四象限工作特性与原理
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四象限工作特性与原理
四象限的工作特性与控制原理
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
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：
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
第一、二象限运行等效电路
四象限直流—直流变换器
T1
VS A
T2
D1
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： 输出电压大小： 输出电流方向：
正向
Vd
1
1 D
VAB
VAB
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。
(c)升压变换电路
第三、四象限运行等效电路
四象限直流—直流变换器
VS
T1
A
断 T3 La Ra Ea
T1
VS A
T2
D1
T3 断
La Ra Ea B
I AB
通
D2
T4
输出电压方向： 输出电压大小： 输出电流方向：
正向
T
on
V V AB
D
TS
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
第二象限工作
四象限直流—直流变换器
工作模式：
升压（将负载的电压升高后向Vd回馈电能）
I US sin
R
IR
Q
P (US sin ) I
P
U
2 S 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。
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
B
D3
T2 通 IAB T4
D4
(c)第三 第四两象限变换电路
第三象限工作
四象限直流—直流变换器
工作模式：
降压（T3 D4构成Buck降压变换 器）
输出电压方向： 输出电压大小： 输出电流方向：
反向（VAB<0）
T
on
V V BA
D
TS
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
P
jXI
US sin IR
I US sin
R
U1
UL
IR
P (US sin ) I
P
U
2 S
sin
2
R
Us
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：
． Ｉ
P
jXI
US sin IR
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：
0 当U1=Us， 时，
P
Q
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：
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
U1
IP
UL US sin cos
IQ
UL sin(90o ) Us sin 2
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
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
当U1>Us，
时，0
P
Q
P0
Q U s(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
0 当U1<Us， 时，
P
Q
P0 Q Us(Us U1) 电流从STATCOXM流向系统且电流相位滞后系统
电压90°，装置吸收感性无功。
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。 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。
第四象限工作
工作模式：
升压（T4 D3构成Boost升压变换器）
VS A
A
输出电压方向：
正向
La Ra Ea
iAB
D3
B
T4
输出电压大小： 输出电流方向：
Vs
1
1 D
VAB
VAB
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。
✓ 电枢电压平衡方程为：
Ea Ke N
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。
Ea VAB Ra I AB VAB
N Ea VAB Ra I AB VAB
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
四象限的工作特性与控制原理
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
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：
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
第一、二象限运行等效电路
四象限直流—直流变换器
T1
VS A
T2
D1
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： 输出电压大小： 输出电流方向：
正向
Vd
1
1 D
VAB
VAB
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。
(c)升压变换电路
第三、四象限运行等效电路
四象限直流—直流变换器
VS
T1
A
断 T3 La Ra Ea
T1
VS A
T2
D1
T3 断
La Ra Ea B
I AB
通
D2
T4
输出电压方向： 输出电压大小： 输出电流方向：
正向
T
on
V V AB
D
TS
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
第二象限工作
四象限直流—直流变换器
工作模式：
升压（将负载的电压升高后向Vd回馈电能）
I US sin
R
IR
Q
P (US sin ) I
P
U
2 S 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。
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
B
D3
T2 通 IAB T4
D4
(c)第三 第四两象限变换电路
第三象限工作
四象限直流—直流变换器
工作模式：
降压（T3 D4构成Buck降压变换 器）
输出电压方向： 输出电压大小： 输出电流方向：
反向（VAB<0）
T
on
V V BA
D
TS
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
P
jXI
US sin IR
I US sin
R
U1
UL
IR
P (US sin ) I
P
U
2 S
sin
2
R
Us
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：
． Ｉ
P
jXI
US sin IR
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：
0 当U1=Us， 时，
P
Q
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：
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
U1
IP
UL US sin cos
IQ
UL sin(90o ) Us sin 2
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
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
当U1>Us，
时，0
P
Q
P0
Q U s(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
0 当U1<Us， 时，
P
Q
P0 Q Us(Us U1) 电流从STATCOXM流向系统且电流相位滞后系统
电压90°，装置吸收感性无功。
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。 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。
第四象限工作
工作模式：
升压（T4 D3构成Boost升压变换器）
VS A
A
输出电压方向：
正向
La Ra Ea
iAB
D3
B
T4
输出电压大小： 输出电流方向：
Vs
1
1 D
VAB
VAB
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。
✓ 电枢电压平衡方程为：
Ea Ke N
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。
Ea VAB Ra I AB VAB
N Ea VAB Ra I AB VAB
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