（电工理论与新技术专业论文）超导储能用电流调节器的试验研究.pdf

英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs u p e r c o n d u c t o ra n dp o w e re l e c t r o n i c s ，s m e s a r o u s e sp e o p l e sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i ns m e s ，t h ec u r r e n tr e g u l a t o ri sav e r y i m p o r t a n ts e c t o r i nt h ed i s s e r t a t i o n ，ac u r r e n tr e g u l a t o ra n di t sc o n t r o ls y s t e mh a v eb e e n s t u d i e df o rs m e s t h ec i r c u i tt o p o l o g ya n dt h eo p e r a t i o n a lm o d eo ft h ec u r r e n t r e g u l a t o ra r ea n a l y s e d ad i g i t a lc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n dt e s t e di nt h e e x p e r i m e n t i n t h ec o n t r o l s y s t e m ，c o n t r o ls i g n a l i sa c h i e v e d m a i n l y b y t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ，l o g i c a lp r o c e s s o fo u t p u t s i g n a l i s i m p l e m e n t e db yp r o g r a m m a b l el o g i cc m o sc h i pg a l 2 0 v 8 a ds a m p l em o d u l e 、 p i da r i t h m e t i cm o d u l e 、p w mm o d u l ea n dd y n a m i cs i m u l a t i o nm o d u l ea r ed e s i g n e d r e s p e c t i v e l yb yca n dc o m p i l el a n g u a g e t h e c u r r e n tr e g u l a t o ra n di t sc o n t r o l s y s t e mc a n w o r ks t e a d i l yi nt h ec h a r g ea n dd i s c h a r g ec o u r s eo fs u p e r c o n d u c t i n g m a g n e ta n dt h er e s u l ti ss a t i s f a c t o r y a tt h es a m et i m e ，a f t e rc o m p a r i n gs e v e r a lp w mc o n t r o lm o d eo fd c d c c o n v e r t e r ，an e wc o n t r o ls t r a t e g y _ a u x i l i a r yv o l t a g ef l e x i b l es w i t c ht e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e da n dh a sb e e n e x p e r i m e n t e di n t h e d e s i g n e ds y s t e m t h er e s u l to f e x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a ta u x i l i a r yv o l t a g ef l e x i b l es w i t c ht e c h n o l o g yi sv e r yp e r f e c t i nt h ec u r r e n tr e g u l a t o ro fs m e s k e yw o r d s - s m e s ，c u r r e n tr e g u l a t o r ，d s pd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，p w mc o n t r o l m o d e ，a u x i l i a r yv o l t a g ef l e x i b l es w i t c ht e c h n o l o g y 儿 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着2 1 世纪的到来，工业化的发展和人们生活质量的不断提高，电力需求不断增加， 电网结构日益复杂，运行负担目益加重各种故障层出不穷，降低了电能质量；同时，由丁 经济、环境、技术等方面的限制，现有的电能质量补偿装置已经很难满足要求。 对丁部分设备来说，短时问的电压或电流变化对设备的影响不大，甚至当电压在j 定范 嗣内变化时也能正常运转。但电子和信息技术的发展突飞猛进，各种敏感设备，如精密加工 设备、计算机系统、机器人等工业和家用设备等先进技术的使用越来越j 一泛，瞬态电能质量 问题可能会带来非常严重的后果。对于敏感的电力电子设备或信息设备来说即使是几个周 期的电压跌落或中断都将影响这些设各的正常工作，造成巨大的经济损失。 评估电能质量的指标有五个方面：电压偏差、偕波分量、电压波动和闪变、频 率偏差、三相电压不平衡。根据以上问题，国外已经提出并开发了许多改善和提高电能质 量的装置，这些装置大部分都基于电力电子技术，如有源滤波器( a p f ) 、静态同步补偿器 ( s t a t c o m ) 、静l t 无功补偿器( s v c ) 、动态电压恢复器( d v r ) 、统一电能质量调节器 ( u p q c ) 、不间断电源( u p s ) 、超导储能( s m e s ) 等。为了保证电能质量，1 9 9 0 年以来，我 国相继发布了五项电能质量国家标准。目前国内在电能质量方面的研究大都局限在谐波范围 内，也提山和开发了一些改善和提高电能质量的补偿装置，但和国外的差距还比较明显。 为实现“充足、可靠、优质、经济”的电力供应，新的技术成果正不断的被应剧到电力 系统的规划、建设和运行中。储能技术能够有效改善电力系统的供电质量和稳定运行，因此 储能技术的发展一直倍受关注而基于现代电力电子技术的超导储能( s m e s ) 装置以其快速 而独立的功率双向调节功能越来越引起人们的青睐。近几年来，随着超导雨1 电力电子技术的 飞速发展，超导储能技术也由此而更加受到莺视。随着对储能技术的深入研究和开发电力 系统中将产生一种新的元什储能元件，它将和其它元件( 发电、输电和配电等姨置) 一 样成为电力系统的重要组成部分。因此作为直接存储电磁能的超导储能系统在电力系统中 有着广泛的应用前景。 1 2 超导储能及其研究现状与进展 1 2 1 用户电力技术 用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) 是n g h i n g o r a n i 于1 9 8 8 年提出的，主要针对解决配电 第一章绪论 嘲的供电质苗问题。户电力技术是将【 = l 力电j 二技术、微处理器投术、控制技术等新技术府 川丁中低压配电、川电系统中，对供电质龄的各种问题采墩综台解决的办法。 的有源滤波器、静态同步补偿器、动态电乐恢复器、趟导储能等如果府h j 配l u 网 川户电力技术。按接入形式可分为并联接入刑、串联接入删相f 半j f 联灌合刑。， t 中找到 ，就_ | 耐j 二 由丁要求川户i u 力砹箭能实时地对配i u 系统的运行状态作出反戍，迅述地将i b 能质艟渊 纷到所需的水平，采j _ l j 的i 刊态开关是保证j j 户电力装簧能快迷动f l - i i j 火键。随着人功率丌火 l 仆g t o 和i g b 1 的1 i 断发展及其成本i j h 断r 降，使其赴配i 乜系统一 的j 。泛麻川成为可 能。此外微机控制技术、数字信号处理技术、光纤通信技术以及人功率 火：b 肤技术的实脱 也为州f r li u 力技术的实施提供了技术上的保障。 川广i u 力技术的核心世以”戈器仆( g t o 、i g b t 等) 为l 础 的变流器，蛐常址的为- 丰 线人开荚变流器这种变流器采川p w m 控制，町i f 1 槛ik h z 以上较高的频二钲l i 井 i 损耗小。 川户电力技术的l | 标灶把配电| 】【f 9 改造成无营波、光瞬叫停i u 、l b h i 为理想l ：频j l ：弦波n 1 柔性化配电网。 1 22 超导储能技术 超# i i i i ( s u p e r c o n d u c t i n g m a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e ，s m e s ) r2 0 l t ： d7 0 年代首次抛：l 州。 它将l u f ；2 f 能无损耗地储存在流经超导线圈的l 蚰电流j “生的磁场叶1 ，需要时佴将能i d 释放 求送川i u 网或做其它州途。超导线i 剖中存储的能i i ：为： w 么( i - 1 ) 其中是趟导线剖存髂的能茸 l 是线圈的电感，足线罔。 j 的i f 流【u 流。 羊电网连接的s m e s 系统如图1 】所示土要| 超导线圈、变溉器、迎接变乐器、t 5 ；t ；0 系统、冷却系统羊i i 保护系统纠成。超导线m 必须放置红低温存器戏齐杜瓦中，通过j ：j 率阑1 ， 系统( p c s ) i i 变流电刚连接起来，行进行充放电，线圈的充放电是通过施加给线嘲i i ：电爪或 负电压完成的。 虽然与其它储能系统相比如今s m e s 系统仍i j 廿昂贵。但将微j 世超导储能( | _ _ j 鬻爹毒毒董 ； e nv+j c 图1 2 单向d c d c 变换功能框图 作为超导储能系统重要的组成部分电流调节器的主要功能是负责超导磁体充放电的 高频双向转换，属于双向d c d c 变换器范畴。双向d c d c 变换器是指能够根据需要调节能量 双向传输的直流到直流的变换器。如图1 3 所示，双向d c d c 变换器置于v 1 和v 2 之间，控 制其间的能量传输。1 1 和1 2 分别是v l 和v 2 的平均输入电流。根据实际的需要，可以通过 双向d c d c 变换器的变换控制，使能量从v l 传输到v 2 ( 称为正向工作模式，此时t l 为负， 而1 2 为正) ，或使能量从v 2 传输到v 1 ( 称为反向工作模式，此时1 1 为上e ，而1 2 为负) 。 与传统的采用两套单向d c d c 变换器来达到能量双向传输的方案相比双向d c d c 变换器应用同一个变换器来控制能量的双向传输，使用的总体器件数目小，且可以更加快速 的进行两个方向功率变换的切换。再者，在低压人电流场合，一般双向d c d c 变换器更有 可能在现成的电路上使用同步整流工作方式，有利于降低通态损耗( c o n d u c t i o nl o s s ) 。 第一章绪论 随着科技和生产的发展，对双向d c d c 变换器的需求逐渐增多，主要包括直流不间断 电源系统、航天电源系统、电动汽车、直流功率放大器以及储能等应用场合。 正向p o w e rf l o w ( i i 0 ) _ i 反向p o w e rf l o w ( i i o ，1 2 0 ) 图1 3 双向d c d c 变换功能框图 13 2 电流调节器的发展与现状 电流调节器实际上是双向d cd c 变换器的进一步发展，它和双向d cd c 变换器的工作 原理基本上是致的，电流调节器是我们在超导储能系统中的一种特定称呼。 电流调节器的发展大致经历了三个阶段： ( 1 ) 斩波器的多重化。 ( 2 ) 斩波器的多电平化。 ( 3 ) 带高频变压器的单向整流器。 1 3 2 1 斩波器的多重化 为了增大容量和减少对直流电容的冲击，有人提出了n 重化移相式斩波器结构。其原理 是使用共同的调制波，将各斩波器中三角载波的相位互相错开，利用p w m 技术中波形生成方 式和多重化技术中的波形叠加结合产生移相式p 州波形，根据p w m 技术所产生的控制信号对 磁体电流进行斩波，使斩波器的电流输出接近换流器直流侧的电流。 1 9 9 3 年，e b a s c os e r v i c e si n c 2 2 m w hs m e s e t m ( e n g i n e e r i n gt e s tm o d e l ) 列5 8 重双向斩波器做了概念上的设计并对其进行了数字仿真。1 9 9 7 年，中科院电工所做出了6 重化移相式单向斩波器，输出电压为5 0 v ，输出功率为3 0 k v a ，其原理图如图1 4 所示。 6 第一章绪论 图1 4n 重化移相式单向暂波器 这种斩波器的特点是通过波形叠加技术产生移相式p w m 控制磁体电流，而且容易进行 力- 联工作，但是这种拓扑结构均流控制凼难，开关频率低，开关损耗大，无法实现高电压条 件下工作。 1 3 2 2 斩波器的多电平化 2 0 0 0 年美国弗吉尼亚理工学院和州立大学的佛瑞德c l e e 提出了三电平双向斩波器， j f ：进行了仿真。原理图如图1 5 所示。 图1 5三电平双向斩波器 这种斩波器的特点是通过使直流输入侧的电压多电平化使电压可以减半，从而工作电 压可以降低：但是这种拓扑结构不能对磁体电流进行完全控制，开关频率低，开关损耗人， 高电压、大电流条件下工作比较困难。 1 3 2 3 带高频变压器的单向整流器 2 0 0 1 年德国的j b i e b a c h 和p e h r h a r t 等人提出了带高频变压器的单向d c d c 变换器， 并对其进行了仿真，它的原理图如图1 6 所示。 7 第一章绪论 v j n l d r i v e r l r 2【 】h d r i v “3 l d r i v e r2 i -j】 一h 图1 6高频变压器型的单向d c d c 变换器 这是电流调节器发展的雏形，此电路拓扑结构简单，易于根据需要进行串并联，从而可 以在高电压、大电流下_ 【= 作：此外电路拓扑中加有高频变压器，可以实现输入与输出之问的 电气隔离进一步提高可靠性；而且通过提高电力电子器件的开关频率，大大缩小系统中高 频变压器的体积。 1 4 论文各部分主要内容 对于超导储能系统，以往的研究一般都是根据电网中所出现的某一类故障，结合超导 储能系统的上作特点提出相应的解决措施，研究者比较注重的是装置的控制策略以及改善电 网的效果，对超导储能系统电路结构的研究相对较少而且土要是电流源型结构，但是有关电 压源型变流器结构的研究却很少。目前，实际参与电网稳定管理各种变流器装置一般都采用 电压源型结构，所以对电压源型s m e s 系统的结构研究是非常有意义的。 j 于储能的超导磁体由于其电感值都较大，储能后它可以看成一个电流源，为保证磁体 和逆变器的匹配运行，s m e s 装置必须引入电流调节器作为连接磁体和逆变器之间的桥梁。 由于电流调节器的工作性能会影响到整个装置稳定的运 t ，所以对电流调节器的结构和控制 策略进行研究是非常必要的。 本论文蘑点对超导储能用电流调节器进行了结构设计与仿真，对其控制系统进行了软硬 件设计和调试，同时台6 0 0 w 的电流调节器原型被研制并进行了试验研究。 第二章详细分析了超导储能用电流调节器的基本原理和工作模式。针对电流调节器电路 拓扑的特点，进步对p w m 控制方式进行了深入的探索与仿真，对其结果进行了比较和分 析。 第三章详细的对超导储能用电流调节器及其控制系统进行设计分析，确定电流调节器需 要完成的主要功能，从i g b t 功率器件的选择、d s p 控制器的选取、电压电流传感元件的选 8 、弋 第一章绪论 取与标定、控制系统的软硬件设计等几个方面对超导储能用电流调节器进行探讨、研究和构 建。 第四章对超导储能用电流调节器进行了开环试验和分析。在一台6 0 0 w 的电流调节器原 型上进行试验，分析和比较了不同控制方式r 的电流调节器的性能，从而完成了针对此电路 拓扑控制方式的晟优选择。 第五章对超导储能用电流调节器进行了闭环试验和分析。分别在一台6 0 0 w 的电流调节 器原型上进行了静态和动态试验，并对试验结果进行了分析，论证了控制系统的可行性。 第六章对论文的研究内彝和结果进行了简单的总结。 9 第二章 电流调节器的基本原理与仿真 第二章电流调节器的基本原理与仿真 在前一章中，对超导储能系统及电流调节器进行了简单的介绍，同时明确了电流调肖 器在系统中需要完成的基本功能。概括来说，新型电流调节器依附于超导储能系统工作主 要需要完成以下两方面的功能： ( 1 ) 功率可调充电。即通过调整超导磁体充电的功率，使流过超导磁体的电流保持恒定。 ( 2 ) 功率可调放电。即通过调整超导磁体放电的功率，使直流输出端的电压保持恒定。 本章对电流调节器在超导储能系统运行中的基本原理和工作模式进行r 分析研究，并根 据超导储能系统的特点，介绍了一种适合超导磁体充放电的电流调节器电路拓扑结构。在几 种传统p w m 控制方式的基础上，针对电流调节器拓扑结构的特点，一种新型控制策略辅 助电势软开关技术被研究，并分别对几种控制方式进行了仿真研究。 2 1 电流调节器的基本原理与结构 21 1 电流调节器的工作原理 电流调节器实际上是一个两象限斩波器，它是电压型p c s 其中的一部分。直流斩波器 连接在超导线圈和直流电容之间，从而实现电流和电压的相互转换。二象限斩波器最基本的 结构f 弁两个开关器件( 如i g b t ) 和两个大功率二极管组成。如图2l 所示，它能工作在两 个象限，不论换流器工作在整流还是逆变状态，都能确保电流在超导线圈种流动方向不变， 并保证超导线圈有闭合的通路。根据电网的实际需要调节两个开关器件的导通和关断对超导 线圈中的电流进行斩波。下面由它为代表介绍电流调节器的工作原理。 i + j j 1 j v c - j r t 、。r 1 1 一 兀 + v l l i 】cd 2 j 【 l d 1 图2 1 二象限斩波器基本原理图 电流调节器主要由b a n g b a n g 模式、放电模式、充电模式、充放电模式四种基本的工作方 1 0 第二章 电流调节器的基本原理与仿真 式构成： ( 1 ) b a n g b a n g 模式 此时，i g b t i 和i g b t 2 同时导通或关断。当i g b t i 和i g b t 2 导通时，超导线圈上的电压 v 。等于电容上的电压v c ，线圈充电储能增加：当i g b t l 和i g b t 2 同时关断时，二极管d l 和 d 2 导通，这时v l = 一v n 线圈放电储能减少。这种模式下线圈电压不断在u 和一间变化， 交流损耗大。 ( 2 ) 放电模式 此时，i g b t 2 始终保持在关断状态，i g b t i 每个周期t 内导通时间为d ，时间d 内超导 线圈通过i g b t i 和d l 短接，线圈上的电压很小，为i g b t i 和d l 的导通管压降；在时间t d 内，i g b t l 关断，线圈通过d 1 和d 2 放电；这种模式下线圈每周期只在t - d 内承受电压v 。 交流损耗比在b a n g b a n g 模式下的小：其中i g b t i 和i g b t 2 的角色可以互换。 ( 3 ) 充电模式 此时，i g b t 2 始终保持在导通状态，i g b t i 每个周期内不断地导通和芙断。仍设i g b t i 每个周期导通时间为d ，这时线圈通过i g b t i 和i g b t 2 充电；当i g b t i 关断时线圈通过 i g b t 2 和d 2 短接，线圈上的电压仅为i g b t 2 和d 2 的导通管压降。交流损耗又有所减小。 ( 4 ) 充放电模式 充放电模式实际上是以上三种模式的综台。 设k 为三态信号用来控制i g b t i 和i g b t 2 的开关状态k = l 时，i g b t i 和i g b t 2 同时 关断线圈通过斩波器放电；k ：o 时，i g b t i 和i g b t 2 之一必须开通另一个必须荚断，线圈 经改斩波器提供的闭合回路续流；当k 一1 时i g b t i 和i g b t 2 同时导通，线圈经斩波器充电。 2 1 2 电流调节器的拓扑结构 作为超导储能系统中的储能元件，超导磁体的充放电技术在整个系统中显得尤为重要。 当电网中负载波动变化时，超导磁体需要完成充放电之间的快速双向转换，为系统提供电能 质量补偿。目前，国外常采用超导磁体充放电设备各一套的方案，根据超导储能系统的工作 特点，本文介纲了一种适合超导磁体充放电的电流调节器电路拓扑，具体电路拓扑结构如图 2 2 所示。 该电路拓扑主要由电压型变换单元( t 5 、t 6 、t 7 、t 8 ) 、隔离式高频变压器单元( t r ) 第二章电流调节器的基本原理与仿真 和电流型变换单元( t 1 、t 2 ) 三部分构成。该电路结构不仅可以给磁体充电，而且可以根 据系统的需要，把超导磁体中储存的电能释放出去，方便快速的实现超导磁体充放电的高频 般向转换。从而实现超导储能系统的稳定运行。充电时，首先电压型变换单元对直流输入电 压进行逆变，然后通过高频变压器隔离降压，最后通过电流型变换单元进行整流，给超导磁 体充电：放电过程与之相反。 d 3 上t t 2t 图22高频双向电流调节器 在超导储能系统中，电流调节器一边与电压型换流器相连，连接到电网：另一边与超导 磁体相连。超导磁体作为主要的储能环节，一般在低电压、大电流r 进行_ ：_ = 作，而电网通过 电压型换流器的输出一般为高电压、小电流，因此，需要一套电力电子装置进行超导磁体和 电压型换流器之间的变换，完成整个系统的高频双向补偿。 前面介绍的几种斩波器都有各自的优点，但是特点比较单一，仍有许多不足之处。结合 它们的优点，电流调节器电路拓扑作了有关改进，对超导储能系统而言，它具有以下优点： ( 1 ) 电流型变换单元电流大但电压低，电压型变换单元电流和电压对于开关容量来说都 不大，电流调节器装置容易满足要求。 ( 2 ) 采用高频电力电子器件，可以提高开关频率，从而大大减小了电压型变换单元中的 电容器的容量，缩小了变压器单元中变压器的体积从而提高了功率密度和系统性能。 ( 3 ) 电路结构简单易于根据需要进行串并联，从而可以根据超导储能系统的容量进行 拓展，方便的实现高电压、大电流工作。而且中间带有高频变压器，在直流超导磁体和电网 之间进行了电气隔离，图2 3 是电流调节器的串联结构电路拓扑。 电流调节器也有自己的缺点，蚕统中可控功率器件较多，因此同步控制相对比较复杂 需要在后面的设计中加以考虑。 第二章 电流调节器的基本原理与仿真 图2 3电流调节器串联主电路拓扑 2 1 3 电流调节器的应用领域 电流调节器是一种用于超导磁体充放电的电力电子装置，在整个超导电力应用领域具 有很大的前景，它不仅是超导储能系统必不可少的一部分，根据需要可以进一步应片j 到超导 限流一储能系统，作为系统中的偏置电源。图2 4 和图2 5 分别是电流调节器在超导储能系 统和桥路型超导限流一储能系统中应用的示意图。 。厂。 l 。k ， 电压型换流器 旧“ 电流调节器 l 图2 4 超导储能系统 图2 5 桥路型超导限流储能系统 2 2 几种p w m 控制原理 2 2 1 引言 接 换 藐 嚣 第二章 电流调节器的基本原理与仿真 电力开关变换器出现后，p w m 开关技术首先以其电路简单、控制方便而获得了广泛应 用。p w m 技术是以中断功率流的方式并控制占空比来实现功率处理的，其电流电压波形都是 脉动的，如图2 6 所示。 v v s p s 橱源闯电压 游源同电压 漏源闯电流 开关损耗 图2 6p w m 型开关波形 1 9 7 6 年美国硅通用公司第一个做出了$ 6 1 5 2 4 单片集成的控制芯片，称为脉宽调制器。 从此p w m 开关变换器的应用和发展开始进入了相对成熟的阶段。p w m 运行的最佳频率范围为 3 0 - - 5 0 k h z ，在这个范围内，系统在体积、重量、效率、可靠性和价格等综合基础上实现r 最 佳。p 删开关技术的固有缺陷限制了p 删型开关变换器的进一步高频化。它主要表现在以下 两个方面： ( 1 ) 在开关器件开通和关断过程中，电压电流重叠，产生开关损耗，即开关损耗随开 关频率的提高不管增加。 ( 2 ) 电路的寄生电感和寄生电容在高频时产生严重的电压尖峰和浪涌电流。寄生电感 来自于管脚引线，面板接线以及变压器漏感：寄生电容主要为开关器件的结电容。开关关断 瞬间l d i d t 在开关两端山现尖峰电压；开关导通瞬间寄生电容通过开关管放电，也就是说， 寄生电容上储存的能量会在很短的时间内耗散在开关器件内部，因此在开关管上流过浪涌电 流c d v d t ，如图2 7 所示。尖峰电压和浪涌电流将导致以下三方面的问题： a 开关应力增大，有可能损坏开关器件。 b 是变换器噪声的主要来源。 c 一般需要接入吸收回路加以消除，但吸收回路会消耗能量，降低变换器的效率。 围绕着减小开关损耗和开关应力，消除或缓解电路中寄生参数的影响而研制的高频开 关变换器，已成为过去十年来国际电力电子界的热门话题。 1 4 第二章电流调节器的基本原理与仿真 尖峰电压 2 2 2 双极性控制 图27寄生效应 浪涌电流 电流调节器实际上是一种用于超导磁体充放电的电力电子装置，具有充电和放电两种1 j 作状态下面我们来分别进行讨论。 1 电流调节器工作在充电状态，此时t l 、t 2 的控制信号始终处于高电平，也即电流 型变换单元中的t 1 、t 2 开关管完全导通，通过二极管d 3 、d 4 进行整流。同时通过调节电压 型变换单元t 5 、t 6 、t 7 、t 8 的占空比来控制变换器的能量传输，为超导磁体进行充电。 在这种状态下，开关管t 5 和t 8 、t 6 和t 7 同时开通和关断，两对开关管以p w m 方式交 替开通和关断，其开通时间均不超过半个开关周期，即它们的开通角小于1 8 0 如图2 8 所 示。当t 5 、t 8 导通时，t 6 、t 7 上的电压为u ，反之亦然：当四个开关管都处于截i r 状态时， 每个开关管所承受的电压为u 2 。由高频变压器的漏感和开关管结电容在开关过程中产生高 频振荡所引起的电压尖峰，当其超过输入电压时，钳位二极管d 5 一d 8 将导通，使开关管两 端的电压被钳位到输入电压上。这种控制方式是过去全桥电路最基本的控制方式。功率变换 通过中断功率流和控制占空比( 共0 ) 来实现，其工作频率恒定。t 5 一t 6 反映了充电时占 空比的大小。 图2 8 双极性充电控制方式 2 电流调节器工作在放电状态，此时t 5 、t 6 、t 7 、t 8 的控制信号始终处于低电平 也即电压型变换单元中的t 5 、t 6 、t 7 、t 8 开关管完全截止，通过二极管d 5 、d 6 、d 7 、d 8 2 鸭 偈 ；呈盯 5 第二章 电流调节器的基本原理与仿真 进行逆变。同时通过调节电流型变换单元t 1 、t 2 的占空比来控制变换器的能量传输，超导 磁体进行放电。 在这种状态下，开关管t l 和他以p 删方式交替开通和关断，其关断时间均不超过半个 开关周期，即它们的开通角大于1 8 0 ，如图2 9 所示。当t l 截j t 时流过t 2 的电流为i 反之亦然；当两个开关管都处于开通状态时流过每个开关管的电流为i 2 。功率变换通过 中断功率流和控制占空比( 共1 ) 来实现其工作频率恒定。t 1 一t 2 反映了放电时占空比 的大小。 1 厂_ _ 1 _ jl |i ji 广r 1 广一 ；i ； 2 2 3 移相控制方式 图2 9艰极性放电控制方式 移相控制方式延近年来全桥变换器中使用较多的一种开关控制方式，其工作原理是每 个桥臂的两个开关管1 8 0 度互补导通，两个桥臂的导通之间相差一个相角，即所谓移相角。 通过调节移相角的大小米调节能量传输的脉冲宽度，从而达到调节相应的相应的能量传输的 目的。如果t 5 、t 7 的驱动信号分别领先于t 6 、t 8 ，可以定义t 5 、t 7 组成的桥臂为领先桥臂， t 6 、t 8 组成的桥臂为滞后桥臂。 在电流调节器电路拓扑中为了保证电压型变换单元同一桥臂开关管不能短路直通， 电流型变换单元开关管不能断路关断，开关管t 5 、t 6 、t 7 、t 8 的开通时间均小于、 | 个开关 周期，即它们的开通角小于1 8 0 ：与此相反，开关管t l 、t 2 的开通时间均大于半个开关周 期，即它们的开通角人于1 8 0 。我们下面分别对从充电和放电两种工作状态来加以讨论。 1 电流调节器工作在充电状态，此时t l 和t 5 、t 8 共同构成超导磁体的正向充电通路 t 2 和t 6 、t 7 共同构成超导磁体的负向充电通路，通过调节电压型变换单元的移相角( 即所 谓占空比) 来控制电流调节器的能量传输，向超导磁体充电。在这种状态下，电流型变换单 元t 1 、t 2 和电压型变换单元中t 6 、t 8 的控制时序保持相位恒定。移相角的调节是通过领先 桥臂t 5 、t 7 控制时序的相位移动来实现，移相角调节前后的控制波形示意图如图21 0 所示。 t 5 - - t 6 反映了充电时占空比的大小。 1 6 n 陀 他 一t 第二章7电流调节器的基本原理与仿真 ( a ) 移相角调节前的控制时序 ( b ) 移相角调节后的控制时序 图2 1 0 移相角调节前后的控制波形示意图 2 电流调节器工作在放电状态，此时他和t 5 、t 8 共同构成超导磁体的止向放电通路， t l 和t 6 、t 7 共同构成超导磁体的负向放电通路，通过调节电压型变换单元的移相角( 即所 谓占空比) 来控制电流调节器的能量传输，超导磁体向外放电。在这种状态下，电流型变换 单元t l 、t 2 和电压型变换单元中t 5 、t 7 的控制时序保持相位恒定，移相角的调节是通过领 先桥臂t 6 、t 8 控制时序的相位移动来实现，移相角调节前后的控制波形示意图如图2 1 1 所示。t 5 - - t 6 反映了放电时占空比的大小。 r 1 t 2 t 5 t 6 t 8 ( a )移相角调节前的控制时序 1 7 6 n 他 帕他 6 n 他 ! 计 幅 第二章 电流调节器的基本原理与仿真 li i i _ j l i 一 i 一 1 1 。一 l ：i l ： l ( b ) 移相角调节后的控制时序 图2 1 i 移相角调节前后的控制波形示意图 2 ，2 4 辅助电势软开关控制方式 2 2 4 1 软开关技术简介 在本世纪5 0 年代初，脉宽调制( p w m ) 硬开关技术的出现，揭开了逆变技术发展的序 幕。p w m 开关技术以其电路简单，控制方便获得了广泛的应用。一般来说，所谓p w m ( p u l s e - - w i d t h - - m o d u l a t i o n ) 技术是指在开关变换过程中保持开关频率恒定但通过改变开关的接通 时间的长短( 即脉冲宽度) 。使得当负载变化时，负载上的电压变化不大的方法。但是由于 电子开关是一种“硬开关”，即开关管的通断控制与开关管上流过的电流和两端所加的电腿 无关。功率开关管的开通或关断是在器件上的电压或电流不等于零的状态f 强迫进行的。 为了缩小开关变换器( 特别是变压器、电磁等磁元件和电容) 的体积和重量，提高其功 率密度和动态性能，开关变换技术正向高频化方向发展。而高频化必然要解决好开关损耗问 题，高频化的同时如何采用软开关技术降低其开关损耗，从而提高效率，成为这个领域研究 的重点。 8 0 年代末期，脉宽调制软开关技术( s p w m ) 的问世，推动大功率逆变技术的研究和 应用水平x 上了一个新的台阶。所谓的“软开关”是与“硬开关”相对应的，它能克服传统 的硬开关的开关损耗，理想的软开关的开关损耗为零。 近年来，软开关的称谓很多为了利于概念的规范化，便于研究和有效利崩，在此对 软开关的种类作如下说明。软开关包括软开通和软关断：软开通有零电流开通和零电压开通： 软关断有零电流关断和零电压关断。可以按照驱动信号的时序来判断。 最理想的软开通过程：电压先下降到零。然后，电流再缓慢上升到通态值所以开关 损耗近似为零。因器件开通前电压己下降到零，器件结电容上的电压亦为零，故解决了窖性 1 8 6 n 他 佰丌 计 阳他 第二章 电流调节器的基本原理与仿真 开通问题，这意味着二极管已经截止，其反向恢复过程结束，因此二极管反向过程亦不复存 在。 最理想的软关断过程：电流先下降到零然后，电压再缓慢上升到断态值，所以关断 损耗近似为零。由于器件关断前电流已下降到零，线路电感中电流为零，所以感性关断问题 得以解决。 无论采用哪种电路拓扑和控制技术，最理想的软开关波形都如图2 1 2 所示，图中还画 出了硬开关的工作波形，以示对比。 软开关 钙爱了_ | = 9 关 弋= ( 断 波 形 歼 厂上二廷 避 波 形 图2 1 2 软开关和硬开关对比波形 软开关的工作方式可以按以下几种情况进一步阐明 1 零电流关断：关断命令在t 2 时刻或其后给出，开关器件端电压从通态值上升到断态值， 开关器件进入截止状态。 2 零电压关断：关断命令在t l 时刻给出，开关器件电流从通态值下降到断态值后，端电 压才从通态值上升到断态值，开关器件进入截止状态。在t 2 之前，开关器件的端电压 必须维持在通态值( 约等于零) 。 3 零电压开通：开通命令在t 2 或其后给出，开关器件电流从断态值上升到通态值开关 器件进入导通状态。在t 2 之前，开关器件端电压必须下降到通态值( 约等于零) ，并且 在电流上升到通态值之前维持在零。 4 零电流开通：开通命令在t l 时刻给出，开关器件端电压从断态值下降到通态值以后， 电流才从断态值上升到通态值，开关器件进入导通状态。在t 2 之前开关器件电流必 须维持在断态值( 约等于零) 。 9 第二章 电流调节器的基本原理与仿真 2 2 4 2 辅助电势软开关控制原理 在电流调节器电路拓扑结构中，电压型变换单元电流和电压对于开关容量来说都不大， 系统运行中流过超导磁体的电流非常大，因此与之连接的电流型变换单元成为我们关注的重 点。辅助电势软开关控制技术是根据电流调节器电路拓扑结构的特点，将移相控制方式和软 开关技术相结合的一种新型控制方法，其工作原理和上面介绍的移相控制方式基本相同。为 了满足电流型变换单元的软开关技术，充电和放电时都采用零电压开通和零电流关断技术。 零电压开通( z v s ) 即在t l 、t 2 相互换向时，保证开关管开通前变压器的副边电压为零也 就是变压器的原边电压为零。 电流调节器电路拓扑的零电流关断，通过以下过程来完成。即在t l 向t 2 换向时，在变 压器原边产生负的辅助电势；在t 2 向t 1 换向时，在变压器原边产生正的辅助电势。辅助电 势的基本设想如下： 无论充电还是放电，换向过程不外乎两种： t 1 一t 1 t 2 一t 2 t 2 0 t 1 t 2 一t l 我们以第一种情况为例来说明，当t 1 换向到他的过程中，首先会出现t l 、t 2 共通的 时刻，此时流过它们的电流都为0 5 i 当在它们两端加辅助电势后， 对邗= 圭，一f 争 电籼s ，一。 对邗= 1 i + r 电籼i 此时，流过t l 的