基于软开关的无功补偿技术（论文）资料

1、安徽工程大学毕业设计引言补偿技术一直备受人们关注。无功补偿有很多方法,主要有同步调相机；静止无功补偿器svc(staticvarcompensator)；静止无功发生器svg(staticvargenerator)；功率因数校正装置pfc(powfactorcorrector)；既可以治理谐波又可以进行无功补偿的有源滤波装apf(activepowerfilter) 和并联电容器。在这些无功补偿方案中,同步调相机由于其本身所固有的缺点(噪声大,损耗大)已经过时；svg虽然具有各种优越的性能,但它控制复杂,价格昂贵,短期内难以在我国电力系统推广使用；pfc是针对某一种拓扑的改进(一般是整流器),

2、是针对新产品开发的方案,不是单独对电网的；apf一般说来控制比较复杂,且价格也比较昂贵,因此我国现行使用的无功补偿装置主要是并联投切电容器和晶闸管控制电抗器与固定电容的组合。用投切电容方式进行无功补偿,由于电容的投切是分级进行的,故产生的补偿电流也是阶跃式的,一段运行期内(例如白天和夜间)不是过补偿就是欠补偿,无法使电网无功功率得到恰当的实时补偿。另外,目前电容的投切多采用msc,开关是机械式交流接触器,其接点间容易拉弧粘连,工作寿命短,响应速度慢,且投切过程还对系统产生冲击电流和冲击电压。一些电容投切装置改用无触点的固态继电器,但它成本高,在流过大补偿电流时将产生较大的额外损耗。软开关切投技

3、术的引用使得电容补偿变为可调，不仅减少了频繁投切同时避免了切投时对电网与电容的冲击，且使开关使用寿命从电寿命上升到机械寿命，二者相差可达10 倍以上。无论是经济性还是实用性,都有广阔的前景。 第1章 绪论近年来,随着全球工业话进程的不断加快,对地球环境的污染和破坏也空前加剧.维持,在全世界范围内掀起了环境保护的热潮.电力系统也是一种“环境”，也面临着污染，公用电网中的谐波电流和电压就是对电网环境的污染。人们对有功功率的理解非常容易,而要深刻认识无功功率却不是轻而易举的。1.1 研究意义电网中电力设备大多是根据电磁感应原理工作的，他们在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功

4、率相等。电源能量在通过纯电感或纯电容电路时并没有能量消耗，仅在用电负荷与电源之间往复交换，由于这种交换功率不对外做功，因此称为无功功率。无功功率反映了内部与外部往返交换能量的情况，但是它并不像有功功率那样表示点位时间所做的平均功率。电网中无功功率的作用很大，电动机需要从电源吸取的无功功率来建立和维持旋转磁场以使得正常运转；变压器需要无功功率通过一次绕组建立和维持交变磁场才能在二次绕组感应出电压。因此，点感性用电设备不但需要从电源取得有功功率，还需要从电源取得无功功率才能满足运行的要求。在正弦电路中，无功功率的概念是非常清楚的，而在含有谐波时，至今尚无获得公认的无功功率定义。但是，对无功功率这一

5、概念的重要性，对无功补偿的重要性的认识，却是一致的。无功补偿应该包含对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿。无功功率对供电系统和负载的运行都是十分重要的。电网系统中实际负载,不可能为纯容性负载或者纯感性负载,一般都是混合性负载,这样电流在通过它们的时候，就有无功功率，此时的功率因素小于1，即无功功率不足。如果电网中无功功率不足，导致用电设备没有足够的无功功率来建立和维持正常的电磁场，就会造成设备端电压下降，不能保证电力设备在额定的技术参数下工作，从而影响用电设备的正常运行，产生有害影响。例如：1.降低有功功率，使得电力系统内的电器设备容量不能得到充分利用。2.增加输、配电线路中的有功功率和

6、电能损耗。3.使线路的电压损失增大。原国家电力公司在供电所线损管理办法（国电农1999652号文)中规定:农村生活和农业线路功率因素不小于0.85;工业、农副业专用线路功率因素不小于0.90；为了鼓励用电单位提高功率因素，国家规定了功率因素调整电费的方法。变压器容量在315 kva及以上容量的工业客户的功率因素标准为0.90；变压器容量在100315kva的工业客户功率因素标准为0.85；变压器容量在100kva及以上的农业客户功率因素标准为0.80 。当客户月用电平均功率因素高于标准值时，以减少电费的形式进行奖励，功率因素越高，奖励的比例越大。反之，功率因素低于标准值，将以增加电费的形式进行

7、惩罚，功率因素越低，惩罚的比例越大，上交电费就越多。因此必须进行无功补偿。1.2 研究现状无功补偿有很多方法,主要有同步调相机；静止无功补偿器svc (staticvarcompens ator )；静止无功发生器svg(staticvargenerator)；功率因数校正装置pfc(powfactorcorr ector)；既可以治理谐波又可以进行无功补偿的有源滤波装apf(activepowerfilter) 和并联电容器。同步调相机（synchronous compensator）由于同步电机处在过励状态时，可以从电网汲取相位超前于电压的电流，根据电网负载情况的不同，适当调节调相机的励磁

8、电流，可改变调相机汲取的无功功率，使电网的功率因数接近于1。此外,在长距离输电线路中，线路电压降随负载情况的不同而发生变化，如果在输电线的受电端装一同步调相机，在电网负载重时，让其过励运行，减少输电线中滞后的无功电流分量，从而可减少线路压降；在输电线轻载的情况下，让其欠励运行，吸收滞后的无功电流，可防止电网电压上升，从而维持电网的电压在一定的水平上。同步调相机还有提高电力系统稳定性的作用运行于电动机状态，但不带机械负载，只向电力系统提供无功功率的同步电机。又称同步补偿机。同步调相机经常运行在过励状态,励磁电流较大,损耗也比较大，发热比较严重，同时有很大的噪声。由于这些缺点，现已过时。静止无功补

9、偿器svc (staticvarcompens ator )静止无功补偿器是一种没有旋转部件，快速、平滑可控的动态无功功率补偿装置。它是将可控的电抗器和电力电容器（固定或分组投切）并联使用。电容器可发出无功功率（容性的），可控电抗器可吸收无功功率（感性的）。通过对电抗器进行调节，可以使整个装置平滑地从发出无功功率改变到吸收无功功率（或反向进行），并且响应快速。静止无功补偿器能双向连续、平滑调节；与同步调相机相比，静止无功补偿器没有旋转部件，所以运行维护简单。同时静止无功补偿器调节速度快，因此具有很大的优越性。它的缺点是本身产生谐波，若不采取措施将污染电力系统，一般有配套的电力滤波器。svg虽然

10、具有各种优越的性能,但它控制复杂,价格昂贵,短期内难以在我国电力系统推广使用。功率因数校正装置pfc(powfactorcorr ector)pfc的英文全称为“power factor correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。 基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要pfc电路提高功率因数。目前的pfc有两种，一种为被动式pfc（也称无源pfc）和主

11、动式pfc（也称有源式pfc）。pfc是针对某一种拓扑的改进(一般是整流器),是针对新产品开发的方案,不是单独对电网的。有源滤波装置apf(active power filter)apf（active power filter）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源，其应用可克服lc滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功。三相电路瞬时无功功率理论是apf发展的主要基础理论；型号有并联型和串联型两种；并联有源滤波器主

12、要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题。有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振。apf一般说来控制比较复杂,且价格也比较昂贵,因此我国现行使用的无功补偿装置主要是并联投切电容器和晶闸管控制电抗器与固定电容的组合。电容式无功补偿用投切电容方式进行无功补偿,由于电容的投切是分级进行的,故产生的补偿电流也是阶跃式的,一段运行期内(例如白天和夜间)不是过补偿就是欠补偿,无法使电网无功功率得到恰当的实时补偿另外,目前电容的投切多采用msc,开关是机械式交流接触器,其接点间容易拉弧粘连,工作寿命短,响应速度慢,且投切过程还对系统产生冲击

13、电流和冲击电压一些电容投切装置改用无触点的固态继电器,但它成本高,在流过大补偿电流时将产生较大的额外损耗。 本次设计就是在电容式无功补偿上所做的一种延伸，以求获得更好的效果。1.3 研究设想众所周知，无功功率补偿装置在电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中是一个不可缺少的非常重要的装置。而普通的容式补偿，由于其结构上的缺点，使得补偿往往不到位，且有很大的冲击电流。软开关是电器回路中用于连通和切断负载的一种方式和装置，这种方式系指负载的切断和接通不是瞬间突然地完成，而是逐渐地由小到大完成接通过程，

14、逐渐地由大到小完成切断过程,避免了电路连接时产生瞬时电流，冲击电路中的器件。可以设想,引入软开关技术可以避免了切投时对电网与电容的冲击，且使开关使用寿命从电寿命上升到机械寿命。如果可以的话，无论是经济性还是实用性，都有广阔的前景。本设计就是研究如何将软开关技术引用到电网系统中进行无功补偿。通过对普通容式补偿的分析进一步延展出连续无功可调方案。并配合多级拓扑结构，提出了一种新的、功率因素可调节的无功补偿方案。第2章 连续无功补偿方案无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法之一，目前在国内外都得到广泛应用。电容补偿就是无功补偿或者功率因数补偿。电力系统的用电设备在使用时会产生无功功率，而且通常是电感

15、性的，它会使电源的容量使用效率降低，而通过在系统中适当地增加电容的方式就可以得以改善。 电力电容补偿也称功率因数补偿(电压补偿,电流补偿,相位补偿的综合).。1.电容在交流电路里可将电压维持在较高的平均值!(近峰值).(高充低放),可改善增加电路电压的稳定性。2.对大电流负载的突发启动给予电流补偿!电力补偿电容组可提供巨大的瞬间电流，可减少对电网的冲击。3.电路里大量的感性负载会使电网的相位产生偏差,(感性元件会使交流电流相位滞后,电压相位超前)90度，而电容在电路里的特性与电感正好相反，起补偿作用。设置电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点。但是，由于电容的投切是分级进行的,所以装置

16、常常有过补或者欠补的缺点。2.1 并联电容无功补偿原理在实际电力系统中，大部分负载为异步电动机。包括异步电动机在内的绝大部分电气设备的等效电路可看作电阻r和电感l串联的电路，其功率因素为cos=r2+xl2 （2-1）式中xl=l。给r、l电路并联接入c之后，电路如下图 2-1电容式补偿原理图该电路的电流方程为i=ic+il (2-2)由图2-2的向量图可知,并联电容后电压u与i的相位差变小了,即供电回路的功率因素提高了。此时供电电流i的相位滞后于电压u，这种情况称为欠补偿。图 21欠补偿矢量图若电容c的容量过大,使得供电电流i的相位超前与电压u,这种情况称为过补偿，其相量图如图2-3。图 2

17、2过补偿矢量图通常不希望出现过补偿的情况，因此这会引起变压器二次电压的升高，而且容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗。如果供电线路电压因此而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使温升增大，影响电容器的寿命。众所周知，普通的容式投切是由多个硬开关控制着各级电容的投切。这种并联电容式补偿时电容器的投切由于是分级进行的,故产生的补偿电流也是阶跃式的,使电网经常处于过补偿或欠补偿状态,甚至功率因数不能接近1,供电设备的能力得不到充分地利用,供电线路的线损也不能降到最小值。软开关是电器回路中用于连通和切断负载的一种方式和装置，这种方式系指负载的切断和接通不是瞬间突然地完成，而是逐渐地由小到大完

18、成接通过程，逐渐地由大到小完成切断过程。它应用谐振的原理, 使开关器件中的电流(或电压) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时, 使器件关断(或电压为零时, 使器件开通) , 从而减少开关损耗。由软开关的理念得知，那么要解决的就是使得无功补偿功率连续可调。本设计通过在普通电容式补偿的电容下增加一个可调式电压源来实现连续无功补偿。2.2连续无功补偿原理图 2-3连续无功补偿原理图如图2-4中电路所示：电网电压为u，交流可调电压源为uv，c为电容，要求uv的频率和相位与电网电压u相同，通过改变可调电源uv的幅值就可以改变c上无功电流的大小，从而实现无功补偿的连续可调。显然，此部分产生总的无功功

19、率qc为： (2-3)当uv=u时，qc=0；当uv=0时，qc=max，可见随着uv在u0之间连续变化时，无功功率在0之间连续变化。值得注意的是，可调电压源发出的无功qv为： (2-2)式中，当即可调电压源电压为电网电压的一半时，其输出的无功功率qv最大为： (2-4)显然，该可调电压源的容量只需要补偿容量的1/4。2.3 连续无功补偿仿真与验证为了验证通过增加电压源使得无功连续可调的可行性，进行了仿真验证。为了模拟日常的电网电压，这里的v使用的是单相220v交流电压源，可调电压源由于要求和电网同频同相，所以也使用单相交流电压源。负载用的是10电阻和100uh电感串联模拟。考虑到不使补偿电流

20、过大，使用的是4.7m电容做补偿电容。仿真元件图如下所示：图 2-4连续无功补偿仿真元件图在实用pspice软件仿真15后：图 2-6 uu=220v时图 2-7 uu=110v时图2-6为uv=220v, uv略微大于uu时的波形,此时电容中的电流ic为零 。图中显示电网电流iv就是负载的电流；它滞后于uu一定的角度。图2-7为uv=110v时的波形。图中显示电容中的电流超前于电网电压90度。电网电流还是滞后于电压，但滞后的角度已经没有uu=220v时大。说明虽有补偿作用但uv太小，补偿的容性无功功率偏小。所以只需要加大容性补偿功率就可以使得电网的电压和电流相位基本相同，负载所需的容性无功最

21、大时可以完全由电容支路提供。以上结果说明本连续无功补偿思路是可行的。第3章 软开关实现的新思路3.1 硬开关与软开关的区别众所周知，普通的容式投切由多个硬开关控制着各级电容的投切。硬开关因为是机械开关，它的开断是瞬间的，所以优点是连接速度快,但是同样有很多的缺点：1.开关损耗大。开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速增加。2.感性关断电尖峰大。当器件关断时，电路的感性元件感应出尖峰电压，开关频率愈高，关断愈快，该感应电压愈高。此电压加在开关器件两端，易造成器件击穿。3.容性开通电流尖峰大

22、。当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率愈高，开通电流尖峰愈大，从而引起器件过热损坏。另外，二极管由导通变为截止时存在反向恢复期，开关管在此期间内的开通动作，易产生很大的冲击电流。频率愈高，该冲击电流愈大，对器件的安全运行造成危害。4.电磁干扰严重。随着频率提高，电路中的di/dt和dv/dt增大，从而导致电磁干扰（emi）增大，影响整流器和周围电子设备的工作。同时，并联电容式补偿时电容器的投切是分级进行的,故产生的补偿电流也是阶跃式的,使电网经常处于过补偿或欠补偿状态,甚至功率因数不能接近1,供电设备的能力得不到充分地利用,供电线路的

23、线损也不能降到最小值。软开关是电器回路中用于连通和切断负载的一种方式和装置， 它应用谐振的原理, 使开关器件中的电流(或电压) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时, 使器件关断(或电压为零时, 使器件开通) , 从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题, 而且还能解决由硬开关引起的emi 等问题。这种方式使得负载的切断和接通不是瞬间突然地完成，而是逐渐地由小到大完成接通过程，逐渐地由大到小完成切断过程。由此可以得知，设计中需要引入的就是软开关那种逐渐调整接通过程或断开过程的方式。在上一章节中介绍了连续可调的无功补偿。但

24、是由于其中的电容是固定死的一级电容,使得它只可以适应低压的负载环境。为了使得它适应各种高低压负载类环境，就必须象普通容式补偿一样有多个电容并联分级进行的。为了避免使用硬开关，就需要各级电容补偿都连续可调，但是又不可能每个电容下都加上一个可调式电压源，从经济效益上考虑完全不可能，故需要一种新的电路连接方式。鉴于这个原因,本设计使用了多级拓扑结构。3.1多级拓扑结构拓扑（topology）是将各种物体的位置表示成抽象位置。在连接网络中，拓扑形象地描述了连接的安排和配置，包括各种结点和结点的相互关系。拓扑不关心事物的细节也不在乎什么相互的比例关系，只将讨论范围内的事物之间的相互关系表示出来，将这些事

25、物之间的关系通过图表示出来。设备要实现互联，就需要以一定的结构方式进行连接，这种连接方式就叫做拓扑结构，通俗地讲这些设备如何连接在一起的。常用的开关电源拓扑结构有：buck开关型调整器拓扑 、boost开关调整器拓扑 、反极性开关调整器拓扑 、推挽拓扑 、正激变换器拓扑 、双端正激变换器拓扑 、交错正激变换器拓扑 、半桥变换器拓扑 、全桥变换器拓扑 、反激变换器 、电流模式拓扑和电流馈电拓扑 、scr振谐拓扑 、cuk变换器拓扑。每种拓扑都有其自身的特点和适用场合。一些拓扑适用于离线式(电网供的)ac/dc变换器。其中有些适合小功率输出(200v)或者多组(45组以上)输出场合有的优势；有些在

26、相同输出功率下使用器件较少或是在器件数与可靠性之间有较好的折中。较小的输入/输出纹波和噪声也是选择拓扑经常考虑的因素。 因此，要恰当选择拓扑，熟悉各种不同拓扑的优缺点及适用范围是非常重要的。错误的选择会使设计一开始就注定失败。 而本次设计使用的是多级拓扑结构，它与一般电源使用的拓扑结构有所不同，下面以简单的二级拓扑结构进行说明：sw4i2sw3c1c2i1usw1sw2uv 图 3-1二级拓扑结构原理图如图3-1所示为二级拓扑结构：当系统接入电网后，如果电网需要增加无功，则先让可调电压源电压uv=u ，然后合开关sw1，使补偿电容c1在零电流条件下接入电网（zcson），随后可根据所需补偿的无

27、功，使uv逐步减小，c1提供的容性无功将逐步增加。当uv=0时，第一支路补偿达到最大值，此时如果仍需要提供无功，则使sw3在零电压条件下接通，同时断开sw1。在sw1断开后使uv又迅速增到u，闭合sw2，使电容c2在零电流条件投入，减小uv可连续增大第二支路偿补电流大小，直到无功得到恰当的补偿。反之，减少无功可通过增大可调电压源的电压来实现，具体操作方法则与增加无功相反。调节uv=u时，第二支路无补偿，此时使sw2在零电流条件下断开，在sw2 断开后使uv 又迅速减小到0 同时闭合sw1，断开sw3，使电容c1在零电压条件投入，增大uv 可连续减小第一支路偿补电流大小，直到无功得到恰当的补偿。

28、将以上的二级工作模式推广到更多级，进行n级拓扑结构的搭建便形成了所说的多级拓扑结构，通过在每一级上添加电容便可改变补偿电容的总量，从而适应各种高低压环境。并且在各级拓扑结构中，所有开关都可以选用高压断路器。这样通过可调电压源配合,实现了电容器的零电流投切,减少了瞬时电流对电网的冲击,而且也可大大延长了投切断路器和电容器的使用寿命。第4章 可调式电压源的搭建从上文中可以看出，本次设计最重要的就是可调式电压源的构成了。由于可调式电压源要求必须和电网电压同频、同相才可以，基于这个条件的要求，设计使用slh技术（即开关线性复合功率变换技术）实现可调电压源的搭建。4.1线性复合功率变换（slh）所谓开关

29、线性复合功率变换技术，它的本质是将开关放大电路与线性放大电路有机结合，充分利用后者的射（源）极输出器单元获取低阻输出特性，从而增强功率变频器本身的抗干扰鲁棒性（对负载参数变化不敏感）和多类性质（含非线性）负载的适应性，实现了thd（total harmonic distortion）指标与效率指标的兼顾。它的基本原理图如图4-1所示。图 4-1 slh基原理图开关线性复合功率变换技术主要的特点就是利用射极跟随器的负反馈形成的系统强有力的抗干扰特点，构成新型功率变换器，使得系统具有效率高、鲁棒性强，构成的电力变换装置具有较高的性能，如传动系统的低频转矩脉动小、抗干扰性能优越等优点。该复合技术将电

30、力电子纯开关功率变换电路与线性功率放大电路有机结合，实现开关线性复合功率变换以获得互补综合优化性能（特别是其中的抗负载扰动能力）。开关线性复合功率变换技术，结合了电力电子器件实现非线性电源与线性功率放大电路的优点，克服了非线性电源谐波含量高、线性功率放大电路（如乙类功率放大电路的）交越失真、运行极限效率不高等不利因素，使得这种新型功率变换得到了认可，符合了大家追求的高保真、绿色、环保电源变换的要求。4.1.1 slh的性能分析前一节粗略的介绍了slh的基本原理，接下来将通过理论分析来详尽的说明本次设计为什么采用slh来实现可调电压源。下面我们从它的基本组成电路开始分析。线性级功率管的耗散功率及

31、效率分析由图4-3可知，为了使无功补偿装置具有负载鲁棒性且不向电网注入谐波，在开关滤波器电路之后增加一级射（源）极输出器线性跟随单元。当然,在开关电路之后增加一级线性电路必然会增加整个电路系统的功率损耗。但是这个增加的损耗是很小的,因为开关线性复合技术的线性电路与传统线性功放的不同之处在于它不像b类、ab类功放电路那样由正负直流e供电，而是由包络于输出电压的纹波电压us供电,功率器件不是工作在大跨度纯线性区域,而是工作于临界饱和状态偏线性一侧的特殊状态。开关电源滤波之后的纹波电压us是与射(栅)极输入信号ui同步的,其幅值只比ui大几伏,如图4-2、4-3所示。这样使得整个电路既具有线性放大电

32、路才有的基本规律,又有开关电路才有的低损耗特性。下面通过理论推导来论证线性级功率管的耗散功率是很小的。图4-2 b类功放功率器件的状态图 4-3 slh功率器件的状态令功率管漏极的供电电压为us，栅极的输入电压为ui，源极的输出电压为uo，漏极供电电压us总比输出电压uo高一个常值电压ud。则：=+us总比uo高一个管饱和通态压降ud因为拓扑为源极跟随器，放大倍数其中gm为跨导， rl为负载电阻，因而有由于线性级功率管的管压降主要由叠加在纯正弦信号上的纹波电压构成，因此，其耗散功率近似为叠加的纹波电压与管子流过的电流亦即负载电流的乘积。 （4-1）其中pt为推挽两功率管中一个的耗散功率。设po

33、为线性级输出功率, rl为负载，则有： （4-2）由式（4-1）可知，功率管的耗散功率由流过它的电流和电压ud决定。因此只要ud足够的小，即使功率管流过大电流，功率管的耗散功率也很小。从而在开关电源的滤波电路后接上这一线性电路是可以接受的。另外 + （4-3）其中ps为前级开关滤波电路提供的总功率 （4-4）其中是后级线性电路的效率。 由式（4-4）中可看出，slh线性部分的效率由输出电压uo和功率管供电电压的叠加分量ud共同决定。当ud很小，而uo比较大时，效率很高。例如令ud=2伏, uo=220伏，则95.2%乙类功放的效率只有78.5%,相比之下，slh的线性部分的效率高了很多。开关线

34、性复合电源系统总的效率取决于开关滤波级和线性级的效率积。因此要想整个系统的总效率不因线性部分的接入而降低，就要在现有基础上尽可能提高开关滤波单元的效率。事实上，采用高阻输入低阻输出的末级构成，足以使电源获得理想的综合性能指标。因此可以尽量简化开关滤波型电源为提高其性能而曾经采取的一些措施。例如：为了减小开关滤波型电源的thd值而提高开关频率的措施，在应用了开关线性复合技术之后，就可以不再采用。这不仅使开关器件（开关管、储能元件等）成本降低，电磁兼容性的制造工艺处理难度降低，而且由于频率的降低减小了功率器件的开关损耗，使开关滤波部分的效率提高。诚然，软开关技术能减低开关损耗，允许功率器件工作在更

35、高频下，但主电路和控制电路的复杂化将提高成本，也使系统的可靠性变差。又如，在纯开关滤波电源中为了降低输出电压的纹波，要选择较大的lc滤波参数，一般按时间常数进行设置（为开关周期）。但在采用了开关线性复合技术后，允许供电的电压纹波峰峰值约等于功率管的压降值，也就是允许开关滤波单元的输出电压纹波呈明显的锯齿状。这就没有必要按滤尽纹波的要求设计l、c参数，也不必担心在不同占空比和不同负载下，由于滤波参数的恒定不变而导致输出波形thd%的增大。具体设计l、c参数时不必要求滤波时间常数；也就意味着在同等开关频率下，开关滤波单元的效率会更高。因为小取值的无源元件在能量交换过程中损耗较小成本也降低，相当于将

36、一部分能耗转移给开关线性复合系统的线性单元。综上所述，slh的系统在效率上与不采用slh的系统具有持平的趋势，在静态性能上可更优。slh的动态性能分析slh的动态性能指标取决于场控功率器件igbt的动态指标和电压波动率。由于输出电压uo能瞬时跟随前置电压放大电路的输出高电压信号，具有快速性（微秒级），且直接受控于参考信号，即使在大的负载扰动下，有瞬时的微小电压跌落，也会在电压跟随原理下，快速得到恢复。例如，用于kw级的igbt一般有1000pf到2000pf的等效输入电容。若忽略体电阻，输入端等效容抗，如图4-4所示（图4-4为考虑输入容抗时的线性单元等效电路，为等效输入电容） （4-5）如果

37、为工频，则 （4-6）图 4-4 slh线性部分的输入阻抗此兆欧级输入阻抗应对栅极输入信号ui不产生明显影响，使大电压驱动信号不因负载的加入降低。另外，射级输出型电压跟随器本身也是一个电压串联负反馈电路，它的反馈信号直接与栅极输入信号相串联，对输出端电压的调整只经过功率器件栅-源间的内部通道，不像其它电源要经过多级延时传递，特别是储能元件的延时才能完成突加负载导致的电压降落恢复过程。相比之下，射（源）极输出型开关线性复合功率变换电源，基本上可忽略负载突变造成的输出电压动态波动，即使有极小的降落，也能在极短的时间内得到恢复。当然在此基础上再加一个低环路放大倍数的电压负反馈，就会使系统的输出电压波

38、形稳定性更好。4.1.2 鲁棒性分析鲁棒性原是统计学中的一个专门术语，20世纪70年代初开始在控制理论的研究中流行起来，用以表征控制系统对特性或参数摄动的不敏感。对于开关线性复合功率变换技术的鲁棒性主要是指，当系统的输入有波动时，无论波动的大小与否，系统的输出都基本稳定，没有太大的变化。那么，为什么slh有如此高的鲁棒性呢？下面我们从它的基本组成电路开始分析。（1）电源输出电压波动与负载阻抗的关系开关型滤波电源的输出端总可等效为图5所示的戴维南电路。其中，zl为负载阻抗，zo为输出端的等效输出阻抗，为等效的由信号源控制的受控电压源。图 4-5 电源输出等效电路输出端（负载端）的电压与负载阻抗z

39、l的关系为： （4-7）在电源控制信号不变的情况下， 和zo近似为不变量。输出电压随负载阻抗zl的变化而波动。式（4-7）对zl求微分，可得：两边同除以可得： （4-8）上式说明，当负载变动时，电源输出电压的变化率为负载阻抗变化率的倍。显然，当电源输出阻抗zo0时，不论负载如何变化（包括负载性质改变和负载突变），输出电压将均不会随之波动，电源系统具有较强的鲁棒性。（2）开关线性复合功率变换电路的负载鲁棒性分析当工作频率合适时，图1所示的基本slh拓扑中功率管结电容可近似看作开路（即忽略结电容效应时），由图4-8所示，其输出等效阻抗为：近似为一纯电阻。图 4-6 slh输出等效电路由于功率管ig

40、bt的跨导通常都较大，比如，imbh25120d给出的跨导参数为gm100，因此，用其构成功率缓冲器的输出阻抗0.01。当负载阻抗|zl| 时，由式（4-7）知，功率缓冲器输出电压几乎不随负载的突变而波动，具有很强的鲁棒性。当功率缓冲器的输出阻抗（电阻）0.010，即2在这种条件下，各采样点上得到的信号完全包含了连续时间变量ui(t)的信息。因此只要一个截止频率大于的低通滤波器就可以完全恢复ui(t)的波形，只是其幅值不同。另外，输出信号的恢复只取决于采样周期t，而与其占空比无关。但在t一定的情况下，占空比直接影响输出电压幅值的大小。 （4-13）适当选择滤波器参数，可使输出电压幅值为，这样通

41、过改变占空比，就可以线性的调节输出信号的大小而不改变波形，也不影响滤波器的参数。4.2.2 交流斩波调压电路的拓扑 按照交流斩波技术原理，只要在斩波单元之后接一个低通滤波器就可以得到一个幅值随占空比线性变化的电压波形dui(t)，如图4-8所示。图4-8 交流斩波调压框图交流斩波的拓扑方式主要有buck型和boost型，其中buck电路是降压电路，易满足0到市电的电压调整范围， boost电路的输出电压纹波随负载的大小而改变，与后级线性单元复合后，降在射极型电压跟随器功率管上的纹波峰峰电压在较大范围变化，不易控制，会明显增加功率管的损耗，而buck电路的输出电压纹波系数则是一个与负载无关的参数

42、。因此这里我们采用buck型交流斩波调压电路。为减少功率器件数量，本方案对电网电压波形先整流而得到一种正极性的“馒头波”。然后斩波得到幅值变化的矩形波。经过滤波，得到幅值与占空比成正比的“馒头波”，由后级的两个功率管子互补导通，经推挽变压器输出。4.2.3 交流斩波调压对频率的要求由4.2.1节对交流斩波调压的分析可知：脉宽电压滤波后要恢复原来的输入电压，必须符合香农定理的要求（2）。也就是说，交流斩波调压的开关频率必须满足2（其中为开关频率，为工频）。因此主电路交流斩波调压对开关频率的要求为100hz。这一要求是很容易满足的。4.3 搭建可调电压源综述可以得知，可调电压vu需要经由电网-交流

43、斩波-线性复合放大-变压，最后输出vu，其原理框图就如图4-9所示了：电网交流斩波线性复合变换耦合变压器vu图4-9 可调电压源原理框图由原理框图可以搭建出电路图，如下所示：图4-10 可调电压源电路图可调电压源搭建出来后，设计的主要部分已经全部完成。为了验证设计思路的可行性，必须进行仿真验证，下章将有所介绍。第5章 仿真与验证5.1 pspice简介pspice是由spice发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。spice(simulation program with integrated circuit emphasis)是由美国加州大学伯克莉分校于1972年开发的电路仿真程序。随后

44、，版本不断更新，功能不断增强和完善。1988年spice被定为美国国家工业标准。目前微机上广泛使用的pspice是由美国microsim公司开发并于1984年1月首次推出的。现在的pspice已经升级到了9.2版本。pspice是计算机辅助分析设计中的电路模拟软件。它主要用于所设计的电路硬件实现之前，先对电路进行模拟分析，就如同对所设计的电路用各种仪器进行组装、调试和测试一样，这些工作完全由计算机来完成。用户根据要求来设置不同的参数，计算机就像扫描仪一样，分析电路的频率响应，像示波器一样，测试电路的瞬态响应，还可以对电路进行交直流分析、噪声分析、monte carlo统计分析、最坏情况分析等，

45、使用户的设计达到最优效果。以往一个新产品的研制过程需要经过工程估算，试验板搭试、调整，印刷板排版与制作，装配与调试，性能测试，测试指标不合格，再从调整开始循环，直至指标合格为止。这样往往需要反复实验和修改。而仿真技术可将“实验”与“修改”合二为一。为确定元件参数提供了科学的依据。它的优点主要有： (1)为电路设计人员节省了大量的时间。 (2)节省了各种仪器设备。 (3)生产产品一致性好、可靠性高。 (4)产品的更新率高、新产品投放市场快等。另外，用户还可以对仿真结果窗口进行编辑，如添加窗口、修改坐标、叠加图形等 ，还具有保存和打印图形的功能，这些功能都给用户提供了制作所需图形的一种快捷、简便的

46、方法。因此，为了验证设计的可行性，使用了pspice进行了仿真验证【15】。完整的元件原理图为附录a。5.2 电路仿真下面是可调电压源分部仿真模拟的情况：首先是进行电网电压波形的整流，图5-1 整流电路元件图图5-2 整流后电压波形由于d1n4002二极管的耐压值为100v，所以这里选择的单相交流电压源v为80v。由图5-2中可以看出整流后的电压输出了很好的“馒头波”。然后加上占空比为50%的脉冲电压v11，图5-3 脉冲电压元件图于是输出了采样脉冲电压波形：图5-4 采样脉冲电压波形采样脉冲电压波形经过lc滤波:图5-5 lc滤波元件图图5-6 lc滤波波形图至此，完成了交流斩波部分。接着加

47、上slh技术部分的电路（图5-7、图5-8）： 图5-7 三级管跟随放大电路 图5-8 前置电压放大电路便获得了良好的可调电压源波形：图5-9可调电压源波形最后带上感性负载和电网部分，其原件图如附录a所示，仿真后获得波形图：图5-10 仿真波形图由图中可以看出，电网电流i(v)已经获得了无功补偿，而不再是滞后电压v九十度了。因此可以验证该设计是可行的，而功率因素的调节可以通过调节变压tx的匝数比以及电容c9的容量（为了方便仿真验证，电容c9设定为多级电容补偿的总容量，亦可以用多级拓扑结构来展开）来实现。结论与展望通过这次基于软开关技术的无功补偿的研究，对普通容式补偿思路进行了扩展,设计出一种补

48、偿功率可调的、无冲击电流的并联电容式补偿方案。本次设计中很多方法都是简便易行的，同时在经济效益上也有很大的空间，例如：通过使用可调式电压源，而让普通的电容式补偿变为连续可调,使功率因素更接近于“一”；去除了硬开关,避免了开关频繁投切的同时避免了切投时对电网与电容的冲击；使用多级拓扑结构使得它比其他的连续可调方案更能适应各种高低压负载。但是由于个人水平的限制，设计仍存在很大不足，例如可调式电压源的构成。在高压环境下，设计中的电压源电路易发生谐波污染，对电网系统产生不稳定的影响。如果采用完全的电力电子式搭建电压源的话，几乎可以完全消除谐波。所以如果有后续研究如何搭建完全的电力电子式可调电压源，并去

49、研究论证的话，相信该方案会有更大的实际应用价值。致 谢本次设计论文是在我的导师孟樱老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，孟老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。毕业设计的这段时间，孟老师不仅在学习上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向孟老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在此，我还要感谢在一起愉快的度过最后一学期的各位同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺

50、利完成，有太多可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们! 作者: 年 月 日参考文献1 王兆安，杨军，刘进军谐波抑制和无功功率补偿m北京：机械工业出版社，19982 王兆安，刘进军，杨君，王跃谐波抑制和无功功率补偿m北京：机械工业出版社，20053 毛盾，徐清山，权永军基于可变电压源的混合式电网无功功率连续补偿新方法j吉林：吉林电力，2003，04：32-344 叶凡生电网无功连续补偿方法及补偿装置p中国发利00125031.0.2000-095 许海斌，许敏，周谦之基于开关线性复合功率变换技术的新型无功补偿装置j甘肃：

51、电气传动自动化，2004，26(1) : 39-426 李凤祥谐波抑制和无功功率补偿技术的研究与应用j天津：电力系统及其自动化学报，2001，13(5):26-297 李凤祥谐波抑制和无功功率补偿技术的研究与应用j上海：电气自动化，2002，24(1):44-468 周谦之开关t线性复合功率变换技术展望u2第七届中国电力电子与传动控制学术会议论文集，电气传动自动化，增刊9 周谦之，李定，张捍东开关线性复合功率变换技术机理和实效分析j马鞍山：安徽工业大学10 姜宁，王春宁，董其国无功电压与优化技术问答m北京：中国电力出版社，200611 凌志斌，邓超平，郑益慧，叶芃生新型连续无功调节控制器的研制j北京：电工技术杂志，2003，1(8) : 48-5112 b r lin，t y yangsingle phase half bridge rectifier with power factor correction jieeep rocelectr powe