第六章：交流-交流变换技术

d轴电流PI调节器

dd
da
电量检测
ia
ea
Tam / dq

PLL
Ls / VC1
Ls / VC1

0
S21 ~ S24
SPWM (120 o )
iq
Tdq / am
dq

da

K K p2 i2 s
q轴电流PI调节器

S31 ~ S34
SPW M (240 o )
SST电网侧输入端串联3个AC/DC模块的控制技术框图
整流器采用三相PWM整流电路时，输入电流近似正弦波， 且功率因数接近1，具有较高的电磁兼容性能。 具有单相功率因数校正功能的交流-交流变换电路，一般 适合于小功率的应用场合。
单相单管式Boost APFC电路分析
假定输入电感电流iL连续:
ud uL ud U O 0 t dTC dTC t TC
uc
A
ia
B
ib
H i (s)
三相整流器六 开关半桥电路
Udc
H
v
(s)
C
ic
PWM驱动产 生电路 dq反变换
u ref

PI
dq变换
id
iq
PI
PI
0
三相半桥整流器功率主电路拓扑
整流器系统控制原理图
交流输入端电压电流仿真波形图
交流输入端电压电流实验波形图





间接AC/AC变换电路－电力电子电力变压器
diL 1 (U S m sin t U O ) 0 dt L US m U O
iS
uS
DO

L T

iT

ud


ud
乘法器
iL

UO

CA
三角载波
驱动器
uC


UO
VA


输出指令电压
单相单管式Boost APFC电路控制原理框图
U OR
单相PWM高频整流器及其零静差矢量控制


近年来随着社会经济的快速发展，我国巨大的电力缺口 与人们对电力的强烈需求之间的矛盾越来越明显；由于 煤炭、石油等常规化石类能源资源储量的有限性和环保 的巨大压力，能源建设必须走节能与开发利用可再生能 源之路，分布式可再生能源发电系统占整个能源结构的 比重逐步上升，有望成为今后的主要能源来源。 随着信息技术的飞速发展，信息社会对供电质量提出了 更高的要求；然而，当前电力系统中诸如谐波、电压跌 落、闪变等电能质量问题，已严重影响了电力设备的正 常工作和经济运行，给用户造成巨大的经济损失。
Ch6.1 间接交流-交流变换电路
一般由多级（两级以上）变流器电路构成，通常 第一级AC/DC变换电路将工频50Hz的交流电变换成 直流电，再由第二级DC/AC变换电路将直流变换为所 需幅值和频率的交流输出。 电流型交流－交流变换电路 通常逆变电路的直流输入侧串联一个大电感量的直 流电抗器，逆变电路的直流侧输入近视为电流源。 电压型交流－交流变换电路 通常逆变电路的直流输入端并接一个大电容量的直 流电容器，逆变电路的直流侧输入近视为电压源。
if _2

Hi _2
Vo _ dc
Hv _2
Hv _2
双向DC/DC模块#1的控制模型
双向DC/DC模块#1的控制模型
H v _1
H
i_1
H v _1
H
i_1
Vdc _21_ f
Vo _ dc _ f

Iref
PIv
i f _1


PI c


vPI ,c
vPI ,c 0
Gi _ 1
Gi _ 2
S11 ia
ea
S13

Ls
Rs u ab S12
C
E
RL
S14

E
电量检测


K K p 1 i1 s
电压PI调节器
idref
id
id
K p2
K i2 s

Eref
d轴电流PI调节器

dd
da
Ls / E Ls / E

ia
ea
Tam / dq

PLL
Tdq / am


电流型交流－交流变换电路
电流型交流-交流变换器可应用于直流输电系统。
触发引前角（换流电压过零的提前角）： 最小触发引前角：
180 , min 90
min (tq ) 30 ~ 35
（1）换相重叠角 随电路结构和工作电流变化，取15 ～25 。 （2）关断时间tq可达200～300s，折算电角度 为4 ～5 。 （3）考虑电网波动等因素，安全裕量角一般 选取10 。
ZO_2 (s)
Vdc _11_ f
Vo _ dc _ f

Iref
PIv
i f _1


vPI ,c
PIc



kPWM
vPI ,c 0
vPI ,c 0
Gi _ 1
Gi _ 2
io _ 1
io _ 2
ZO _1 (s)
Vdc _11 VC1
ZO _ 2 (s)
Hi _2
Vo _ dc


因此，在这一背景下，如何使电力变压器满足现代电力 系统要求，能有效可靠地将分布式可再生新能源发电系 统融入电力系统，解决当前电力能源的短缺，又能提供 较好的电能质量，确保用户电气设备安全经济运行，更 好地在电力网络中发挥作用，已成为目前及今后亟待解 决的电力系统关键问题之一。 近年来，随着高压大功率电力电子半导体开关器件、电 力电子变流技术及其控制技术的发展，一种通过电力电 子变流技术实现电力系统电压等级变换和能量传递的新 型电力变压器－固态变压器(Solid State Transformer， SST)，得到越来越多的关注。固体变压器又称为电力电 子变压器(Power Electronic Transformer，PET )或电子电 力变压器（Electronic Power Transformer, EPT）
新型SST的控制系统（2）
H v _1
H
i_1
H v _1
H
i_1
Vdc _11_ f
Vo_dc _ f

Iref
PIv
i f _1


vPI ,c
PI c



k PWM
vPI ,c 0
Gi _ 1
Gi _ 2
if _2
vPI ,c _11 VC1
输入有功和无功功率：
P 3EI cos , Q 3EI sin
P
min
Q
由于无论三相变流器工作在整流或逆变状态，均 要从交流侧吸收无功功率，因此，实际应用时在电 流型交流-交流变换电路的输入和输出两侧均需要安 装补偿电容器，以补偿无功功率，同时兼有高次谐 波的滤波功能。
Ch6 交流-交流变换技术
把一种形式的交流电变成为另一种形式 交流电的电路，在进行交流-交流变换时，可 以改变电压或电流的幅值、频率和相数等,如 交流电机调速等应用场合。

间接交流-交流变换电路： 直接交流-交流变换电路： 交流调压电路：
只改变输出交流电压、电流的幅值，而不改 变频率的变换电路,如灯光调节亮度。
电力电子变压器的基本工作原理
输入（工频交流） 电力电子 变换器 高频 信号 高频 变压器 高频 信号 电力电子 输出（工频交流） 变换器
控制
固态变压器基本工作原理框图
交流 输入
直流 高频 AC-DC 变换器
高频 方波 调制/ 解调
高频 变压器
高频 方波 调制/ 解调
直流 高频 DC-AC 变换器
交流 输出


vPI ,c
PI c


k PWM
vPI ,c 0
Gi _ 1
Gi _ 2
if _2
vPI ,c 0
io _ 1 io _ 2
ZO _1 (s)
Vdc _ 31 VC 3
Vdc _31_ f
Vo _ dc _ f

Iref
PIv
i f _1


vPI ,c
PI c



k PWM
含有直流环节的三相SST结构原理框图
SST在分布式电源并网中应用的示意图
新型SST拓扑结构图
DC Bus
新型SST的控制系统（1）
idref
id
id
VC1


K p1
K i1 s
K p2
K i2 s

da
S11 ~ S14
SP W M (0 o )
VC1 ref
电压PI调节器
Eref
Ef

K K p1 i1 s
idref idf
K K p2 i2 s
dd
K PWM
H2 (s)
H1 (s)

ed
1 LS S RS
id
VS RL Vdc ( RLCS 1)
E
d轴控制环的系统框图
400Hz三相PWM高功率因数整流器零静差矢量控制
ua ub


ud US m sin t
uL , iL iN uN D1 D2

A
D0 I0
ud dTC (U d U O )(1 d )TC 0
d 1 US m UO sin t 1 D sin t
LN ud TS
uT iT
i0 C0
iC R0

u0
Lf
Vo _ dc
S3 S4
iL
Cf
v RL o

Driver
H 2 (s)
H1 ( s )


PI 2 ( s )
iref

PI1 ( s )
vo ref
新型SST系统的部分仿真结果
新型SST系统的部分仿真结果
新型SST系统的部分实验结果
新型SST系统的部分实验结果

D
US m UO
D4 D3
ma
单相单管式Boost APFC电路
为保证输入电流连续和减少输入电流畸变程度，占空比d应随输 入电压按正弦脉动，也即开关管Ts必须采用SPWM控制方式以保 证开关管Ts的占空比按正弦变化。
开关管导通期间： 开关管关断期间：
diL U S m sin t 0 dt L
电压型交流－交流变换电路
二极管整流电路+PWM逆变电路的特点： 电压型交流-交流变换电路工作在变压、变频方式时，广 泛应用于交流电动机的变频调速装置；工作在恒频、恒压 方式时，则广泛应用于逆变电源、UPS电源。 直流侧电容滤波的二极管整流电路，虽存在交流侧谐波 和电磁兼容问题，但由于成本低、可靠性高而广泛应用在 小功率电机调速中。

传统电力变压器是目前电力系统最基本和最重要的组 成设备之一 ，被广泛应用于输配电系统，其主要功能 为电气隔离、电能传输和电压等级变换，但具有如下 缺点：（1）体积和重量大；（2）空载损耗大；（3） 过载时易导致输出电压下降、产生谐波；（4）负载侧 发生故障时，不能隔离故障从而导致故障扩大，需要 配套的保护设备对其进行保护；（5）带非线性负载时， 负载产生的谐波和无功电流被直接反馈到电力变压器 的输入端，造成对电网的污染和影响电网的稳定性； （6）由于无能量储存能力，电力变压器的输出电压易 受输入电压的扰动而出现中断或干扰现象，导致对敏 感负载工作的严重影响；（7）使用绝缘油会造成对环 境污染….。
vPI ,c 0
vPI ,c 0
Gi _ 1
Gi _ 2
if _2

io _ 1 io _ 2
ZO _1 (s)
Vdc _ 31 VC 3
Hi _ 2
Hi _ 2
Hv _ 2
Hv _ 2
双向DC/DC模块#3的控制模型
双向DC/DC模块#3的控制模型
新型SST的控制系统（3）

S1
S2
Vdc _21 VC2
if _2
vPI ,c 0

Hi _ 2
Vo _ dc
Hi _ 2
Hv _ 2
Hv _ 2
Vo _ dc
双向DC/DC模块#2的控制模型
双向DC/DC模块#2的控制模型
H v _1
H
i_1
H v _1
H
i_1
Vdc _31_ f
Vo _ dc _ f

Iref
PIv
i f _1
dq
S11 ~ S14
SPWM
iq

0

K p2
Ki 2 s

q轴电流PI调节器
sin Tam / dq cos
cos sin
单相AC/DC整流器的d-q矢量控制系统框图
由引入前馈的d-q矢量控制,得到彻底解耦的电流矩阵微分方程：
RS E (k p 2 ki 2 / s ) 0 i i LS d d d i RS E (k p 2 ki 2 / s ) iq dt q 0 LS E (k p 2 ki 2 / s ) idref 1 ed .............. i e LS qref LS q

k PWM
vPI ,c 0
io _ 1 io _ 2
ZO_1(s)
Vdc _ 21 VC 2
Vdc _21_ f
Vo _ dc _ f

Iref
PIv
i f _1


vPI ,c
PIc


if _2


k PWM
vPI ,c 0
Gi _ 1
Gi _ 2
io _ 1
io _ 2
ZO _1 (s)