（电力系统及其自动化专业论文）基于rtds的sssc仿真与闭环控制系统实现.pdf

华北电力人学硕士学位论文 摘要 静止同步串联补偿器( s s s c ) 是f a c t s 技术中新近发展的、具有广泛应用前景 的一种可控串联补偿技术，受到越来越广泛的关注。本文采用三单相级联逆变器作为 其主电路结构，通过比较多种调制算法，将基于k l 坐标系的s v p w m 算法作为逆 变器调制算法，在r t d s 上完成了s s s c 多电平控制的仿真研究。考虑到级联逆变 器的结构特点和s s s c 的功能特点，针对多电平变流器开关器件多，常规的控制 芯片无法提供足够的p w m 脉冲，提出了一种d s p + f p g a 共同控制级联型逆变 器的方法。本文从s s s c 控制器硬件平台设计和软件控制算法实现两方面，详细 介绍了整个闭坏控制系统的功能模块构成，最后通过在r t d s 中仿真外接电力系 统和s s s c 逆变器主电路，而控制器采用d s p + f p g a 硬件连接的方式，验证了s s s c 控 制器的有效性。 关键词：静止同步串联补偿器，h 桥级联，多电平s v p w m ，r t d s ，d s p ，f p g a a b s t r a c t s t a t i cs y n c h r o n o u ss e r i e sc o m p e n s a t o r ( s s s c ) w h i c hi sr e g a r d e da sa n e w l yd e v e l o p e d f a c t se q u i p m e n tw i t he x t e n s i v ea p p l y i n gp r o s p e c t sh a sr e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s r e c e n t l y t h i sp a p e rh a sa d o p t e dt h r e es i n g l ep h a s eo f c a s c a d e di n v e r t e ra st h em a i nc i r c u i to f s s s ca n ds v p w mb a s e do nk lc o o r d i n a t e sa st h em o d u l a t i o na l g o r i t h ma f t e rc o m p a r i n g t h r e em o d u l a t i o na l g o r i t h m s c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a i nc i r c u i ts t r u c t u r ea n d s s s cf u n c t i o n ，w ep r e s e n tam e t h o dt oc o n t r o lc a s c a d e di n v e r t e rb yd s p + f p g aa i m i n ga t n o ts u p p l y i n ge n o u g hp w mp u l s e so fo r d i n a r yc o n t r o l l i n gc h i pb e c a u s et h e r ea r em a n y s w i t c hc o m p o n e n t si nm u l t i l e v e li n v e r t e r t h ep r e s e n tp a p e ri n t r o d u c e st h ef u n c t i o n a lm o d u l e c o n f i g u r a t i o no ft h ew h o l ec l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e mf r o mt w oa s p e c t so f h a r d w a r ep l a t f o r m d e s i g na n ds o f t w a r ec o n t r o la l g o r i t h m sr e a l i z a t i o n f i n a l l yi nt h ep r e s e n tp a p e rt h es s s c c o n t r o l l e ra r et e s t i f i e dt ob ee f f e c t i v eb ys i m u l a t i o nr e s u l t si nw h i c ht h ee x t e r n a le l e c t r i c p o w e rs y s t e ma n dt h em a i nc i r c u i to fs s s ci n v e r t e ra r es i m u l a t e d i nr t d sw h i l et h e c o n t r o l l e ra d o p t st h eh a r d w a r ec o n n e c t i o nm e t h o do f d s p + f p g a x uw e i ( p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e s ) d i r e c t e db y p r o f x i a ox i a n g n i n g k e yw o r d s ： s s s c ，h - b r i d g ec a s c a d e ，m u l t i l e v e ls v p w m ，r t d s ，d s p ，f p g a 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于r t d s 的s s s c 仿真与闭环控制 系统实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 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了谢意。 学位论文作者签名： 终迭日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着现代电力电子技术的快速发展，柔性交流输电技术( f l e x i b l e a ct r a n s m i s s i o n s y s t e m ，f a c t s ) 逐渐成为了目前研究的热点。f a c t s 的概念是由美国著名电力专 家n g h i n g o r a n i 于1 9 8 6 年创建的，它是综合电力电子器件、微处理和微电子技术、 通信技术和控制技术而形成的用于控制交流输电的新技术。f a c t s 技术已被国内外 一些较权威性的输电技术研究者和工作组预测确定为“未来输电系统新时代三项支 撑技术( 灵活交流输电技术、先进的e m s 技术和综合自动化技术) 之一”或者称之 为“现代电力系统中三项具有变革性影响的前沿性课题之一”。其主要内涵是用大 功率电力电子器件代替传统的阻抗、功角、电压控制元件上的机械式高压开关，为 交流输电网提供快速连续和精确的控制，在不改变网络结构的情况下提高电网的输 电能力，增强对潮流和电压的可控性，同时提高系统稳定性，并有助于在事故时防 止连锁反应造成的大面积停电事故【2 】。 f a c t s 控制器 串联型 控制器 并联型 控制器 丽丽丽 j 限制器 j i：垡!l 图1 - if a c t s 控制器分类 f a c t s 控制器有多种分类方式，根据其安装地点的不同可分为发电型、输电型和供 电型三大类，根据控制器原理的不同可分为阻抗控制型、相角控制型和电压控制型，而 通常根据变换器的换相方式以及对电网的作用方式( 与电网的连接方式) 我们把f a c t s 控制器分为串联型、并联型及混合型这三类 3 】，如图1 1 所示，图中比较全面地分类列 l 鉴圈圉 一一一一圈 一一一一一 一一一一一 华北电力人学硕：l ：学位论文 举了各种f a c t s 装置。 c i g r e ( i n t e r n a t i o n a lc o u n c i lo nl a r g ee l e c t r i cs y s t e m s ) 从对电力系统作用的角度， 对f a c t s 设备控制能力进行了分析，分析结果如表1 1 所示【5 】，可以看出s t a t c o m ( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ) 对电压控制作用最强，u p f c ( u n i t e dp o w e rf l o w c o n t r o l l e r ) 对各方面都有很强的控制作用，而s s s c ( s t a t i cs y n c h r o n o u ss e r i e s c o m p e n s a t o r ，s s s c 或s 3 c ) 对于潮流控制及暂态稳定的控制能力都很强。 表卜1 各种f a c t s 设备对系统影响的强弱 s v c s t a t c o mt c s cs s s ct c p a ru p f c备注 潮流控制 口口一口一一一 电压控制 一一 口口一口口口 一强 暂态稳定 口口一一口口 口弱 阻尼振荡 一一口口一口口 基于同步电压源( s y n c h r o n o u sv o l t a g es o u r c e ，s v s ) 的静止同步串联补偿器 s s s c 与常规的控制器不同，它不需要用电容器或电抗器来产生或吸收无功功率， 就可以实现无功补偿。同步电压源可以自行产生幅值和相角可控的同步正弦电压， 与交流系统交换无功功率，同时还可以交换有功功率，从而增加系统传输功率的能 力，提高可控性，其灵活、强大的控制能力，可以满足电网对潮流控制、稳定控制 等多方面的要求。 综上所述，s s s c 具有优越的运行特性和应用柔韧性，对于提高电网的稳定性，增 强传输能力具有重要意义，是建设“一强三优”现代电网，保证电网坚强的一种先进 f a c t s 设备。s s s c 必将成为未来解决电网安全性及可靠性问题的重要手段之一，所以 当前必须对s s s c 技术的发展给予足够的重视。 1 2s s s c 基本原理及研究现状 静止同步串联补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u ss e r i e sc o m p e n s a t o r ，s s s c ) 是应用可关断 晶闸管( g t o ) 或其它全控器件构成的同步电压源控制器，它主要由变流器、直流环 节( 储能电容器或直流电源) 、控制器和耦合变压器组成，可经耦合变压串联于输 电线路上，也可以不经过耦合变压器直接串联于线路中【l 】。s s s c 的基本原理是向线 路注入一个与其电流相位相差9 0 0 的正弦可控电压，并且可以灵活改变幅值及相位， 小部分注入电压与线路电流用以补偿逆变器的损耗，大部分注入电压在串联线路中起到 容性或感性阻抗的作用【5 】，等效为能快速控制线路的有效阻抗，从而进行有效的系统 2 华北电力人学硕十学位论文 控制，有着优良的运行和动态性能，其基本原理接线如图1 - 2 所示。 图1 - 2s s s c 原理示意图 c i g r e1 4 研究委员会的定义为：“一种串联联接的g t o 型换流器，用以注入可控电 压，注入的电压与电流成9 0 0 。s s s c 可以通过控制串联电压来控制线路阻抗，进而有 效地进行系统控制，具有优良的稳态及动态性f l 邑t 6 1 。同常规补偿装置相比，s s s c 主要 具有以下优点： ( 1 ) 可不必采用任何交流电容器或电抗器在线路内产生或吸收无功功率； ( 2 ) 可在同一电容性和电感性范围内，与线路电流大小无关地产生可控的补偿电压； ( 3 ) 对次同步谐振( s s r ) 及其它振荡现象具有一定的抗干扰能力； ( 4 ) 接入储能装置后，可对线路进行有功和无功补偿( 增大或减少线路功率，甚至可 使其反向流动) ，每单位容量可以产生正负两个单位的补偿值，以与线路串补度无关地 维持x r 的高比值； ( 5 ) 能快速或几乎瞬时地响应控制指令； ( 6 ) 具有适应单相重合闸时非全相运行状态的能力； ( 7 ) 冷却系统绝缘要求低； ( 8 ) 设备布置在地面上，运行及操作可以直接观察，并且技术服务比较方便。 1 2 1s s s c 基本原理 p ，q 图1 - 3 简单电力系统刁i 意图 图1 3 是一个简单的电力传输系统，它由发送端、接受端和电力传输线组成。 其中玩是发送端电压，唬是接受端电压，x 。为线路阻抗，设万= 磊一4 ，v = k = ， 则线路中传输的有功功率和无功功率可表示为： p ：簪s i n ( 8 1 吨) ：导鳓 ( 1 1 ) ol 1 q ：等( 1 c o s ( 磊一删：孚( 1 一c o s 回 ( 1 - 2 ) 华北电力人学硕士学位论文 其中：k 和4 一发送端电压的幅值和相角；匕和最一接受端电压的幅值和相角。 从式( 1 1 ) 可以看出，只要改变线路的阻抗就可以调节系统的潮流。传统的 串联电容器补偿就是在线路中串入一个电容器以改变线路阻抗，达到控制潮流的目 的，如图1 4 所示： 堡 图1 4 电容器补偿原理 由上述分析易知，串联电容实际上增大了线路阻抗两端的电压，进而使线路电 流和传输有功功率增大。从能量传输的角度来说，线路两端的电压是一个重要的参 数，串联电容是一种能够使线路两端电压提高到要求值的简单方法。与此类似，若 用一个同步交流电源代替电容器，它的输出电压v n i = 坑= 一。歹，也可以达到控制 系统潮流的目的( 图1 5 ) ，这就是静止同步串联补偿器( s s s c ) 的基本原理。 兰 图1 - 5s s s c 补偿原理 s s s c 注入电压与线路电流歹保持9 0 0 相角差，相当于一个可控无功电压源， 注入电压幅值的控制不受线路电流7 的影响。容性补偿时，注入电压滞后线路电 流9 0 0 ，与线路阻抗上的电压降方向相反，从而使线路电流的幅值增加，从而在不 改变功角差的情况下，使线路输送功率增加：感性补偿时，注入电压超前线路电 流9 0 。，与线路阻抗上的电压降方向相同，使线路电流的幅值减小，从而使输送功 率减小。图1 - 6 中a , b ，c 分别为无补偿，容性补偿和感性补偿时的向量图。 l a 无补偿b 容性补偿c 感性补偿 图1 6s s s c 补偿相量图 当s s s c 投入到线路中以后，线路首末端的有功功率和无功功率为： 尸：v i v 2 s i n t 罗( 1 1 = = 垒童一) x 、_ 2 + 曙一2 巧c o s 万。 ( 1 3 ) 4 华北电力人学硕十学位论文 q = 掣雌而南， c 4 ， 线路电流7 在加入后相角不变，幅值发生变化。 加入以前线路电流为： ：巫互至亟 x ( 1 - 5 ) 加入后： i ：丝竺二兰堡竺竺幺1 曼量) ：，堡 ( 1 6 ) x 、k 2 + 哆一2 k 砭c o s 8 7 x 因此，s s s c 相当于给线路附加了一个电流值，改变了线路的等值阻抗，从而 使线路电流增加。图1 7 为s s s c 的功角特性曲线，注入电压的改变可以改善功 角特性，增加系统输送容量，提高系统稳定性。 v q = 0 7 0 7 l 形& 、l 一一一 图1 7s s s c 补偿的功角特性曲线 1 2 2s s s c 工程应用研究 1 9 9 8 年在美国电力公司的i n e z 变电站投运的统一潮流控制器( u p f c ) ，以及 2 0 0 2 年在纽约电管局( n y p a ) 的m a r c y 变电站投入运行的可变静态补偿器( c s c ) 都集成了几种f a c t s 装置的功能，其体现对潮流和稳定控制的关键组成部分就是 s s s c 。虽然目前世界上还没有单独的s s s c 装置，但实际上已经投运的两个u p f c 工程以及一个c s c 工程都有单独作为s s s c 运行的方式，因此可以说已经有s s s c 的实际工程投入电网运行了。 文献【7 】详细介绍了世界上第一个u p f c 工程。1 9 9 5 年美国电力公司( a e p ) 、 e p r i 和西屋公司联合完成了解决肯塔基和弗吉尼亚部分地区电压和热稳定问题的 详细研究，这项研究计划推动了u p f c 工程的进行。该工程不但是u p f c 的第一个 实际应用工程，也是迄今实施的最大容量的基于g t o 逆变器的f a c t s 装置，是 华北电力人学硕十学位论文 f a c t s 发展的罩程碑。其额定容量为2 x + 1 6 0 m v a ，使用2 个基于g t o 的逆变器， 每个额定功率为+ 1 6 0 m v a ，通过共用的直流电容相连，两逆变器也可以作为 s t a t c o m 和s s s c 分别运行。工程完成后，在i n e z 变电站进行了一系列现场试验， 结果证明了u p f c 具有较强的控制有功、无功功率和母线电压的能力，包括s s s c 单独运行方式，是s s s c 第一次大容量的应用。 n y p a 为了缓解纽约州中部的输电阻塞问题，在m a r c y 变电站安装了一台新的 f a c t s 控制器一s c ，使输电容量提高了2 4 0 m w ，改善了电压和潮流控制，最 大限度利用了现有输电设施。n y p a 与e p r i 、s i e m e n s 以及其它2 1 个小组共同完 成了c s c 的研发和实施工作。c s c 的2 台的逆变器通过2 台并联变压器以及串联变 压器与系统相连，具有1 1 种不同的运行方式，可以在变电站母线以及变电站两条线 路上实现s t a t c o m 、s s s c 、u p f c 、i p f c 的功能j 。 2 0 0 3 年韩国电力科学研究院( k e p r i ) 在1 5 4 k v 系统完成了u p f c 示范工程p 】。 通过此项目的应用、安装和运行，k e p r i 计划提出应用于3 4 5 k v 系统所需的设备规 格和运行策略。 现投运的三个基于可关断器件的串并联补偿装置都采用了多电平桥及接口电 磁耦合变压器的结构，采用方波触发，应用电压等级最高为3 4 5 k v ，最大容量为 2 x + 1 6 0 m v a 。工程目的都是为了提高输送容量，同时提供必要的系统稳定支持， 这些实际工程都是在经过多年理论研究积累后开展的。从基于可关断器件f a c t s 装置的研究和应用可以看出，s s s c 是这一代装置的关键技术，也是辐射性技术， 通过装置及其控制系统的模块代扩展，可以在s s s c 的基础上研究u p f c 、i p f c 、 c s c 、u p o c 、d v r 、s s t s 等f a c t s 装置。 1 3s s s c 主电路拓扑分析 s s s c 可采用的主电路拓扑多种多样，包括传统的三相桥结构、多重化结构、多电 平结构等，实际应用中多采用多重化和多电平两种结构。同多重化结构相比较，多电平 结构更适合类似s s s c 这类高压大容量f a c t s 设备的应用。从目前的研究来看，多电 平结构主要分为箝位型和级联型两类d o ，箝位型又包括二极管箝位式及飞跨电容式两 种，级联型包括相同模块级联式和混合级联式。 1 3 1 主电路拓扑结构 近年来，多电平逆变器在高电压，大功率领域得到了越来越多的关注，其基本思路 是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。多电平逆变器作为一种新型的高压 大功率逆变器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量的输出波形的同时，克服了两电平 逆变器的诸多缺点，无需输出变压器和动态均压电路，开关频率低，并有开关器件应力 6 华北电力入学硕士学位论文 小，系统效率高等一系列优点。多电平变器的思想提出至今，出现了许多电路拓扑结构， 归纳起来主要有以下三种： 1 3 1 1 二极管嵌位型 a n a b a e 等人在1 9 8 0 年i a s 年会所提出的电路结构为采用二极管钳位的三电平逆 变器。在1 9 8 3 年的i a s 年会上，p b h a g w a t 等人进一步将三电平推广到任意多电平结构， 建立了二极管中点箝位式( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ，n p c ) 结构的多电平模式【l 。二 极管钳位型七电平电路如图l 一4 所示。二极管钳位型多电平电路的主要特点是： ( 1 ) 采用多个二极管对相应的全控器件进行钳位来解决器件的均压问题。m 电平电 路每相桥臂需全控型器件2 ( m 1 ) 个，相应钳位二极管为2 ( m 2 ) 个。三电平以上n p c 电 路钳位二极管承受电压不均匀，若采用耐压相同的二极管串联等效，则需钳位二极管 ( m 1 ) ( m 2 ) 个。大量钳位二极管的使用，使七电平以上的n p c 电路失去了实用价值。 ( 2 ) 直流侧采用电容分压形成多级电平，不需要结构较复杂的曲折联结变压器。m 电平电路需m 1 个分压电容，在控制上需解决电容电压不平衡问题。 ( 3 _ ) 每相桥臂开关管的工作频率不同，中间开关管的导通时间远远大于外侧开关管， 负荷较重。由于多于七电平的n p c 电路结构和p w m 控制极为复杂，考虑到实现难度， 一般将电平数限制到七。 图1 _ 4 二极管箝位型多电平逆变器 1 3 1 2 电容钳位型 电容钳位的飞跨电容型( f l y i n gc a p a c i t o r s ) 多电平电路是由t a m e y n a r d 等人在 1 9 9 2 年的p e s c 年会上提出的【1 2 】。电容钳位型七电平电路如图1 5 所示。飞跨电容型多 电平电路的主要特点是： ( 1 ) 采用跨接在开关器件之间的串联电容进行钳位，m 电平电路每相桥臂需 7 华北电力大学硕士学位论文 ( m 1 ) ( m - 2 ) 2 个钳位电容，直流侧分压电容与二极管钳位型电路相同。 ( 2 ) 开关状态的选择比二极管钳位型电路具有更大的灵活性，有利于平衡开关器件 导通时间和电容电压。 ( 3 ) 由于直流滤波电容体积大、成本高、使用寿命较短，其实用价值不如二极管钳 位型电路。 图1 5 飞跨电容式多电平逆变器 1 3 1 3 单元级联型 为了增加电平数以提高输出电压等级、进一步减小高次谐波含量，m m a r e h e s o n i 等人在1 9 8 8 年的p e s c 年会上提出了h 桥级联的多电平逆变电路1 3 14 1 。三单元级 联的七电平电路如图1 6 。 v bv c 图1 - 6h 桥级联式多电甲逆变器 该电路因结构和控制方法都易于向更多电平数扩展，已成为目前最受关注的多 电平电路形式。其主要特点是： ( 1 ) 每相由n 个h 桥单元级联而成，逆变电路输出相电压电平数m = 2 n + i 。由 8 华北电力人学硕士学位论文 于各功率单元结构相同，易于模块化设计和封装；当某一单元出现故障，可将其旁 路，其余单元可继续运行，提高了系统的可靠性。 ( 2 ) 直流侧采用独立电源供电，不需要钳位器件，不存在电压均衡问题。若直 流侧由三相不控整流电路供电时，整流侧需多绕组曲折联结变压器，增大了装置体 积，但多重化整流减小了输入侧电流谐波。 ( 3 ) 按某一特定规律分别对每一单元进行p w m 控制，各单元输出波形叠加即 可得到多电平输出，控制方法比钳位型电路对各桥臂的整体控制简单，并且易于扩 展。 实际应用中，直流电源一般由三相不控整流桥加滤波电容构成，其缺点在于每个单 元需要一个独立的直流电源，随着电平数的增加，级联单元使用的直流电源数也将大量 增加，并且由于采用不控整流桥，能量只能单向流动，不能回馈功率，逆变器无法实现 四象限运行。 比较上述多电平逆变器的三种主电路拓扑结构可见，二极管箝位式电路直流电容均 压困难，二极管需承受高压；飞跨电容型电路需要大量箝位电容，封装困难。这两种拓 扑结构对功率元件都存在高压威胁，控制复杂，而h 桥级联型逆变器结构自从彭方正等 学者提出以来【1 5 】，已经成为目前工业应用比较成熟的f a c t s 装置的主电路接线方式， 同其它主电路拓扑相比，此种结构具有方便高压大容量设计、冗余性好、便于模块化、 分相控制、有利于运行及维护等优点，并且避免了采用多重化变压器，从而减少了占地 面积，降低了装置成本，因此具有一定的优越性。 1 3 2 级联多电平逆变器的工作原理 前面简单介绍了多电平逆变器的拓扑结构，在分析比较各自的优缺点之后，本 文确定选用三单元h 桥级联型逆变器作为研究对象。本节将从构成级联型逆变器的 基本功率单元单个h 桥模块入手，详细分析其工作原理，进而以三单元h 桥级 联型逆变器为例详细分析级联型多电平逆变器的工作原理。 1 3 2 1h 桥逆变单元 如图1 7 所示，级联型逆变器的a 相桥臂是由3 个h 桥串联而成的，把这些h 桥的输出电压叠加起来就是桥臂总的输出电压玑。图1 8 是单个h 桥的拓扑结构和 触发方式，它由四个i g b t 及反并联二极管组成，其中墨和s ：串联构成左桥臂，& 和串联构成右桥臂，左右桥臂并联后连接到直流母线上。通过对h 桥逆变器进行 p w m 控制，使左右桥臂中点之间输出幅值和频率可变的交流电压。 为防止直流母线发生短路，同一桥臂上的两个i g b t 不能同时导通，因此在控制 i g b t 的触发信号时，需要保证s 和r 触发信号反相互锁，& 和触发信号反相互锁。 这样，4 个i g b t 共有4 种有效的组合状态：当墨和& 导通时，输出为+ e ，当和岛 9 华北电力大学硕士学位论文 导通时，输出为一e ，当s 和岛导通而s ：和& 关断时或s ：和& 导通而s 。和岛关断时， 输出为零电平。因此，根据四个i g b t 不同的组合状态，每个h 桥逆变单元能够输出3 种不同的电平电压，+ e 、0 和一e 。 l 厂 。 l_jt 7 图1 7 级联逆变器的a 相桥臂图1 - 8 一个h 桥的结构和控制 1 3 2 2 多个h 桥级联逆变电路 多个h 桥级联的多电平逆变器每一相由n 个结构相同的逆变单元串联组成，每 相输出由n 个逆变单元的交流输出电压串联叠加而成。即每相总的输出电压为： u 删= u _ l + 2 + + 玑l u b u = u b l + u 二2 + + u 赢 ( 1 7 ) u a u = u c l + u 0 2 + + u ，c j 多电平逆变器中的每一个h 桥逆变单元可以输出+ e 、0 和e 三种电压，所以每相 可以输出如下电平： 一 匹，一( 一1 ) e ，一e ，0 ，e ，( - 1 ) e ，n e ( 1 - 8 ) 级联型多电平逆变器的相电压电平数m 为奇数，每相结构中，h 桥逆变单元的个 数n 与输出电平数m 之间的关系为： m = 2 n + 1 ( 1 9 ) 采用不同的脉宽调制控制策略，可以使每相输出不同的m 级脉宽调制的阶梯波来 逼近正弦波形。 多电平的逆变器输出电压可以有多种合成方式，每种电平的输出电压也对应着多种 开关组合方式。图1 7 为三单元h 桥级联逆变器a 相电路结构原理图，由公式1 - 9 可知， 输出相电压玑可以由不同的开关组合方式合成7 种电平输出。在保证每一个h 桥单元 中的同一桥臂上的开关元件不会同时导通的情况下，表1 - 2 列出了a 相不同电平输出时 对应的各种开关组合及开关状态，其中“0 ”表示对应的开关元件处于关断状态，“l ”表示 对应的开关元件处于导通状态。 1 0 + e - + e + e - 华北电力大学硕士学位论文 表1 - 2 输出电压组合与开关状态表 输出电开关状态 u a lu a 2u a 3 压u a n s i ts 1 3 s 2 1$ 2 3$ 3 1$ 3 3 3 elo1o1oeee l o1ollee0 101oo0ee0 l0llloeoe 2 e 1oooloeo e 11101ooe e oo1o1ooe e 1o1llleo o lo11ooeo o looo1leo o 1o0o0oeo o l1lo1lo e0 11loo ooeo e o0lo 11oee ool ooooee l l 1l0oo0e l 10o0oooe oolloo0oo o00o0ooo0 o l1l11l000 l111o0ooo 1 1 oo11o0o 11o00oooo o0 l1l10oo ool1ooooo ooo o 1 10o0 ooo o0oooo 1o0ll1 ee0 1oo 1oo eeo 1o110 1e o e 1 o0oo leoe 华北电力人学硕+ 学位论文 l1looloe e oolooloee ollo11eeo o11o0oee0 l10ll0oee oo0110oee oll 1 1oeoe o 1o o l0eoe 由于篇幅的限制，上表并未列出e 一3 e 的开关状态组合关系，因为它们可由e - 3 e 的开关状态反相得到。以此类推，即可得到n 单元h 桥级联情况下，多电平逆变器输 出电压和开关状态的关系。 1 4 电力系统数字实时仿真及其应用 电力系统数字实时仿真基于现代计算机计数和信息技术，要求在一个步长时间里完 成各种状态量的求解计算，以设备测试为目的的实时仿真还要求在同一步长内完成数模 模数转换和功率放大等。所有的数字实时仿真系统，无论其采用什么样的硬件平台，其 共同特点都是基于多c p u 并行处理技术，由系统仿真时下载剑该c p u 的软件来决定该 c p u 模拟什么电力系统元件，因此，在时间步长和i o 设备的频宽满足要求的情况下， 系统的一次元件模型只取决于软件而与硬件无关，这个显著特点为用户对未来新元件的 仿真提供了充分的发展空间。 国内外比较常见的数字实时仿真系统主要有r t d s 、h y p e r s i m 、a r e n e 、a d p s s 和d d r t s 系统，其中r t d s ( r e a lt i m ed i g i t a ls i m u l a t o r ) 是国际上研制和投入商业化 应用最早的数字实时仿真装置，也是目前世界上技术最成熟、应用最广泛的电力系统实 时数字仿真装置，它由加拿大r t d s 技术公司研制。全数字式实时仿真器r t d s 由计算 软件r s c a d 、计算处理和接口等硬件设备r a c k 组成，包括配套的工作站或微机，可以 连续和实时地模拟电力系统的电磁暂态和机电暂态现象，典型的仿真步长为5 0 8 0 u s 。 由于r t d s 能够维持实时条件下的连续运行，实际的控制保护设备就可以连接到r t d s 进行闭环实验，从而分析和研究控制保护设备的性能，同时r t d s 也可以实时仿真大型 交真流混合电力系统f 1 6 】。 r t d s 目前正在应用于国内外f a c t s 装置的研究中，在其后台软件r s c a d 中已 经包含了t c s c 、s v c 、s t a t c o m 、u p f c 的仿真模型。对于r t d s 的应用方式，可以 有以下几种：是将实验系统的主电路、外接电力系统及控制器均放在r t d s 中实现， 不需要外接装黄，这种方式可以验证核心控制算法及主电路拓扑的正确性；二是在r t d s 中仿真外接电力系统及装置主电路，而控制器采用硬件连接的方式，这种方式主要是验 华北电力人学硕十学位论文 证控制器的有效性，还可以节约搭建装置主电路的费用；三是在r t d s 中仿真外接电力 系统，控制器及f a c t s 设备采用实际的物理装置，由于这种方式需要从物理装置中向 r t d s 返回模拟量，所以可信度有所降低。 f a c t s 装置的核心设备是由电力电子器件组成，所以r t d s 对电力电子器件的仿真 精度直接决定着仿真准确性。r t d s 为实时仿真设备，在建模时要考虑硬件计算的速度 等问题，而且其算法与e m t d c p s c a d 等非实时仿真软件有一定的差异。早先版本的 r t d s 最小步长只能为5 0 9 s 左右，在r t d s 公司推出g p c 处理器后使得局部仿真步长 可以达到 2 s ，这就大大提高了基于可关断器件f a c t s 装置的仿真精度及速度，但目 前还没有关于这方面应用的相关报道，所以在使用其建立v s i ( v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ) 型电力电子装置的小步长( 2 t s ) 模型是其应用的一个难点问题。在本文中成功的采 用r t d s 建立了h 桥级联式s s s c 的自定义小步长仿真模型。 1 5 本文主要工作 本论文工作结合了国家自然科学基金项目“基于非j 下交坐标系s v p w m 的s s s c 调制原理与直流电压平衡方法研究”，针对s s s c 内特性相关的理论与技术进行了研 究，主要工作内容如下： ( 1 ) 系统阐述了f a c t s 技术的发展情况，介绍了现在主要的f a c t s 设备分类， 归纳总结了典型f a c t s 装置的控制特点，对s s s c 的基本原理和工程应用进行了介 绍，认为s s s c 是具有技术先进性和辐射性的新一代可控串联补偿装置。 ( 2 ) 多电平逆变器在高电压，大功率领域得到了越来越多的关注，本文分析总结 了当前存在的多电平逆变器拓扑结构及其优缺点。从构成多电平变换电路的基本逆 变功率单元入手，从理论上详细分析了级联型多电平功率变换电路工作原理。 ( 3 ) 根据三单元h 桥级联型逆变器数学模型，分析了阶梯波调制、压移s p w m 波调制、相移s p w m 波调制和s v p w m 调制方法：对不同的p w m 调制方法分别建 立基于r t d s 的数学模型，进行仿真实验，获取理想状态下的电压输出波形，通过 比较确定本文的p w m 调制方案。 ( 4 ) 设计了基于d s p 和f p g a 器件的数字化通用开发平台。阐述了如何在该 开发平台上实现s s s c 控制器。讨论了s s s c 控制系统软件的设计，包括d s p 系统 软件设计和f p g a 控制软件编程。 ( 5 ) 搭建基于r t d s 的s s s c 闭环实验系统，对本文设计的s s s c 控制系统进 行了实验验证，实验结果表明，本文的设计得到了预期的效果，与仿真结果和理论 分析一致。 华北电力大学硕十学位论文 第二章基于r t d s 的级联多电平逆变器控制技术 本文采用多电平级联逆变器与耦合变压器作为s s s c 主电路结构，其运行性能主 要取决于多电平脉宽调制( p w m ) 技术。多电平逆变器的p w m 控制方法主要有三 类：阶梯波调制法、三角载波调制法和空间电压矢量调制法( s v p w m ) 7 ”】。本章 将根据级联s s s c 的电磁暂态模型，对不同的p w m 调制方式分别建立基于r t d s 的电 磁暂态模型，进行仿真实验，获取理想状态下的电压输出波形，通过比较确定本系 统的控制方案，为最终在d s p + f p g a 上实现闭环控制奠定基础。 2 1 阶梯波调制法 2 1 1 阶梯波调制原理 多电平阶梯波p w m 可理解为用从直流侧获取的离散电平合成逐级增减的阶 梯波来逼近参考正弦波。图2 1 为逆变器输出相电压阶梯波形，主要是通过适当地 选择每一电平持续时间长短( 或者说开关角度) 来控制每桥臂功率器件的开关状态， 输出n 个电压脉冲，经过叠加n 个电压脉冲得到相电压，即： = i + 吃2 + + + v ：( h i 、+ + ( 2 - 1 ) 其中屹( 滓1 ，2 n ) 为第i 个输出电压脉冲，用来逼近正弦电压，作为交流 侧输出相电压。该波形关于1 4 周期对称，1 2 周期反对称。 盯h 。 ：憾；_ 侧一 i 卜 i ；l - j ； i l ii ii ：包； 1l i1 鼠 图2 - 17 电平逆变器输出相电压波形 对一个k 阶阶梯波进行付立叶分析可得： ( w 垆4 刀v d ce 。 c o s ( 蜊懈( 哟+ + 州蜊 竿掣 这里n = l ，3 ，5 ，k 是根据调制比所确定的触发角的个数。幺、岛和b 是 各个h 单元的导通角。各次谐波幅值为： 1 4 华北电力入学硕士学位论文 = 4 e v a fc o s ( n o k ) n ，r ( 2 3 ) k = l 其中：刀为奇数，只是第i 个开关角，开关角满足q 岛 幺 詈。 2 1 2 可在线计算的触发角计算方法 传统计算阶梯波开关触发角的方法是首先列出非线性超越方程，然后用离线计 算的方法，计算出触发角，需要进行复杂的计算，并且占用大量的储存空间。本文 采用一种在线计算触发角的h 桥级联式s s s c 调制方法f 1 9 】，它不需要计算非线性方 程，只要计算几个三角函数，从而根据调制比来在线计算触发角。 调制比定义如下： 耻芝 协4 ， 这里，y 是参考电压的峰值，乙是能够得到的基频电压的最大值。对于阶梯 波调制，由傅立叶变换可得逆变器输出的最大基频电压为： 矿：4 n v d c( 2 5 ) “ 万 式中，n 为h 桥级联个数，吃为每个h 桥的直流电压。将公式( 2 5 ) 代入公 式( 2 4 ) 得： m ：兰l( 2 6 ) 4 9 v d c 由波形合成输出等面积原理，即逆变器输出电压与时间轴所围成的面积与参考 信号同时问轴围成的面积相等，得到计算开关角的通用在线计算公式： 卜半 c o s ( s i n - i 南) - e o s ( s i n - i 赭) ) + j s i n - 1 彘一( j - 1 ) s i n - j 器 i o k ：型一( 一1 ) s i n - i ( n - 1 ) z 一4 n m ic 0 s ( s i n ( n - 1 ) z ) i 2 、7 4 m ，n 刀、4 m ，n ( 2 - 7 ) 伊，为第j 个电平的导通起始角，j = 1 k 一1 ，k 为由参考信号决定的参与输出最大 直流电压数，第k 个电平的导通角单独计算。从上式可知，每个h 桥的导通角可在 线计算，对于不参与输出的h 桥，可采用旁路运行方式。 2 1 3 阶梯波调制仿真验证 图2 2 为h 桥级联型s s s c 的r t d s 整体模型，线路左端电压源参数为2 4 0 k v ， 初相角3 0 。，电源内阻为l q ；线路电阻为4 q ；线路右端电压源参数为2 3 0 k v ，初 相角o 。，电源内阻为1 q 。s s s c 逆变器串联于线路中间，其每相的h 桥级联结构在 一个小步长v s c 模块中搭建，如图2 3 所示，图中v s ci n t e r f a c e 为大小步长接 1 5 华北电力人学硕士学位论文 口变压器，后面接小步长投入和旁路断路器，最后为三个h 桥级联逆变器单元。本 章的仿真验证工作都基于此模型，不同之处在于控制系统采用不同的调制算法。下 面给出典型运行工况下的h 桥级联型s s s c 基于r t d s 的阶梯波调制仿真结果。 图2 - 2s s s c 仿真主电路 图2 - 3a 相v s c 模型内部结构图 1 参考电抗肠为容性3 t ) 图2 4 为为容性3 f l 时的输出波形，其中厶为线路电流，e 脚为r t d s 中a 相逆变器输出电压，勋为参考阻抗。从图中可以看出，在容性补偿情况下，s s s c 的输出电压滞后线路电流厶9 0 0 ，由于输出电压较低，调制比较小，所以只有两 个h 桥参与电压输出。 图2 4 容性补偿时的s s s c 输出电压 1 6 华北电力大学硕士学位论文 2 参考阻抗勋从容性5 q 跃变到感性5 f l 图2 5 为勋从容性5 f 2 跃变到感性5 f 2 时的输出波形，从图中可以看出，在容 性补偿情况下，s s s c 的输出电压滞后线路电流厶9 0 。，经过5 0 m s 左右的响应 时间，输出电压变为超前线路电流厶9 0 。 图2 - 5 3 参考阻抗勋为 图2 - 6 为勋感性5 补偿情况下，s s s c 的输出电压呶。超前线路电流j 9 0 0 ，由于调制比较高，所以虽然有3 个h 桥参与 电压输出，但总的输出电压波形畸变比较严重。 2 2s p w m 法 图2 - 6 感性补偿时的s s s c 输出电压 觯讯曦 多电平s p w m 调制法是从二电平s p w m 调制法推广而来。二电平逆变器s p w m 、调制法可理解为用一条三角载波和一条欲实现的正弦调制波相比较来控制一个桥 臂上两个功率管的开通和关断。把这种思路推广到多电平逆变器中，用几个三角波 信号和一个参考信号( 每相) 相比较产生s p w m 信号，根据三角波相互之间