（电力系统及其自动化专业论文）双pwm变流器的建模与控制.pdf

东北电力人学硕士学位论文 a b s t r a c t d u a l p w mc o n v e r t e ri sc o m p o s e do ft w ov o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r s ，w h i c ha r e b a s e do nf u l lc o n t r o l l e dp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sb a c k t o - b a c k ，a n dt h ev o l t a g eo fd c s i d ei ss u p p o r t e db yc a p a c i t o r s t h ed e v i c eh a ss e v e r a lm a r k e da d v a n t a g e s ，s u c ha s t w o - w a ye n e r g y , i n d e p e n d e n t l yc o n t r o l l e dr e a c t i v ep o w e r , a d j u s t a b l ep o w e rf a c t o r , l o wh a r m o n i co u t p u tv o l t a g e ，a d j u s t a b l ev o l t a g eo fd es i d ea n ds oo n 。t h e r e f o r e ，i t h a sb e e nw i d e l yu s e di nd f i g , h v d cf l e x i b l ea n dv a r i a b l ef r e q u e n c y s p e e d r e g u l a t i o n i nt h i sp a p e r , c o m m o np r o b l e m so fd u a l p w mc o n v e r t e r st r a n s f e r r i n g e n e r g yb e t w e e nt h es a m e 丘e q u e n c ya n dd i f f e r e n tf r e q u e n c ys y s t e m sa r er e s e a r c h e d t h et o p i c si n v o l v e da r ea sf o l l o w s ，a n a l y z i n gt h ep r i n c i p l e so fd u a l p w m c o n v e r t e r ；e s t a b l i s h i n gt h em o d e lb a s e do nt h r e e - p h a s ec o o r d i n a t es y s t e ma n di nt h e r o t a t i n gd qc o o r d i n a t e s ；d e m o n s t r a t i n gt h ei n v e r s em o d e lc o n t r o ls t r a t e g yb e t w e e n t w oa c t i v en e t w o r k sa n db e t w e e na c t i v en e t w o r ka n dl o a d ，b o t hu n d e rn o r m a l w o r k i n gc o n d i t i o na n di nt h es t a r t u pp r o c e s s 、i mc u r r e n tc o n t r o la si n n e m o o pa n d p o w e rc o n t r o la so u t e m o o p ；p w mw a v ed i g i t i z a t i o na n di t sr e a l i z a t i o nw i t hr e g u l a r s a m p l i n gt oc o n t r o li g b tt r i g g e r i n gp u l s e ；b u i l d i n gs i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do n p s c a d e m t d ct ov a l i d a t et h ec o n t r o ! p o l i c y t h er e s u l t ss h o wt h a tc o n t r o l l e r s d e s i g n e dw e l ls a t i s f yt h ec o n t r o ls t r a t e g ya n dt h es t a b i l i t y k e y w o r d s ：d u a l p w m ；c o o r d i n a t e dc o n t r o l ；p u l s ew i d t hm o d u m t i o n i i 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书： 2 学校可在相关媒体上对作者本入的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名： 奎亟 日期：型墨年土月盟日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：奎墼日期：型墨年三月盟日 导师签名：季五盔日期：趣止年月4 日 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 和中国学位论文全文数据库投稿声明 研究生部： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国学位论文全文 数据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生部向中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国科 技信息研究所的中国学位论文全文数据库投稿，希望中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和中国学位论文全文数据库给予出版，并同意在中 国优秀博硕士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库以及中国学位论文全 文数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。 论文级别：口硕士口博士 作者签名：奎亟指导教师签名： 作者联系地址( 邮编) ： 暮北蚴穴学a l l 分诌 b w t z 作者联系电话： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 双p w m 变流器( d u a lp w mc o n v e r t e r ) 由两个电压型p w m 变流器“背靠背” 连接构成，这两个三相电压型p w m 全桥变流器采用直流链连接，靠中间的滤波 电容器c 稳定直流电压。由于该电路结构是完全镜面对称的，文献中一般称这 种结构为“背靠背”( b a c k t o b a c k ) 连接【1 引。 双p w m 变流器有如下的特性： 1 能量可以双向流动； 2 两端无功功率可独立控制； 3 网侧功率因数可调，可接近1 ； 4 网侧电流波形近似正弦，低次谐波含量大大降低； 5 直流电压可控。 因为双p w m 变流器有如此多的优点，在节能与新能源倍受重视的当今社 会，其己成为变速恒频双馈感应风力发电系统、柔性直流输电系统和电动机变 频调速技术的核心。功率传输的控制策略是双p w m 变流器的研究热点，因此， 本课题对双p w m 变流器的功率传输控制的共性问题进行了研究。 1 2 双p w m 变流器研究现状 1 2 。1p w m 变流器发展现状 本文所研究的p w m 变流器就是通常所指的p w m 整流器，从电力电子技术 发展来看，整流器是较早应用的一种a c d c 变换装置。整流器的发展经历了由 不控整流器( 二极管整流) 、相控整流器( 晶闸管整流) 到p w m 整流器( 可关断功率 东北电力大学硕士学位论文 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼蔓ii i , 皇曼曼曼曼曼曼皇曼鼍置皇曼曼曼皇曼曼皇皇曼曼曼曼曼量曼量 开关) 的发展历程。 整流器采用p w m 技术后，可以获得以下优良性能【3 4 】： 1 网侧电流为正弦波； 2 网侧功率因数可控( 如单位功率因数控制) ； 3 电能可双向传输； 4 较快的动态控制响应。 由上可知，p w m 整流器已不是一般传统意义上的a c d c 变换器。由于电 能可以双向传输，当p w m 整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态； 而当p w m 整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工作状态。因此，可将 其称为p w m 变流器。 单位功率因数是指，当p w m 整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同 相( 正阻特性) ；当p w m 整流器运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相 ( 负阻特性) 。 随着p w m 整流器技术的发展，目前已设计出多种p w m 整流器，按不同的 方式可进行如下分类：按直流储能形式可分为电压型和电流型：按电网相数可 分为单相、三相和多相；按p w m 开关调制方式可分为硬开关调制和软开关调制； 按桥路结构可分为半桥电路和全桥电路；按调制电平的个数可分为二电平电路、 三电平电路和多电平电路。 尽管分类方法多种多样，但最基本的分类方法就是将p w m 整流器分为电压 型和电流型两大类，主要是因为电压型p w m 整流器和电流型p w m 整流器，无 论是在主电路结构、p w m 信号发生以及控制策略等方面均有各自的特点，并且 两者间存在电路上的对偶性。其他分类方法就主电路拓扑结构而言，均可归类 于这两种分类之中。 本文研究的双p w m 变流器是由两个三相二电平全桥电路结构的电压型变 流器“背靠背”连接构成，中间由滤波电容器c 做直流电压支持。 1 2 ，2 双p w m 变流器运行控制策略研究现状 第1 章绪论 随着电力电子技术的发展，双p w m 变流器有了非常广泛的应用，目前已成 为变速恒频风力发电系统、柔性直流输电和电动机变频调速控制系统的核心。 1 双p w m 变流器在风力发电中的应用和控制方式风能作为一种清洁、无污 染的可再生能源越来越受到人们的关注，风力发电将成为2 1 世纪最大规模开发 前景的新能源之一。目前，风力发电机的调节方式分为恒速恒频和变速恒频两 种。其中，变速恒频方式中的发电机转速可随风速发生变化，而通过适当的控 制可以得到恒频电能。这种方式可以使风能利用系数c p 保持在最佳值，可以最 大限度地捕获风能，相对于恒速恒频方式效率高很多，目前被公认为最优化的 调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向【5 。7 1 。 变速恒频发电风力发电系统有多种形式瞵d ，其中双馈感应发电机( d o u b l y f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ，d f i g ) 因其自身的特性，在实际中得到了广泛地应用。 d f i g 是结合了异步发电机和同步发电机的优点而发展起来的一种新型发电机。 它具有良好的调速性能、有功和无功功率独立可调、改善电网功率因数、提高 系统的稳定性以及相对较小的励磁容量等优点，其结构如图卜2 所示。 图1 1 双馈发电系统结构图 由于在变速恒频双馈风力发电系统的运行过程中，两个p w m 变流器的工作 状态经常变换，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 照它们的位置分别称之为网侧p w m 变流器和转子侧p w m 变流器【1 2 舶】。 在具体的运行控制过程中，网侧p w m 变流器的任务主要有两个：一是保证 其良好的输入特性，即输入电流的波形接近正弦，谐波含量少，功率因数符合 东北电力大学硕l ：学位论文 要求，理论上网侧p w m 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p w m 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d f i g 的转子提供励磁分 量的电流，从而可以调节d f i g 定子侧所发出的无功功率；二是通过控制d f i g 转子转矩分量的电流控制d f i g 的转速或控制d f i g 定子侧所发出的有功功率， 从而使d f i g 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。 2 双p w m 变流器在柔性直流输电中的应用和控制方式柔性直流输电 ( h v d cf l e x i b l e ) 技术采用具有关断能力的高频i g b t ( 绝缘栅双极晶体管) 和 p w m ( 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h v d c 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，也称为轻型直流输电( h v d c l i g h t ) 。全控型器件的应用赋予了h v d cf l e x i b l e 一些传统h v d c 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i - v d c 工程，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【1 4 。6 1 。 柔性直流输电系统结构如图卜3 所示。 气 图1 2 柔性直流输电系统结构示意图 1 滤波器2 换流电抗3 全控器件4 直流电容5 传输电缆 第1 荦绪论 曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇舅舅曼曼曼i ii 鼍曼皇曼曼曼曼曼曼量曼舅曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼量量量曼量曼曼量皇曹皇曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼量量 根据已有工程的运行经验 1 7 - 2 0 】，柔性直流输电换流站的双p w m 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接或黑 启动。 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。对于一个实际的柔性直流输电系统，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。 3 双p w m 在电动机变频调速中的应用双p w m ( d u a l p w m ) 变频调速系统， 基于交一直一交结构，其采用的p w m 可控整流取代了传统交一直一交变频器中不可 控整流部分，从而克服了传统变频器的缺点，具有可以实现网侧电流接近正弦 波、网侧功率因数近似为l 、较快的动态响应、电能双向传输等诸多优点，真正 实现了节能调速和“绿色环保 的高度结合【2 1 乏2 】，双p w m 变频调速系统如下图 所示。 o 多j ff l 、 ! - - - 、 c =： j 一 l、l i 、 图1 - 3 交直交电压源型双p 硼变频调速系统 根据能量的流向，双p w m 交流调速系统运行状态及其控制方式可以分为两 东北电力大学硕上学位论文 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整流器流向逆 变器。此时，整流器工作在整流状态下，使用p w m 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：逆变器工作在逆变状念下，逆变 桥丌关元件在p w m 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 3 - 2 4 】。 ( 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，逆变器工作在整流状态下，交流电动机的再生能量经由逆变器 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；整流器工作在有源逆变状态下，其开关元件在p w m 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p w m 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l ，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【2 5 七刀。 因此，从实质上来看，交一直一交电压型的双p w m 变频调速系统是p w m 整 流和p w m 逆变的变频调速技术的综合体。 根据上述的双p w m 变流器应用情况，控制方式一般有下述几种。通常按照 直流侧的控制目标可分为：1 ) 恒定直流电压控制；2 ) 恒定直流电流控制；3 ) 恒 定直流功率控制。而按照交流侧的控制目标可分为：1 ) 恒定交流无功控制；2 ) 恒定交流电压控制。 对于一个与有源交流网络相联的双p w m 变流器而言；其输出的基波电压频 率必需与所联电网的基波电压频率一致，而控制方式就是上述直流侧控制方式 和交流侧控制方式的组合。例如，一侧变流器采用直流侧恒定电压、交流侧恒 定无功的控制方式；另一侧交流器采用恒定有功功率控制、恒定无功功率的控 制方式。当然由于控制策略不同，某些变流器也可以只对- - o ! t j 进行控制，例如 只控制直流电流恒定、而交流侧控制器开环运行，即无功或电压在一定范围内 随运行参数的变化而波动。 第1 章绪论 对于一个与无源交流网络相联的, 双p w i v l 变流器而言，其输出的基波电压频率 必须根据负荷的要求决定，因此一般只控制交流侧电压为恒定值。 1 3 论文的主要工作 因为双p w m 变流器应用广泛，随着电力电子技术的发展，相信其会有更广 阔的应用空间。本文搭建了双p w m 变流器的平台，对双p w m 变流器功率传输控 制的共性问题进行了研究。 论文的具体工作有： 1 分析了双p w m 变流器的工作原理； 2 ，建立了双p w m 变流器在三相静止坐标系a b c 和两相同步旋转坐标系d q 下的数学模型； 3 基于逆系统方法分别构建了双p w m 变流器在两端联接有源电网和一端 联接有源电网一端联接无源负载情况下，正常运行和启动过程的控制策略； 4 采用规则采样法进行了脉冲宽度调制波形数字化实现，使电力电子开关 器件的动作能满足上层控制策略的要求； 5 搭建了基于p s c a d e m t d c 仿真平台的双p w m 变流器运行控制仿真算 例，对所构建的控制策略进行验证。 东北电力大学硕上学位论文 第2 章双p w m 变流器的建模 数学模型是控制策略研究的基础，本章研究了双p w m 变流器的工作原理， 建立了其在三相静止坐标系& b c 下和两相同步旋转坐标系d q 下的数学模型， 为以下控制策略的研究做准备。 2 1p w m 变流器的工作原理 在双p w l v l 变流系统中，两个变流器结构完全对称，本文对其一端变流器工 作原理进行介绍，另一变流器工作原理与此相同。 三相p w m 电压型变流器( v s c ) 采用可控器件( 如i g b t ，i g c t ) 与续流 二极管反并联的方式构成开关元件单元，可控全桥的三个桥臂共使用6 个开关 单元，三相电压型双p w m 变流器的主电路及有关变量如下图所示。 图2 - 1 双p 删变流器电路图 图中左侧变流器各变量的意义为：，心为三相电源电压瞬时值：，e b ，乞 为变流器交流侧输出电压瞬时值；三为滤波电感：尺为变流器等效电阻；c 为直 流侧滤波电容；瓯和& ( 后= 口，b ，c ) 分别为三相全桥电路每一相对应的上下开关器 件的开关函数。变流器中主要元件参数对系统的作用和影响如下： 第2 章双p w m 变流器的建模 1 滤波电感：变流器正常工作时，能量在交流侧和变流桥之间流动，存储 在电感上，然后通过变流桥释放到直流侧，实现p w m 整流。电感是保证三相变 流器正常运行的必要条件。电感值的大小对系统影响很大，增大电感值，可以 减小输入电流谐波，但是如果过大将导致系统的动态响应速度变慢，同时还会 影响系统的带载能力【2 引。 2 直流滤波电容：电压型p w m 变流器的标志。提供电压支撑，缓冲桥臂 关断时的冲击电流、减小直流侧谐波，当中间直流环节与两端系统有无功功率 的交换时，无功能量要靠中间直流环节的储能元件来缓冲，也常称为中间直流 储能元件。电容c 越大，直流电压谐波含量越小，抗负载扰动能力强，但是同 时响应速度也越慢。 3 续流二极管：在功率管不导通时，电流可以在二极管中续流。 为了避免出现短路故障，图2 一l 所示的变流器同一桥的上下两个桥臂功率开 关管的导通是互补的，即上桥臂开关管导通时，其对应的下桥臂功率开关管是 关断的，反之亦然1 2 9 】。其对应的逻辑开关函数为： = 1 0 圭纂譬羹嚣：；纂薯霉雯c 七= 口 c ， q m l上桥臂关断，下桥臂导通v 。 ”p ”7p 叫 当以直流侧电压中点0 为参考点时： 气= 一l、 e b o = 巳口，一e o ； je 一3 ( e t + ，+ ) ( 2 - 2 ) = 一j 当以直流侧负极性端为参考点时： 乏= = e a n 一- e o y v j = ；c + + ， 。2 司 = e c n e o nj 式中：= 咒，e b u = u a 。s b ，= u d c 瓯，代入上式经推导可知，无论以哪点 东北电力大学硕上学位论文 为参考点，结果都为： e a o - - u d 。半= 半舻学 下面根据p w m 变流器的工作原理，分别推导双p w m 变流器在三相静止坐 标系a b c 和两相同步旋转坐标系d q 下的数学模型。 2 。2 三相静止坐标系a b c 下的数学模型 三相电压型变流器主电路拓扑结构如图2 1 所示，建立模型前通常先作如下 假设： 1 交流电输入为理想三相电源( u o ，u b ，心幅值相等、相位相差1 2 0 0 、波形为 理想的正弦波) ； 2 p w m 的开关频率远远大于交流侧基波的频率，且功率开关元件为理想器 件，没有过渡过程和功率损耗，忽略由开关引起的谐波，其通断状态由开关函 数描述，不考虑死区对系统的影响； 3 交流侧滤波电感是线性的，不考虑饱和。 根据三相变流器特性分析的需要，数学模型按适用的时间区域可分为以下 两种类型：( 1 ) 通常采用开关函数描述的高频数学模型；( 2 ) 通常采用占空比描述 的低频数学模型。采用开关函数描述的高频数学模型是对变流器开关过程的精 确描述，较适合于波形仿真分析，然而由于其包括了其开关过程的高频分量， 很难用于控制器设计。当变流器开关频率远大于电网基波频率时，可忽略其开 关函数描述的模型中高频成分，而只考虑其低频分量，从而获得采用占空比描 述的低频数学模型。这种低频数学模型非常适合于控制系统分析和控制器设计。 高频模型和低频模型在变流器控制系统设计过程中都起着重要作用，通常先通 过低频模型设计控制系统，然后可用采用高频模型进行仿真，校验控制系统的 性能指标。本章建立了双p w m 变流器的低频数学模型，第四章的仿真利用的是 其高频数学模型。 第2 章双p w m 变流器的建模 首先采用基尔霍夫电压定律建立变流器回路方程， 由前变流器工作原理得 直流侧方程为 l 等列d 趣i 口_ e 三鲁= 一r i b 一 三堕=心尺之一ecodt 三等2 心靠乇一 哮= 一戤一 生d t - = 1 4 c - - r t 一 c d u d a t 。= i 。+ k s h + i c s ： 通过傅立叶变换可以得到开关函数低频分量，如下式所示， 莲 m as i n ( r o t + 万) m 6s i n ( c o t + 万一1 2 0 0 ) m c s i n ( c o t + 6 + 2 0 0 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式中：6 为p w m 开关函数的初始相位角，即p w m 调制波初始相位角；r n o ， 为各相调制系数，且0 r n k , 2 玑时切除 起动电阻，并切换到j 下常控制方式1 ) 川。 对于定功率控制端，可以先断开直流线路，然后采用和定直流电压控制端 完全相同的起动控制方案，当直流侧电容电压达到额定值时再接通直流线路， 切换到正常的定有功功率控制方式：也可以在起动过程中始终闭锁触发脉冲， 直到在定直流电压控制端的控制下直流线路的电压达到额定值后再切换到正常 的定直流电流控制方式。 当一端接无源负载时，对于定交流电压控制端，由于交流侧没有电源，在 起动过程中只能始终闭锁触发脉冲，直到在定直流电压控制端的控制下直流线 东北电力大学硕士学位论文 - - i i i 鼍曼曼曼曼曼曼蔓苣皇罾曼曼曼曼曼舅曼曼曼皇曼鼍舅舅舅曼曼皇曼曼曼皇曼! ! ! 曼曼暑皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼舅曼量曼皇曼喜曼蔓皇罾舅舅一 路的电压达到额定值后，再切换到正常的定交流电压控制方式。 3 2 基于规则采样法的脉冲宽度调制 上节讲述的双p w m 控制策略中的控制目标：有功功率、无功功率、交流电 压、直流电压期望值等，最终将通过可控元件开断脉冲信号来实现。本课题中 两变流器的底层触发脉冲控制均采用正弦脉冲宽度调s j j ( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) ，简称s p w m 控制。 3 2 1 规则采样法介绍 s p w m 波形的基本实现方式是用正弦调制波与等腰三角载波进行比较来获 得丌关器件的触发脉冲，其典型的数字化实现方法是自然采样p w m 和规则采样 p w m ，其中规则采样p w m 又可分为对称规则采样p w m 和不对称规则采样 p w m 。 1 自然采样法自然采样p w m ( n a t u r a ls a m p l e d p w m ) 是p w m 波产生的最 基本的方法，调制波信号和三角载波信号直接比较，以两个波的相交点作为变 流器开关器件的控制信号。作为调制波的一般有梯形波、正弦波等信号。当调 制波为f 弦波的时候，变流器的丌关器件在正弦波和三角波的自然交点时刻通 断。这就是s p w m 的自然采样法。正弦波瞬时值随时间变化，因而与三角波相 交所得到的脉冲宽度也不同。而且当正弦波频率变化或幅值变化时，得到的脉 冲宽度也相应的发生变化。要准确的生成s p w m 波形，就应准确的计算出正弦 波和三角波的交点。自然采样法可以准确的计算出各开关器件的通断时间，所 得到的波形很接近正弦波。但是这神采样方法计算量大，在工程实际中使用的 不多。 2 规则采样法规则采样法是一种应用比较广泛的工程实用方法，其效果接 近自然采样法，但是计算量却比自然采样法小得多。其工作原理使用锯齿波作 第3 章双p w m 变流器功率传输研究 为载波的规则采样因为锯齿波的一条边是垂直的( 其与正弦波调制波的交点时刻 是一定的，所需的计算量只有自然采样的一半。但是其输出波形中含有偶次谐 波，而且总的谐波分量也比较大。实际应用中的三角载波的规则采样法中，输 出的每个脉冲的中点和三角波的中点( 峰值) 重合，即使每个脉冲的中点都以相应 的三角波中点为对称，这样就使得计算量大为减少。自然采样法和规则采样法 的工作原理如图3 8 所示： | 时 | j彳 - - l j | l f ：晶： 1 瓦7 ；1 瓦 a ) 自然采样b ) 规则采样 图3 8 两种采样方式的对比 3 2 2s p w m 波形的数字化实现 本文采用规则采样法实现s p w m 波形，如图3 - 9 所示：设正弦调制信号波 为以= a s i n t o r t ，式中，口称为调制度，0 口 0 5k v 时切除起动电阻，并切换到正常控制方式。 启动时直流电压给定值村= o 8 k v ，启动波形如图4 5 所示，结果表明直流 电压可以在启动后约0 2 秒达到给定值。当时间t = o 5 7 s 时，直流电压给定值由 o 8 k v 调为0 6 k v ，波形如图4 - 6 所示，结果表示直流电压可根据给定值快速改 变。再次进行仿真，启动步骤如前，直流电压给定值为o 8 k v ，当时间t = o 9 8 s 时，无功功率给定值g 耐由l o k v a r 调至1 0 k v a r ，波形如图4 7 所示，结果表示无 功功率能够快速地跟踪给定值，且波动很小。以下所有仿真结果图中，纵坐标 为参数值，横坐标为时间值。 东北电力大学硕上学位论文 图4 5v s c l 启动过程直流电压波形图 图4 - 6v s c l 定直流电压控制波形图 3 4 第3 章双p 删变流器功率传输研究 皇量曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼鼍n i , 鼍曼曼曼曼量曼曼曼曼皇量曼鼍曼量舅曼曼曼曼 图4 - 7v s c l 定无功功率控制波形图 2 v s c 2 启动过程和正常工作仿真结果分析当变流器v s c 2 接有源网络，启 动时，先断开直流线路，在变流器v s c l 的启动控制下，当直流侧电容电压达到 额定值0 8 k v 时，接通直流线路，切换到正常的控制方式。 v s c 2 启动达稳态后，在时间t = o 6 2 s 时，有功功率给定值如，由l o k w 变为 一l o k w ，波形如图4 8 所示，结果表示有功功率可迅速跟踪给定值，且波动很小； 在时f s jt = 1 1 1 s 时，无功功率给定值由5 k v a r 变为5 k v a r ，波形如图4 - 9 所示， 结果表示波形跟踪性能很好。 东北电力人学硕j j 学位论文 图4 - 8v s c 2 定有功功率控制波形图 图4 - 9v s c 2 定无功功率控稍波形图 当v s c 2 端接无源负载时，启动时始终闭锁触发脉冲，直到直流线路的电压 达到额定值0 8 k v 后，再切换到正常的定交流电压控制方式。启动达稳态后，在 时间t = 0 5 2 s 时，输出交流线电压由o 1 3 k v 、频率5 0 h z 调节为o 1 5 k v 、频率4 0 1 - 1 z ， 第3 章双p y c m 变流器功率传输研究 变流桥输出与电容中点的电压波形如图4 1 0 所示，经过滤波后的波形如图4 1 1 所示，结果表明，定电压控制成功。 p幽 。7 。 翻 le e l l0 5 0 | ， o 4 0 ，。： 一l j 一一j 一 0 3 0 0 2 0 0 1 0 一 0 0 0 & 0 1 0 0 2 0 一 0 3 0 |- 0 4 0 1n n f w v 0 , 4 8 5 00 4 9 c # j0 4 蠢s o0 5 j 0 0o 5 6 5 0o s o oi l；- 二l_ilii | i f 、氏，1 八f ? 【f? f 1 。1 7 ll fl uj 1 川u ； ，j l 0旷 vv vr u 匕u l u j l 哆 0 。4 2 5 o 胤0 4 7 50 5 0 00 5 2 5 o 嗣。粥。栅0 踊i ：一，阉 iiira,il 三 东北电力火学硕1 ：学位论文 4 4 本章小结 本章简单介绍了仿真软件p s c a d e m t d c 的功能和特点，利用这个仿真平 台，根据动模四象限背靠背变流器的装置参数建立了双p w q v l 变流器仿真平台， 通过数字仿真验证了所设计的控制器能够实现前述的控制策略，仿真结果同时 表明控制器具有稳定性好，直流电压、有功功率、无功功率和交流电压阶跃响 应速度快的特点。 结论 结论当日f 匕 双p w m 变流器因其自身的特性优点，目前在变速恒频双馈感应风力发电、 柔性直流输电和电动机的变频调速等诸多领域应用广泛。本文对双p w m 变流 器的功率传输的共性问题进行了研究，总结如下： 1 分析了双p w m 变流器的工作原理，得出了其网侧功率因数可控、电能 可双向传输等特点，并说明了变流器主要元件的作用和参数设置对其性能的影 响。 2 建立了双p w m 变流器在三相静止坐标系a b c 和两相同步旋转坐标系 d q 下的低频数学模型。当适当选取了同步旋转坐标系的初始参考轴方向q 轴与 电网电动势矢量重合时，可以实现有功功率和无功功率的解耦，从而有利于控 制器设计和控制系统分析。 3 构建了双p w m 变流器在两端联接有源网络和一端联接有源网络一端联 接无源负载时的控制策略，包括变流器正常运行功率传输和启动过程的控制策 略，并对正常工作中变流器的定直流电压、定有功功率、定无功功率和定交流 电压的控制器进行了设计，给出了内环电流、外环功率控制器的设计和整体的 控制框图。 4 介绍了规则采样法，基于规则采样法对变流器的底层控制策略中开关元 件触发脉冲的s p w m 调制波的数字化实现进行了设计。 5 搭建了基于p s c a d e m t d c 仿真平台的双p w m 变流器运行仿真控制系 统，仿真结果验证的控制策略的正确性，同时表明设计的控制器具有稳定性好， 被控量阶跃响应速度快的特点。可以为动态模拟实验室的四象限变流器物理样 机控制策略的改进研究提供一定的支持。 东北电力大学硕十学位论文 参考文献 【1 】刘永顺，李淑平，周瑞基于双p w m 技术的交流变频调速系统继电器，2 0 0 3 ， 3 1 ( 1 0 ) ：6 3 6 5 【2 】p e n ar ，c l a r ejc ，a s h e rgm ad o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t o ru s i n g b a c k t o b a c kp w mc o n v e r t e r sa n di t sa p p l i c a t i o nt ov a r i a b l e - s p e e dw i n d e n e r g y g e n e r a t i o n j i e ep r o c e e d i n g s ：e l e c t r i cp o w e ra p p l i c a t i o n s ，1 9 9 6 ，1 4 3 ( 3 ) ： 2 3 1 - 2 4 1 【3 】王兆安，黄俊电力电子技术 m 】机械工业出版社，2 0 0 0 【4 】赵良炳现代电力电子技术基础 m 】北京：清华大学出版社，1 9 9 5 【5 】h e l l e rm ，s c h u m a c h e rw s t a b i l i t ya n a l y s i so fd o u b l y f e di n d u c t i o nm a c h i n e s i ns t a t o rf l u xr e f e f e n c ef r a m e ，e p e 9 7 ，2 ：7 0 7 - 710 6 】刘其辉变速恒频风力发电系统运行与控制研究【d 】浙江大学博士论文， 2 0 0 5 【7 】赵仁德，贺益康，黄科元变速恒频风力发电机用交流励磁电源的研究【j 】 电工技术学报2 0 0 4 ，19 ( 6 ) ：7 【8 】y i f a nt a n g ，l o n g y ax u af l e x i b l ea c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o ls t r a t e g yf o r av a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c yg e n e r a t i o ns y s t e m j i e e et r a n s p o w e r e l e c t r o n i c s ，19 9 5 ，10 ( 4 ) ：4 7 2 - 4 7 8 9 】9 卞松江变速恒频风力发电关键技术研究 d 】浙江大学博士论文，2 0 0 3 【io ir ，p e n a ，jcc l a r e ，gm a s h e r d o u b l ef e di n d u c t i o ng e n e r a t o ru s i n g b a c k t o - b a c kp w mc o n v e r t e r sa n d i t s a p p l i c a t i o n t o v a r i a b l e - s p e e d w i n d e n e r g yg e n e r a t i o n j i e ep r o c e l e c t r ，p o w e r ，a p p l i c a t i o n ，m a y 1 9 9 6 1 4 3 ( 3 ) ：2 3 1 2 4 1 【l1 bh o p f e n s p e r g e r ，dja t k i n s o n ，a n dr al a k i n ，s t a t o r - f l u x o r i e n t e dc o n t r o lo f ad o u b l y - f e di n d u c t i o nm a c h i n e 、析t l la n dw i t h o u t p o s i t i o ne n c o d e r c i e e p r o c e e d i n g se l e c t r i cp o w e ra p p l i c a t i o n 4 0 参考文献 【1 2 】高景德，王祥珩，李发海交流电机及其系统的分析( 第二版) m 】北京清华 学出版社，2 0 0 5 【1 3 】黄科元，贺益康矩阵式变换器励磁的双馈调速风力发电机系统【j 】太阳能学 报，2 0 0 2 ，2 3 ( 6 ) ：7 3 2 7 3 7 1 4 张桂斌新型直流输电及其相关技术研究【d 】浙江大学博士论文，2 0 0 1 【1 5 郑超，周孝信，李若梅等v s c h v d c 稳态特性与潮流算法的研究叨中国 电机工程学报，2 0 0 5 2 5 ( 6 ) ：1 5 【16 al i n d b e r g ，tl a r s s o n p w ma n dc o n t r o l o ft h r e el e v e lv o l t a g es o u r c e c o n v e r t e r si na l lh v d cb a c k - t o - b a c k s t a t i o n 【c 】s i x t h i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c eo na ca n dd cp o w e rt r a n s m i s s i o n i e ec o n f e r e n c ep u b l i c a t i o n s w e d e n 19 9 6 ，4 2 3 2 9 7 - 3 0 2 【1 7 张凯，李庚银，梁海峰，等基于电压源换流器h v d c 系统稳态控制及仿真 【j 】电力自动化设备，2 0 0 5 ，2 5 ( 3 ) ：7 9 趣2 【1 8 张桂斌，徐政，工广柱鉴于v s c 的直流输电系统的稳态建模及其非线性控 制 j 】中国电机工程学报，2 0 0 2 ，2 2 ( 1 ) ：1 7 - 2 2 f 1 9 】胡兆庆，毛承雄，陆继明一种优化控制策略在基于电压源换流器的h v d c 系统中的应用 j 】电网技术，2 0 0 4 ，2 8 ( 1 0 ) - 3 8 4 1 【2 0 z h a n gg u b i n ，x uz h e n g r e s e a r c ho nt h el i n e a ra n dd e c o u p l e dc o n t r o ls t r a t e g y f o rv s cb a s e dh v d c s y s t e m c p r o c e e d i n g so ft r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o n c o n f e r e n c ea n de x p o s i t i o n 2 0 0 1 ，i e e e p e s ，a t l a n t a ，u s a ，2 0 0 1 21 b a h r m a nmp ，j o h a n s s a njg v o l t a g es o u r c ec o n v e r t