赵良辰论文最终版8

毕 业 设 计 （ 论 文 ）题 目 背 靠 背 变 换 器 的 仿 真 研 究 专 业 电 气 工 程 及 其 自 动 化 班 级 电 气 082 学 生 赵 良 辰 指 导 教 师 李 洁 2012 年赵 良 辰 ： 背 靠 背 变 换 器 的 仿 真 研 究背 靠 背 变 换 器 的 仿 真 研 究专 业 ： 电 气 工 程 及 其 自 动 化班 级 ： 电 气 082 班作 者 ： 指 导 教 师 ： 职 称 ： 副 教 授答 辩 日 期 ： 2012-06-25摘 要背 靠 背 电 压 源 型 变 换 器 在 轻 型 直 流 输 电 系 统 ， 变 速 恒 频 风 力 发 电 系 统轻 型 直 流 输 电 系 统 以 及 电 动 机 变 频 调 速 中 有 着 越 来 越 重 要 的 作 用 。PWM 整 流 -PWM 逆 变 形 式 的 背 靠 背 VSC 不 仅 具 有 良 好 的 输 出 性 能 ， 更具 有 良 好 的 输 入 性 能 ， 可 获 得 任 意 功 率 因 数 的 正 弦 输 入 电 流 ， 且 具 有 能量 双 向 流 动 的 良 好 能 力 。介 绍 了 背 靠 背 电 压 源 型 变 流 器 在 dq 同 步 旋 转 坐 标 系 下 的 动 态 数 学 模型 、 背 靠 背 电 压 源 型 变 流 器 与 两 端 交 流 系 统 互 联 时 的 功 率 交 换 控 制 原 理 。设 计 了 基 于 直 接 电 流 控 制 的 双 闭 环 控 制 器 ， 实 现 了 有 功 功 率 和 无 功 功 率的 解 耦 控 制 ， 基 于 系 统 传 递 函 数 ， 采 用 极 点 配 置 的 PI 参 数 设 计 方 法 ， 使控 制 器 的 期 望 性 能 指 标 与 PI 参 数 之 间 建 立 了 直 接 的 量 化 关 系 。最 后 ， 利 用 PSCAD 软 件 搭 建 了 背 靠 背 VSC 变 换 器 控 制 仿 真 模 型 ，最 终 通 过 对 背 靠 背 VSC 与 两 端 交 流 系 统 的 功 率 交 换 进 行 控 制 仿 真 ， 验 证了 所 设 计 控 制 器 的 有 效 性 。关 键 词 ： 背 靠 背 电 压 源 型 变 换 器 、 dq 轴 解 耦 控 制 、 直 接 电 流 控 制西 安 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）AbstractBack-to-back voltage source converter is becoming more and more important in new fields such as VSCF wind power generator system and HVDC light. back-to-back VSC in the form of PWM rectifier-PWM inverter not only has good output performance, but also has good input performance,and it can obtain sinusoidal input current with any power factor as well as a bidirectional energy flow.The dynamic mathematical model for back-to-back VSC under dq synchronous reference frame is represented as well as the power exchange control principle between converters and two side ac systems.t A dual closed loop controller based on direct current control strategy is designed for active power and reactive power exchange between the converter and two side ac systems, active power control and reactive power control are decoupled. According to the system transfer function, the direct quantitative relationship is established between the desired performance targets and PI parameters based on pole-assignment for PI parameters design method.Finally, power exchange control simulation model for back-to-back VSC based on PSCAD is set up, Power exchange control between back-to-back VSC and two side ac systems is simulated, the validity of the proposed controller is demonstrated by the simulation results.Keywords: back-to-back voltage source converter, dq axis decoupled control, direct current control赵 良 辰 ： 背 靠 背 变 换 器 的 仿 真 研 究目 录第 1 章 绪 论 11.1 选 题 背 景 及 意 义 11.2 背 靠 背 VSC 的 研 究 现 状 11.2.1 背 靠 背 VSC 的 应 用 情 况 11.2.2 VSC 控 制 策 略 的 研 究 现 状 5第 2 章 背 靠 背 VSC 的 数 学 模 型 62.1 背 靠 背 VSC 的 工 作 原 理 62.2 背 靠 背 VSC 的 数 学 模 型 10第 3 章 背 靠 背 VSC 的 控 制 器 设 计 113.1 背 靠 背 VSC 的 上 层 控 制 策 略 113.2 背 靠 背 VSC 的 控 制 器 设 计 123.2.1 背 靠 背 VSC 内 环 电 流 控 制 器 设 计 123.2.2 背 靠 背 VSC 直 流 电 压 控 制 器 设 计 153.2.3 背 靠 背 VSC2 侧 控 制 器 设 计 183.3 本 章 小 结 20第 4 章 背 靠 背 VSC 仿 真 运 行 结 果 224.1 背 靠 背 VSC 系 统 功 率 控 制 仿 真 建 模 224.1.1 锁 相 环 224.1.2 dq 变 换 模 块 234.1.3 调 制 波 发 生 模 块 234.1.4 上 层 控 制 模 块 244.1.4 PWM 发 生 模 块 254.2 背 靠 背 VSC 系 统 功 率 控 制 仿 真 结 果 284.2.1 直 流 电 压 控 制 仿 真 结 果 284.2.2 VSC1 侧 无 功 功 率 控 制 仿 真 结 果 28西 安 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）I4.2.3 VSC2 侧 有 功 功 率 控 制 仿 真 结 果 304.2.4 VSC2 侧 无 功 功 率 控 制 仿 真 结 果 31结 论 33致 谢 22参 考 文 献 32附 录 42赵 良 辰 ： 背 靠 背 变 换 器 的 仿 真 研 究0第 1 章 绪 论1.1 选 题 的 背 景 及 意 义目 前 ， 以 全 控 型 器 件 和 PWM 技 术 为 特 征 的 背 靠 背 电 压 源 型 变 流 器（ VoltageSource Converter, VSC） ， 由 于 具 有 能 够 实 现 能 量 的 双 向 流 动 、有 功 功 率 和 无 功 功 率 可 独 立 控 制 、 产 生 的 谐 波 含 量 小 、 直 流 电 压 可 控 等诸 多 优 点 ， 在 节 能 与 新 能 源 备 受 重 视 的 当 今 社 会 ， 已 成 为 变 速 恒 频 风 力发 电 系 统 、 轻 型 直 流 输 电 系 统 及 电 动 机 变 频 调 速 技 术 的 核 心 ， 从 而 得 到了 广 泛 的 关 注 15。近 年 来 ， 许 多 学 者 对 于 变 流 器 的 控 制 技 术 进 行 了 深 入 研 究 ， 取 得 了 一些 成 果 。 背 靠 背 电 压 源 型 变 流 器 应 用 于 上 述 领 域 时 ， 其 控 制 目 标 是 实 现两 端 交 流 系 统 功 率 的 相 互 交 换 ， 系 统 的 整 体 工 作 性 能 不 仅 取 决 于 控 制 器的 稳 定 性 、 快 速 性 和 精 确 性 ， 而 且 与 主 电 路 结 构 及 参 数 有 关 ， 而 控 制 器的 性 能 则 决 定 于 控 制 策 略 和 控 制 器 参 数 选 择 的 优 劣 。 因 此 ， 对 于 背 靠 背 VSC 的 控 制 器 如 何 设 计 ， 控 制 器 参 数 如 何 选 取 以 满 足 控 制 目 标 的 要 求 、主 电 路 参 数 对 系 统 运 行 特 性 有 何 影 响 等 内 容 进 行 深 入 的 分 析 和 研 究 ， 对于 背 靠 背 VSC 的 实 际 运 行 有 重 要 的 指 导 意 义 。1.2 背 靠 背 VSC 的 研 究 现 状1.2.1 背 靠 背 VSC 的 应 用 情 况a.背 靠 背 VSC 在 变 速 恒 频 风 力 发 电 中 的 应 用在 能 源 短 缺 、 环 境 污 染 日 益 严 重 的 今 天 ， 充 分 开 发 、 利 用 可 再 生 能源 是 解 决 能 源 与 环 境 问 题 的 最 优 选 择 ， 其 中 风 能 的 利 用 又 是 目 前 最 具 有现 实 意 义 的 方 案 。 对 此 ， 世 界 各 国 均 高 度 重 视 、 大 力 发 展 ， 使 得 风 电 机组 的 装 机 容 量 和 在 电 能 生 产 中 所 占 比 重 均 迅 速 增 长 。 此 外 ， 随 着 风 电 机组 单 机 容 量 的 不 断 扩 大 ， 如 何 最 大 限 度 地 利 用 风 能 、 提 高 发 电 效 率 已 经成 为 风 力 发 电 的 重 要 研 究 内 容 。 变 速 恒 频 发 电 方 式 已 成 为 风 电 技 术 的 主流 ， 其 中 采 用 变 频 器 交 流 励 磁 的 双 馈 异 步 发 电 系 统 更 是 当 前 的 主 要 技 术西 安 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）1方 案 67。由 于 PWM 整 流 -PWM 逆 变 形 式 的 背 靠 背 VSC 不 仅 有 良 好 的 输出 性 能 ， 更 具 有 良 好 的 输 入 性 能 ， 可 获 得 任 意 功 率 因 数 的 正 弦 输 入 电 流 ，且 具 有 能 量 双 向 流 动 的 能 力 。 更 为 重 要 的 是 根 据 目 前 商 品 化 自 关 断 功 率器 件 的 功 率 等 级 ， 可 以 满 足 兆 瓦 级 变 速 恒 频 风 力 发 电 机 组 转 子 交 流 励 磁的 需 要 ， 有 着 现 实 的 工 程 应 用 价 值 ， 因 此 在 变 速 恒 频 双 馈 异 步 发 电 系 统中 可 作 为 一 种 满 足 交 流 励 磁 要 求 的 理 想 变 频 电 源 。由 于 在 变 速 恒 频 双 馈 风 力 发 电 系 统 的 运 行 过 程 中 ， 两 个 PWM 变 流器 的 工 作 态 经 常 变 换 ， 通 常 不 再 以 它 们 工 作 于 整 流 或 逆 变 的 状 态 来 区 分它 们 ， 而 是 按 它 们 的 位 置 分 别 称 之 为 网 侧 PWM 变 流 器 和 转 子 侧 PWM 变 流 器 ， 交 流 励 磁 双 馈 风 力 发 电 系 统 结 构 如 图 1-1 所 示 。齿轮箱转子侧变换器网侧侧变换器电网A CD C D CA C图 1-1 变 速 恒 频 交 流 励 磁 双 馈 异 步 发 电 系 统 结 构 示 意 图在 具 体 的 运 行 控 制 过 程 中 ， 网 侧 PWM 变 流 器 的 任 务 主 要 有 两 个 ：一 是 保 证 良 好 的 输 入 特 性 ， 即 输 入 电 流 的 波 形 接 近 正 弦 ， 谐 波 含 量 少 ，功 率 因 数 符 合 要 求 ， 理 论 上 网 侧 PWM 变 流 器 可 获 得 任 意 可 调 的 功 率 因数 ， 这 就 为 整 个 系 统 的 功 率 因 数 的 控 制 提 供 了 另 一 个 途 径 ； 二 是 保 证 直流 母 线 电 压 的 稳 定 ， 直 流 母 线 电 压 的 稳 定 是 两 个 PWM 变 流 器 正 常 工 作的 前 提 ， 是 通 过 对 输 入 电 流 的 有 效 控 制 来 实 现 的 。 转 子 侧 变 流 器 的 作 用是 也 主 要 分 两 个 方 面 ： 一 是 给 双 馈 异 步 发 电 机 的 转 子 提 供 励 磁 分 量 的 电流 ， 从 而 可 以 调 节 定 子 侧 所 发 出 的 无 功 功 率 ； 二 是 通 过 控 制 双 馈 异 步 发电 机 转 子 转 矩 分 量 的 电 流 控 制 转 速 或 控 制 定 子 侧 所 发 出 的 有 功 功 率 ， 从赵 良 辰 ： 背 靠 背 变 换 器 的 仿 真 研 究2而 使 双 馈 异 步 发 电 机 运 行 在 风 力 机 的 最 佳 功 率 曲 线 上 ， 实 现 最 大 风 能 追踪 （ 捕 获 ） 运 行 。b.背 靠 背 VSC 在 轻 型 直 流 输 电 系 统 中 的 应 用轻 型 直 流 输 电 （ HVDC Light） 技 术 采 用 全 控 型 器 件 IGBT（ 绝 缘 栅双 极 晶 体 管 ） 和 PWM（ 脉 宽 调 制 ） 技 术 组 成 的 电 压 源 换 流 器 进 行 换 流 ，可 以 工 作 在 无 源 逆 变 方 式 ， 不 需 要 外 加 换 相 电 压 ， 从 而 克 服 了 传 统 HVDC 受 端 必 须 是 有 源 网 络 的 根 本 缺 陷 。 由 于 其 传 输 容 量 比 传 统 的 小 ，装 置 结 构 简 单 ， 因 此 称 为 轻 型 直 流 输 电 。 全 控 型 器 件 的 应 用 赋 予 了 HVDC Light 一 些 传 统 HVDC 无 法 比 拟 的 优 点 ， 例 如 可 以 向 无 源 网 络 供电 ， 同 时 独 立 控 制 有 功 功 率 和 无 功 功 率 ， 动 态 补 偿 交 流 母 线 的 无 功 功 率 ，稳 定 直 流 母 线 电 压 等 ， 甚 至 能 够 在 一 侧 交 流 系 统 故 障 的 条 件 下 仍 然 通 过另 一 侧 输 送 功 率 ， 还 可 以 构 成 并 联 多 端 直 流 系 统 。 目 前 在 瑞 典 、 丹 麦 、澳 大 利 亚 和 美 国 等 国 家 已 建 成 了 7 个 轻 型 HVDC 工 程 8-9， 其 主 要 适用 于 向 孤 立 的 远 方 小 负 荷 区 供 电 、 风 力 发 电 站 或 小 型 水 电 站 与 主 网 的 联结 等 。 轻 型 直 流 输 电 系 统 结 构 如 图 1-2 所 示 。LRLRLREaEbEcVaLRVbVcLRLR交流系统 1 交流系统 2图 1-2 轻 型 直 流 输 电 系 统 结 构 示 意 图轻 型 直 流 输 电 系 统 中 的 背 靠 背 VSC 一 般 有 四 种 基 本 控 制 方 式 ：（ 1） 定 直 流 电 压 控 制 方 式 ， 用 以 控 制 直 流 母 线 电 压 和 输 送 到 交 流 侧 的无 功 功 率 ；（ 2） 定 直 流 电 流 （ 功 率 ） 控 制 方 式 ， 用 以 控 制 直 流 电 流 （ 功 率 ） 和 输送 到 交 流 侧 的 无 功 功 率 ；（ 3） 定 交 流 电 压 控 制 方 式 ， 仅 控 制 交 流 侧 母 线 电 压 ；（ 4） 变 频 率 控 制 方 式 ， 用 以 控 制 交 流 侧 频 率 ， 适 用 于 与 风 力 发 电 厂 连西 安 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）3接 。其 中 方 式 （ 1） 、 （ 2） 适 用 于 与 有 源 交 流 网 络 相 联 的 情 况 ， 方 式（ 3） 适 用 于 给 无 源 网 络 供 电 的 情 况 。 对 于 一 个 实 际 的 轻 型 直 流 输 电 系 统 ，需 有 一 端 采 用 定 直 流 电 压 控 制 ， 另 一 端 是 采 用 定 直 流 电 流 控 制 还 是 定 交流 电 压 控 制 则 取 决 于 所 联 的 交 流 网 络 是 有 源 网 络 还 是 无 源 网 络 。c.背 靠 背 VSC 在 电 动 机 变 频 调 速 中 的 应 用背 靠 背 变 流 系 统 基 于 交 -直 -交 结 构 ， 输 入 端 采 用 PWM 可 控 整 流 ，输 出 端 采 用 PWM 逆 变 ， 与 传 统 采 用 二 极 管 不 控 整 流 的 变 流 系 统 相 比 具有 可 以 实 现 网 侧 电 流 正 弦 化 ， 且 可 实 现 网 侧 单 位 功 率 因 数 ， 便 于 控 制 直流 母 线 电 压 的 泵 升 ， 能 量 可 双 向 流 动 ， 可 将 电 机 制 动 产 生 的 能 量 回 馈 电网 ， 实 现 电 机 四 象 限 运 行 等 诸 多 优 点 10-11， 背 靠 背 变 流 系 统 如 图 1-3 所示 。M3L RL RL REaEbEc图 1-3 背 靠 背 变 流 系 统 结 构 示 意 图根 据 能 量 的 流 向 ， 背 靠 背 变 流 系 统 运 行 状 态 可 以 分 为 两 种 ：1、 能 量 由 三 相 交 流 电 网 流 向 电 动 机 负 载 当 电 动 机 处 于 拖 动 运 行 状态 时 ， 能 量 由 交 流 电 网 经 系 统 中 的 VSC1 流 向 VSC2。 此 时 ， VSC1 工 作 在 整 流 状 态 下 ， 使 用 PWM 方 式 控 制 交 流 网 侧 的 电 流 与 电 网 相 电 压同 相 位 ， 实 现 单 位 功 率 因 数 整 流 ； VSC2 工 作 在 逆 变 状 态 下 ， 逆 变 桥 开关 元 件 在 PWM 控 制 下 ， 输 出 频 率 与 幅 值 可 调 的 正 弦 电 压 信 号 ， 实 现 交流 电 机 的 变 频 调 速 。2、 电 动 机 再 生 能 量 馈 入 三 相 交 流 电 网 在 变 频 调 速 过 程 中 ， 当 电 动机 处 于 减 速 运 行 时 ， 由 于 负 载 惯 性 作 用 进 入 发 电 状 态 。 此 时 ， VSC2 工赵 良 辰 ： 背 靠 背 变 换 器 的 仿 真 研 究4作 在 整 流 状 态 下 ， 交 流 电 动 机 的 再 生 能 量 经 由 VSC2 中 开 关 元 件 和 续流 二 极 管 向 中 间 直 流 环 节 的 储 能 电 容 充 电 ， 使 电 容 器 两 端 电 压 升 高 ；VSC1 工 作 在 有 源 逆 变 状 态 下 ， 其 开 关 元 件 在 PWM 控 制 下 ， 将 能 量 馈入 交 流 电 网 中 ， 完 成 能 量 的 双 向 流 动 。 同 时 ， 由 于 PWM 整 流 器 闭 环 控制 作 用 ， 加 上 使 用 自 关 断 器 件 和 开 关 频 率 的 大 幅 度 提 高 ， 使 馈 入 电 网 的电 流 为 与 电 网 相 电 压 相 位 相 反 的 正 弦 波 ， 系 统 的 功 率 因 数 约 等 于 1， 回收 了 再 生 能 量 ， 提 高 了 系 统 功 率 因 数 ， 消 除 了 变 频 装 置 对 电 网 的 谐 波 污染 。1.2.2 VSC 控 制 策 略 的 研 究 现 状目 前 ， 变 流 器 的 控 制 策 略 主 要 有 间 接 电 流 控 制 、 直 接 电 流 控 制 和 基于 非 线 性 系 统 反 馈 线 性 化 理 论 的 dq 矢 量 解 耦 控 制 。间 接 电 流 控 制 也 称 为 相 位 和 幅 值 控 制 ， 是 通 过 控 制 变 流 器 前 端 电 压的 相 位 和 幅 值 ， 间 接 地 控 制 交 流 侧 电 流 ， 实 现 功 率 因 数 校 正 ， 改 善 电 流波 形 12。直 接 电 流 控 制 是 通 过 运 算 求 出 交 流 输 入 电 流 指 令 值 ， 在 引 入 交 流 电流 反 馈 ， 通 过 对 交 流 电 流 的 直 接 控 制 而 使 其 跟 踪 指 令 电 流 值 12。非 线 性 系 统 反 馈 线 性 化 理 论 的 dq 矢 量 解 耦 控 制 是 通 过 选 择 适 当 的非 线 性 坐 标 变 换 z=T(x)和 非 线 性 状 态 反 馈 量 v=(x)+(x)u， 从 而 使 非 线性 系 统 得 以 在 大 范 围 甚 至 全 局 范 围 内 线 性 化 ， 对 于 多 变 量 非 线 性 系 统 ，在 实 现 线 性 化 的 同 时 ， 实 现 解 耦 13。西 安 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）5第 2 章 背 靠 背 VSC 的 数 学 模 型背 靠 背 电 压 源 型 变 流 器 的 数 学 模 型 是 对 其 控 制 技 术 进 行 研 究 的 基 础 ，本 章 首 先 对 背 靠 背 电 压 源 型 变 流 器 的 工 作 原 理 进 行 分 析 ， 在 此 基 础 上 建立 其 在 dq 同 步 旋 转 坐 标 系 下 的 动 态 数 学 模 型 ， 并 分 析 了 该 模 型 的 特 点 。2.1 背 靠 背 VSC 的 工 作 原 理联 结 2个 有 源 系 统 的 背 靠 背 电 压 源 型 变 流 器 (VSC)的 基 本 结 构 如 图 2-1所 示 。 系 统 主 要 由 2个 电 压 源 型 变 流 器 (VSC1， 、 VSC2 )、 直 流 侧 电 容 器(C)和 交 流 侧 电 抗 器 (L1、 L2)构 成 。 电 感 寄 生 电 阻 及 线 路 损 耗 电 阻 分 别 用R1和 R2表 示 ， 通 常 L1=L2=L、 Rl=R2=R。 其 中 直 流 侧 电 容 器 C为 逆 变 侧 提供 电 压 支 撑 以 及 滤 波 作 用 。ud cLRLRLREaEbEcVaLRVbVcLRLR交流系统 1 交流系统 2ia 1ib 1ic 1i0 1i0 2ic+-Cia 2ib 2ic 2图 2-1 背 靠 背 电 压 源 型 变 流 器 主 电 路 结 构 图由 于 两 侧 变 流 器 对 称 ， 下 面 以 VSC1为 例 进 行 分 析 其 工 作 原 理 。假 设 VSC中 功 率 开 关 元 件 为 理 想 元 件 ， 以 开 关 信 号 描 述 其 通 断 ， 定义 三 相 桥 臂 开 关 信 号 为 ：1-2cbak01 ，导 通相 上 桥 臂 关 断 ， 下 桥 臂 关 断相 上 桥 臂 导 通 ， 下 桥 臂 ksk以 a相 为 例 ， 当 sa=1,既 a相 上 桥 臂 导 通 、 下 桥 臂 关 断 时 ， 变 流 器 a相 对于 直 流 侧 参 考 点 O的 电 压 uao=udc， udc为 直 流 侧 电 压 ； 当 a相 上 桥 臂 关 断 、下 桥 臂 导 通 时 ， sa=0， uao=0。 同 理 可 得 到 b相 与 c相 结 果 。因 此 ：)2(,aksVdckO赵 良 辰 ： 背 靠 背 变 换 器 的 仿 真 研 究6因 为)32(NOcNbaV其 中 VNO为 交 流 系 统 1的 中 性 点 与 直 流 侧 参 考 点 之 间 的 电 压 。可 以 得 到)42()(31)(3 cNbaNcObaNO VV由 于 VSC1交 流 侧 为 三 相 平 衡 系 统 ， 其 中 ， 所 以0c)52()(31cObaNO因 此)62()31()(, cbakdcNckbbadaNusVs由 此 可 得 ， VSC直 流 侧 电 压 通 过 功 率 开 关 状 态 与 交 流 侧 电 压 互 相 关 联 ，开 关 状 态 确 定 后 直 流 电 压 与 交 流 电 压 之 间 的 关 系 也 就 确 定 14。VSC交 流 输 出 为 电 压 脉 冲 ， 包 含 有 基 波 与 高 次 谐 波 。 由 于 电 感 L的滤 波 作 用 ， VkN中 的 高 次 谐 波 分 量 使 交 流 电 流 产 生 的 脉 动 非 常 小 ， 可 以 忽略 ， 所 以 VSC交 流 输 出 电 压 为 一 幅 值 、 相 位 与 频 率 可 控 的 正 弦 电 压 ， 可以 用 （ 2-7） 表 示 ：)72()32sin()si( tmuVtdccbdca西 安 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）7式 中 ： m为 调 制 比 ， 其 值 等 于 变 流 器 输 出 的 交 流 相 电 压 基 波 幅 值 与 直 流 侧电 压 之 比 ； 为 变 流 器 输 出 的 交 流 基 波 相 电 压 超 前 交 流 系 统 基 波 相 电 压 的相 角 。下 面 分 析 VSC 交 流 侧 输 出 电 压 与 功 率 流 向 的 关 系 ， 如 图 2-2 所 示 ，E 为 交 流 系 统 电 压 矢 量 ， I 为 交 流 系 统 电 流 矢 量 ， V 为 变 流 器 输 出 电 压基 波 矢 量 ， VL 为 电 感 电 压 矢 量 ， 为 V 超 前 E 的 相 位 ， 为 交 流 系 统 的功 率 因 数 角 。VLEOVP 0P 0 , Q 0 P 0 , Q 0O*图 2-2 稳 态 运 行 时 变 流 器 输 出 电 压 基 波 向 量 与 传 输 功 率 关 系 示 意 图交流系统 1交流系统 2V S C 1 V S C 2整流 逆变交流系统 1交流系统 2V S C 1 V S C 2功率正向传输整流逆变功率正向传输图 2-3 背 靠 背 VSC系 统 运 行 状 态 与 能 量 流 向 关 系 示 意 图赵 良 辰 ： 背 靠 背 变 换 器 的 仿 真 研 究8忽 略 等 效 电 阻 R， 由 稳 态 运 行 时 的 电 压 矢 量 关 系 可 知 ， 当 |E|不 变 ，|I|一 定 的 条 件 下 ， 向 量 V 的 端 点 轨 迹 是 以 |VL|为 半 径 的 圆 ， 通 过 控 制 VSC 交 流 侧 电 压 V 的 幅 值 和 相 角 ， 即 可 实 现 VSC 有 功 功 率 和 无 功 功率 的 双 向 流 动 ， 即 实 现 VSC 的 四 象 限 运 行 。 VSC 从 交 流 系 统 中 吸 收 的有 功 功 率 P 的 大 小 和 方 向 主 要 取 决 于 ， 吸 收 的 无 功 功 率 的 大 小 和 方 向主 要 决 于 |V |（ V 的 幅 值 ） 。 当 0 变 流 器 向 交 流 系 统 传 输 有 功 功 率 ； 0， 变 流 器 从 交 流 系 统 吸 收 有 功 功 率 。 |V | |E| ,变 流 器 向 交 流 系 统 提供 无 功 功 率 ， |V | |E|, 变 流 器 从 交 流 系 统 吸 收 无 功 功 率 。背 靠 背 VSC系 统 与 两 侧 交 流 系 统 互 联 时 ， 通 过 对 两 端 VSC的 运 行 状态 （ 即 VSC1、 VSC2交 流 输 出 电 压 ） 的 控 制 来 实 现 能 量 的 双 向 流 动 ， 如图 2-3 所 示 ： 当 功 率 正 向 传 输 时 ， 交 流 系 统 2从 直 流 环 节 吸 收 能 量 VSC2在 PWM 控 制 下 工 作 于 逆 变 状 态 ， 直 流 环 节 的 电 容 由 于 放 电 ， 会 导 致 直流 电 压 有 下 降 的 趋 势 ， 为 了 保 持 直 流 电 压 稳 定 ， 在 脉 冲 控 制 下 VSC1工作 于 整 流 状 态 。 当 功 率 反 向 传 输 时 ， 交 流 系 统 2向 直 流 环 节 释 放 能 量 ，VSC2在 脉 冲 控 制 下 转 换 成 整 流 状 态 ， 电 容 充 电 ， 引 起 直 流 环 节 电 压 的 上升 。 为 了 限 制 直 流 环 节 电 压 的 上 升 ， VSC1需 要 将 直 流 环 节 的 电 能 传 向 交流 系 统 1， 因 此 在 PWM控 制 下 转 换 成 逆 变 状 态 。 可 以 看 出 ， 变 流 器 工 作状 态 的 切 换 是 由 功 率 传 输 的 方 向 决 定 的 。 由 功 率 守 衡 原 理 可 知 ， 要 保 证有 功 功 率 的 平 衡 传 输 ， 若 只 对 两 端 VSC进 行 孤 立 控 制 是 不 行 的 ， 必 须 对两 端 VSC进 行 协 调 控 制 。 而 对 于 两 端 VSC与 各 端 交 流 系 统 的 无 功 功 率 的交 换 ， 因 其 不 需 要 直 流 侧 的 参 与 ， 所 以 可 独 立 完 成 15。2.2 背 靠 背 VSC的 数 学 模 型数 学 建 模 的 目 的 是 能 够 正 确 反 映 被 控 对 象 的 动 态 特 性 ， 为 被 控 对 象控 制 器 的 设 计 提 供 依 据 。 因 此 ， 双 PWM变 流 器 的 数 学 模 型 是 研 究 其 实 现多 种 控 制 功 能 的 基 础 。 由 图 1-1可 知 ， 背 靠 背 VSC是 对 称 拓 扑 结 构 ， 其 三相 对 称 系 统 数 学 模 型 可 用 如 下 基 于 d-q同 步 旋 转 坐 标 系 下 的 动 态 微 分 方 程组 描 述 16西 安 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）9)82(22221111 LmuViLRidt LEuiLRitdqdcsqdq qdcsqdq其 中 ， 直 流 侧 电 压 变 化 方 程 为 ：)92(2211 Ciiiimdtuqdqdc式 中 ： 1、 2 分 别 为 交 流 系 统 相 电 压 角 频 率 ； id1、 id2、 iq1、 iq2 分 别 为VSC 交 流 侧 输 出 电 流 矢 量 的 d、 q 轴 分 量 ； Esd、 Vsd、 Esq、 Vsq 分 别 为VSC 交 流 侧 并 联 系 统 电 压 矢 量 的 d、 q 轴 分 量 ； md1、 md2、 mq1、 mq2 分别 为 VSC1 和 VSC2 调 制 开 关 函 数 的 d、 q 轴 分 量 ； Udc 为 直 流 侧 母 线 电压 。三 相 对 称 系 统 中 ， 忽 略 交 流 线 路 损 耗 与 开 关 损 耗 ， 则 流 入 VSC1和流 出 VSC2的 有 功 功 率 和 无 功 功 率 分 别 为 ：)102(22011 dsccqscdciVpuiE式 中 ： i01、 i02为 VSC1、 VSC2的 直 流 侧 电 流 。赵 良 辰 ： 背 靠 背 变 换 器 的 仿 真 研 究10第 3章 背 靠 背 VSC的 控 制 器 设 计本 章 首 先 对 背 靠 背 VSC系 统 的 功 率 交 换 进 行 了 分 析 ， 将 有 功 功 率 和无 功 功 率 的 控 制 转 化 为 对 有 功 电 流 和 无 功 电 流 的 控 制 ， 控 制 系 统 的 设 计采 用 双 闭 环 控 制 结 构 ， 内 环 电 流 控 制 器 采 用 电 流 反 馈 和 电 压 前 馈 的 解 耦控 制 策 略 ， 实 现 电 流 的 快 速 跟 踪 ， 外 环 控 制 器 用 于 确 定 电 流 参 考 值 。 基于 系 统 传 递 函 数 ， 采 用 极 点 配 置 的 PI参 数 设 计 方 法 ， 将 系 统 的 期 望 性 能指 标 与 PI参 数 建 立 起 直 接 清 晰 的 函 数 关 系 。3.1 背 靠 背 VSC的 上 层 控 制 策 略背 靠 背 VSC用 于 交 流 系 统 互 联 时 ， 其 目 的 是 实 现 有 功 功 率 与 无 功 功率 的 单 独 控 制 。根 据 式 （ 2-10） ， 稳 态 情 况 下 Esd、 Vsd均 为 常 数 ， 所 以 ， 分 别 控 制id1、 iq1即 可 控 制 交 流 系 统 1的 有 功 、 无 功 功 率 交 换 ； 同 理 可 得 到 交 流 系 统2相 同 的 结 论 。为 了 确 保 安 全 运 行 ， 背 靠 背 系 统 应 维 持 直 流 侧 电 压 稳 定 于 其 额 定 值附 近 。 由 式 （ 2-9） （ 2-10） 可 得 ， 此 约 束 条 件 即 可 得 到 背 靠 背 交 流 系 统之 间 的 有 功 功 率 交 换 必 须 维 持 平 衡 。 而 由 于 两 侧 交 流 系 统 间 无 功 功 率 交换 无 需 直 流 侧 电 容 参 与 ， 因 此 相 互 独 立 。因 此 ， 背 靠 背 VSC通 常 情 况 下 采 取 一 侧 为 定 直 流 电 压 和 无 功 功 率 控制 ， 另 一 侧 为 有 功 功 率 和 无 功 功 率 控 制 的 控 制 策 略 。 而 背 靠 背 VSC与 两侧 交 流 系 统 间 的 功 率 交 换 控 制 问 题 转 换 为 对 其 d-q轴 电 流 参 考 值 的 跟 踪 问题 。3.2 背 靠 背 VSC的 控 制 器 设 计背 靠 背 VSC的 控 制 系 统 包 括 控 制 器 和 调 制 器 两 部 分 ， 控 制 器 用 于 获取 变 换 器 输 出 的 电 压 指 令 ， 而 调 制 器 则 以 此 电 压 指 令 为 调 制 波 ， 采 取SPWM调 制 ， 获 得 相 应 的 脉 宽 调 制 信 号 ， 从 而 使 变 换 器 输 出 的 电 压 电 流西 安 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）11能 够 接 近 所 给 定 的 电 压 指 令 ， 从 而 对 两 侧 交 流 系 统 的 有 功 、 无 功 功 率 进行 控 制 。 而 由 于 PWM技 术 发 展 已 非 常 成 熟 ， 所 以 将 不 再 进 行 介 绍 ， 主 要进 行 控 制 器 部 分 的 设 计 说 明 。下 面 将 通 过 分 析 背 靠 背 VSC系 统 在 d-q轴 坐 标 系 下 的 数 学 模 型 ， 对 电网 电 流 d轴 与 q轴 分 量 进 行 解 耦 控 制 ， 设 计 出 电 流 内 环 与 电 压 外 环 的 双 闭环 控 制 器 ， 建 立 各 个 环 节 的 传 递 函 数 ， 控 制 器 的 性 能 指 标 与 PI参 数 之 间建 立 直 接 的 量 化 关 系 。本 文 中 ， VSC1采 用 定 直 流 电 压 与 无 功 功 率 控 制 ， VSC2采 用 有 功 功率 与 无 功 功 率 控 制 。 下 面 先 讨 论 VSC1的 控 制 器 设 计 。3.2.1 内 环 电 流 控 制 器参 照 四 象 限 变 流 器 状 态 方 程 ， 我 们 可 以 得 到 如 下 的 VSC1电 压 方 程 ：)3(111 qsdqq dsd VELiRitiL其 中 Vd1、 Vq1分 别 为 VSC1交 流 输 出 电 压 的 d轴 分 量 与 q轴 分 量 。由 上 式 可 知 ， d、 q轴 电 流 除 了 受 到 控 制 量 Vd1、 Vq1影 响 外 ， 还 受 到电 流 交 叉 耦 合 项 Lid1、 Liq1与 电 网 电 压 Esd、 Esq的 影 响 。 因 此 ， 对id1、 iq1进 行 解 耦 控 制 ， 将 是 内 环 电 流 控 制 器 的 核 心 。在 这 里 ， 我 们 将 采 取 前 馈 解 耦 控 制 ， 以 消 除 电 流 交 叉 耦 合 以 及 电 网电 压 扰 动 的 影 响 。 可 以 得 到 控 制 量 Vd1、 Vq1为)23()()( 112121 sqdqrefiqrefpqdd EutikikV式 中 的 id1ref、 iq1ref分 别 为 VSC1侧 有 功 电 流 id1和 无 功 电 流 iq1的 参 考 值 。ddqLiu赵 良 辰 ： 背 靠 背 变 换 器 的 仿 真 研 究12将 式 （ 3-2） 代 入 （ 3-1） 中 可 得 ： )3()(112121 qqrefiqrefp ddrfidrf RitLikik it由 式 （ 3-3） 可 以 看 出 ， 引 入 电 流 状 态 反 馈 与 电 网 电 压 前 馈 后 ， 只 要通 过 调 节 PI调 节 器 参 数 ， 即 可 使 Vd1、 Vq1分 别 跟 踪 其 参 考 值 ， 进 而 产 生 控制 目 标 对 应 的 d、 q轴 电 流 ， 并 且 实 现 了 d、 q轴 电 流 的 解 耦 控 制 。 电 流 内环 控 制 的 原 理 如 图 3-1所 示 。P ISPWMP I L- Lid*+id-e dus d*+-+iq*= 0 +iq+us q* eq= 0 -图 3-1 内 环 电 流 控 制 器由 于 d、 q 轴 电 流 具 有 类 似 的 控 制 对 象 ， 因 此 控 制 结 构 与 参 数 也 应 基本 相 同 ， 下 面 以 d 轴 为 例 进 行 控 制 器 设 计 。考 虑 数 字 化 控 制 往 往 具 有 一 个 控 制 周 期 的 延 迟 以 及 PWM 装 置 的 延迟 时 间 ， 在 控 制 器 的 设 计 中 加 入 了 电 流 信 号 采 样 延 迟 环 节 和 PWM 装置 的 延 迟 环 节 ， PWM 装 置 的 延 迟 时 间 TTc（ PWM 开 关 周 期 ） ， 一 般取 T=0.5Tc， 由 于 变 流 器 的 控 制 中 ， Tc 一 般 很 小 ， 时 间 常 数 很 小 的 延 迟环 节 可 近 似 为 一 阶 惯 性 环 节 。 内 环 电 流 控 制 器 传 递 函 数 等 值 框 图 如 图 3-2 所 示 。 1sTcskip115.0sTcRLs+-id 1id 1 r e f图 3-2 内 环 电 流 控 制 器 传 递 函 数 等 值 框 图西 安 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）13将 电 流 信 号 采 样 延 迟 环 节 和 PWM 装 置 延 迟 环 节 合 并 ， 由 于 开 关 频 率 一般 较 高 ， 合 并 后 分 母 s2项 系 数 远 小 于 s 项 系 数 ， 可 将 s2项 忽 略 ， 简 化为 一 阶 惯 性 环 节 ： 1/（ 1.5Tcs+1） , Tc为 开 关 周 期 。 简 化 后 的 内 环 电 流 控制 器 传 递 函 数 等 值 框 图 如 图 3-3 所 示 。skip1RLs1+-id 1id 1 r e f 15.sc图 3-3 简 化 后 内 环 电 流 控 制 器 传 递 函 数 等 值 框 图开 环 传 递 函 数 为 ： )43(15.11 sRLTskGcpi其 中 1ipkT可 以 看 出 ， 内 环 电 流 控 制 系 统 为 一 个 具 有 零 点 的 三 阶 系 统 ， 其 性 能很 难 分 析 ， 参 数 设 计 也 较 复 杂 ， 而 且 由 于 电 流 内 环 要 求 具 有 快 速 的 跟 随性 能 ， 因 此 需 对 其 进 行 降 阶 处 理 。为 此 ， 令 T1=L/R， 即 用 PI 控 制 器 的 零 点 和 电 流 控 制 对 象 传 递 函 数的 极 点 对 消 ， 校 正 后 的 闭 环 传 递 函 数 为 ： )53(23221 ncpccsLTkss 式 中 ： ，16pckcpn1内 环 电 流 控 制 器 为 典 型 二 阶 系 统 ， 其 PI参 数 可 根 据 所 需 动 态 性 能 指赵 良 辰 ： 背 靠 背 变 换 器 的 仿 真 研 究14标 选 取 。 可 以 看 出 ，