四象限工作特性与原理.pptx

1、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,四象限的工作特性与控制原理,第一象限： Ud0, Id0,第二象限： Ud0, Id0,第三象限： Ud 0, Id 0,第四象限： Ud 0,四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：,电枢电压平衡方程为：,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。,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,四象限直流直流变换器

2、,第一、二象限运行等效电路,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,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。,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,四象限直流直流变换器,第三、四象限运行等效电路,工作模式：,降压（T3 D4构成Buck降压变换器）,输出电压方向：,反向（VA

3、B0）,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。,升压（T4 D3构成Boost升压变换器）,四象限直流直流变换器,第四象限工作,STATCOM,静止同步补偿器（ Static Synchronous compensator STATCOM ）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。

4、,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，,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,当U1Us， 时，,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。,当U1=Us， 时，,系统，STATCOM之间的电流为0，装置和系统

5、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：,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,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,STATCO

6、M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控制和 与 配合控制。采用单 控制时，虽然简单有效，但忽略了对的控制，使得直流侧电容电压稳定困难、损耗增加。 在与 配合控制中，角的控制用于无功功率控制，而对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。,单控制： 分析间接电流控制以前面的容性工况的向量图举例,可以证明在感性工况下 STATCOM在

7、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， 的值是U1超前Us的角度。 从上式可见的值与有、无功电流基波电压的幅值都是以一对应的。,STATCOM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的值，然后来控制 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

8、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(与 配合控制),上图为与 配合的逆系统控制框图。图中，三相瞬时电压，和瞬时电流，经过，变换和瞬时无功功率计算得到补偿无功功率，并与参考补偿无功功率进行比较，经过环节得到控制量，参考电压与直流侧电压 进行比较，经过环节得到控制量，将控制量 和 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

9、，额定负荷为S=9000+j9000。,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,26,PWM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,27,PWM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

10、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

11、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

12、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

13、。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