 一币m 丽u a c r l r ( 3 3 5 ) ( 3 - 3 6 ) ( 3 - 3 7 ) 式( 3 - 3 7 ) 是一组离散的电流方程，反映了一、二次回路电流在每段瓦瓦+ 。时间 内按线性规律变化的情况。电流的变化主要与一次绕组的电感系数有关。只要对一次绕 组电感系数厶进行调制，进而改变互感系数m ，就可以使得回路电流随之周期性变化。 变化的电流使直流电压的耦合传递得以实现，变比随着耦合系数的变化而变化。恰当选 择分接头就能输出正弦变化的电压。 为了进一步证实在瓦瓦+ 。时段内，回路电流的变化情况。根据式( 3 3 0 ) 或( 3 3 7 ) ， 取适当大的f ，若设置2 0 个开关，则瓦瓦+ ，为0 5 毫秒。用m a t l a b 画图语句作出 0 5 毫秒内的电磁暂态过程。如图3 - 6 所示，形象地表现了电流的变化情况，说明瓦时 段内电磁暂态过程并不明显。电流值的大小主要依靠输入绕组电感系数厶的调制，而在 厶恒定不变的正时间内，电流只是在较大的初值下平缓的过渡。 ( a ) 1 图3 - 6 瓦瓦+ l 时段内电流变化趋势 f i g 3 - 6t r e n do fc u r r e n ti n 瓦瓦+ l 3 2 ( b ) 之 g - 西大掌硕士掌位论文 新型电磁耦合d c a c 传输技术的原理分析与研究 1 以上讨论均以单相电路为例。一次回路输入直流电压，但由于开关电路的控制作用 和单相电路的不对称性，导致次回路的电流并不是平稳的直流。根据前文的分析，一 次电流是与变化的电感系数相关的周期阶跃变化的电流。同样地，第二章2 - 2 2 节单相 逆变电路的周期性电磁原理分析中也指出，类似于同步机单相运行状况，单相运行的电 磁耦合逆变电路一次绕组感应出2 倍频谐波电势，回路中出现2 倍频的谐波电流。三相 电磁耦合逆变电路由三个磁路相互独立的单相电路构成，各相输入绕组按并联接入，三 相共用一个直流源，各相开关电路驱动信号依次相差1 2 0 。空间对称。若以三相电路形 式工作，并联后各相输入绕组的波动电流就能够相互抵消，理论上输入回路总电流为直 r ， 流并呈现( f ) = 警的纯电阻状态。 冠 3 2 3 新型电磁耦合逆变的核心概念 根据以上推演和分析，引出了电磁耦合d c a c 形式的核心概念：直流侧输入的电 能= 耦合传递的电能+ 建立漏磁场的能量。与传统变压器类似，磁场的磁通分为主磁通和 漏磁通，他们的磁路不同，主磁通交链一、二次绕组，又称为互磁通，它是通过互感来 传递功率的：漏磁通只交链自身绕组，用于建立和释放绕组自身的磁场能量，效果跟直 流电压作用在恒定电感系数电路的状况一样。我们一般认为漏磁通不传递功率，只用来 建立漏磁场。适当设计耦合逆变电路的绕组结构，使得漏磁很小，在电磁耦合逆变电路 工作时，电感绕组上漏磁场建立和释放的电磁暂态过程不明显，输入的直流电能基本用 于功率传递，只有少量用于建立漏磁场。这一过渡过程微分方程的推导从理论上证实了 直流功率是能够通过电磁耦合形式传输的，这是静止逆变技术的新突破。 蛳 搿 3 3 本章小结 本章对时变电感系数电路的运行特性进行了详细的理论分析和推导，初步形成了电 磁耦合逆变电路的传输理论。首先就开关频繁切换电感绕组的电磁暂态过程进行研究， 将本课题时变电感电路模型与恒定电感电路模型进行对比分析，指出在电感系数变化的 耦合电路中，绕组上的电磁能量是能够建立并传递的。接下来通过反映电路运行行为的 详细的微分方程推导和分析，提出了电磁耦合d c a c 技术的核心概念：直流侧输入的 电能= 耦合传递的电能+ 建立漏磁场的能量。耦合逆变之所以能够实现，是因为电磁能量 主要用于电能的传递，只有极少部分用于建立和释放绕组自身漏磁场。本章从理论上证 实了电磁逆变原理的可行性。 广西大掌硕士掌位论文 第四章电磁耦合 上文已从电磁理论上对逆变电路的稳 说明时变耦合系数电路能够实现直流电能 子开关控制输出波形质量较好的正弦交流 4 1 变压器输入绕组的控制方式 图4 1 单相电路结构图4 2 输出电压波形 f i g 4 - ls i n g l e p h a s ec i r c u i tf i g 4 - 2w a v e f o r mo fo u t p u tv o l t a g e 、 首先分析单相时变耦合系数电路，如图4 1 所示。根据前文分析，通过电力电子开 关对输入绕组的匝数进行实时的切换控制，各开关通断时间不同时，对应输出电压波的 宽度不同；各开关的分布所对应的绕组匝数不同，即变压器变比不同时，则输出电压波 的幅值不同。要输出波形质量好的正弦交流电压，则需要对输入绕组的分接头分布和开 关的通断时间进行控制。 - 。一 控制思想类似于正弦脉宽调制；以标准正弦波为目标，根据变压器的变比，由输出 理想波形运用反三角函数，将理想波形上的点推算至原边各抽头及其动作时刻。控制方 式有以下几种： ( a ) 等分绕组选取分接头，各开关的动作时间间隔不等。 ( b ) 各开关的动作时间间隔相等，分接头间的绕组匝数不相等。 ( c ) 采用优化算法，以标准正弦波为目标，计算各个抽头位置和相应的动作时间， 使得输出最接近目标。 其中交流电压的阶数越多，波形越接近正弦波，但同时也增加了设备费用和控制难 度。在理想情况下，无穷多组理想开关，二次侧输出的电压波形即是正弦波。 该控制思想类似于正弦脉宽调制( p w m ) ，都是已标准正弦交流波形作为调制目标。 p w m 控制是在一