电力电子设计优质报告.doc

电力电子技术课程设计

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信息工程学院电气及自动化工程
二零一三年一月

目 录
1、概述...................................................................................................................................2
1.1有源逆变电路概述...................................................................................................2
1.1.1有源逆变技术分类............................................................................................2
1.1.2有源逆变技术应用............................................................................................3
1.2研究目标、内容.......................................................................................................3
2、三相有源逆变电路结构及原理....................................................................................4
2.1三相半波有源逆变电路结构.......................................................................................4
2.2基础工作原理...............................................................................................................4
2.2.1工作条件...............................................................................................................4
2.2.2基础工作原理.....................................................................................................................4
2.3电路基础计算...........................................................................................................5
3、三相半波有源逆变电路MATLAB建模和仿真..............................................................7
3.1模型仿真.......................................................................................................................7
3.2 仿真模型模块参数设置..........................................................................................7
3.3 模型仿真及仿真结果..................................................................................................8
4、结论...................................................................................................................................12
5、参考文件...........................................................................................................................13

1、概述
1.1有源逆变电路概述
1.1.1有源逆变技术分类
伴随电力电子技术迅猛发展和各行各业控制技术发展和对操作性能要求提升，很多行业用电设备全部不是直接使用通用交流电网提供交流电作为电能源，而是经过多种形式对其进行变换，从而得到各自所需电能形式。
现代逆变技术种类很多，按输出交流频率、主电路拓扑结构、输出相数等来分类，按逆变器输出能量去向，可分为有源逆变和无源逆变。假如把逆变器交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率交流电反送到电网去，称为有源逆变；假如逆变器交流侧不和电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率交流电供给负载，则称为无源逆变。
1.1.2有源逆变技术应用
伴随电力电子技术飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求提升，有源逆变技术在很多领域取得了越来越广泛应用。下面列举是其关键应用：
(1) 光伏发电
有源逆变通常见于大型光伏发电站（>10kW）系统中，很多并行光伏组串被连到同一台集中逆变器直流输入端，通常功率大使用三相IGBT功率模块，功率较小使用场效应晶体管，同时使用DSP转换控制器来改善所产出电能质量，使它很靠近于正弦波电流。最大特点是系统功率高，成本低。但受光伏组串匹配和部分遮影影响，造成整个光伏系统效率和电产能。同时整个光伏系统发电可靠性受某一光伏单元组工作状态不良影响。最新研究方向是利用空间矢量调制控制，和开发新逆变器拓扑连接，以取得部分负载情况下高效率。
(2)不间断电源系统（ＵＰＳ）
UPS （Uninterruptible PowerSuPPly）全称是不间断电源系统，顾名思义，UPS是一个能为负载提供连续不间断电能供给系统设备。UPS最早应用，应该是部分特殊领域，比如：医院手术室供电保障、电台/电视台节目播出系统供电、军事应用等等。今天计算机技术、信息技术及其相关产业飞速发展，计算机在各行各业得到了广泛应用，于是UPS似乎也成了计算机系统设备一个部分。不间断电源关键技术就是将蓄电池中直流电能逆变为交流电能逆变技术。
(3)电动机制动再生能量回馈
交流电动机和直流电动机在制动过程中全部会处于发电状态而使直流母线电压泵生。采取有源逆变系统将能量回馈到交流电网而替换传统电阻能耗制动，既节省了电能，又提升了安全性能。回馈制动采取是有源逆变技术，将再生电能逆变为和电网同频率同相位交流电回送电网，从而实现制动。
(4)直流输电
因为交流输电架线复杂、损耗大、电磁波污染环境，所以直流输电是一个发展方向。直流输电现在关键用于：①远距离大功率输电；②联络不一样频率或相同频率而非同时运行交流系统；③作网络互联和区域系统之间联络线（便于控制、又不增大短路容量）；④以海底电缆作跨越海峡送电或用地下电缆向用电密度高大城市供电；⑤在电力系统中采取交、直流输电线并列运行，利用直流输电线快速调整，控制、改善电力系统运行性能。首先把交流电整流成高压直流再进行远距离输送，然后再逆变成交流电供给用户。目前，研制高压直流断路器、研究多端直流系统运行特征和控制、发展多端直流系统、研究交直流并列系统运行机理和控制，受到广泛关注。
1.2研究目标、内容
我们知道，在工程实际中，有源逆变电路结构往往很复杂，假如不借助专用系统建模软件，则极难正确地把一个有源逆变电路复杂模型进行分析，MATLAB语言是一个功效强大计算机辅助设计和仿真语言，尤其它提供SIMULINK仿真工具含有图形化、模块化界面，易于实现控制系统仿真，所以倍受大家青睐。
本论文目标、内容和拟处理关键问题:三相半波有源逆变电路建模和仿真。
2、三相半波有源逆变电路结构及原理
2.1三相半波有源逆变电路结构

图2.3三相半波有源逆变电路

（a）整流工作状态 （b）逆变工作状态
图2.4三相半波有源逆变电路相关波形
2.2基础工作原理
2.2.1工作条件
要使整流电路工作于逆变状态，是必需有两个条件：
（1）变流器输出Ud能够改变极性。因为晶闸管单向导电性，电流Id不能改变方向，为了实现有源逆变，必需去改变Ud电极性。只要使变流器控制角α>90°即可[5]。
（2）必需要有外接直流电源E，而且直流电源E也要能够改变极性，而且|E|>|Ud|。当这两个条件全部满足前提下，就能够实现有源逆变。
2.2.2基础原理
（1）电路整流工作状态（0＜α＜π/2）
图2.4(a)所表示电路中，α=30°时依次触发晶闸管，其输出电压波形图黑实线所表示。因负载回路中接有足够大平波电感，故电流连续。对于α=30°情况，输出电压瞬时值均为正，其平均电压自然为正值。对于在0＜α＜π/2范围内其它移相角，即使输出电压瞬时值ud有正也有负，但正面积总是大于负面积，输出电压平均值Ud也总为正，其极性图为上正下负，而且Ud略大于ED。此时电流Id从Ud正端流出，从ED正端流入，能量流转关系为交流电网输出能量， 电机吸收能量以电动状态运行。
（2）电路逆变工作状态（π/2＜α＜π）
假设此时电动机端电势已反向，即下正上负，设逆变电路移相角α=150°，依次触发对应晶闸管，图2.4(b)在ωt1时刻触发a相晶闸管V1，即使此时ua=0，但晶闸管V1因承受ED 作用，仍可满足导电条件而工作，并对应输出ua相电压。V1被触发导通后， 即使ua已为负值， 因 ED存在，且| ED |＞|ua|，V1仍然承受正向电压而导通， 即使不满足| ED |＞| ua |，因为平波电感存在，释放电能，L感应电势也仍可使V1承受正向电压继续导通。因电感L足够大，故主回路电流连续，V1导电120°后因为V2被触发而截止，V2被触发导通后，因为此时ub＞ua，故V1承受反压关断，完成V1和V2之间换流，这时电路输出电压为ub，如此循环往复。
2.3电路基础计算
为分析和计算方便，通常把逆变工作时控制角改用β表示，令β=π-α，称为逆变角。要求α=π时作为计算β起点，和α计量方向相反，β计量方向是由右向左。变流器整流工作时，α＜π/2， 对应β＞π/2， 而在逆变工作时， α＞π/2而β＜π/2。
逆变时，其输出电压平均值计算公式可改写成

β从π/2逐步减小时，其输出电压平均值Ud绝对值逐步增大，其符号为负值。逆变电路中，晶闸管之间换流完全由触发脉冲控制，其换流趋势总是从高电压向更低阳极电压过渡。
这么，对触发脉冲就提出了格外严格要求，其脉冲必需严格根据要求次序发出，而且要确保触发可靠，不然极轻易造成因晶闸管之间换流失败而造成逆变颠覆。
三相半波电路在整流和逆变范围内，只要电流连续，每个晶闸管导通角全部是2π/3；故不管控制角α为何值，直流侧输出电压平均值和α关系全部为：

为分析和计算方便起见，电路进入逆变状态时，通常使用逆变角β表示，要求β角计算起始点为控制角α=π处，计算方法为自α=π（β=0）起始点向左方计量；所以控制角和逆变角关系是α+β=π，或β=π-α。逆变角也称作引前触发角，即相对于换相电压由正变负过零点或α=π点提前量。
逆变工作时，逆变器直流侧电压计算公式亦可表示为

当β=π/2时，Ud=0，当β值从π/2减小时，Ud变为负值，伴随β减小，Ud绝对值逐步增大，当β=0时，Ud绝对值最大。可见，逆变时变流器控制角α在之间改变，对应逆变角β则在之间改变。
若考虑xB，就存在换流重合角γ，在γ期间，和整流电路一样，ud值也等于参与换相两相邻相电压平均值；所以换流过程存在使直流输出电压平均值更负部分，即增加了途中一块阴影面积，逆变器输出电压为：

所以考虑换流过程影响，在整流和逆变两个范围内，全控变流器控制特征图2.10所表示。

（a） 输出电压波形； （b）全控变流器控制特征
图重合角对输出电压影响

3、三相半波有源逆变电路matlab建模和仿真
3.1仿真模型
三相半波有源逆变仿真设计以下图所表示

图1三相半波有源逆变仿真模型
3.2 仿真模型模块参数设置
1．交流电源
按三相对称电源要求设置参数Um=100V、f=50Hz、初相位依次为0°、-120°、120°。
2.晶闸管
晶闸管设置参数为Ron=0.001Ω、Lon=0.5mH、Vf=0V、Rs=10Ω、Cs=4.7e-6F。
3.RLC原件
RLC原件设置参数为R=5Ω、L=0.08H、C=inf
4.直流电源
直流电压源电压设置为120V
5.脉冲发生器
因为电源频率为50Hz，脉冲设置为0.02s、脉冲宽度设置为脉宽10%、脉冲高度为1、
当α=60°时，对于Pulse,触发脉冲对应延迟时间t=αt/360=(60+30)*0.02/360=0.005；对于Pulse1,触发脉冲对应延迟时间t=αt/360=（90+120）*0.02/360=0.01167；对于Pulse2，触发脉冲对应延迟时间t=（90+240）*0.02/360=0.01833。
当α=90°时，对于Pulse,触发脉冲对应延迟时间t=αt/360=(90+30)*0.02/360=0.00667；对于Pulse1,触发脉冲对应延迟时间t=αt/360=（120+120）*0.02/360=0.01333；对于Pulse2，触发脉冲对应延迟时间t=（120+240）*0.02/360=0.02。
当α=120°时，对于Pulse,触发脉冲对应延迟时间t=αt/360=(120+30)*0.02/360=0.00833；对于Pulse1,触发脉冲对应延迟时间t=αt/360=（150+120）*0.02/360=0.015；对于Pulse2，触发脉冲对应延迟时间t=（150+240）*0.02/360=0.021667。

3.3 模型仿真及仿真结果
打开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，相对误差设置为1e-3，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.1s，三个晶闸管触发脉冲依次相差120°。参数设置完成后，开启仿真。图中自上而下为负载电流Id、负载电压Ud、晶闸管两端电压UT即Uak。
仿真曲线以下：

图2 三相半波电路 α=60°时仿真波形

图3三相半波电路 α=90°时仿真波形

图4三相半波电路 α=120°时仿真波形

依据三相半波可控整流电路带阻感负载时输出电压表示式Ud=1.17Ucosα。可知：当α≤90°时，Ud≥0。图3.24是三相半波电路工作在整流状态时波形（α=60°），变流电路输出电压波形正面积大于负面积，平均电压大于零;图3.25是三相半波电路工作在整流、逆变交界时波形（α=90°），电路输出电压波形正负面积相等，平均电压等于零；图3.26是三相半波电路工作在逆变状态时波形（α=120°），此时增加一个反电动势，电路输出电压波形正面积小于负面积，直流平均电压小于零，电流方向未变，仿真结果和理论分析吻合。
经过以上仿真过程分析能够得到以下结论：有源逆变电路实质上是整流电路工作于移相控制角α＞π/2，且存在一个极性和晶闸管导通方向一致反电动势时特殊情况。
4、结论
参考文件
[1] 电力电子电路计算机仿真 陈建业 编著 北京 清华大学出版社
[2] 电路和系统仿真实践 张占松 编著 北京 科技出版社
[3] 电子电路CAD—基于OrCAD9.2贾新章 编著 西安 西安电子科技大学出版社
[4] Pspice 8.0电路设计实例精粹 高伟涛 编著 北京 国防工业出版社
[5] MATLAB 电子仿真和应用 韩利竹 编著 北京 国防工业出版社
[6] 开关电源原理和设计 张占松 编著 北京 电子工业出版社 1999