四象限工作特性与原理

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。
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。
T3 断
La Ra Ea B
I AB
通
D2
T4
(b)第一 第二两象限变换电路
四象限直流—直流变换器
第一象限工作
工作模式：
降压（将Vd的电压 降低后送到负载）
T1
VS A
T2
D1
T3 断
La Ra Ea B
I AB
通
D2
T4
输出电压方向： 正向
输出电压大小：
T
on
V V AB
D
TS
输出电流方向： 正向
当U1>Us， 0 时，
������ሶ
���������ሶ ���
������ሶ������
P
���������ሶ ���
Q
P0
Q Us(U1 Us) X
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。
STATCOM的基本原理
当U1<Us， 0 时，
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
间接电流控制方式(δ与θ 配合控制)
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。
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。
当不考虑等效阻抗R时：
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。
STATCOM的控制方式
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
输出电压方向： 反向（VAB<0）
输出电压大小：
T
on
V V BA
D
TS
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。
四象限直流—直流变换器
第四象限工作
工作模式：
升压（T4 D3构成Boost 升压变换器）
输出电压方向：
正向
VS A
A
La Ra Ea
iAB
D3
B
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
时 滞后于
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 其相当于静止无功发生器。可以向电源发出无功。同理当Is
于Us90°时又相当于无功补偿器。
P
jXI
US sin IR

I US sin
R

U&1 U&s
U&L
IR
P (US sin ) I

P

U
2 S
sin

2
R
Q
Q (US cos ) I

Q

U
2 S
sin(2
)
2R
&I
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：
直流电动机的特性
✓ 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：
Ea Ke N
✓ 电枢电压平衡方程为：
Ea VAB Ra I AB VAB
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。
N Ea VAB Ra I AB VAB
VAB
VAB
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。
四象限直流—直流变换器 第三、四象限运行等效电路
VS
T1
A
断 T3 La Ra Ea
B
D3
T2 通 IAB T4
D4
(c)第三 第四两象限变换电路
四象限直流—直流变换器
第三象限工作
工作模式：
降压（T3 D4构成 Buck降压变换器）
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
T4
输出电压大小：
Vs

1
1 D
VAB
VAB
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。
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。
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ｕ Ａ，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。
P
���������ሶ ���
Q
������ሶ
������ሶ������ ���������ሶ ���
P0
Q Us(Us U1) X
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， 0 时，
P
���������ሶ ���
Q
������ሶ������ ���������ሶ ���
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
D4
T1
VS A
T2
(a)四象限直流-直流变换电路
D1
T3 断
La Ra Ea B
I AB
通
D2
T4
(b)第一 第二两象限变换电路
VS
T1
A
断 T3 La Ra Ea
B
D3
T2 通 IAB T4
D4
(c)第三 第四两象限变换电路
四象限直流—直流变换器 第一、二象限运行等效电路
T1
VS A
T2
D1
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。
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
四象限直流—直流变换器
第二象限工作
T1
VS A
T2
D1
T3 断
La Ra Ea B
I AB
通
D2
T4
(c)升压变换电路
工作模式： 升压（将负载的电压升 高后向Vd回馈电能）
输出电压方向： 正向
输出电压大小：Vd

1
1 D
Ｉ
P
���������ሶ ��� ������ሶ������
jXI
US sin IR

I US sin
R
���������ሶ ���
IR
Q
P (US sin ) I

P

U
2 S
sin

2
R
Q (US cos ) I

Q

U
2 S
sin(2
)
2R
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。
PQ0
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：
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 220 3V，频率为50HZ，额定负荷为 S=9000+j9000。
系统模型搭建及仿真结果分析
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
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
STATCOM PWM整流器
四象限直流—直流变换器
Ud
第二象限： Ud>0, Id<0
第三象限： Ud < 0, Id < 0
第一象限： Ud>0, Id>0
Id
第四象限： Ud < 0, Id>0
Ke
K e
K e
✓ 电机的转矩方程为：
Te KT I AB
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
直流电机的四象限运行
四象限直流—直流变换器
T1
VS A
T2
D1 T3
D3
La Ra Ea B
I AB
D2 T4
UL US sin cos
IQ
UL sin(90o ) Us sin 2
R2 X 2
2R
Ip
UL U cos(90o ) US (1 cos 2 )
R2 X 2
2R
U1
IP
IQ
U1

US
cos( ) cos
可以证明在感性工况下
STATCOM在电网中吸收wenku.baidu.com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。
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：
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。