（电力电子与电力传动专业论文）电网不平衡条件下lclvsr控制策略研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金a 墨工些叁堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字j 冬签字脚训轩月7 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目里王些盘 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 轹3 查、剔嗽： 浓琴 签字日期：加li 卿月弓勺e t 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 电网不平衡条件下l c l - v s r 控制策略研究 摘要 电压型p w m 变换器( v s c ，v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ) 由于其交流侧电流的 正弦性、输入输出滤波器小、能量可双向流动、交流侧有功功功率和无功功率 可分别进行控制等优点，得到了越来越广泛的应用。l c l 型滤波器由于其相对 l 型滤波器对交流侧电流中的高频谐波有更强的抑制能力，因此也越来越多的 被用于v s c 变换器中。 针对电网电压不平衡造成电压型p w m 整流器( v s r ，v o l t a g es o u r c e r e c t i f i e r ) 系统中直流侧的偶次谐波和交流侧的奇次谐波问题以及引入l c l 滤 波器造成的系统的谐振问题，本文将l c l v s r 的有源阻尼控制和不平衡控制 策略相结合进行了研究。电网电压不平衡条件下，传统的输出电流平衡控制中 由于正序有功电流指令中含有二次谐波而使得输出电流中含有三次谐波，本文 通过添加陷波器消除了电流指令中的二次谐波从而消除了输出电流中的三次谐 波；本文同时对抑制直流侧电压脉动控制中的电流指令算法进行了简化，解决 了传统的指令算法计算量较大不利于工程实现的问题。通过对改进算法进行仿 真和实验验证，结果表明改进的输出电流平衡控制算法可以有效的消除输出电 流中的三次谐波；新的直流侧电压脉动抑制控制电流指令算法在抑制直流侧电 压中的二次脉动的同时减少了输出电流指令的计算量，同时在不平衡条件下也 可近似运行于单位功率因数下。 当l c l v s c 系统用于分布式发电系统作为逆变器( v s i ，v o l t a g es o u r c e i n v e r t e r ) 工作时，期望其在电网出现故障脱离电网后能独立向本地负载供电， 同时保证在并网工作模式和独立逆变模式间的切换过程中做到无扰动切换，以 减小切换动态过程对本地关键负载上电压的影响。本文提出了基于多环控制结 构的无扰动切换控制策略，在并网和独立逆变两种模式下分别对并网电流和负 载电压( 即电容电压) 直接进行控制，同时由于电容电压环始终处于工作状态， 解决了切换过程中由于电容电压启动所造成的本地负载电压的畸变。同时研究 了本地不平衡负载对系统并网工作状态和独立逆变工作状态的影响，将不平衡 控制策略和所提出的无扰动切换控制策略结合，在正负序双同步坐标系下对并 网状态下并网电流中的负序分量和独立逆变状态下负载电压中的负序分量分别 进行抑制，消除了本地不平衡负载对系统工作状态的影响。仿真和实验结果表 明本文所提出的基于正负序双同步坐标系的多环结构无扰动切换控制策略能够 做到双模式间切换对负载电压和电网均只产生很小的冲击，很好的完成了无扰 动切换的控制目标，同时有效的消除了本地不平衡负载对系统运行状态的影响。 关键字：电网电压不平衡；有源阻尼控制；不平衡控制；无扰动切换控制；不 平 c o n t r o ls c h e m e sf o rl c l v s ru n d e r u n b a l a n c e d s u p p l yv o l t a g ec o n d i t o n s a b s t r a c t ： t h ep w m v o l t a g es a u r c ec o n v e r t e r ( v s c ) h a s b e e ni n c r e a s i n g l ye m p l o y e di n r e c e n ty e a r so w i n gt oi t sa d v a n c e df e a t u r e si n c l u d i n gs i n u s o i d a li n p u tc u r r e n t ， s m a l ls i z eo fi n p u ta n do u t p u tf i l t e r ，b i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w ，h i g hc o n t r o la b i l i t y o fg r i d s i d ea c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e r ，e t c c o m p e a rw i t hl - t y p ef i l t e r ，l c l - f i l t e r h a sh i g h e ra t t e n u a t i o na b i l i t yo fc u r r e n th a r m o n i c sa th i g h e rf r e q u e n c i e s ，s o i th a s b e e nm o r ea n dm o r ee m p l o y e di nv s cs y s t e m t h ec o n t r o ls c h e m e so fv o l t a g es o u r c ep w m r e c t i f i e rw i t ha nl c lf i l t e ru n d e r u n b a l a n c e ds u p p l yv o l t a g ec o n d i t i o n si ss t u d y e di nt h i sp a p e r t h el c l a c t i v e d a m p i n gc o n t r o ls t r a t e g y a n du n b a l a n c e dc o n t o ls t r a t e g ya r ec o m b i n e d i nt h e t r a d i t i o n a lo u t p u tc u r r e n tb a l a n c e dc o n t r o ls c h e m e ，t h i r do r d e rh a r m o n i ca p p e a r si n t h eo u t p u tc u r r e n tb e c a u s eo ft h es e c o n do r d e rh r m o n i cc o n s i s t e n ti nt h eo u t p u t c u r r e n t s p o s i t i v es e q u e n c e a c t i v ep o w e rc o m m a n d ，t h e c o n t r o ls c h e m el s i m p r o v e db ya d d i n ga nn o t c h f i l t e rt oa v o i dt h es e c o n do r d e rh r m o n i cc o u p l i n g i n t h ec u r r e n tc o m m a n d s ，s ot h et h i r do r d e rh a r m o n i cd i s a p p e a r e df r o mt h eo u t p u t c u r r e n t s ；t h ed cv o l t a g er i p p l es u p p r e s s i o nc o n t r o ls c h e m e sl si m p r o v e d t os o l v e t h ep r o b l e mo fi t sc o m p l e xo u t p u tc u r r e n tc o m m a n da l g o r i t h ma n dd i f f i c u l tf o r i m p l e m e n t a t i o n t h en e w c o n t r o ls c h e m ei sa c h i e v e db ys i m p l y f y i n gt h ec u r r e n t c o m m a n da l g o r i t h m s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tw o r k sw e r et a k e nt op r o v et h e p r o p o s e dc o n t r o ls c h e m e s t h sr e s u l t ss h o w t h a tt h ei m p r o v e do u t p u tc u r r e n tc o n t r o l s c h e m ec a ne l i m i n a t et h et h i r do r d e rh a r m o n i ci nt h eo u t p u tc u r r e n t s ；a n dt h en e w c u r r e n tc o m m a n da l g o r i t h mi se a s yt oi m p l e m e n t a t i o na n d t h eo u t p u tv o l t a g er i p p l e i ss u p p r e s s e d ，a tt h es a m et i m et h ev s r c a na l s ob e e ns e e na so p e r a t i n gi nu n i t p o w e rf a c t o ru n d e rt h eu n b a l a n c e dc o n d i t i o n w h e nu s i n gl c l v s cw o r k i n ga sa ni n v e r t e r ( v s i ) i nt h ed gs y s t e m ，i t s e x p e c t e dt op r o v i d ep o w e rt ol o c a ll o a d sa f t e r i td i s c o n n e c t sf r o mt h eg r i d ，a n d a c h i e v es e a m l e s st r a n s f e rb e t w e e nt h eg r i d c o n n e c t e dm o d ea n ds t a n d a l o n em o d e t of e d u c et h ei m p a c to nc r i t i c a ll o c a ll o a d sa n d t h eg r i dd u r i n gt h et r a n s i t i o n an e w s e a m l e s st r a n s f e rc o n t r o ls c h e m eb a s e do nm u l t i - l o o pc o n t r o ls t r u c t u r el sp r o p o s e d i nt h i sp a p e r t h eg r i dc o n n e c t e dc u r r e n ti sd i r e c t l yc o n t r o l e di nt h eg r i d - c o n n e c t e d i i i m o d ea n dt h el o a dv o l t a g e ( c a p a c i t yv o l t a g e ) i sd i r e c t l yc o n t r o l e d i nt h es t a n d a l o n e m o d e t h el o a dv o l t a g ed i s t o r t i o np r o b l e mc a u s e db yt h es t a r t u po fv o l t a g el o o p d u r i n gt h et r a n s f e ri s s o l v e dd u et ot h ef a c tt h a ti nt h en e ws c h e m et h ec a p a r i t y v 0 1 t a g el o o pa l w a y sk e e p sw o r k i n g t h eu n b a l a n c e dc o n t r o la l g o r i t h mi si n t r o d u c e d i nt h es e a m l e s st r a n s f e rs c h e m et oe l i m i n a t i o nt h en e g a t i v es e q u e n c ec o m p c n e n to f g r i dc o n n e c t e dc u r r e n ti ng r i d c o n n e c t e dm o d ea n dn e g m i v es e q u e n c ec o m p o n e n t o fc a p a c i t yv o l t a g ei ns t a n d a l o n em o d ec a u s eb y u n b a l a n c e dl o c a ll o a d s s o u n b a l a n c e dl o a d sw i l ln o tb eap r o b l e mo f t h es y s t e m s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a tt h en e ws e a m l e s st r a n s f e rs c h e m em a k et h el o a d v o l t a g eo n l y c h a n g e ds l i g h t l yb e t w e e nt h et r a n s f e r o ft h et w om o d e s ，s ot h eg o a lo fs e a m l e s s t r a n s f e ri sr e c e i v e d a n dl o a d su n b a l a n c e dd o e s n o ta f f e c tt h es y s t e mo p e r a t l o n k e y w o r d s ：u n b a l a n c e ds u p p l yv o l t a g e ；a c t i v e d a m p i n g ；u n b a l a n c e d c o n t r 0 1 s c h e m e ：s e a m l e s st r a n s f e r ；u n b a l a n c e dl o a d s ； 致谢 值此论文脱稿之际，衷心地感谢我的导师张兴教授。在两年多的硕士研究 生学习和课题研究过程中，自始至终得到了张老师无微不至的关怀和悉心指导。 导师严谨的科研态度，广博的理论知识，丰富的实践经验，务实的工作作风使 我受益匪浅。他的精心指导，不但使学生的知识水平和科研能力有了很大的提 高，更重要的是让学生的思维方式和科研方法得到了很好的培养。导师在学术 上谆谆教导，以及对生活上的悉心关怀，都将使我终身难忘。在此，谨向张老 师表示由衷的感谢和诚挚的敬意。 同时，在整个课题研究过程中还得到了刘芳博士、杨淑英老师、谢震老师、 王付胜老师的无私帮助，在此表示深深的谢意。感谢合肥阳光电源有限公司在 整个实验平台搭建过程中给予的大力支持。感谢实验室一起学习工作的同窗好 友们，他们是：王莹、邵章平、陈武、张虎、刘震、李飞、胡超、郭海滨、查 乐，感谢我的室友戴鹏、石勇，在共同的工作、学习和娱乐生活中，我们大家 相互了解、相互帮助、相互进步。和他们在一起，我愉快地度过了紧张而又难 忘的研究生生活。特别感谢刘芳博士在课题研究过程中给予我的帮助和指导， 在此。此外，感谢论文中引用参考文献的所有作者! 最后，我要感谢默默支持我的父母、妹妹和女友，他们不仅在生活上全力 照顾我，在精神上也给予我极大的鼓励。在此向他们表示真心的祝福和深深的 舀 西己。 谨以此文献给所有关心、支持和帮助过我的老师、同学、亲人和朋友! v 作者：丁杰 2 0 11 年4 月2 0 日 日习 第一章绪论1 1 1 课题研究背景与意义1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1l c l v s c 阻尼控制策略研究现状3 1 2 2l c l v s r 电网不平衡条下控制策略研究现状4 1 2 3l c l v s i 无扰动切换控制策略研究现状5 1 3 本文主要研究内容6 第二章l c l - v s r 工作原理及其数学模型8 2 1 同步坐标系下l c l v s r 模型9 2 1 1 交流侧同步坐标系下模型建立9 2 1 2 直流侧同步坐标系下模型建立1 3 2 2电网不平衡条件下l c l - v s r 模型1 3 2 2 1 不平衡系统描述1 3 2 2 2 电网不平衡条件下l c l - v s r 模型建立1 4 第三章l c l - v s r 多环控制策略1 6 3 1l c l 双闭环有源阻尼控制策略1 7 3 2l c l 三闭环有源阻尼控制策略2 2 3 3 基于电网电压定向的矢量控制( v o c ) 2 6 3 3 1 锁相环( p l l ) 2 7 3 3 2 基于v o c 的l c l v s r 多环控制系统原理2 9 3 3 2 基于v o c 的l c l v s r 多环控制系统仿真3 2 第四章电网不平衡条件下l c l - v s r 控制策略3 5 4 1 不平衡控制关键技术3 5 4 1 1 正负序信息分离技术3 6 4 1 2 不平衡电网条件下锁相技术4 0 4 1 3 不平衡电网条件下瞬时功率计算4 2 4 2 不平衡控制策略4 4 4 2 1 并网电流平衡控制4 5 4 2 2 直流侧电压脉动抑制控制4 7 4 2 3 并网电流平衡控制和直流侧电压脉动抑制控制仿真对比5 3 第五章l c l - v s i 并网运行和孤岛运行间无扰动切换技术5 5 5 1 无扰动切换技术概述5 5 5 1 1 直接电流控制法5 6 5 1 2 间接电流控制法5 8 5 1 3 两类方法对比5 9 v i 5 2 5 3 第六章 6 1 6 2 6 3 第七章 7 1 7 2 参考文 研究生 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图3 2 7 并网电流阶跃响应波形3 3 图3 2 8 直流侧电压阶跃响应3 4 图3 2 9 直流侧突加负载3 4 图4 1 正负序电流矢量图3 6 图4 2 基于陷波器的正负序分离法实现框图3 7 图4 3 陷波器实现框图3 8 图4 4 不同采样频率下陷波器b o d e 图对比3 8 图4 5 基于解耦的正负序分离法实现框图3 9 图4 6k 取不同值时响应波形4 0 图4 7 基于陷波器法和基于正负序解耦法对比4 0 图4 8 不平衡条件下锁相环( p l l ) 结构框图4 l 图4 - 9 不平衡条件下锁相环模块仿真4 1 图4 1 0 不平衡条件下电压和电流矢量图4 2 图4 1 ll c l v s r 系统主电路和不平衡控制结构图4 5 图4 1 2 传统并网电流平衡控制仿真波形4 6 图4 1 3 引入陷波器后直流侧电压环控制结构框图4 6 图4 1 4 改进型并网电流平衡控制仿真波形4 7 图4 1 5 不平衡条件下按网侧瞬时功率计算时仿真波形4 9 图4 1 6 不平衡条件下按桥臂侧瞬时功率计算时仿真波形5 0 图4 1 7 不平衡电网条件下某相电网相电压和并网电流波形5 1 图4 1 8 网侧瞬时有功计算法和桥臂侧瞬时有功计算法对比5 1 图4 1 9 负载功率较小时网侧瞬时有功计算法和桥臂侧瞬时有功计算法对比5 2 图4 2 0 修正后的桥臂侧瞬时有功算法与修正前以及网侧瞬时功率算法对比5 3 图4 2 l 并网电流平衡控制和直流侧电压脉动抑制控制仿真对比5 4 图5 1 具备双模式运行能力的单相l c l v s i 系统主电路5 6 图5 2 典型的直接电流控制法控制策略示意图5 7 图5 3 间接电流控制法并网模式矢量图5 8 图5 4 基于多环控制结构的无扰动切换控制法示意图6 0 图5 5 三相l c l v s i 系统主电路与锁相环结构示意图6 1 图5 - 6 二阶通用积分器实现框图6 2 图5 7 基于二阶通用积分器( s o g i ) 的单相锁相环结构框图6 2 图5 8 基于多环结构无扰动控制算法的l c l v s i 并网模式下控制结构框图：6 3 图5 - 9 电容电压和晶闸管关断信号6 4 图5 1 0 电容电压d q 轴给定和反馈6 4 图5 1 1 并网电流和晶闸管关断信号6 5 图5 1 2 并网电流d q 轴给定和反馈6 5 i x 图5 1 3 同步过程中电容电压和电网相位及波形图对比6 6 图5 1 4 孤岛到并网模式切换过程中电容电压及其d q 轴给定和反馈波形6 6 图5 1 5 孤岛到并网模式切换过程中并网电流及其d q 轴给定和反馈波形6 6 图5 1 6 孤岛到并网模式切换过程中相位管理6 7 图5 1 7 不平衡本地负载对并网模式和孤岛运行模式的影响6 8 图5 1 8 采用双同步坐标系控制时带不平衡负载并网运行波形6 9 图6 1 电压采样通道原理图7 1 图6 2 电流采样通道原理图7 1 图6 3l c l v s r 不平衡控制实验主电路和控制电路示意图7 2 图6 4l c l v s r 不平衡控制主程序流程图7 3 图6 5l c l v s r 不平衡控制中断程序流程图7 4 图6 6 突加负载，和“出响应波形7 5 图6 7 不平衡输入电压波形7 5 图6 8 输出电流平衡控制时f ：，和波形7 5 图6 - 9 直流侧电压脉动抑制控制时丘：和波形图7 6 图6 1 0 输出电流平衡控制切换到直流侧电压脉动抑制控制7 6 图6 1 1 直流侧电压脉动抑制控制时：。和e o 波形7 6 图6 1 2l c l v s i 无扰动切换控制实验主电路7 7 图6 1 3 并网电流环阶跃响应7 8 图6 1 4 并网模式切换到孤岛模式时并网电流与晶闸管关断信号波形7 8 图6 1 5 并网模式切换到孤岛模式时电容电压与晶闸管关断信号波形7 8 图6 1 6 并网模式切换到孤岛模式时电容电压与一相并网电流波形7 8 图6 1 7 并网模式切换到孤岛模式时系统相位管理7 8 图6 1 8 孤岛模式切换到并网模式时同步过程中电容电压波形与相位7 9 图6 1 9 孤岛模式切换到并网模式时电容电压和晶闸管开通信号波形7 9 图6 2 0 孤岛模式切换到并网模式时并网电流和晶闸管开通信号波形7 9 图6 2 l 孤岛模式切换到并网模式时并网电流、电容电压和系统相位波形7 9 图6 2 2 孤岛模式切换到并网模式时一相并网电流和电容电压波形8 0 图6 2 3 孤岛模式切换到并网模式时系统相位管理8 0 图6 2 4 本地负载扰动对并网电流的影响8 0 图6 2 5 并网模式下本地不平衡负载对并网电流的影响8 1 图6 2 6 孤岛模式下本地不平衡负载对电容电压的影响8 l x 表6 1 主电 表6 - 2l c l 表6 。2l c l 第一章绪论 1 1课题研究背景与意义 随着电力电子技术的迅速发展，电力电子变换器得到了日益广泛的应用。 近年来伴随着i g b t 等新型高频电力电子开关器件的出现和p w m 技术的发展， 涌现出很多新型高效电力电子变换设备。其中最为代表性，应用场合也最多的 是电压型p w m 变换器( v s c ，v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ) 。两电平的三相v s c 系统 拓扑电路如图1 1 所示，系统主要由一个由六个i g b t 开关管构成的三相h 桥、交 流侧滤波器、直流侧滤波器和电网构成。6 个开关管工作于p w m 开关状态，将 直流侧电压变换成交流侧的方波电压输出，经过交流侧滤波电感滤除其中的高 频分量即可得到正弦的并网电流。 o p 图1 1 两电平v s c 系统拓扑电路 v s c 是一个a c d c 变换器，其输入输出能量可以双向流动，因而根据有功 功率流动方向的不同其具有两个基本的工作状态：有功功率由直流侧流向交流 侧的逆变状态( v s i ，v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ) 和有功功率由交流侧流向直流侧 的整流状态( v s r ，v o l t a g es o u r c er e c t i f i e r ) 。同时，由于v s c 工作于开关频率 较高的开关状态，因而要滤除其桥臂输出电压中开关频率处的纹波所需的交流 侧滤波器大小较小。此夕b v s c 还具有输入高功率因数、网侧电流正弦性、在较 小直流侧滤波电容的情况下获得稳定的直流侧电压等优势。 由于v s c 系统的这些优势，使其得到了越来越广泛的应用。典型的v s c 应 用场合由光伏发电系统、风力发电系统、储能系统、有源滤波器、统一潮流控 制、高压直流输电、静止无功补偿器、电气传动等。本文以v s c 在分布式发电 系统( d g ，d i s t r b u t e dg e n e r a t i o n ) 的应用为例，对其进行介绍。典型的d g 系统 示意图如图1 2 所示。当电网状态正常工作时，由太阳能、风能和燃料电池发出 来的能量经过v s c 变换后一方面通过变压器升压并入电网，另一方面直接向一 些本地负载提供电力；而当电网发生故障时，则需将v s c 与电网脱离，d g 发出 的能量方面直接向本地负载供电，另一方面多余的被储存到蓄电池中。而本 地负载又根据其对电网的敏感程度可分为本地普通负载( 如普通的居民用电等) 和本地关键负载( 如工业机器人等) 两大类。 本地晋通 负载 图1 - 2v s c 在d g 系统中的应用示意图 对于v s r 系统，上文所述这些优点只能在平衡电网电压条件下获得。当电 网由于三相负载不平衡、线路阻抗不平衡或者电网故障等原因造成三相电网电 压的不平衡时，常规的v s r 控制策略将造成直流侧电压中的偶数次谐波和交流 侧电流中相应的奇数次谐波【2 】，若要求滤除这些谐波则需很大的交流侧和直流 侧滤波器【3 1 。而由于电网中三相负载的不平衡或输电线路中阻抗不相等等原因， 电网电压的不平衡现象时有发生，尤其对于电网较为薄弱的地区【4 j 。因而有必 要对不平衡电网电压条件下的v s r 控制策略进行研究，以减小不平衡对系统的 影响。 在v s r 系统中，最为简单的滤波器是一阶的l 型滤波器；另一种是三阶的 l c l 型滤波器。l c l 滤波器由于其可对位于其转折频率后的p w m 开关频率的谐 波量以6 0 d b d e c 的速度衰减，因而相对l 型滤波器在转折频率后2 0 d b d e c 的谐波 衰减速度对谐波具有更好的抑制效果，因而得到越来越多的工程应用。但l c l 由于其自身的谐振现象，需要引入阻尼控制策略增加系统阻尼以消除谐振问题。 而大多数关于不平衡条件下v s r 控制策略的研究均基于l 型滤波器的v s r 系统， 因而有必要将l c l 的阻尼控制策略和l c l v s r 系统的不平衡控制策略结合进行 研究。 当电网出现故障问题，需要令并网状态下的l c l v s i 系统脱离电网，同时 又期望l c l v s i 系统能充当u p s 功能持续向本地负载供电。l c l v s i 系统在脱离 2 并网状态转换到独立逆变状态向本地负载供电的过程中，对于本地普通负载所 造成的影响较小，但由于本地关键负载对供电电压的敏感性，要求切换过程中 保持供电电压波形的平滑稳定，即做到无扰动切换，而若直接将l c l v s i 系统 由并网状态下的电流控制切换到离网状态下的电压控制则会造成本地负载两端 电压的闪变和对电网的冲击，无法实现切换过程的无扰动，因而会对本地关键 负载的工作状态造成影响。因而需要研究控制策略以实现切换过程的无扰动。 同时由于本地负载可能是不平衡的，不平衡的本地负载会造成并网模式下并网 电流的不平衡和孤岛模式负载电压的不平衡，因而需要针对本地不平衡负载将 不平衡控制策略和无扰动控制策略结合，以消除不平衡负载对系统的影响。 1 2国内外研究现状 1 2 1l c l v s c 阻尼控制策略研究现状 l c l 滤波的v s c 系统由于l c l 滤波器自身的谐振现象会造成系统的不稳 定，因而必须引入阻尼控制策略增加系统的阻尼。 阻尼控制分为无源阻尼法( p a s s i v ed a m p i n g ) 17 驯和有源阻尼法( a c t i v e d a m p i n g ) i 弘1 6 】两大类，前者通过在滤波电感或电容上串入电阻以增加系统阻尼， 而后者则是通过控制算法增加系统阻尼使系统稳定运行。无源阻尼法具有方法 简单和无需额外增加传感器的特点，但是电阻的插入造成了系统额外的功率损 耗，降低了系统效率，在高压大功率场合阻尼电阻发热严重，可能需要强制风 冷；有源阻尼法往往需要增加传感器，相对前者系统的复杂性提高了，但并不 会对系统的效率造成影响，因而更优。 有源阻尼控制主要有虚拟电阻法【1 3 , 1 4 】、超前滞后网络法【9 , 1 0 】、双带阻滤波 器法【1 1 ，12 1 、分裂电容法【1 5 】和多环控制法【16 1 。 虚拟电阻法通过算法以“虚拟电阻”替代实际电阻，因而增大系统阻尼的 同时并不带来有功损耗，但其缺点是通过控制桥臂侧电流间接控制并网电流非 直接电流控制；超前滞后网络法通过将电容电压经过超前滞后网络叠加到桥臂 侧电流环输出，该方法引入的调节参数过多，不利于工程实现，且该方法也是 基于对桥臂侧电流的控制，同样没有直接控制并网电流；双带阻滤波器法的基 本思想是将电流内环p i 调节器输出值经过一个带通滤波器，然后与它自身相减， 将差值作为s v p w m 的调制指令，优点在于无需增加额外的传感器，但文献中 未具体介绍带通滤波器参数的选择以及对该方法具体进行分析；分裂电容法通 过重构并网电流环的反馈变量将原来三阶的l c l 被控对象等效的降阶为一阶的 被控对象，从而化解了三阶的l c l 自身的谐振问题，该反馈变量是通过桥臂侧 电感电流和网侧电感电流加权共同得到，缺点在于加权系数取决于滤波器参数， 降阶的前提在于滤波器参数的精确获得，因而实现过度依赖于滤波器参数。 e r i k at w i n i n g 和d o n a l dh o l m e s l l 6 j ，【舶j 提出了基于双闭环的有源阻尼控制策 3 略，该方法在并网电流环的基础上引入了电容电流内环增加系统阻尼，提高了 系统阻尼的同时具有很好的鲁棒性，且不依赖与系统的主电路参数。f a m a g u e e d 1 7 】 【1 8 1 采用了三闭环控制结构的有源阻尼算法，同样能有效的增加系统 的阻尼。 1 2 2l c l v s r 电网不平衡条下控制策略研究现状 电力系统中的不平衡现象非常常见，尤其对于电网比较薄弱的地区。造成 不平衡的主要原因有相间负载的不平衡，相间输电阻抗的不平衡，以及由于电 网故障或输电设备损坏造成的不平衡。电网电压的不平衡造成了v s r 直流侧电 压中的二次纹波，该二次纹造成了并网电流中的三次谐波，并网电流中的三次 谐波反过来又造成了直流侧电压中的四次谐波，从而造成了直流侧电压中的偶 数次谐波和并网电流中相应的奇数次谐波【l 引。 s t a n k o v i c 和l i p o1 2 1 】提出了对v s r 的输入输出谐波进行控制，然而他们所提 出的控制策略由于功率因数不可调，应用受到了限制；r i o u a l 等学者1 2o j 推导了 正负序坐标系下的方程，得出了可控制实现恒定的直流侧电压和平均无功功率 为o 的正负序电流指令，因而为了实现控制目标必须对负序电流量进行控制。然 而r i o u a l 并没有采用负序电流控制器对负序电流量单独进行控制，而是将负序 电流指令反变换到正序坐标系下与正序指令叠加，在正序同步坐标系下对正负 序电流指令共同进行控制。由于负序电流指令在正序同步坐标系下以二次谐波 的形式出现，因而电流环需要能够跟踪2 倍于基波频率的交流信号，这就要求电 流环的带宽足够大以实现对该交流给定的跟随，为了提高电流环带宽需要很高 的前向通道增益，而前向通道增益的增加势必造成系统的不稳定，因此电流环 带宽的增大是有限制的，尽管系统的带宽大于2 倍的基波频率，但依然会造成对 2 倍于基波频率的交流给定信号的跟踪输出相对给定相角显著滞后。 为了解决电流环带宽不足的问题，h o n g s e o ks o n g 等学者提出了在正负序 双旋转坐标系下用4 个p i 调节器对输出电流的正负序分量分别进行控制1 2 j ，由于 正负序电流指令在正负序坐标系下均为直流量，因而使用p i 调节器即可实现对 指令的无静差跟随，而不必要求较高的电流环带宽。文中根据瞬时功率理论推 导了网侧瞬时功率表达式，通过控制并网电流抑制网侧瞬时有功功率中的二次 脉动量，从而消除直流侧电压中的二次纹波，同时根据输出平均有功功率和网 侧平均无功功率计算得到完整的正负序电流指令。 s u h l 3 】分析了滤波电感上的瞬时功率对输出电流指令计算的影响，指出了滤 波电感上的瞬时有功和无功功率是不可以忽略的，尤其对于开关频率较低、滤 波电感值较大的大功率应用场合。因而文中提出了对指令电流的计算应当基于 桥臂侧瞬时功率而非网侧瞬时功率，但其电流指令的获得是通过求解一组非线 性方程，实现时需要的运算量较大，不利于工程实现。 4 b oy i n 4 j 在s u h 的方法基础上做出了改进，但其方法仅适用于l 型滤波器， 且计算依赖于滤波器参数。 上述的基于双同步坐标系的控制方法均需要对交流侧采样结果进行正负序 信息分离，由于正负序分离计算增加了控制的计算量也一定程度上影响了系统 的带宽，因而国内外一些学者为了避免对正负序信息的解耦，提出了两类控制 策略：基于正负序坐标系采用复合型调节器的控制结构【2 2 】【2 3 】【2 4 】和基于静止坐 标系采用比例谐振调节器的控制结构【2 5 】【2 6 】【27 1 。 大多数对不平衡控制的研究均针对于l 型滤波器，而l c l 型滤波器由于其三 阶滤波特性对开关频率处谐波具有更好的抑制效果越来越多的被用于v s r 中， 但由于l c l 滤波器自身的谐振现象，若采用传统的控制策略会造成系统的不稳 定，因而需要引入阻尼控制策略。m a r c ol i s e r r e 2 s l 采用了在滤波电感中串入阻 尼电阻的无源阻尼控制方法，并与不平衡控制策略结合；f a m a g u e e d 1 。1 8 】 采样了三闭环控制结构的有源阻尼算法，并研究了l c l v s c 系统在不平衡条件 下的控制策略。 1 2 3l c l v s i 无扰动切换控制策略研究现状 v s c 系统的一个很大的应用场合是分布式发电设备( d g ) 。d g 系统除了可向 电网提供清洁能源，还有能在负荷高峰时段对电网进行调峰、电网发生故障时 持续向本地负载供电等待电网恢复等优势【6 】。当电网中存在关键负载时，希望 d g 在电网出现故障时能独立向其供电，等到电网恢复后d g 在并入电网发电， 同时必须维持在整个过程中本地关键负载上电压的稳定。 r o h i tt i r u m a l a t6 j 首先对逆变器在并网运行和离网运行间的无扰动切换控 制策略进行了研究，并给出了切换过程的基本原则： ( 1 ) 并网到离网运行： a ) 监控电网电压，当电网电压故障时向晶闸管给出关断信号； b ) 监测负载电压的幅值和相位； c ) 当流过晶闸管的电流过0 时将逆变器由电流控制切换到电压控制，电压给 定根据上一时刻负载电压幅值和相位信息计算得到； d ) 若负载电压幅值相对额定值出现了衰减，缓慢增加到额定值。 ( 2 ) 离网到并网运行： a ) 在离网工作时事实监测电网电压信息，当满足并网要求时提出并网请求； b ) 调节逆变器输出电压的频率和幅值，实现逆变器输出电压和电网电压相 位的同步和幅值的相等； c ) 向晶闸管发送开通信号，同时将控制方式由电压型控制切换到电流型控 制； d ) 慢慢增加输出电流的幅值直到达到额定输出。 系统在并网模式时工作于电流控制模式，在孤岛运行模式时工作于电压控 制模式。然而该方法的不足在于在给出晶闸管关断信号后，晶闸管自然关断需 要的时间较长，而在这个时间内负载电压是不可控的，因而造成了切换过程中 负载电压的畸变。 g u o q i a os h e n 【2 9 j 【3 0 】在此基础上进行了改进，提出了在从并网运行切换到孤 岛运行时控制桥臂输出电压实现网侧滤波电感两端电压相对电感电流的反向， 从而迫使并网电流快速过零，实现晶闸管的快速关断。 t a e s i ky u 3 1j 提出了基于下垂控制法( d r o o p m e t h o d ) 的无扰动控制策略，并 网模式时通过控制公共点( p c c ) 电压的幅值和相位实现对并网电流矢量的间接 控制。当电网发生故障时则直接根据负载正常工作时电压大小直接控制公共点 电压。由于切换前后系统均工作于电压控制模式，因而对负载电压的扰动很小。 z h i l e iy a o 3 2j 指出了当系统在并网模式下直接对并网电流进行控制，在孤 岛模式下直接对电容电压进行控制时，由于切换瞬间电流环调节器和电压环调 节器输出间的不匹配会造成电压和电流在切换过程中的闪变。针对上述问题文 章提出了一种新的无扰动切换控制策略，使得电压调节器在整个过程中始终工 作，从而消除了调节器输出不匹配的问题。但该方法中并网工作模式下电压控 制环并非起控制作用，而