华中科技大学高等电力电子学研究生课程考试复习重点

第一章序论

1、电力电子学：电力技术（电力设备及网络）、电子技术（电子器件及电路）、控制技术（连续、离散）三者的交叉学科。（器件级-开关元件；电路级-电力电子电路；系统级-电力电子电路及其他辅助电路；）

2、电力电子电路特点：

①优点：使用半导体开关元件，高效快速灵活；

②缺点：半导体作开关，会产生谐波电压和电流；

元件级特点：器件制造水平制约电力电子技术发展，器件使用水平决定电力电子装置的可靠性；

电路级特点：

1）拓扑结构选择多，但要考虑器件的非理想特征；2）电路的非线性、时变特性使分析复杂；

3）控制电路的实时性要求高；

应用层面：开关型电力电子电源；开关型电力电子补偿控制器；

第二章电力电子电路的控制

1、概念：

①电力变换：将一种参数（幅值、频率、波形）的电能转换成另一种参数的电能；

②电力电子变换：利用电力电子半导体开关器件构成开关电路，对电路中的开关器件进行实时、适式的

通断状态控制，将电源输入的电量变换为另一种参数形式的电量。

③电力电子（开关）电路：实施电力电子变换的开关电路；

④电力电子变换器（变流器）：实现电力电子变换的开关电路、加上输入输出滤波环节、辅助元器件和

控制系统构成的整体。

2、电力电子电路的应用：

①电力变换有4个类型（DC/DC、DC/AC、AC/DC、AC/AC）；

②电力电子电源：交流电源+直流电源；电力电子负载：交流负载+直流负载；

③应用：电力电子变换电源；电力电子补偿控制器；

3、开关器件的开关模式：相控、方波、PWM

4、电能质量：供电可靠性+ 频率质量+ 电压质量；主要关注：谐波+ 无功；

第三章有源滤波器APF

1、谐波源：非线性负荷——谐波电流，谐波电流经网路阻抗——谐波电压；

①主要为：铁磁设备、电弧设备、电力电子设备（主要污染源）；

②电压型整流器：电流脉冲，谐波含量60%；电流型整流器：电压方波，谐波含量30%；

2、谐波危害：

①增加损耗，降低使用效率；②热效应，绝缘老化，降低设备使用寿命；

③可能引起电网局部谐振，损坏器件；④引起电力系统保护设备误动作；

⑤电气测量设备计量不准；⑥干扰、损坏电子通信设备

3、无功源：阻感型负载，电力电子装置，电弧炉；

危害：冲击性无功引起系统电压波动和闪变，降低供电质量；增加设备容量；增加损害；降低功率因数。

4、性能指标：

①（总谐波畸变率）；②TDD（总要求畸变率）；

③基波位移因数DF1（基波有功/基波视在功率）；④功率因数PF（有功功率/视在功率）

5、有源电力滤波器APF（active power filter）：

①并联型有源电力滤波器PAPF：

工作机理：补偿负载谐波及无功电流，是电网功率因数为1；相当于谐波和无功电流发生器；

②串联型有源电力滤波器SAPF：

工作机理：补偿负载产生的谐波电压及负载处基波电压压降，使与负载并联的其他负载不受干扰；相当于谐波和基波电压发生器；

③PAPF和SAPF的对比：

PAPF：电流源，补偿负载谐波电流和无功电流，使电源电流正弦化；

SPAF：电压源，补偿谐波电压和基波电压压降，使电网中其他端点电压无谐波，电源电流随之正弦化；

6、有源电力滤波器APF和无源电力滤波器PPF（passive power filter）的对比：

①谐波电流控制：PPF-只能消除特定频率谐波；APF-可同时补偿多种谐波和无功；

②谐波频率变化对其影响：PPF-效果降低；APF-不受影响；

③阻抗变换对其的影响：PPF-受系统参数影响大，可能与电网阻抗谐振；APF-不受影响；

④谐波电流增大的影响：PPF-可能过载；APF-可调控至不过载；

⑤基波频率改变：PPF-不允许；APF-可跟踪电网频率变化，不受影响；

7、其他滤波器：

①混合型电力滤波器：1）APF与LC并联或串联；2）谐振注入电流；

②统一电能质量控制器UPQC（SAPF+PAPF）：同时保证电网侧电流、负载侧电压质量；

工作条件：PAPF电压=基波额定电压；SPAF电流=与基波额定电压同相的基波电流；

工作原理：PAPF补偿谐波电流和无功电流，SAPF补偿谐波电压和基波压降；

第四章逆变器及控制

1、逆变器性能指标：

①THD；②谐波系数HF=谐波电压有效值/基波电压有效值；

③畸变系数DF（distortion）：经LC滤波后输出电压还存在畸变的程度；

分为DF1（一阶滤波器）：Vn/n、DF2（二阶滤波器）：Vn/n2；

2、单相逆变器：

①负载模型：将负载电流处理成逆变器的外部扰动输入量；

②状态空间模型（考点）：逆变器由分段线性（开关器件）和线性（电路其他部分）电路组成；

处理：状态空间平均法：在逆变器输出频率、系统截止频率远小于开关频率的情况下，在一个开关周期内对开关状态的不连续化作低频等效，得到线性化的状态空间平均模型。

缺点：不能反映暂态开关的细节；（其余见PPT）

3、三相逆变器模型：（矩阵见PPT）

①静止ABC坐标系模型：三相间无耦合，可等效为三个独立的单相PWM逆变器；

②αβ坐标系模型：两轴上的状态变量没有耦合，且状态变量内部关系与单相PWM逆变器的状态方程一致；可等效为两个独立的PWM逆变器（前提：平衡的三相PWM逆变器）；

③dq旋转坐标系模型：dq轴间有耦合；三线三线：d、q轴两个控制器；三相四线：d、q、0轴三个控制器；

4、控制器设计：

①控制器分类：模拟控制器+数字控制器；

②控制方式分类：模拟控制、数字控制、数模混合控制；

③控制策略：1）模拟控制策略（滞后校正、超前校正、滞后超前校正、状态反馈控制）；

2）数字控制策略（模拟控制策略+专有数字控制策略——重复控制、误差拍控制等）；

④参数设计方法：

1）模拟控制器依据：连续控制理论（基于频域设计、根轨迹设计、状态空间设计）；

2）数字控制器依据：离散控制理论（模拟化方法、直接数字法）

1.模拟化方法：把基于连续系统设计的模拟控制器离散化成数字控制器（近似处理）；

2.直接数字法：先将带采样保持器的被控对象离散化，在对其离散模型设计数字控制器；

6、离散控制系统的采样频率：采样频率不小于输入信号中最高频率分量的8-10倍；

7、控制参数设计方法：（不用掌握具体设计过程）

①基于频域：串联校正（超前校正+滞后校正+超前滞后校正）+复合校正；

串联校正：

1）超前校正：利用相角特性，增加相位裕度PM，减小振荡、改善动态性能；特例：PD控制；2）滞后校正：利用高频衰减作用，使被控对象的幅值过零点提前，增加PM；特例：PI控制；

3）超前滞后校正：同时保证稳定性、稳态性能、动态性能；特例：PID控制；

复合校正（反馈校正与前馈校正组成）：

优点：既可保持系统稳定性，减小或消除稳态误差，也可抑制可测量扰动量；

1）反馈校正：闭环控制，检测偏差并不断修正偏差以改善系统性能；

2）前馈校正：开环控制，利用参考量或可测量的扰动量产生补偿作用以减小或抵消输出量的误差；3）前馈校正与反馈校正的区别：

1、不用等输出量形成偏差后才纠正偏差，更快，不受系统延迟的影响；

2、没有自动修正偏差的能力，控制精度完全取决于前馈校正装置，抗扰动能力差；

4）复合校正分类：带扰动前馈的复合校正+带输入前馈的复合校正（函数关系见ppt）

1、带扰动前馈的复合校正：实现系统对扰动的静态全补偿；

2、带输入前馈的复合校正：实现对输入量的误差全补偿；

②根轨迹校正：根据根轨迹上零极点的位置设计控制系统；

③重复控制：逆变电源给整流/相控负载供电时，负载扰动和输出电压波形偏差是周期性出现的，针对此特点，利用内模原理进行重复控制算法的设计，根据扰动的重复性逐周期修正输出波形；

不足：动态响应超过一个基波周期，存在动态响应慢的问题；

④误差拍控制：基于状态空间的多变量反馈控制，根据被控对象离散数学模型精确计算控制量并施加于对象，使输出量偏差在一个采样周期内被修正；

第五章PWM

1、PWM相关概念

①调制：确定电力电子电路中开关管从一种开关状态切换到另一种开关状态的开关时刻的方法；

②PWM调制：

通过调节开关管驱动脉冲的宽度，在较高开关频率下获得与目标指令一致的低频输出电压/电流；

工作原理：产生基波伏秒平均值任何时刻都与指令波形相一致的一系列开关脉冲；

目的：减小谐波畸变，提高输入电压利用率，减小开关损耗；

2、单相逆变器PWM调制：

①影响输出波形的因素：1）开关脉冲的宽度；2）一个载波周期内开关脉冲所处的位置；3）每一个及相邻载波周期内，开关脉冲的顺序；

②定频PWM调制：自然采样、规则采样（锯齿波、三角波对称、三角波不对称）、直接PWM；

1）自然采样：参考信号与载波信号的交点处开关切换；

2）规则采样：参考信号与载波信号的交点间开关切换；

缺点：造成固定的相位滞后；改善措施：用参考指令将波形提前相应的相位；

谐波含量：三角波不对称调制<三角波对称调制<锯齿波调制；

③直接PWM：切换原则：变换器的输出与参考指令在每个载波周期内积分值一致（面积等效）；

3、三相逆变器的PWM方式：

①基本概念：与单相一致，三相参考指令间相移120°；

②线电压谐波：不含载波及其倍频成分、（n+1）为偶数次谐波、3倍频谐波；

③三次谐波注入PWM：

1）原因：设直流电源为2Vdc Vdc；

2）原理：在相电压参考指令中注入三次谐波使实际调制系数大于1且不会过调制，且三次谐波在线电压中不会出现（由于相减）；

3）调制系数M∈=1.15]；

④空间矢量脉冲宽度调制SVPWM：

1）开关状态：桥臂上通下断=1，桥臂下通上断=-1，三个桥臂-8个状态；

2）矢量合成原则：伏秒平衡原理；

3）输出相电压基波峰值Vp≤2/Vdc；（调制比同样可达1.15）

4）为了保证一个Ts所有开关只动作一次，∴在Ts/2内安排矢量，Ts内对称分布；

5）调制波=基波分量+零矢量等效的零序分量；零序分量=-kUmax-(1-k)Umin+(2k-1)；

Umax：任意时刻三相相压最大值；Umin：三相相压中最小值；

6）不连续调制（母线箝位调制）：k固定取0或1或在0、1两个数间交替变化；

优点：开关频率降低1/3，损耗降低；缺点：计算频率比连续调制提高1/2；

⑤谐波消除PWM：通过适当控制脉冲宽度，消除输出所含的低次谐波；

⑥最优PWM：通过控制开关脉冲宽度使DF1或DF2最小，同时保证基波电压分量可控；

⑦随机PWM：将输出电压的离散频谱展成连续频谱，使输出的谐波均匀分布在较宽的频带范围内，防

止系统发生谐振；

4、闭环PWM控制：

①滞环控制：闭环控制，将偏差输给滞环比较器，滞环比较器输出驱动脉冲控制开关管；

优点：控制简单，系统鲁棒性好，对系统参数不敏感，动态特性好；

缺点：开关频率不固定，受供电电压和负载参数的影响；

②Delta调制：开环控制，将驱动信号滤波后的输出作为模拟反馈信号，与负载参数、控制对象无关；

第六章电力电子电路的计算机仿真

1、建模仿真：

①系统级仿真：忽略高频分量对系统影响搭建的模型为基础的仿真；

②元件级仿真：尽可能考虑每个元件所有特性搭建的模型为基础的仿真；

2、电力电子开关的模型：

①精确模型：（元件级）用一组可变参数的电阻电容电感组成的网络来精确模拟开关过程；

优点：可进行μs级以下的瞬态特性分析；缺点：运行速度慢，软件收敛性易出问题；

②准精确模型：（系统级）用较小电阻作开关导通模型，较大电阻作关断模型；

特点：ms级瞬态分析满足精确度，用于不需要分析开关损耗、尖峰的场合，相对简单，速度快；

③平均模型：（系统级和辅助分析）用状态空间平均方法，用交流小信号线性模型和直流模型替代；特点：简单，速度极快；

第七章软开关型电力变换器（软开关：①缓冲；②谐振）

1、LC谐振零开关：

①引入原因：缓冲开关只能降低开关损耗，总效率提高并不明显；零开关用于消除开关损耗；

②类型：1、零开关谐振变换器；2、零转换谐振变换器；

1°零开关谐振变换器：谐振电感Lr串接在主电路中；

1）零电压开通ZVS PFM；2）零电压开通ZVS PWM；——IoZr>Vd，Vt>2Vd；

3）零电流关断ZCS PFM；4）零电流关断ZCS PWM；——Vd/Zr>Io，It>2Io；

2°零转换谐振变换器：变换器主电路输入电流不经过Lr，Lr不参与负载通态供电；

1）零电流转换ZCT；2）零电压转换ZVT；

2、ZVS PWM与ZVS PFM比较：

①ZVS PWM：1）有辅助开关T2及Lr、Cr；关断T2可以实现T1的零电压开通；

2）主开关T1、辅助开关T2可以实现零电压开通、软关断；可采用PWM调压；

②ZVS PFM：1）没有辅助开关T2，只有Lr、Cr；

2）靠T1关断引起Lr、Cr谐振造成主开关的零电压开通，只能PFM调压；

③共同点：1）实现零电压开通的条件：IoZr>Vd，

2）主开关及电容最高电压：IoZr+Vd>2Vd；

4、ZCS PWM与ZCS PFM比较：

①ZCS PWM：1）有辅助开关T2及Lr、Cr；开通T2可以实现T1的零电流关断；

2）主开关T1、辅助开关T2可以实现零电流关断、软开通；可采用PWM调压；

②ZCS PFM：1）没有辅助开关T2，只有Lr、Cr；

2）靠T1开通引起Lr、Cr谐振造成主开关的零电流关断条件，只能PFM调压；

③共同点：1）实现零电流关断的条件：Vd/Zr>Io，

2）主开关及电感最大电流：Vd/Zr + Io >2Io；

5、移相全桥零电压开关DC/AC-AC/DC变换器：

①电路分为超前桥臂T1、T2和滞后桥臂T3、T4；

②为什么超前桥臂实现零电压开关比较容易：

∵C1充电、C2放电时，ip较大且恒定不变，∴C2快速放电到0，D快速导通，为T2的零电压开通创造条件；

③为什么滞后桥臂实现零电压开关比较困难：

∵T3导通前，ip快速减小，C3放电时间很长，td必须大于此时间T3才能零电压导通；

第八章功率因数校正器PFC

1、概念：

①电流THD=总谐波电流有效值/基波电流有效值；

②基波位移因数DPF=cos（交流电压与电流基波分量的相位角）；

③基波因数v=基波电流有效值/总电流有效值

2、单相交流不控整理电容滤波的缺点：

可以使输入端的基波电压和电流同相，但电流会含大量谐波，交流电源的功率因数不高；

①交流电压大于电容电压时才有输出电流——电流呈脉冲状，畸变严重；

②直流输出电压不可控；

③相控直流电压较低时，电源功率因数较低；

3、谐波电流对电网的危害：（和第三章有源滤波器APF 中谐波危害差不多）

①流过线路阻抗产生谐波电压，是电网电压也发生畸变；②危害通讯线路；

③使线路、变压器过热，损坏电气设备；④可能引起电网LC谐振；

⑤高次电流流过电网产生的谐波电压，可能使电容器过热、过流而爆炸；

⑥三相四线制电路，中线流过三相的三次谐波之和，使中线过流而损坏；

⑦使整流负载交流输入端功率因数下降，电网设备功耗加大，效率降低；

4、减少谐波、提高功率因数（主要目的）——两种方法：

①无源滤波器：

优点：简单可靠，电磁干扰小；

缺点：电感电容有大充放电电流，可能引起谐振，功率因数一般不高，工作性能受频率、负载、输入电压变化的影响，体积重量大；

②有源功率因数校正器APFC 或高频PWM整流；

优点：功率因数高，THD小，可在宽范围输入电压下工作，体积重量小，输出电压恒定；

缺点：单相PWM整理；

APFC——含有有源功率因数校正环节的单相整流；

5、含升压型功率因数校正器的高频整流：

①主电路：单相桥式不控整理；Boost变换器；

②控制电路：

1）电压误差放大器VAR；2）电流误差放大器CAR；3）乘法器；4）比较器；5）驱动器；

③电路特点：1）Boost变换器，实现DC/DC升压变换；2）控制电路=电压外环+电流内环；

3）升压电感中电流收到连续监控和调节，使之跟随整流后正弦半波电压波形；

④APFC控制思想：控制已整流后电流，与整流后电压波形相同，避免电流脉冲形成，改善功率因数；

⑤Boost型APFC优缺点：

优点：1）输入电流连续，电磁干扰小；2）开关器件电压不超过输出电压值；

3）有许多现成的集成控制电路芯片可选；

缺点：1）输入、输出间无绝缘隔离；2）适用于1Kw~2Kw以下负载；

6、三相PFC：

①12脉波整流电路：

特点：除基波外，仅含12k±1次电流谐波；

优点：1）引入Boost变换器后，功率因数提高；2）控制简单，成本较低，使用滤波器较小；

缺点：1）电压、电流应力大，5次谐波大；2）要提高功率因数，必须提高直流电压；

②三个单相PFC组成三相PFC：

优点：利用单相较成熟的PFC技术，由3个单相PFC同时供电，控制简单；

缺点：元器件较多，成本高；

③三相六开关PFC：

优点：交流电压输入电流正弦化理想，功率因数接近1；动态响应速度快；体积重量减少；

缺点：开关管数量多，控制较为复杂；

④交流/直流双向PWM变换器：

1）整流状态：变换器交流输入端电压V i相位滞后V S时，有功电流为正，交流电源向变换器输出有功；2）逆变状态：变换器交流输入端电压V i相位超前V S时，有功电流为负，交流电源向变换器输入有功；总结：1、两个交流电源间的有功电流/功率，总是从相位超前电源流向相位滞后电源；

2、电压数值高的电源才可能向低电源输出感性无功电流/功率；

⑤三相电压型高频PWM整流控制系统（原理框图见ppt）：

1）采用电压闭环控制：因为电容上电压必须恒定；

2）整流负载或直流电压指令改变时，改变有功电流指令以改变交流电压送入变换器的有功电流/功率；3）交流电压电压、直流负载任意变化时，电压闭环控制可使直流输出电压维持恒定；

第九章多电平变换器

1、多电平优点：

①更适合大容量、高电压场合；

②可产生M层阶梯输出电压，对其调制可以得到很好的正弦波，含谐波数很低；

③电磁干扰减轻，一次动作的dv/dt是普通双电平的1/(M-1)；

④系统总损耗小，效率高；

2、各种多电平：

①二极管箝位式多电平逆变器：

优点：1）输出电压谐波含量小，近正弦；2）阶梯波调制，器件在基频下工作，开关损耗小，效率高； 3）电磁干扰减轻，一次动作的dv/dt是普通双电平的1/(M-1)；

缺点：1）不同级的直流侧电源电压在传递有功功率时出现不均衡现象；2）需要二极管数目非常多；

②电容箝位式多电平逆变器：

优点：开关状态的选择比二极管箝位式有更大的选择性；

缺点：1）引入电容，体积大成本高；存在直流分压电容电压不均衡问题；

2）控制复杂，开关频率高，损耗大，效率降低；

③有独立直流电源的级联多电平逆变器：

优点：1）直流侧不存在电压均衡问题，易调速控制；2）控制相对简单；

3）级联式结构的电平数可较多，谐波少，适合更高压；4）不存在电容电压平衡问题；

缺点：每个模块需要独立的直流电源，成本高，系统庞大；