9.1電力電子技術在單片機中的應用9.1.1晶閘管觸發(fā)脈沖的單片機實現(xiàn)技術晶閘管作為電力電子技術發(fā)展最早和最成熟的器件,至今仍有廣泛的應用。它的控制方式通常有移相觸發(fā)控制和過零開關控制兩種。過零開關控制適用于如電子調溫器、微波爐等需要調節(jié)功率的場合,晶閘管反向并聯(lián)后(或使用雙向晶閘管),使其在幾個周期內導通,幾個周期內關斷,從而達到調節(jié)輸出功率的目的;而移相觸發(fā)控制適用于大功率整流電源、電動機軟起動器、可調光照明等場合,通過調節(jié)晶閘管導通時刻的相位來達到控制輸出的目的。下一頁返回9.1電力電子技術在單片機中的應用晶閘管的觸發(fā)控制可以通過模擬電路、數(shù)字電路、單片機控制等方法實現(xiàn),以往采用模擬電路實現(xiàn)觸發(fā)控制的方法應用最多,并出現(xiàn)過許多專用觸發(fā)芯片,如KJ004、KJ041、KJ042、TCA785等,然而模擬電路控制總是存在控制精度不高、對稱度不好、易受溫度漂移影響等問題。此外,分類元件較多、體積過大也是模擬電路不受歡迎的原因。數(shù)字式觸發(fā)電路則通過脈沖定時技術的方式實現(xiàn)觸發(fā)角的延遲計算,與模擬方式相比,其控制精度高,對稱性好,溫漂影響小,但其主要缺點是電路復雜,移相觸發(fā)角較大時控制精度有所降低。而單片機控制除了具有與數(shù)字式觸發(fā)電路相同的優(yōu)點外,更因為其移相觸發(fā)角由軟件計算完成,因而具有觸發(fā)電路結構簡單,控制靈活,精度可通過軟件補償,移相范圍可任意調節(jié)等特點,目前已獲得了廣泛應用。上一頁下一頁返回9.1電力電子技術在單片機中的應用單片機控制的數(shù)字觸發(fā)器大體由同步(過零)檢測電路、軟件部分的設計(如計數(shù)器、脈沖分配等)和驅動電路等幾個部分組成,如圖9-1所示。單片機通過檢測電路獲知觸發(fā)信號,而通過編程實現(xiàn)預定的程序流程,以在相關時間或規(guī)定時間上通過I/O端口輸出觸發(fā)脈沖,而且觸發(fā)脈沖的上升沿和下降沿產生的時刻可以根據(jù)單片機的特性進行設定。經過驅動電路的隔離和放大,觸發(fā)脈沖才能驅動晶閘管整流器。下面介紹使用單片機實現(xiàn)晶閘管觸發(fā)技術的各個電路模塊的具體方法。上一頁下一頁返回9.1電力電子技術在單片機中的應用9.1.2晶閘管的同步檢測晶閘管的同步檢測要與其使用方式相適應,一般有電流過零檢測與電壓過零檢測兩種。電流過零檢測常用在交流電子開關方面(如調功器),采用雙向晶閘管或雙反并聯(lián)晶閘管結構,在導通的晶閘管電流未降到零之前,觸發(fā)其反并聯(lián)的晶閘管是沒有意義的,因此常采用電流過零檢測實現(xiàn)同步過零觸發(fā)。而在整流電路中,由于晶閘管的觸發(fā)信號應以同步電壓信號為基準延遲一定的相位角,故此時應采用同步電壓過零檢測。上一頁下一頁返回9.1電力電子技術在單片機中的應用1.電壓過零檢測電壓過零檢測用于可控整流電路、交流調壓電路中,一般以同步電壓過零點作為觸發(fā)電路的相位延遲基準,因此檢測的任務就是通過測量同步電壓過零的時刻,以此點作為單片機計算晶閘管觸發(fā)相位角的起始點。檢測一個正弦電壓信號的過零點的方法很多,最為簡單的方法就是測量電壓的極性變化,也可以使用比較器或其他簡單電路來檢測。2.電流過零檢測電流過零檢測常用于以雙向晶閘管為主的交流電子開關,其主要的目的是實現(xiàn)負載功率的調節(jié),由電子開關控制,使負載導電幾個周期后,又斷電幾個周期,通過改變通電與斷電周期數(shù)的比值來實現(xiàn)對負載功率的調節(jié),即所謂的調功器。上一頁下一頁返回9.1電力電子技術在單片機中的應用與移相式控制方法相比,其主要的優(yōu)點是控制簡單,且通電時負載電壓波形為完整正弦波,諧波含量小。電流過零檢測最簡單的方法是將電流信號轉化為電壓信號,再按電壓過零檢測的方法進行檢測。當然采用這種檢測方法時需要在負載上串聯(lián)一個采樣電阻,或在負載電流較大時采用電流傳感器來獲取電流信號,然后經過放大和電平變換才與單片機連接。這至少需要一個額外的運算放大器及其相關元件,電路復雜了很多。下面介紹一種利用雙向晶閘管門極電壓檢測電流過零的方法。上一頁下一頁返回9.1電力電子技術在單片機中的應用對于交流電子開關的應用,通常采用雙向晶閘管器件,它也有三個極,但沒有陽極和陰極之分,分別稱為第一電極T1、第二電極T2和控制極G。一般第一電極T1靠近G極,它們之間的正、反向電阻都很小,而第二電極T2離控制極G較遠,它們之間的阻值較大。根據(jù)負載電流和雙向晶閘管的特性,在電流過零時,門極G到T1極的電壓VG可低至0.1V或大于1.2V,因此使用窗口比較器監(jiān)視該電壓,即可檢測到電流過零。窗口比較器的監(jiān)視電路如圖9-5所示。上一頁下一頁返回9.1電力電子技術在單片機中的應用圖9-5中門極電壓VG相對于T1極可正可負,取決于負載電流的方向。也就是說,VG相對于數(shù)字電路電源而言是交變的,使用LPC系列單片機的內部比較器組成窗口比較器時被監(jiān)視電壓VG必須通過電阻R4和R5分壓,使其低于數(shù)字電路電源電壓并處于比較器的操作電壓范圍內。R1、R2和R3組成分壓電路,使輸入比較器正向輸入端的電壓限制在設置的過零點窗口附近。電流的過零檢測也非常適合監(jiān)視雙向晶閘管的狀態(tài),如果晶閘管意外地發(fā)生換流,單片機可通過窗口比較器檢測到門極電壓變化,并進行相應的處理,如重新觸發(fā)晶閘管,發(fā)出警告信號或關閉晶閘管。此外,上述各種檢測電路與單片機之間可直接相連,也可通過光電隔離電路等相連,這需要根據(jù)實際情況來決定。上一頁下一頁返回9.1電力電子技術在單片機中的應用9.1.3觸發(fā)脈沖控制的實現(xiàn)方法相位控制要求以變流電路的自然換相點(即用二極管替代晶閘管時,對應位置二極管導通的時刻)為基準,經過一定的相位延遲后,再輸出觸發(fā)信號使晶閘管導通。在實際應用中,自然換相點通過同步信號給出,再按前面介紹的同步電壓過零檢測的方法在CPU中實現(xiàn),并由CPU控制軟件完成移相計算后,按移相要求輸出觸發(fā)脈沖。下面主要介紹如何實現(xiàn)相位的延遲計算。上一頁下一頁返回9.1電力電子技術在單片機中的應用在單片機控制系統(tǒng)中,晶閘管觸發(fā)相位的延遲可以通過CPU內部定時器計算產生。仍以LPC系列單片機為例,單片機檢測的同步信號過零時刻作為觸發(fā)相位延遲定時器計算的起點,而定時器的定時時間常數(shù)則需要根據(jù)檢測的同步信號周期(一般用另一個定時器來測量)和應延遲的觸發(fā)相位大小進行計算。假定0°~180°的觸發(fā)相位延遲角以8位二進制數(shù)的形式給出,觸發(fā)相位延遲角指令的分辨率為0.7°,此8位二進制數(shù)D與觸發(fā)延遲角α的關系為上一頁下一頁返回9.1電力電子技術在單片機中的應用設單片機定時器計數(shù)脈沖的周期為Ts,在此計數(shù)周期條件下,經過內部定時計數(shù)測量的同步信號周期計數(shù)值為T,即360°角對應的計數(shù)值為T,那么在相同的定時計數(shù)周期下由式(9-1)推導可得到觸發(fā)延遲角α對應的計數(shù)值TN為將式(9-2)計算的定時計數(shù)值變換成定時初值裝入定時器后,并在檢測的同步信號過零時刻起動定時器工作,當定時器溢出時輸出觸發(fā)脈沖,即可獲得所需的脈沖延遲相位。在單片機中,所有這些處理都可完全通過中斷來實現(xiàn)。上一頁下一頁返回9.1電力電子技術在單片機中的應用在三相電路中,觸發(fā)脈沖信號輸出的時序也可以由單片機根據(jù)同步信號電平情況來確定。以圖9-6(a)所示的三相橋式可控整流電路為例,當A相同步電壓信號被LPC單片機檢測,得到矩形波的電平信號,設它們的相位關系如圖9-6(b)所示,這時,單片機實現(xiàn)輸出脈沖時序的計算通常有兩種方法:第一種方法是每相都用一套獨立的同步電壓信號和定時器來完成觸發(fā)脈沖的定時輸出,此時需要三個同步電壓信號和三個定時器。以A相為例,單片機在完成同步檢測和相位延遲定時后,輸出觸發(fā)脈沖,但該脈沖送A相的哪個晶閘管則由同步信號電平決定。當同步信號為高電平時,觸發(fā)脈沖送V1晶閘管,反之,同步信號電平為低,則送V4晶閘管,其他相以此類推。這種方法簡單,容易編程實現(xiàn),但需要單片機的資源較多。上一頁下一頁返回9.1電力電子技術在單片機中的應用第二種方法是用一個同步電壓信號和一個定時器來完成觸發(fā)脈沖的計算,這在三相電路對稱時是可行的。因為三相完全對稱,各相彼此差120°,電路每個60°需要換流一次,且換流的時序事先是已知的。該方法與第一種方法比較,所用單片機資源少,只要一個同步信號,電路也簡單,但軟件計算工作量稍大些。上一頁下一頁返回9.1電力電子技術在單片機中的應用9.1.4觸發(fā)脈沖控制的軟件設計根據(jù)前面的分析,由單片機產生所需的晶閘管移相觸發(fā)脈沖,必須包括同步電壓檢測環(huán)節(jié)、移相延遲角定時環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖時序分配環(huán)節(jié)等部分,它與模擬電路實現(xiàn)的方法是類似的,下面以單個同步信號的系統(tǒng)為例來說明控制軟件的設計方法?？刂艭PU選用MCS-51系列的AT89C2051小型單片機。AT89C2051是一種精簡緊湊型51單片機,其將一些資源予以簡化,另外加強了其他方面的一些功能。單片機芯片僅有20個引腳,封裝如圖9-8所示。上一頁下一頁返回9.1電力電子技術在單片機中的應用該單片機的特點如下:?內部繼承2KB的Flash。?2.7~6V的工作電壓范圍。?晶振工作范圍:0~24MHz。?兩級程序內存鎖。?15個I/O口線(比40個引腳的51芯片要少很多)。?6個中斷源。上一頁下一頁返回9.1電力電子技術在單片機中的應用?直接驅動LED的輸出端口。?內部集成模擬比較器。?低電壓休眠和節(jié)能模式。移相觸發(fā)脈沖控制系統(tǒng)的硬件連接如圖9-9所示。同步檢測信號在發(fā)生正跳變時,經反相后,以外部中斷的形式向CPU的INT0(引腳6)提供同步指令,并采用CPU內部T0定時器檢測同步信號的周期,用T1定時器實現(xiàn)移相相位角的定時控制,P1端口的P1.2~P1.7(引腳14~19)分別用于輸出三相橋式整流電路T1~T6的觸發(fā)脈沖信號,而P1口的P1.0~P1.1(引腳12~13)可預留作為片內比較器使用,通過外接RC網絡實現(xiàn)A/D轉換功能,對移相觸發(fā)角指令進行采樣。關于利用片內比較器實現(xiàn)A/D轉換的方法本書不再介紹,讀者可參考有關書籍和資料。上一頁下一頁返回9.1電力電子技術在單片機中的應用由于MCS-51系列單片機在CPU加電復位期間,所有端口輸出為高電平,為避免復位期間所有晶閘管存在驅動信號,應采用低電平為有效觸發(fā)信號。即當端口輸出為低電平時,經外加反相器變?yōu)楦唠娖胶笥|發(fā)晶閘管導通,輸出觸發(fā)脈沖的寬度也通過定時器T1來控制。產生移相觸發(fā)脈沖的控制軟件流程圖如圖9-10所示。9.1.5晶閘管觸發(fā)脈沖的驅動由單片機產生的觸發(fā)脈沖信號,經單片機I/O端口輸出,能否直接觸發(fā)晶閘管導通,不僅與晶閘管的門極觸發(fā)參數(shù)有關,而且與單片機I/O口的結構和驅動能力有關。一般來說,如果單片機I/O口的結構是推挽模式,則輸出MOSFET不管輸出為1或輸出為0都能保持較低的輸出阻抗,因而具有一定的電流驅動能力。上一頁下一頁返回9.1電力電子技術在單片機中的應用要有效地觸發(fā)晶閘管導通,在負載電流上升到大于晶閘管維持電流之前,必須保持門極觸發(fā)電流大于晶閘管門極觸發(fā)所需的最小電流IGT。因此只有在單片機I/O口驅動電流大于晶閘管門極觸發(fā)所需的最小電流IGT時,才可能用單片機直接驅動。例如,LPC系列單片機的單個口線的最大驅動能力IOL為20mA,PhilipsH象限D型雙向晶閘管的門極觸發(fā)電流僅需幾毫安(額定為16A的BTA216-600D晶閘管,僅需5mA)。因此使用一個口線可以輕易驅動此類晶閘管。對于靈敏度最低、換流性能最好的B型雙向晶閘管(如BTAZ16-600B),可用三個LPC口并行驅動以達到50mA以上觸發(fā)電流的要求。當然這對I/O口非常有限的單片機來說,實在是一種浪費。上一頁下一頁返回9.1電力電子技術在單片機中的應用圖9-12中,I/O指單片機的任何具備I/O功能的端口,如196單片機的高速I/O端口HSO、51單片機的P3口等。單片機通過I/O口輸出邏輯電平信號,經74LS07進行初步驅動后,驅動光耦TIL117,光耦的輸出信號經晶體管等電路調理輸出至隔離變壓器T,然后經過二極管和電阻組成的抗干擾和隔離電路將驅動信號通過G、K輸出晶閘管的驅動信號。此外,采用集成驅動芯片或器件也是可行的。例如,美國國際整流公司的IR2130等芯片,UNITRODE公司的UC系列芯片,瑞士CONCEPT公司的SCALE芯片等都可驅動各種電力電子器件。上一頁返回9.2電力電子技術在電力系統(tǒng)的應用9.2.1無功功率補償器電力電子技術在電能的發(fā)生、輸送、分配和使用的全過程都得到了廣泛而重要的應用。柔性交流輸電系統(tǒng)也稱靈活交流輸電系統(tǒng)(FlexibleACTransmissionSystems,FACTS),包括晶閘管投切電容器(TSC)、晶閘管控制電抗器(TCR)、晶閘管控制的串聯(lián)補償電容器(TCSC)等,它們都屬于無功功率補償器。下一頁返回9.2電力電子技術在電力系統(tǒng)的應用

1.晶閘管投切電容器(TSC)利用機械開關(接觸器觸點)投入或者切除電容器可以控制電網中的無功功率,來提高電網的功率因數(shù),這種方式在電容器投切時會對電網產生較大的電流沖擊。由反并聯(lián)晶閘管構成的交流電力電子雙向開關來代替機械開關,就組成了晶閘管投切電容器(TSC),如圖9-13所示。TSC運行時晶閘管投切原則:在滿足無功功率補償要求的情況下,保證晶閘管導通,使電容器投入時不產生電流沖擊。為此,電容器投入之前預先充電至電源峰值電壓,電容器投入時,使流經其電流為零,沒有沖擊,之后按正弦規(guī)律變化,如圖9-14所示。如果需要切除電容器,去掉晶閘管上的觸發(fā)脈沖即可,兩個器件在電流過零時關斷。上一頁下一頁返回9.2電力電子技術在電力系統(tǒng)的應用

為了降低成本,實際使用中常采用晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的TSC電路,如圖9-15所示。這是由于二極管的作用,在電路不導通時uC總會維持在電源電壓峰值處,缺點是響應速度慢一些,電容器投切最大滯后一個周期。2.晶閘管控制電抗器(TCR)負載近似為純感性負載,晶閘管的移相范圍是90°~180°。調節(jié)觸發(fā)角α,可連續(xù)調節(jié)流過電抗器的電流,從而調節(jié)電路從電網中吸收的無功功率。與電容器相配合,可以在從感性到容性變化的范圍內對無功功率進行連續(xù)調節(jié)。圖9-17分別給出了TCR電路在觸發(fā)角α為120°、135°和150°時的負載相電流和輸入線電流波形。上一頁下一頁返回9.2電力電子技術在電力系統(tǒng)的應用

3.晶閘管控制的串聯(lián)補償電容器(TCSC)在長距離交流輸電系統(tǒng)中,用晶閘管控制的串聯(lián)補償電容器來提高輸電線路的電能輸送容量、降低電壓波動已有很長的歷史,已成為靈活交流輸電系統(tǒng)中的主要項目。由于輸電線路的電抗大,所能傳輸?shù)墓β蕵O限就越小,在輸電線路中串聯(lián)接入電容器可以補償線路的電感,從而提高輸電線路的輸電能力,改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖9-18是TCSC電路及波形。為了改變串聯(lián)電容的大小,可將一定容量的電容C與一個晶閘管電抗器相并聯(lián),再串聯(lián)接入輸電線路中。通過對晶閘管進行移相控制,改變等效電感的大小,從而連續(xù)調節(jié)圖9-18(a)中A、B兩點間的等效電容XC,補償輸電線路的感抗XL。此外,還可以調控線路B點的電壓,改變輸電線路或電網中的有功功率、無功功率潮流分布,使之最優(yōu)化。上一頁返回9.3電力電子技術在新能源領域的應用9.3.1光伏發(fā)電太陽能是地球其他各主要能源的最初來源,是一種重要的可再生能源。太陽能的利用方式有熱利用(如熱水器)、光化學利用和光伏利用等。其中,太陽能發(fā)電包括熱動力(水流和氣流)發(fā)電和目前普遍采用的光伏(Photovoltaic,PV)發(fā)電。光伏發(fā)電由太陽能電池實現(xiàn),太陽能電池單元是光電轉換的最小單元,其所能產生的電壓較低(Si電池約為0.5V/25mA),一般需要將電池單元進行串、并聯(lián)組成太陽能電池組件,眾多太陽能電池組件再進行串并聯(lián)后形成太陽能電池陣列才能實際應用。太陽能發(fā)電系統(tǒng)只有在白天有陽光時才能發(fā)電,因此系統(tǒng)需要儲能單元將日間發(fā)出的電能儲存起來以便發(fā)電系統(tǒng)連續(xù)供電。下一頁返回9.3電力電子技術在新能源領域的應用

太陽能電池陣列發(fā)出的電能是直流電,用電設備一般需要交流供電,所以系統(tǒng)中需要由逆變電路將直流電變換為交流電供交流負載使用。典型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)結構如圖9-21所示。系統(tǒng)由光伏電池陣列、DC/DC變換器、DC/AC變換器、控制器、蓄電池等組成。DC/DC變換器在光伏電池與電網或負載之間建立一個緩沖直流環(huán)節(jié),根據(jù)網壓需求提升或降低光伏電池電壓、維持直流電壓穩(wěn)定。DC/AC變換器產生合適的交流電能注入電網。上一頁下一頁返回9.3電力電子技術在新能源領域的應用

光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為獨立和并網發(fā)電系統(tǒng)。獨立發(fā)電系統(tǒng)不與大電網并網,只在較小范圍內給負載供電。并網發(fā)電系統(tǒng)與電網連接,利用大電網,使供電的穩(wěn)定性和電能品質得到保證,并且可以取消能量儲存環(huán)節(jié)。光伏并網逆變器的拓撲結構是逆變器的關鍵部分,關系著逆變器的效率和成本。一般情況,拓撲結構可以大致分為單級并網模式和兩級并網模式兩種。單級式光伏并網系統(tǒng)拓撲結構示意圖如圖9-22所示,主要特點:通過光伏電池陣列串聯(lián)提升直流側電壓等級,滿足并網逆變器正常工作時所需的直流母線電壓,通過一次變換將直流功率轉換成交流功率并饋送到電網上。與此同時,通過對逆變器并網功率的控制實現(xiàn)對光伏電池陣列最大功率點的跟蹤上一頁下一頁返回9.3電力電子技術在新能源領域的應用9.3.2風力發(fā)電在風力發(fā)電系統(tǒng)中,目前主流機型主要包括籠形異步發(fā)電機、直驅式永磁同步風力發(fā)電機、雙饋式風力發(fā)電機。1.直驅式永磁同步風力發(fā)電機直驅式永磁同步風力發(fā)電機組(Direct-drivePermanentMagnetSynchronousGenerator,D-PMSG)包括風力機、永磁同步發(fā)電機及全功率變流器等主要器件。風力機與永磁同步發(fā)電機之間沒有經齒輪箱,它們直接驅動,定子通過全功率變換器接入電網。其結構如圖9-24所示。上一頁下一頁返回9.3電力電子技術在新能源領域的應用

與其他類型的風力發(fā)電機組相比,直驅式永磁同步風力發(fā)電機組具有如下優(yōu)點:①無齒輪箱;②在風力發(fā)電機組與電網之間使用了全功率變流器,從而電網故障對風力發(fā)電機組的影響較小,實現(xiàn)了發(fā)電機與電網的解耦;③發(fā)電機側可以實現(xiàn)變速運行,以滿足最大風能捕獲的要求,而且調速范圍更寬;④可以實現(xiàn)網側變流器的有功和無功控制。當電網故障時,能提供無功支持。上一頁下一頁返回9.3電力電子技術在新能源領域的應用

2.雙饋式風力發(fā)電機雙饋式發(fā)電機(Double-FedInductionGenerator,DFIG)的結構是在繞線轉子異步電動機的轉子回路中接入一個變頻器實現(xiàn)交流勵磁,其并網結構如圖9-25所示。采用雙饋感應發(fā)電機時,發(fā)電機定子繞組直接接到電網上,轉子上的雙向功率變流器組的另一端也接入電網。用于雙饋式異步風力發(fā)電系統(tǒng)的交流勵磁變流器主要有交直交電壓型變流器(兩電平雙PWM變流器)、晶閘管相控交交直接變流器(周波變換器)、矩陣式交變流器。其中,兩電平電壓型雙PWM變流器的控制最簡單、可靠,技術上最成熟,目前應用最多。還可采用諸如多電平等技術的變流技術。上一頁返回9.4電力電子技術在電源技術中的應用9.4.1開關電源開關電源指通過控制電力電子開關的通斷比對電能的形式進行變換和控制的變流裝置。我們通常所說的開關電源是專指變流裝置中的直流電源。開關電源的控制有其專門的集成電路。開關電源產生之前,主要使用線性穩(wěn)壓電源。由于開關電源具有效率高、穩(wěn)壓范圍寬、體積和質量小等特點,除了對直流輸出電壓的紋波要求極高的場合外,開關電源正全面取代線性穩(wěn)壓電源。通信電源、電鍍裝置及電焊機等中等容量的電源,開關電源也在逐步取代相控電源。開關電源已成為直流電源的主要形式,在電子、電氣、通信、航空航天、能源、軍事及家電等領域是一種應用廣泛的電力電子裝置。下一頁返回9.4電力電子技術在電源技術中的應用交流輸入電壓經整流濾波后,將得到的直流電壓供給DC/DC變換器,DC/DC變換器是開關電源的核心,其主電路就是不隔離和帶隔離的直流變換器。當前關于DC/DC變換器拓撲的研究眾多,特點鮮明。按照輸入側和輸出側之間是否帶有電氣隔離將DC/DC變換器分為兩類:非隔離型DC/DC變換器和隔離型DC/DC變換器?；镜姆歉綦x型DC/DC變換器包括Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Zeta和Sepic變換器。目前最為常見的非隔離型雙向DC/DC變換器是通過開關管上反并聯(lián)二極管和二極管上反并聯(lián)開關管后得到的雙向Buck-Boost變換器,其拓撲如圖9-30(a)所示。這種變換器結構簡單,使用的元器件少,成本低。上一頁下一頁返回9.4電力電子技術在電源技術中的應用但開關管的電壓應力高,輸出電壓極性為負。為有效降低加在開關器件上的電壓應力,可采用四管雙向Buck-Boost變換器,它能夠輸出正極性的電壓,缺點是使用的功率器件增加,提高了成本。四管雙向Buck-Boost變換器拓撲如圖9-30(b)所示。非隔離型雙向DC/DC變換器拓撲簡單,易于實現(xiàn),但是受到輸入、輸出電壓比限制,在寬輸入、輸出電壓范圍下,變換器功率密度會降低,同時因為不具備電氣隔離,所以在要求有較大的電壓傳輸比和需要電氣隔離的場合時,需要考慮采用隔離型雙向DC/DC變換器。上一頁下一頁返回9.4電力電子技術在電源技術中的應用當前關于隔離型雙向DC/DC變換器的拓撲研究有正激雙向DC/DC變換器、反激雙向DC/DC變換器、推挽雙向DC/DC變換器、半橋雙向DC/DC變換器及全橋DC/DC變換器等。其中,隔離型全橋雙向DC/DC變換器因其易實現(xiàn)軟開關、高可靠性、高功率密度和結構對稱等優(yōu)點,成為了微電網儲能系統(tǒng)中首選的電力電子接口裝置。相對于其他幾種隔離型雙向DC/DC變換器拓撲,隔離型全橋雙向DC/DC變換器開關管所承受的電流、電壓應力較小,適用于大功率、電壓變比較大、需要電氣隔離的場合,如電動汽車充放電系統(tǒng)、航空電源、不間斷電源等。隔離型雙向全橋DC/DC變換器的拓撲如圖9-31所示。上一頁下一頁返回9.4電力電子技術在電源技術中的應用9.4.2不間斷電源一些重要用電設備需要不間斷的高質量的電力供應,如通信、計算機、自動化設備、航空航天、金融、醫(yī)院、網絡、政府部門、軍事、應急照明、電梯、消防等領域中的關鍵設備,一旦停電將會造成巨大損失,即使瞬時的供電也可能造成不堪設想的后果。不間斷電源(UPS)能夠在電網供電中斷的情況下保證用電設備的正常供電。UPS是一種含有儲能裝置,以逆變電路為主要組成部分的恒壓、恒頻不間斷電源,可以向用電設備提供輸出穩(wěn)壓精度高、工作頻率穩(wěn)定、輸出失真度小的正弦電壓波。上一頁下一頁返回9.4電力電子技術在電源技術中的應用不論市電電網供電正常與否,在長期運行過程中,能夠把所產生的任何瞬時供電中斷時間控制在5~10ms的范圍內,對于要求嚴格的場合,瞬時供電中斷時間可控制在3ms之內。UPS包括單相輸入單相輸出方式、三相輸入單相輸出方式及單相輸入三相輸出方式。從電路結構上可以分為后備式、在線互動式、雙變換在線式和雙變換電壓補償在線式四類。9.4.3應急電源應急電源(EmergencyPowerSupply,EPS)與UPS相似,用于在電網停電時為負載供電,允許有0.1~0.25s的短時間供電中斷,而UPS的供電中斷時間一般小于10ms。上一頁下一頁返回9.4電力電子技術在電源技術中的應用EPS一般不對輸入交流電進行穩(wěn)壓處理,平時逆變器不輸出功率,但處于起動狀態(tài),一旦市電中斷,立即通過接觸器切換投入。因EPS允許供電中斷時間較長,故對電路和工作模式的設計限制較小,功能和性能都要求較低。EPS與UPS相比結構簡單,設備成本低,大部分時間由市電直接供電,因而耗能小、壽命長、節(jié)能、無噪聲。EPS主要用于消防系統(tǒng)、應急照明、電梯、水泵等場合,負載為混合負載,即容性、感性及整流式非線性負載兼而有之,要求其輸出動態(tài)特性要好,抗過載能力要強,可靠性要高。上一頁返回9.5有源電力濾波器現(xiàn)在在電力系統(tǒng)引起波形畸變的諧波源是多種多樣的,電力系統(tǒng)向非線性設備供電時,這些設備在傳遞(如變壓器)、變換(如交/直流換流器)、吸收(如電弧爐)系統(tǒng)電源所供給的基波能量的同時,把部分基波能量轉換為諧波能量,反注入系統(tǒng),電力系統(tǒng)的正弦波形發(fā)生畸變,電能質量降低,一般認為其主要原因在以下三個方面:一是發(fā)電源質量不高產生諧波;二是輸配電系統(tǒng)產生諧波;三是用電設備產生諧波。這些諧波功率不僅會消耗系統(tǒng)和設備本身的無功功率儲備,影響電力網和電氣設備的安全、經濟運行,而且會危及廣大用戶的正常用電和生產。下一頁返回9.5有源電力濾波器總體來說,電力系統(tǒng)諧波的危害主要表現(xiàn)在以下方面:①通過電力電容器引起諧波放大,導致電容器過載并損壞電容器;②增加旋轉電機的損耗;③增加輸電線路的損耗,縮短輸電線路使用壽命;④增加變壓器的損耗;⑤造成繼電保護、自動裝置工作紊亂;⑥引起電力測量的誤差;⑦干擾通信線路、通信設備的正常工作;⑧延緩電弧熄滅,導致斷路器斷弧困難,影響斷流能力;⑨對其他設備造成影響,導致功率開關器件控制裝置誤動作,影響互感器的測量精度等。上一頁下一頁返回9.5有源電力濾波器因此,消除或降低電網中運行的電力電子裝置所產生的諧波不但是貫徹執(zhí)行國家標準和對相關法規(guī)的技術支持,而且是改善電網電能質量,提高電網運行效率,維護電氣設備的安全穩(wěn)定運行的電氣環(huán)境所迫切要求的。隨著PWM技術、大功率可關斷器件的快速發(fā)展,以及高性能數(shù)字控制技術的不斷推出,電能質量的控制和管理技術得到了大量的研究和應用。目前最具代表和影響的電能質量控制器主要包括動態(tài)電壓調節(jié)器、有源電力濾波器、靜止無功補償器、統(tǒng)一電能質量管理器等。其中對電網中大量的非線性負