【導(dǎo)讀】隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人民生活水平的不斷提高，無(wú)論是工業(yè)、農(nóng)業(yè)，還是商業(yè)，以及人民的日常生活都對(duì)電能質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求。于是，各種各樣的。電網(wǎng)補(bǔ)償元件出現(xiàn)在實(shí)際生產(chǎn)中。由于具有良好的性能，儲(chǔ)能元件越來(lái)越受到人們的關(guān)注。本文中對(duì)超級(jí)電容器的儲(chǔ)能控制技術(shù)系統(tǒng)了研究。文中首先對(duì)超級(jí)電容器出現(xiàn)的背景進(jìn)行了說(shuō)明，并且介紹了。然后，本文在上文理論基。礎(chǔ)上建立了簡(jiǎn)單的超級(jí)電容器儲(chǔ)能控制系統(tǒng)，研究設(shè)計(jì)了其中各個(gè)模塊的構(gòu)成和作用。后，利用MATLAB對(duì)該系統(tǒng)的作用進(jìn)行仿真，得出結(jié)論。系統(tǒng)能夠很好的提高和改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。

　　

【正文】 分不開(kāi)的： 1. 精度高； 2. 靈活性強(qiáng)； 3. 可靠性好； 4. 時(shí)分復(fù)用。 DSP 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖 38： 確 定 系 統(tǒng) 性 能 指 標(biāo)選 擇 D S P 芯 片軟 件 編 程軟 件 調(diào) 試硬 件 設(shè) 計(jì)硬 件 調(diào) 試系 統(tǒng) 集 成系 統(tǒng) 調(diào) 試 圖 38 DSP 設(shè)計(jì)流程圖 DSP 是一款高性能的數(shù)字處理芯片，它不僅運(yùn)算速度快，還有專門用于實(shí)現(xiàn) PWM 的片內(nèi)外設(shè)。運(yùn)用 DSP 我們可以方便的實(shí)現(xiàn)頻率很高的 SPWM 控制信號(hào)，從而減小濾波器的尺寸，而且值相同 DSP完全有可能用于逆變器中實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制。 第 １７ 頁(yè) abcdq0坐標(biāo)變換 abc 坐標(biāo)下的逆變單元數(shù)學(xué)模型具有物理意義清晰 、直觀等優(yōu)點(diǎn)。但在這種數(shù)學(xué)模型中，逆變交流側(cè)均為時(shí)變交流量，因而不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為此可以通過(guò)坐標(biāo)變換將三相靜止 abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成和交流電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的 dq0 坐標(biāo)系，該變換通常稱為 Park 變換。經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，可以簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 在 dq0 坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型建立過(guò)程中，一般采用兩種坐標(biāo)變換方法： 等量坐標(biāo)變換； 等功率正交坐標(biāo)變換。等量坐標(biāo)變換是指 abc 坐標(biāo)系中的通用矢量與 dq0 坐標(biāo)下的通用矢量相等的變換。三相物理量可以用一個(gè)空間旋轉(zhuǎn)矢量在坐標(biāo)軸上的投影來(lái)表示，這個(gè)表示三相對(duì)稱物理量的矢量就叫 做通用矢量。所謂等功率坐標(biāo)變換是指 abc 坐標(biāo)系中的功率量與 dq0坐標(biāo)系中的功率量相等的變換。本文下面的分析采用的是等量變換。 設(shè) Park 變換矩陣 P為： ?????????????????????212121)120c o s ()120c o s (c o s)120s i n ()120s i n (s i n32 ttt tttP ??? ??? （ 31） 對(duì) 公式（ 31） 式進(jìn)行 Park 變換可以得到交流側(cè) dq0 坐標(biāo)下的電壓回路方程： ???????????????????? ?????????????????????????????????????????????0000 000000010s i nc o s2ssqsdssqsdssqsdCssqsdiiiuuuLiiiLRLMUiiidtd ? ??? （ 32） 對(duì)式 （ 32） 進(jìn)行 Park 變換可以得到直流側(cè) dq0 坐標(biāo)下的電壓動(dòng)態(tài)方程： ????????????????????023s i n43c o s43ssqsdcciiiMMdtdUCi ?? （ 33） 引入狀態(tài)變量 X，且 ? ?TCsosqsd UiiiX ? ，可以得到 dq0 坐標(biāo)下占空比描述的數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)表達(dá)式： BEAXX ???. （ 34） 其中 A、 B、 C 分別是： ?????????????????????????023c o s43c o s43000s i n20c o s20CCMCMLRLMLRLMLRA?????? （ 35） 第 １８ 頁(yè) ??????????????????????0000010000100001LLLB （ 36） ? ?0ssqsd uuuE ? （ 37） 在靜態(tài)情況下，假設(shè)系統(tǒng)三相對(duì)稱運(yùn)行，因此沒(méi)有零序分量，交流系統(tǒng)側(cè)狀態(tài)變量的一階導(dǎo)數(shù)為 0，交流側(cè) A 相相電壓初始相位角為 0 度 ，即 ssd uu ? ， 0?squ ， XL?? ， X為基波電抗，則可以推導(dǎo)出： ? ??????????sqsdssqsdsdsdCiuQiiRiuP23)(23 22 （ 38） 具有比較明確的物理意義。當(dāng) sdu 為恒定值時(shí)，交流側(cè)無(wú)功功率 sQ 只 q軸電流成正比。直流側(cè)有功功率 CP 由兩部分組成，前一部分代表理想功率，后一部分則表示開(kāi)關(guān)器件的損耗，可以先根據(jù)無(wú)功定值計(jì)算出 qi 的數(shù)值，這樣，有功功率 CP 也就只與 di 相關(guān)了。這樣，在該模型中有功無(wú)功就解耦了。另外，考慮到正常運(yùn)行時(shí)損耗遠(yuǎn)小于有功功率的傳輸值，因此， CP 和 di 也就可以近似看成線性關(guān)系了。在此模型中，交直流相互解耦，而且交流側(cè)無(wú)功功率 sQ 和直流側(cè)有功功率 CP 分別與 di 和 qi 成線性關(guān) 系。 本章小結(jié) 本章從原理方面對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能與控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在基礎(chǔ)和理論上對(duì)于超級(jí)電容儲(chǔ)能與控制系統(tǒng)的基本理論 ，以及其中所需的整流、逆變、控制和 abcdq0 坐標(biāo)變換進(jìn)行研究。 第 １９ 頁(yè) 4 SPWM 控制技術(shù) SPWM 法是為了克服等脈寬 PWM 法的缺點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的，是通過(guò)改變 PWM 輸出的脈沖寬度，使輸出電壓的平均值接近于正弦波。實(shí)現(xiàn)的方法就是以正弦波作為基準(zhǔn) 波（調(diào)制波），用一條 等幅的三角波（載波）與基準(zhǔn)正弦波相交，由交點(diǎn)來(lái)確定逆變器的開(kāi)關(guān)模式。當(dāng)正弦波高于三角波時(shí)，使開(kāi)關(guān)器件截止。這樣，使輸出的脈沖系列的占空比按正弦波規(guī)律變化，當(dāng)正弦值最大時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最?。划?dāng)正弦值較小時(shí)，脈沖的寬 度也最小，而脈沖間的間隔則較大 PWM 控制技術(shù) PWM 控制，就是 采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開(kāi)關(guān)控制方式，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制來(lái)等效地獲得所需要的波形 PWM 系統(tǒng)在很多方面有一定的優(yōu)勢(shì)，例如： 1. 主電路線路少，需要的功率器件少； 2. 開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少； 3. 裝置效率高。 逆變器的 PWM 控制方法有多種，目前比較常見(jiàn)的有：三角波調(diào)制法、三角波比較跟蹤控制、滯環(huán)比較控制以及空間矢量控制等。 在采樣控制理論中有一個(gè)重要的理論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。 該原理稱為面積等效原理，它是 PWM 控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。運(yùn)用面積等效原理，可以將 PWM 波形等效成所需要的波形，一般常用的是按正弦規(guī)律變化的 SPWM 波形。 SPWM 調(diào)制方法 正弦波脈寬調(diào)制（ SPWM）是指按正弦波 規(guī)律調(diào)制輸出脈沖列電壓中的各脈沖寬度，使輸出脈沖列電壓在斬波周期內(nèi)的平均值對(duì)時(shí)間按正弦波規(guī)律變化。 SPWM 技術(shù)采用等腰三角形作為載波信號(hào)，正弦電壓作為調(diào)制信號(hào)，通過(guò)正弦波電壓 與三角波電壓信號(hào)相比較的方法，確定各分段矩形脈沖的寬度。由于三角波兩腰間的寬度隨其高度線性變化，當(dāng)任一條不超過(guò)三角波幅 值的光滑曲線與三角波相交時(shí)，都會(huì)得到脈沖寬度正比于該曲線值的一組等副、等距的矩形脈沖列。故用正弦波電壓信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)時(shí)，可獲得脈沖正比于正弦值等幅、等距的矩形脈沖列。該信號(hào)用于逆變器電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)通與關(guān)斷控制時(shí)，逆變器就是 SPWM 逆變器。根據(jù)三角波和正弦波相對(duì)極性的不同，正弦波脈寬調(diào)制可分為單極性 SPWM和雙極性 SPWM 兩種方式。 （ 1） 單極性 SPWM 單極性 SPWM 是指三角形載波信號(hào) cu 和正弦波調(diào)制信號(hào) ru 始終保持同極性。 cu 為正弦三角波，當(dāng) ru 處于正半周期時(shí)，產(chǎn)生正向調(diào)制脈沖信號(hào)；當(dāng) ru 處于負(fù)半周期時(shí)，通過(guò)導(dǎo)向電路保持同級(jí)性，產(chǎn)生負(fù)向調(diào)制脈沖信號(hào)。如圖 41，為單極性 SPWM 波形用 SPWM 為驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓 控制逆變器電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)通與關(guān)斷，逆變器的輸出電壓同樣也是 SPWM 波形 。 第 ２０ 頁(yè) 圖 41 單極性 SPWM 波形 當(dāng)逆變器改變頻率時(shí)，根據(jù)三角載波信號(hào) cu 和正弦調(diào)制線 號(hào) ru 的頻率關(guān)系，又可將SPWM 的調(diào)制方式分為同步調(diào)制和異步調(diào)制兩種方式。如果載波信號(hào) cu 的頻率隨著調(diào)制信號(hào)ru 的頻率按照固定的頻比變化，則逆變器的輸出電壓改變時(shí)，每半個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)保持不變，這種方法稱為同步調(diào)制。 如果 ru 的頻率發(fā)生變化時(shí)， cu 的頻率保持不變，這種調(diào)制方法稱為非同步調(diào)制（異步調(diào)制） 。異步調(diào)制時(shí)，輸出電壓每半個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)隨頻率變化，頻率高時(shí)脈沖個(gè)數(shù)少，頻率低時(shí)脈沖個(gè)數(shù)多。 異步調(diào)制方式的好處就在于低頻輸出時(shí) ,可以使一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)載波個(gè)數(shù)增加，這對(duì)抑制諧波電流、減輕電動(dòng)機(jī)的諧波損耗及轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)有很大好處，大大改善了系統(tǒng)的低頻工作特性。但是異步調(diào)制方式在改善低頻工作性能的同時(shí)，又失去了同步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)載波比 N隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí)，它不可能總是 3的倍數(shù)，勢(shì)必會(huì)使輸出電壓的波形及其相位都發(fā)生變化，難以保持三相輸出的對(duì)稱性。 （ 2）雙極性 SPWM 雙極性 SPWM 是指三角載波信號(hào)和 正弦波調(diào)制信號(hào)的極性均為正負(fù)交替改變。載波信號(hào) cu 為正負(fù)對(duì)稱的三角波，調(diào)制信號(hào) ru 直接與 cu 進(jìn)行比較，便可得到雙極性 SPWM 脈沖。對(duì)于三相逆變器來(lái)說(shuō)，載波信號(hào) cu 可以三相共用，由正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的三相相位差 ?120的可變幅、變頻的正弦波信號(hào) rau 、 rbu 和 rcu 分別作為三相的調(diào)制信號(hào)。三相調(diào)制信號(hào)同時(shí)與 cu 進(jìn)行比較，可獲得三相 SPWM 信號(hào)，利用三相 SPWM 信號(hào)控制相應(yīng)的電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)通與關(guān)斷，便可得到三相雙極性 SPWM 輸出電壓。 雙極性 SPWM 波形如圖 42 所示。 第 ２１ 頁(yè) 圖 42 雙極性 SPWM 波形 采樣型 SPWM 法 SPWM 法的實(shí)現(xiàn)有多種方式，可以由模擬或數(shù)字電路等硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以由微處理器運(yùn)用軟 硬件相結(jié)合的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn) SPWM 法，通常是用一個(gè)正弦波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生可以調(diào)頻調(diào)幅的正弦波（調(diào)制波）信號(hào)，再用一個(gè)三角波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅值不變的三角波（載波）信號(hào)，將兩者進(jìn)行比較，由交點(diǎn)來(lái)確定逆變器開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換。這種方法采用的元件多，線路復(fù)雜，而且控制精度也難以得到保證，因此這種方法現(xiàn)在很少被采用。 而 用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn) SPWM 法，實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)便，精度高，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛采用。下面就來(lái)介紹以下是用軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn) SPWM 時(shí)所采用的采樣型 SPWM 法的數(shù)學(xué)模型。 采樣型 SPWM 法，分為自然采樣法和規(guī)則采樣法 兩種， 下面對(duì)其進(jìn)行分別介紹。 自然采樣法 SPWM 脈沖生成的基本方法是引用通訊技術(shù)中的調(diào)制概念 ,以三角波作為載波 ,以正弦波作為調(diào)制波 ,正弦波和三角波的交點(diǎn)作為開(kāi)關(guān)點(diǎn)而形成 SPWM 脈沖。這種采樣規(guī)則稱為自然采樣法 。 圖 43所示的就是自然采樣法。它是將基準(zhǔn)正弦波與一個(gè)三角載波相比較，由兩者的交點(diǎn)決定出逆變器開(kāi)關(guān)模式的方法。自然采樣法是最基本的 PWM 波形生成法，它以PWM 控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確的計(jì)算出各功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)刻，所得的波形很接近于所要求的輸出的任意波形。但這種方法要求解復(fù)雜的方程，在 采用微機(jī)控制技術(shù)時(shí)需花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，一般采用表格方式，離線計(jì)算，在線查表，這就限制了它的應(yīng)用。 第 ２２ 頁(yè) 圖 43 自然采樣法 SPWM 波形 規(guī)則采樣法 按 SPWM 基本原理，自然采樣法中要求解復(fù)雜的超越方程，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，所以工程應(yīng)用并不多。