双向四象限控制及应用技术

双向四象限控制及应用技术

一、概述

电力电子电路是指由半导体电力电子器件组成的电路，随着技术进步已发展了多种电力电子电路，按变换功能可分为直流变换电路（DC/DC）、交流变换电路（AC/AC）、整流电路（AC/DC）、逆变电路（DC/AC），按控制方式可分为相控式、频控式、斩控式、组合式，按电能流传方向可单向电路、双向电路，按电隔离能力可分为隔离型与非隔离型，按开关环境可分为电硬开关电路与软开关电路。

所有的电力电子电路均包含功率电路与控制电路两部分，功率电路又称主电路，它依靠功率器件的开关性能和电路结构实现电能变换；控制电路是根据采用的控制策略和工具对控制信号（含主控和反馈等信号）进行必要的加工处理以形成功率器件控制极信号，实现对电能的变换与控制，随着PID（功率集成器件）和PIC（功率集成电路）的发展，这两部份电路无论在制作工艺和电路结构等方面日益紧密相连。

单向电路是指电能只能从电路的输入端向输出端负载输送的电路，如直流变换电路中的单象限电路；相反双向电路的电能则可在电路出入端之间来回流传。如直流变换电路中的多象限电路。若忽略电路内耗，电路出入端的功率平均值应相等。但功率瞬时值并不对应，也即出端功率平均值为正，其瞬时值在某些时区可为负，存储在负载中的能量在该时区中经电路反馈到电源；对于带有源负载的直流变换电路，负载功率瞬时值为负不止是载波周期的某些时区，而是持续一段时间，例如车辆减速制动过程的大部分时间。若电路具有双向功能，则负载多余的能量将经是电路反馈到电源。在该过程中，电路出入端功率平均值皆为负。无论从提高电路性能和节能等方面，双向电路均优于单向电路。随着技术的进步，双向电路的应用日广。

单象限、双象限、四象限控制的特点：1、当变换电路出端电压和电流只维持一种极性时称为单象限电路，若负载为直流电动机，则仅能运行于正转电动状态，构成不可逆调速系统。2、若出端电压或电流平均值极性为可变时称为双象限电路，若负载为直流电动机，则可工作于电动和制动双种状态。3、若变换电路出端电压和电流平均值极性均为可变时称为四象限电路，若负载为直流电动机，则可工作于正、反转电动和制动状态，构成直流可逆调速系统。单象限电路是最基本的电路。而多象限电路是利用不同拓扑的单象限电路复合而成，例如电流双象限电路是利用两个不同的单象限电路复合而成等。

双向四象限技术已成功应用于直流调速系统、有源电力滤波器、UPS、变频率器等领域，利用双向电路的四象限控制实现节能、改善电能质量、复杂控制应用等要求。使产品具有效率高、成本低、体积小、功能强等优点。

二、直流调速系统中的应用

可逆直流调速系统带反抗型负载，其转矩特性如图1所示，反抗性负载转矩是恒转矩负载的一种常见形式，是由摩擦阻力产生的转矩，故又称摩擦转矩，其特点是不管运动方向如何，其转矩与电动机转速恒保持同号，即始终是制动转矩，常见的生产机械中如起动机的行走机构等。

图1 转矩特性

双极性PWM四象限桥式电路带他激式直流电动机负载时的开环转速公式可表示为：

（2D-1）n o- Io r o/Ceφ（1）

n =

（2D-1）n o+ Io r o/Ceφ（2）

式（1）适用于第一和第四象限（Io>0）:当0.5

式（2）适用于第二和第三象限：当0.5

三、有源电力滤波器（APF）中的应用

非常严重的问题。为了消除无功和谐波对电网造成的污染，有源电力滤波器(APF)得到了飞速发展，其主电路就是双向四象限运行。其采用的控制方法主要分为三角载波线性控制、滞环比较控制、无差拍控制3种类型。这些方法均存在一定的缺陷，如三角载波的波形畸变，滞环控制开关频率变化以及畸变电流检测的快速

实时响应等。随着微机控制技术的不断发展以及数字信号处理器(DSP)运算速度的不断提高，无差拍控制法，单周控制法及其他快速优化控制法将在APF中得到进一步的应用。

单周控制法作为一种非线性控制法，最早由美国学者Keyue M.Smedley 和Slobodan Cuk提出。其基本思想是：控制开关的占空比，使每个周期内开关量的平均值与控制参考信号相等或成一定比例，从而消除稳态和瞬态误差。目前已成功地应用到DC-DC变换、音频开关放大器、功率因素校正和有源电力滤波器等。本文所提出的基于DSP的单周控制有源电力滤波器不仅结构简单可靠，而且具有很好的动态和静态补偿特性及控制器简单的优点。抗电源干扰能力强，鲁棒性好。

1. 单周控制

单周控制原理如图1所示，它由控制器、1个比较器、1个可复位积分器及时钟组成，其中控制器可以采用RS触发器或D触发器。开关K，K1为一对互补的开关，频率为fs=1／Ts。在每一个周期开始，即t=0时，时钟信号到，开关K 闭合，K1断开，输出y(t)的波形和输入x(t)的波形相同，积分器由0开始积分。在t=dTs时(其中d为占空比，d=Ton／Ts，根据模拟控制参考vref调制，且0

从图1中可以看出，输人信号x(t)被开关斩波形成输出信号y(t)，输出信号y(t)

的频率和脉宽是与开关函数一致，而输出信号y(t)的包络线与输人信号x(t)一致。占空比D为模拟控制参考信号Vref所调制，从而达到对控制变量平均值进行控制的目的。

2、主电路分析与控制量关系

图2为包括电源电压US、非线性负载、电压源型变换器以及DSP单周控制器构成的单相并联型APF主电路，其中L为输出滤波电感；C为储能电容；RS为电流取样电阻。

如果图2中开关S1，S2，S3和S4采用单周控制器输出的调制脉宽波进行控制，并分别设开关S1，S2在一个时钟控制周期中导通的占空比为d1和d2；相应地开关S3，S4在一个单周期内开通的占空比则分别为(1-d1)和(1-d2)。

APF工作时能量在交流电源和APF直流侧电容之间交换，故变换器应工作在四象限。在电源电压US的正半周，开关S4应该始终开通，同时S2则始终关闭，开关S1，S3由脉宽调制波控制其互补开闭；在电源电压US的负半周，开关S3应该始终开通，同时S4则始终关闭，而S1，S2由脉宽调制波控制其互补开闭。根据单周控制原理，由图2可知，在一个单周期内有下式(1)：

其中Ts为开关周期。由于在一个单时钟周期内，电容电压uc、电源电压us和电感电压uL均可以视为常数，可以被提到积分号外面，因此可得：

式(3)就是主电路中交流电压与变换器直流侧电压的关系。然而，式(3)似乎表明直流电压等于交流电压。实际不然，式(3)所表示的实际上是在一个时钟控制周期内，交流电压与直流电压的关系。

3 控制模型

在APF控制下，从电源角度看，APF与非线性负载并联后构成的总负载应该有单位功率因数，即单周控制APF的控制目标就是使电源的总负载呈电阻性，即电路

应该满足下式：

式(6)即为单相并联型APF的单周控制模型。在式(7)的控制关系成立时，电路中的电压电流关系也必然使式(4)成立，即使电路具有单位功率因数。式(7)中u'c实际上可以对变换器直流侧电容电压做适当分压并经过比例调节器得到，而Rs为与电源串联的取样电阻。同时，式(7)的单周控制模型表明：对电容电压的分压值进行积分，积分输出与式(7)右边的Rsis或-Rsis进行比较，根据比较结果来决定是否使积分器复位，即决定开关的占空比。

由以上分析及式(7)可得到图3的单相并联型APF单周控制模型。该模型采用2个独立复位积分器分别满足式(7)中2个式子的比较量需要。

三、在变频器中的应用

在上个世纪80年代末，交流变频调速逐渐登上了工业传动调速方式的历史舞台。变频调速在调速范围、调速精度、控制灵活、工作效率、使用方便等方面都有很大的优点，这使变频调速成为最有发展前途的一种交流调速方式。

普通的变频器大都采用二极管整流桥将交流电转化成直流，然后采用IGBT 逆变技术将直流转化成电压频率皆可调整的交流电动机。这种变频器只能工作在电动状态，所以称之为两象限变频器。由于两象限变频器采用二极管整流桥，无法实现能量的双向流动，所以没有办法将电机回馈系统的能量送回电网。在一些电动机要回馈能量的应用中，比如电梯，提升，离心机系统，只能在两象限变频器上增加电阻制动单元。将电动机回馈的能量消耗掉。另外，在一些大功率的应用中，二极管整流桥对电网产生严重的谐波污染。

IGBT功率模块可以实现能量的双向流动，如果采用IGBT做整流桥，用高速度、高运算能力的DSP产生PWM控制脉冲。一方面可以调整输入的功率因数，消除对电网的谐波污染，让变频器真正成为“绿色产品”。另一方面可以将电动机回馈产生的能量反送到电网，达到彻底的节能效果。

吉纳电机自2001年开始进行四象限变频器开发和研制工作。到目前已经形成380V、660V两个系列功率等级的成熟的产品和技术，并广泛应用于煤矿和油田领域。

1、四象限变频器的工作原理

四象限变频器的电路原理图如图1所示。

当电机工作在电动状态的时候，整流控制单元的DSP产生6路高频的PWM 脉冲控制整流侧的6个IGBT的开通和关断。IGBT的开通和关断与输入电抗器共同作用产生了与输入电压相位一致的正弦电流波形，这样就消除了二极管整流桥产生的6K±1谐波。功率因数高达0.99。消除了对电网的谐波污染。

此时能量从电网经由整流回路和逆变回路流向电机，变频器工作在第一、第三象限。输入电压和输入电流的波形如图2所示。

当电动机工作在发电状态的时候，电机产生的能量通过逆变侧的二极管回馈到直流母线，当直流母线电压超过一定的值，整流侧能量回馈控制部分启动，将直流逆变成交流，通过控制逆变电压相位和幅值将能量回馈到电网，达到节能的效果。

此时能量由电机通过逆变侧、整流侧流向电网。变频器工作在二、四象限。输入电抗器的主要功能是电流滤波。回馈电流和电网电压波形如图3所示：

2四象限变频器的系统构成

主回路的构成：预充电电路，输入电抗、智能功率模块，电解电容和输出电抗。各部分的功能列举如下：预充电电路：由交流接触器、功率电阻组成及相应的控制回路。主要功能是系统上电时，完成对直流母线电容的预充电。避免上电时强大的冲击电流烧坏功率模块。输入电抗器：电动状态下起储能作用，形成正弦电流波形。回馈状态下，起滤波作用，滤掉电流波形的高频成分。智能功率模块:整流侧和逆变侧IGBT、隔离驱动、电流检测以及各种保护监测功能。电解电容：储能，滤波。输出电抗：降低输出dv/dt，对电机起到一定的保护作用。

3、整流部分

整流部分主要是实现有源功率因数校正与有源逆变放电这个双向功能，实现四象限工作，系统控制方框图如图4所示。

如图4所示，系统的给定是直流母线电压指令，这个指令与直流母线电压反馈的误差送到电压环的PI调节器。电压环的PI调节与三相输入正弦波的乘积成为三相电流的指令，三相电流指令与各自电流所馈作比较，误差送到电流环的PI调节器。电流环PI调节器的输出可以通过载波调制产生各相IGBT的PWM控制信号，也可以通过空间矢量的方式产生PWM信号控制IGBT。上述的运算都是通过DSP完成的。

4、四象限变频器的典型应用

四象限变频器的典型应用是具有位势负载特性的场合，倒如掉升机，机车牵引，油田磕头机，离心机等。

以提升机的应用为倒，当提升重物时，四象限变频器拖动电机克服重力做工，电动机处于电动状态。当下放重物时，逆变侧产生励磁电流，重力牵引电机发电，电动机处于发电状态。势能转化为电能通过整流侧回馈的电网，实现节能。

采用带有PWM控制整流器变频器具有四象限运行的功能，能满足各种位势负载的调速要求，可就电机的再生能量转化为电能送回电网，达到最大限度的节能的目的。不仅如此，它还可减少电源的谐波污染，功率因数可接近于1，是一种真正的“绿色”变频器。

四、在不间断电源（UPS）中的应用

UPS在60年代问世以后，经过20多年的发展和应用，技术已趋于成熟和完善，然后在逆变技术和供电系统方面仍有新的发展，法国梅兰日兰公司的GALAXY UPS和德国Pillar公司的静态/旋转型UPS引起了人们的注意。

GALAXY UPS是梅兰日兰公司1992年底推出的单机容量为40~300KVA的UPS产品，可6台并联运行，输出1200KVA。其中三相逆变器采用双极型晶体管

和PWM技术，选用6个桥臂逆变电路（常规电路为3个桥臂），不需要晶体管并联，每两个桥臂构成一相，每相输出电压调节互相独立，其电气性能和可靠性有明显提高，而且带非线性负载能力强。由于削波频率、削波方式和晶体管控制方法采用独特的设计方法，有效地减小了晶体管开关损耗，整机效率在40%~95%额定负载的范围内达到了95%。

Pillar公司的静态/旋转型UPS的供电系统新颖，综合了传统静态UPS和旋转UPS的优点，克服了静态UPS过载能力差和旋转UPS体积大、笨重的缺点。该UPS采用整流器、蓄电池、逆变器和一个旋转变压器（即交流电动机与交流发电机的组合体），平时由旋转变压器向负载供电，可提供2~3倍额定电流的过载能力。逆变器故障时，由于旋转变压器具有惯性可继续发电，故向旁路电源转换过程中对系统输出电压影响很小，保证了真正的不间断供电。

目前实际应用的UPS绝大部分都属于传统静态UPS系统，传统静态UPS系统至今已使用20多年，技术成熟、运行可靠，但在UPS内部需要经过整流、逆变二级变换，故输入谐波电流较大，效率较低。而近年来国外研制的单极变换UPS，已成为UPS系统的一次革命。该单级变换UPS是由四象限逆变器、蓄电池和电感组成的，由市电经电感直接为负载供电。在供电过程中，通过对逆变器输出电压和逆变器相对市电相角的调节，实现对UPS系统输出电压的调节以及对逆变器从电网吸收有功电流的控制，从而保证了UPS系统输出电压的稳定和对蓄电池的充电（注：当电网电压与逆变器电压相等而相角超前于逆变器时，有功功率会从电网经逆变器流入蓄电池，给蓄电池充电）。如市电停电，则由蓄电池放电给逆变器，由逆变器向负载供电。实现UPS的双向流动。单级变换UPS 系统效率可达97%，系统取消了整流器，无输入谐波电流，所以对电网和油机的影响小。目前这种UPS产品容量，单相为0.5~10kVA，三相为100~200kVA。UPS 系统逆变技术方面。从采用器件到控制方法均在不断更新。逆变器采用的器件有SCR GTO、双极型晶体管、MOSFET、IGBT等，其中双极型晶体管和MOSFET目前应用最多，90年代以来，中小功率的UPS开始采用IGBT。目前实际应用的逆变器大多采用PWM技术，近年来采用零电压转换和零电流转换的LC谐振式逆变器也已研制出来，这是逆变技术的新发展。

电网侧直流侧

逆变器

图1 四象限逆变器控制原理

双向四象限逆变器控制的特点：电网侧电流正弦化及单位功率因数，大大节省电能；既能充电又能放电；可以实现恒压、恒流；按时调定充放电功能；一般采用瞬时电流PWM办法。

双向四象限控制技术已广泛应用于有源电力滤波器、变频器、直流可逆调速系统等领域，随着UPS相关DSP数字控制技术的发展，UPS呈现小型化、全数字化、高频化、高效率、智能化的发展趋势，四象限控制技术应用于UPS，必将引起国内UPS行业的一次新的革命，填补国内UPS四象限控制技术的空白。

五、在电池化成装置中的应用

目前锂离子电池已经在移动电子设备中得到了广泛的应用。随着全球范围能源危机的加剧和锂离子电池的技术水平、使用寿命的提高，大容量锂离子电池得到各电池生产厂商的重视，已经有产品作为重要的动力来源应用于电动汽车。电池生产过程中必须要经过电池化成工序，即在生产过程中需要进行多次充放电才能完成整个电池的生产。目前由于技术和成本因素，国内的电池化成绝大部分还在沿用小容量电池的设备，充电设备效率和网侧功率因数较低，放电时采用将电池内部能量通过电阻放电的方式消耗，造成极大的能源浪费。据估算，电池化成消耗的电能费用可占到生产成本的20%~30%，尤其在大容量化的趋势下，能量浪费则更加明显。同时，单体电池化成过程的数据由人工手动完成，不易形成系统化的数据，电池的性能只能粗略估计，不能形成合理的客观评价，对电池的串联成组使用带来潜在的性能和寿命隐患。因此高效的单体锂离子电池化成设备，不仅可以明显减少能源浪费，，而且统筹规划多只单体电池的化成过程，同时形成完善的数据记录统计，便于电池的使用与管理。

电池化成装置中核心的功率处理是充电模块与放电模块，大容量锂离子电池单体电压在3V~4.2V之间，目前单体动力型锂离子电池的容量可到100Ah 以上，充放电电流在30A~40A 之间。充电模块和放电模块如各自单独采用一套电路拓扑，会带来主电路复杂、控制量较多、体积较大、成本较高等问题，如采用双向四象限控制，可以实现充放电模块的一体化，有结构简单，低成本、体积小等优点，一台装置既是一台高输出功率因数的有源逆变放电装置又是一台高输入功率因数的充电装置。

六、在其它产品中的应用

双向四象限控制技术在风能、太阳能并网发电装置中实现蓄电池的充放电的核心功能。