（电力系统及其自动化专业论文）基于三电平vsc的hvdcvsc系统控制策略研究.pdf

a b s t r a c t s t u d yo fc o n t r o ls t r a _ r e g yf o r t h eh v d c v s ct r a n s m i s s l o ns y s t e m b a s e do nt h r e e l e v e lv s c a b s t r a c t h v d c v s cs y s t e mi san e wh v d ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yb a s e do nv o l t a g e t y p es e l f - c o m m u t a t e dc o n v e r t e r ( s c c ) n a m e dv o l t a g es o u r c e dc o n v e r t e r s ( v s c ) a n d s e r i e s c o n n e c t e di n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r s ( i g b t ) o rg a t et u r no f ft h y 7 r i s t o r s ( g t o ) c o n t r o l l e db yp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) b e c a u s eh v d c v s ci sa n e w t e c h n o l o g y ，m a n yt e c h n i c a lp r o b l e m si nh v d c v s ca r e aa r es t i l lu n s o l v e do rs o l v e d n o tw e l l ，e s p e c i a l l yt h ec a p a b i l i t yo ft h eh v d c v s ca n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yf o rt h e h v d c v s c t h i sd i s s e r t a t i o nw i l ls t u d yh o wt oe n h a n c et h ec a p a b i l i t yo ft h e h v d c - v s ct h r o u g hr e a s o n a b l ec o n t r o lo ft h r e e - l e v e lv s c b a s e do nt h i sc o n t r o l s t r a t e g y ，a p p r o p r i a t ec o n t r o l l e r sa r ed e s i g n e dt oc o m r o lt h ea c t i v ea n d r e a c t i v ep o w e r a te a c he n ds t a t i o n ( 1 ) t h es t e a d y s t a t ei n t e r a c t i o nb e t w e e nv s ca n di t sc o n n e c t i n ga cs y s t e m sa r e a n a l y z e da n d t w os t e a d y s t a t em a t h e m a t i c a lm o d e l sa r ee s t a b l i s h e d ，o n eo fw h i c h s u i t st h et t v d c v s cc o n n e c t i n gt w oa c t i v ea cs y s t e m s ，t h eo t h e rs u i t st h e h v d c v s cs u p p l y i n gp a s s i v el o a d s t h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h ed ca n da cs i d e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e3 - p h a s et h r e e l e v e lv s ci sc o n d u c t e d ，a n dd e s c r i b et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o n t r o l l e dv a r i a b l e ss u c ha st h ea c t i v ep o w e r , r e a c t i v e p o w e r , d cv o l t a g e ，d cc u r r e n t ，a cv o l t a g ea n dt h ec o n t r o l l i n gv a r i a b l e ss u c ha s m o d u l a t i o ni n d e x ，m o d u l a t i o na n g l e t h r o u g hm a t h e m a t i c a la n a l y s i so ft h e a b s t r a c t m o d e l sa n dc o m b i n a t i o no ft h ea c t u a ls y s t e m s ，t h ea p p r o x i m a t e l yd e c o u p l i n ga n d l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o n t r o l l e dv a r i a b l e sa n dc o n t r o l l i n gv a r i a b l e si s c o n f i r m e da n dt h ec o n t r o l l e ri se s t a b l i s h e d ( 2 ) t h ec o n t r o ls t r a t e g yf o rh v d c v s cb a s e do nn p c ( n e u t r a l - p o i n tc l a m p e d ) t h r e e l e v e lv s ci sp r o p o s e d t h es t r a t e g yc a ni n c r e a s et h ec a p a b i l i t yo ft h e h v d c - v s ca n dc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo ft h eo u t p u tc u r r e n to fh v d c v s c t h ed i f f e r e n c e so fh v d c v s cc o n t r o ls t r a t e g yb e t w e e nt w o l e v e la n d t h r e e l e v e la r es t u d i e d t h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tp u l s ew i d t hm o d u l m i o n ( p w m ) i sc o m p a r e da n dt h ea p p l i c a t i o no ft h es p a c ev e c t o rp u l s ep w mi nt h e t h r e e l e v e lh v d c v s ci sd e m o n s t r a t e di nd e t a i l ( 3 ) v a l i d i t yo ft h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h r e e l e v e l h v d c - v s cs y s t e mi s t e s t i f i e db yd i g i t a ls i m u l a t i o nu s i n gp s c a d e m t d c t h r o u g hd e b u g g i n g ，t h e p a r a m e t e r so ft h ec o n t r o l l e r sa r eo p t i m i z e da n dd e t e r m i n e d t h es i m u l a t i o n r e s u l t st r a d e rs t e a d y s t a t ec o n d i t i o n ss h o wt h es u f f i c i e n t r e s p o n s es p e e da n d a c c u r a c yo f t h ec o n t r o l l e r so f t h r e e l e v e lh v d c v s c k e y w o r d s ：3 l - v s c ；h v d c - v s c ；c o n t r o ls t r a t e g y ；p w m 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解j 。两大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广两大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包 括：( 1 ) 已获学位的研究乍- 必须按学校规定提交学位论文，学校町以 采， f j 影印、缩印或其他复制于段保存研究生上交的学位论文；( 2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资 料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内 容。 本人保证遵守l ：述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名：垒至塞熊 h 期：理基： 导师签名 同期 望! 幽 砂，占7 。 。l。一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 当今使用的高压直流( h v d c - - h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ) 输电技术的发 展始于上世纪2 0 年代晚期，是整流技术由工业驱动领域向大功率输电领域的拓 展。白1 9 5 4 年a b b 公司在瑞典投运第一个商业化直流输电工程以来，其技术 同臻完善，在高压远距离大容量输电、海底电缆送电和交流系统之间的非同步 互联等场合得到了广泛的应用。同时直流输电技术在换流阀、换流器结构和阀 的触发控制等方面不断改进，性能不断提高，在输电领域得到大量应用，但就 本质而言，目前的直流输电技术与第一个直流输电系统是相同的，都采用了半 控型的丌关元件一晶闸管，基于线换向换流器( l c c l i n ec o m m u t a t e d c o n v e r t e r ) 技术，其原理是【m 1 1l ：以交流母线电压过零为基准，一定延时后触发 导通相应阀，通过同一半桥上两个同时导通的阀与交流系统形成短时的两相短 路，当短路电流使先导通阀上流过的电流小于阀的维持电流，且两端电压保持 一段时削为零或为负时，阀自然关断，直流电流经新导通阀继续流通。通过顺 序发出的触发脉冲，形成一定顺序的阀的通与断，从而实现交直流的相互转化。 基于l c c 技术的h v d c 由于采用的晶闸管为半控元件，其单向导通性使 l c c 技术只能控制阀的丌通而不能控制阀的自然关断，关断必须借助交流母线 电压的过零点，因此传统h v d c 存在一些固有的缺限1 1 1 1 2 1 ： ( 1 ) 由于丌通滞后角口( 一般为1 0 。1 5 。) 和熄弧角y ( 一般为1 5 。或更大) 的存在及波形的非正弦，传统的直流输电要吸收大量的无功功率，其数 值约为输送直流功率的4 0 6 0 ，为了可靠换相，传统h v d c 需要大 量的无功补偿及滤波设备，如旋转同步移相器、投切式电容组或s v c 等， 不但加大了投资和维护费用，并且在甩负荷时会出现无功过剩，可能导 致过电压。 ( 2 ) 传统h v d c 受端网络必须具有足够的容量，即必须具有足够的短路比 ( s c r s h o r tc i r c u i tr a d i o ) ，受端网络较弱时容易发生换向失败，这时 会造成几个剧期内没有电力传送的状况；对于向无源网络( 或孤立负荷) 供电，传统h v d c 因无法换向更是无法完成。 第一章绪论 针对这些缺陷，目前主要有三种解决方案：一是在换流器主电路中增加辅 助设备来提高晶闸管的换向可靠性和补偿换流器的无功损耗，使用最多的是 c c c 和c s c c ”，如图1 1 和1 2 ：二是采用混合直流输电系统h y b r i d h v d c l 4 j ， 如图1 3 ；三是将换流器主电路中的半控型器件替换为全控器件，并采取相应的 控制策略，从而使换流器能工作于无源逆变方式，并且能够同时且独立地控制 有功和无功，可以彻底克服上述缺陷。前两种方法由于仍采用半控元件，无法 彻底解决换相失败的技术难题，本文主要研究第三种解决方案。 、 人c ! r1r 1r 巳 一巳一e ! ! l l f i l t e r s 1 r1r 1r 巴 一巴 一e 图1 1电容换向换流器( c c c ) 主电路图 f i g 1 - i m a i nc i r c u i to f c a p a c i t o rc o m m u t a t e dc o n v e r t e r ( c c c ) 、 人】 r1r1r ； 一 ： 一e r f i 扯粥 1rr1r ： 一己一e 图i 2 可控串联电容换流器( c s c c ) 主电路图 f i g 1 - 2 m a i nc i r c u i to f c o n t r o l l e ds e r i e sc a p a c i t o rc o n v e r t e r ( c s c c ) 图1 - 3 混合直流输电系统结构图 f i g ，i - 3 m a i nc i r c u i to f h y b r i dh v d cs y s t e m 第- 章绪论 1 2h v d c v s c 的纂本原理 随着电力电子技术的发展，特别是9 0 年代高压大功率全控器件的飞速发展， 使其在一i ：业拖动、变频调速和电力系统中的应用同益广泛，其技术逐渐成熟， 为其在直流输电中的应用奠定了基础。图l _ 4 为目前在大功率驱动领域大量使用 的电压源逆变器( v s i ，v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ) ，其中的丌关元件使用了全控器 件。目前全控器件的种类繁多，但适用于高压大容量场合的主要有以下i 种1 5 j ： ( 1 ) 门极可关断晶闸管( g t o ，g a t e t u m o f f t h y r i s t o r ) ；( 2 ) 集成门极换相晶 闸管( i g c t ，i n t e g r a t e dg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ) ；( 3 ) 绝缘栅双极晶体管 ( i g b t ，i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 。目前i g b t 已经在商业化的 h v d c v s c 系统中得到了大量的应用，由于它是一种会属氧化物半导体器件， 所以对其控制只需很小的功率( 指与由缓冲电路提供驱动功率的晶闸管相比较 而言) 。这使得i g b t 的串联成为可能，甚至当丌关频率达到千赫范围时，也有 较好的电压分布。以i g b t 为基础的换流元件主要优点有：( 1 ) 高阻抗栅极，只 需很小的能量就可以丌关元件：( 2 ) 较高的丌关频率和较低的开关损耗，目前 大容量i g b t 可工作在1 0 0 0 2 0 0 0 赫兹。 l 已2、r 瞅z s1 崔i * s 轺zs 砭 1 x 图1 4电压源逆变器主电路图 f i g 】一4 m a i nc i r c u i to f v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ( v s i ) 由_ j 二全控器件的关断不再需要受端交流系统为其提供换相电流，受端系统 不再受s c r 的限制，由门极触发脉冲来控制，1 ：断，这种技术称之为自换相s c ( s e l f - c o m m u t a t e d ) 技术。采用自换向技术的换流器称为自换向换流器( s c c s e l f c o m m u t a t e dc o n v e r t e r ) 6 1 1 7 j 【8 i i 引，根据直流侧滤波的不同形式可分为c s c ( 电流源换流器) 和v s c ( 电压源换流器) 。自换向换流器在有的文献中也称为 强迫换相换流器f c c ( f o r c e d c o m m u t a t e dc o n v e r t e r ) l 】0 1 。s c c 中的v s c 早已 j 、t 用ff a c t s ( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 设备中，例如s t a t c o m ( s t a t i c 第一章绪论 c o m p e n s a t o r ) 、u p f c ( u n i f i e dp o w e rf l o w c o n t r o l l e r ) 、s s s c ( s t a t i cs y n c h r o n i c s e r i e sc o m p e n s a t o r ) 和i p f c ( i n t e r l i n ep o w e rf l o wc o n t r o l l e r ) 等。1 9 9 0 年加拿 大m c g i l l 大学的b o o n t e c ko o i 等首先提出了采用p w m 技术控制电压型s c c ( v s c ) 即p w m v s c 进行直流输电的概念【3 】【。之所以选用p w m v s c 是由 于在一定限度内v s c 可以产生指定的任意电压，更重要的一点是电压型s c c 的 p w m 矢量控制可以实现有功和无功的分别控制。 t l l l j 一i牛 连 ( i f 叶 t 廷j；型!i 。跫z 2 1 - v g c 图1 5两电平h v d c v s c 主电路图 f i g1 - 5 m a i nc i r c u i to f t w o - t e r m i n a lt w o - l e v e lh v d c v s c 为了与基于l c c 技术的传统直流输电相区别，本文称基于v s c 技术的 h v d c 系统为h v d c v s c ，a b b 公司称之为h v d c 1 i g h t ，s i e m e n s 公司称之 为h v d c - p l u s ( p o w e r - l i n ku n i v e r s a ls y s t e m ) 。图1 5 为目前已大量投入商业运行 的两电平h v d c v s c 系统。 与采用l c c 的传统h v d c 相比，h v d c v s c 主要具有以下技术优点： ( 1 ) 换流元件实现了电流的自关断，换流器可以工作于无源逆变，不再需要 受端系统提供换相电流，不会出现换相失败的问题，避免了受端交流网 络出现持续几个周期的电源中断，提高了受端电网的供电可靠性。并且 可向远距离无源系统( 或孤立负荷) 供电，克服了传统h v d c 受端必须 是有源系统的缺陷。 ( 2 ) 采用了p w m 控制v s c 技术( p w m v s c ) ，在一定限度内可以通过p w m 控制的v s c 获得任意幅值或相角的电压矢量，这一过程几乎是瞬间完成 的，所以正常运行时v s c 可以同时独立控制有功和无功，控制方式灵活 方便，因此p w m v s c 非常接近理想输电网中的一个分支。从系统的观 点来看，它可以看作一个没有质量的电动机或发电机【1 2 】。由于交流电流 也是可以控制的，故换流器不影响短路功率。而传统h v d c 中控制量只 有触发角，不可能同时独立控制有功和无功。 第一章绪论 ( 3 ) 不需要交流侧提供无功而且能够起到s t a t c o m 的作用，即町以动念补 偿受端交流系统的无功，稳定交流母线电压。这意味着故障时，如直流 电容容量允许，h v d c v s c 系统既可以向故障系统提供有功的紧急支援 又可提供无功的紧急支援，从而既能提高系统的功角稳定性又能提高系 统的电压稳定性。 ( 4 ) 传统的h v d c 潮流反转时直流电压极性改变，易引起直流电缆的暂念现 致，导致电压波动较大，需特别的设计和更高的绝缘能力f l 。而 h v d c v s c 潮流反转时直流电流方向反转而直流电压极性不变，这个特 点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高运行可靠性的并联多端直流 输电系统，克服了传统多端h v d c 系统并联时潮流控制不便，串联时又 影响可靠性的缺点。 ( 5 ) 系统在保证整流侧和逆变侧有功传输平衡的同时，能独立调节各自的无 功，不必进行站阳j 通讯，既提高了运行的可靠性又节约了投资。v s c 采 用丌关频率较高的p w m 进行控制，产生的谐波大为减弱( 如表1 1 所 示) ，所需滤波装置的容量大大减少，只需在交流母线上安装一组高通滤 波器即叮满足谐波的要求。对无功的需求也大为减少。不需要大量的无 功补偿设备。 最大谐波 t h d 惭) 谈数舰) “d 擅 04 41 口10 2 1 “ d 4 5 1 2 70 1 9 h v d c v s c “ 1 0 j “ 1 旷 “础 06 7203 9 “日 0 8 11 l05 l 传统h v d c o m2 9 8 1 2 24 8 “盯 30 31 2 22 5 表1 1 稳态电压谐波分析 t a b1 1h a r m o n i ca n a l y s i so f v o l t a g eu n d e rs t e a d y s t a t e 1 3h v d c v s c 的应用领域 由于全控器件译管容量的制约，h v d c v s c 的输送容量尚不能与传统 第一章绪论 d c 相比，目前主要应用于中小型输电系统。但是由于h v d c v s c 克服了传 统h v d c 的固有缺陷，大大拓宽了h v d c v s c 的应用领域，同时a b b 公司研 制的适用于h v d c v s c 系统的挤压型直流电缆大大降低了铺设成本。通过灵活 的控割方式使直流输电的经济范围达到了几m w 到几百m w 。 目前h v d c v s c 系统的宅要应用领域有： ( 1 )向偏远小负荷和孤立负荷地区供电。偏远地区的负荷通常较小且波动较 大，一般只有几m w 到几百m w ，因此通过长距离的交流线路对这些地 区供电既不经济有时又受交流传输功率极限的限制，因而不是一个较好 的选择；而传统h v d c 不能向无源网络供电，即使是有源小型网络其输 送容量也超出了其经济范围。通常做法是在当地建造小型电厂来满足该 地区的用电需求，这些小型电厂运营成本高，采用的交流输电线路输电 能力低，并且电能质量难以保证。测算表明修建一座燃煤火电厂与修建 条h v d c v s c 相比，在相同投资规模下，h v d c v s c 的等价距离为 5 0 k m 6 0 k m ，因此采用h v d c v s c 向偏远小负荷地区供电更经济【l 。从 环境保护的角度看h v d c v s c 具有绝对的优势，由于采用了地埋式挤压 成形的直流电缆，它对当地的生态环境没有任何影响，而且其换流站的 占地面积大幅减少：而在输电性能上，h v d c v s c 可以向无源孤立负荷 供电，且不受输电距离的限制，因此h v d c v s c 是向偏远小负荷地区供 电较理想的选择。 ( 2 ) 城市配网增容改造，构筑新型直流配网。人口密集的大型城市负荷 增长迅速，一部分线路已过载或接近稳定极限，发达国家出于环保的严 格限制，新建输电线路十分困难，甚至根本不可能，因而必须尽可能地 提高现有输电走廊的输电能力。由于同样的输电走廊直流输电的输送能 力是交流的1 5 倍，且h v d c v s c 能同时且独立地控制有功和无功，消 除有功环流，合理分配有功负荷，克服电压稳定性的制约，改善电能质 量，所以h v d c v s c 被认为是城市配网增容改造的理想工具。由于多个 v s c 可以接到一个固定极性的直流母线上，易于构成与交流系统具有相 间拓扑结构的多端直流系统，运行控制方式灵活多变。 ( 3 ) 联结两个非同步运行的交流电网。由于h v d c v s c 与传统h v d c 一样具 有双向传输有功的能力且两端v s c 可各自独立地调节交流侧输出电压的 幅值和相位，因此当两个非同步运行的交流系统需要交换较小容量的有 6 第章绪论 功时，町用h v d c v s c 将它们互联。 ( 4 ) 发展电力市场的需要。目前电力市场面临着“放松管制”( d e r e g u l a t i o n ) 的改革。一些国家颁仰法令规定用，、可以发电并售电给电网，允许电力 用户可自由选择供电者，允许实行趸售托送( w h o l e s a l ew h e e l i n g ) ，某些 地区甚至允许实行电力零售托送。发电厂和电力用户可以根据协议通过 电网售受电力。电网作为电力市场的物质载体，即发电厂和电力用户问 电力输送和分配的通道，需要满足对电力潮流灵活调节控制的要求，而 常规的交流输电系统却很难适应这一变化。由于h v d c v s c 能够独立地 控制有功和无功，并允许发电厂供电频率的变化，所以能够很好地满足 上述要求。特别是h v d c v s c 不存在交流系统固有的稳定性问题，能够 灵活地控制有功、无功潮流，这些特点非常适合电力市场的需要。 ( 5 ) 清洁能源发电及其并网运行。我国具有丰富的水力资源和j x l 力资源，由 于分布广、规模小，随着电力市场的开放将存在大量的中小型电厂，为 了保证电能质量需要发电，一和电网具有足够的控制能力。例如，为了提 高风力发电效率，风力发电厂希望可以根据风力的情况不断地改变机组 的运行条件( 包括发电频率) ，采用常规交流系统进行输电，电能质量无 法保证，采用h v d c v s c 系统可以很好地解决电厂的并网和电能质量问 题( 电压和无功支持) ，并且可以方便地联接分散电源，运行控制方式灵 活多变1 1 4 j 。 h v d c v s c 系统要想在输电领域替代传统直流输电必须解决换流元件的丌 断容量和高压大电流下的稳定运行问题。最近，国外公司宣布研制成功以碳化 硅( s i c ) 为基片的电力电子器件。基片的耐压和热容量可大幅度提高，而元件 的损耗却大大降低，从而使元件的断丌功率可望有数量级的飞跃。这预示着 h v d c v s c 系统在输电领域将具有越来越大的市场5 】。 日前 t t ：界上投运的商业化h v d c v s c 系统大多采用两电平结构的v s c ，其 最大容量为1 8 0 m w ( 8 0 k v ) ，还远远不能满足传输更大容量的要求，因而尽 管在许多性能卜- 优于传统h v d c ，f e l _ 在需求大容量输电的场合( 如高压远距离 输电) 还无法与传统h v d c 竞争，因此如何在现有全控器件单管容量仍偏小的 情况卜，提升h v d c - v s c 的输送容量使其能在输电领域得到更大发展成为一个 重要的研究课题。 通过采用软， 关技术改造换流器拓扑结构来提升h v d c v s c 的传输容量是 第一章绪论 本文所采用的方法，通过设计特殊结构的v s c 并采取相应的控制策略可进一步 提升h v d c v s c 的传输容量。这方面主要指箝位型多电平结构的v s c ，其中最 具代表性的是r 本学者a n a b a e 于1 9 8 1 年提出的二极管中点箝位型( n p c ， n e u t r a l p o i n tc l a m p e d ) 三电平v s c 结构1 7 1 ，其主电路如图1 - 6 所示，图1 7 为 两电平v s c 的主电路图。 + l l - 一 1 2 l x ；f 9 _ 1i - 一 x z 蓑 x t1；毫tt - 一 一一 1 2 l l 毳 _- 毳 一一 i l 2l j 毫 - 一- 一- 一 、x 图1 - 6n p c 型三电平v s c 主电路结构图 f i g 1 - 6 m a i nc i r c u i to f t h r e e l e v e lv s c 将两电平v s c ( 图1 7 ) 改造为n p c 型三电平结构，只需在每相桥臂上多 串联两个等容量的全控器件，同时每相桥臂上再增加两个二极管进行中点箝位， 这样改造后的v s c 直流侧耐压等级比两电平提高了一倍，因而传输容量也提高 了一倍。因为有了筘位二极管，使得每半桥臂上串联的两个全控器件并不是当 作一个器件使用，它们各有自己的工作状态，每个全控器件两端电压不超过 2 ，从而既利用串联方式提升了v s c 的容量又避免了常规器件串联后当作 一个器件使用所遇到的器件选配和动静态均压问题。 b i ；一z_ 弓z 宁c 唼 t 隆 l 号is 一已js t 廷z 曳 图1 7 两电平v s c 主电路结构图 f i g i - 7 m a i nc i r c u i to f t w o l e v e lv s c 第一章绪论 一：电甲v s c 每相输出电压可在一2 ，0 ，2 三个电平问变化，如图l 一8 所 示。通过这三个电平组合出的相电压波形比图1 - 9 所示的两电平v s c 仅有 一k 。2 和2 两个电平组合出的相电压波形更接近f 弦波即谐波量含量更 少，极人地改善了电能质量。总之，将两电平v s c 改造为n p c 型三电平结构， 可以达到串联增容同时又减少了谐波输出的双重目的。 l 坠j i 、s 1 o t j2 李2坐 1 li 本i鲨l 砜 汪i 、 图1 8 单相三电平v s c 原理图 f i g 1 8 b a s i cp r i n c i p l eo f s i n g l ep h a s eo f t h r e e - l e v e lv s c 图l - 9 单相两电平v s c 原理图 f i g 1 9 b a s i cp r i n c i p l eo f s i n g l ep h a s eo f t w o l e v e lv s c n p c 型三电平v s c 具有多电平和脉宽调制两者的优点，即输出功率大，丌 关频率高，动态响应好，控制响应速度快等。其主要缺点是：全控器件的导通 负荷不一致，造成器件容量不能充分发挥；在不同的工作状态时直流侧上下两 电容充放电时问不同，易导致中点电位浮动，输出电压不对称，增加了系统动 态控制的难度，在换流站控制系统中必须对中点电位浮动进行抑制。 采用- 二电平v s c 的h v d c v s c 系统结构与如图1 5 相似，只是将两电平换 流器换为三电甲，如图1 1 0 所示。 9 第一章绪论 1 il jl - jl ： j蒋蒜疰 碎卡| r “ l 毫辫蝶 担二 i _ j i 1 j l + h 4 ii ji 墨 2i 毒2 c * 卜# 茹舂3 | 墨：1 j lf il 1 k 乏j 1 号= 2 c 挑卜辫辫圣1 一卜一 l 。 但k 值越大意味着载波频率f 越高，在一个丌关周期的丌关次数就越多，元件 丌关损耗相应增大。所以载波比的选择需要同时考虑输出谐波和开关损耗两方 面的因素。 一般将i i 弦调制波的幅值u 。与三角载波的幅值u 。之比定义为调制度m ( 办称i n 制比或调制系数( m o d u l a t i o nin d e x ) ) ，即 肚篑 ， 面将t 角载波频率六与难弦调制信号的频率，之比定义为载波比n ，即 第一二章脉宽凋制( p w m ) 及其对v s c 的影响 _ = 兰 ( 2 2 ) 改变正弦调制电压的幅值使幅值比改变时，就会使各脉冲的宽度( 脉宽) 发生相应的变化，特别是当f 弦调制电压峰值接近三角波峰值时( 正常调制不 应超过i 角波的峰值) ，在三角波峰值附近的脉冲关断时间会很短，导致关断速 度较慢的元件来不及关断，从而使相邻输出电压脉冲相连，所以调制度m 1 。 2 1 1s p w m 的基本原理 s p w m 是应用最广的脉宽调制方法，它以所期望的换流器输出币弦波信号 为调制波信号与三角载波信号进行比较，其交点时刻决定电力半导体开关元件 的丌通和关断时刻，对换流器输出的电压或电流进行跟踪控制( 如图2 一1 ) 。根 据三角载波对f 弦调制波采样方式的不同，s p w m 可分为自然采样s p w m 和规 则采样s p w m ，前者最适用于模控电路而后者适用于数控电路。 k 2 觥啪万矾硫：隧 vv 粼例州v fj 一 2 蹰j 扛乒 图2 一l 三角载波p w m 的a 相调制波和开关信号 f i g2 1 t r i a n g l ei n t e r s e c t i o np w mp h a s e a m o d u l a t i o na n ds w i t c h i n gs i g n a l s 2 1 2s v p w m 的基本原理2 6 针对s p w m 直流电压利用率低，又提 ；了s p w m 的改进方法即谐波注入 s p w m 法( h i s p w m ) 和空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 。 s v p w m 是从工业驱动中交流电机调速中磁通证弦( 或磁通轨迹为圆) 的思 想发展出来的一种数字化技术，它通过p a r k 坐标变换( 或称为空洲矢量变换) ， 把_ 相电压合成个空间矢量加以处理。s v p w m 与其它p w m 相比具有以下特 第二章脉宽调制( p w m ) 及其对v s c 的影响 点：( 1 ) 概念清晰，反映了s p w m 的本质；( 2 ) 总谐波畸变( t h d ) 少，波形 质量高；( 3 ) 电压利用率高：( 4 ) 控制响应速度快；( 5 ) 中点电压易于控制；( 6 ) 易于数字化实现等。因此s v p w m 在三相电力电子装置的控制中得到了广泛的 应用。图2 2 为两电平s v p w m 空间矢量图。 c 轴 图2 2 两电平s v p w m 空间矢量图 f i g 2 - 2t h es p a c ev e c t o ro f t w o - l e v e ls v p w m 2 2s v p w m 技术在h v d c v s c 中的应用”6 a 轴 常规s p w m 当m = 1 时，三相v s c 的相电压峰值为2 ，线电压峰值为 3 2 。显然，常规s p w m 的直流电压利用率不高。而采用s v p w m 控制时， 三相v s c 相电压的峰值为i ，可见s v p w m 控制将电压利用率提高了 1 5 4 7 。因此，与常规的s p w m 控制相比，s v p w m 控制下的v s c 具有直流电 压利用率高的优点，设v s c 输出的三相基波电压为： “。= k 。c o s ( o e t ) “6 ：k 。c 。s ( o e l - - 2 = _ 7 c ) j “。：k ，c 。s ( 倒。f + 2 = _ 7 9 ) j ( 2 3 ) 巧。为基波相电压幅值，当采用上面的余弦函数定义时，调制波的( o e t 时间轴与 复平面参考电压矢量角敛f 一致。定义空间电压矢量 第二章脉宽调制( p w m ) 及其对v s c 的影响 29-qz = 詈( + p o + z c e o ) ( 2 - 4 ) 将( 2 3 ) 代入( 2 4 ) 得，期望的输出空间电压矢量为 吃，= k 。 p “ 州j l 1 1 型j i1 z l 广一 睨 k l s 铠zs j 馥 1 l 图2 - 3 三相无中线型电压源换流器 f i g 2 - 3t h r e e - p h a s ev o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r n ( 2 5 ) p w m 采用双极性调制时，图2 3 所示的v s c 共有八种可能的开关状态对应 空间矢量图的八个电压矢量，当代表某一相的正弦调制波信号大于三角载波信 号时，该相上桥臂导通，下桥臂关断，输出的相电压为吃2 ( 正极端的对地电 压) ；当代表某一相的参考正弦调制波信号小于三角载波信号时，该相下桥臂导 通，上桥臂关断，输出的相电压为一2 ( 负极端的对地电压) 。如果以“1 ” 表示某相上桥臂接通下桥臂断开的输出电压，以“1 ”表示某相下桥臂接通上桥 臂断开的输出电压，则八种开关状态( 矢量) 可表示为：1 1 - 1 ( k ) 、1 1 1 ( n ) 、 - 一l ( 蚝) 、一1 1 1 ( k ) 、1 - l 一1 ( 巧) 、1 - 1 1 ( k ) 、一1 - l 一1 ( ) 、1 l l ( 巧) 。这八 个电压矢量又可以分为两种，有源电压矢量( 非零矢量) ，包括k 、k 、以、圪、 以和k ；无源电压矢量( 零电压矢量) 包括和巧。按照矢量合成的平行四边 形法则和p w m 的等面积原则利用这八个矢量可以在一定范围内合成任意角度 有限模长的空间电压矢量，也就是说按照一定次序和作用时间发出上述八个矢 量就可以合成所期望的输出电压矢量e 。从而得到v s c 所期望的输出相电压 “。、“。和“。利用这八个矢量可以合成的矢量的最大模长( 正六边形的内切圆) 决定了所允许的，的最大模长即输出相电压的最大幅值。 以h 。，在第1 扇区为例进行分析，在其它扇区可得到相同的结果。 第一章脉宽调制( p w m ) 及其对v s c 的影响 若i 为矢量k 的作用时间，t 为矢量的作用时间，疋为采样周期。 由平行四边形法则得： 五_ + 疋= c f ( 2 - 6 ) 由一个开关周期内v s 平衡可得： 五2 q k m t 碰6 0 i 目) 7 ( o 。目6 0 。)( 2 7 ) 疋= 3 - k 。t s i n o 0 = 吐f ，为的空间相角。两个矢量作用时间的总和不能超过采样周期的长度， 故对0 。茎0 6 0 。的任意占有下面的限制条件： 将( 2 7 ) 代入( 2 8 ) 可得 3 k ， ( 2 8 ) ( 2 9 ) k 。，为期望输出的相电压基波幅值，则3 k 。就是线电压基波幅值，因此式( 2 - 9 ) 表明：采用s v p w m 控制的v s c 最大可输出的线电压基波幅值等于直流侧电压 ，即s v p w m 控制已达到最高的直流电压利用率。 下面讨论s v p w m 的开关顺序问题。为了降低开关损耗，提高波形质量， 各矢量的发送顺序应遵循开关次数最小的原则，采用对称的开关顺序。设n 的 作用时间为瓦。，巧的作用时间为t o ，则= t 一正一e ，r o 。= ( 1 一k 。) 瓦， t o ，= k o r o ，k o 为零矢量的分配系数，则第1 扇区的矢量发送顺序为： 圪斗k 寸屹一巧j 屿一哼k 呻k 2 3 优化p w m 方法的研究 2 3 1h i s p w m 技术在h v d c v s c 中的应用“” 利用三相无中线系统相电压中的三次谐波在线电压中被抵消这一现象，提 出了谐波注入s p w m ( h i s p w m ) 。h i s p w m 控制下的逆变器输出线电压峰值与 直流电压的比值可高达1 1 5 4 7 ，大大提高了逆变器的直流电压利用率，使逆变 第二章脉宽调制( p w m ) 及其对v s c 的影响 器在相同主电路结构即器件等级情况下，输出功率增加1 5 左右。这是因为常 规的s p w m 法，其三相系统的中点电位固定，注入零序分量后，相电压的波形 不再是i f 弦( 如图2 - 4 ) ，中点电位发生浮动，使m 可能超过1 。零序电压分量 在无中线系统中无法形成电流，而线电压波形则因两相间的零序分量相互抵消 而成为证弦。 图2 4h i s p w m 的调制波 f i g 2 - 4 t h em o d u l a t i o nw a v e f o r mo fh i s p w m 03 06 0 9 01 2 01 5 01 8 0 ：2 1 02 加2 7 03 0 0 3 3 0 3 6 0 d e g 砖e s 图2 - 5t h i s p t v l 的注入谐波分量幅值 f i g 2 - 5a m