（电力电子与电力传动专业论文）用于超导磁储能系统的高性能电压源变换器控制技术研究.pdf

华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ec o n t r o lo ft h eh i g hq u a l i t yv o l t a g es o u l c ec o n v e n e “v s c ) i ns u p e r - c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e ( s m e s ) i sp r e s e n t e d 1 1 l ea n a l y s i s s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t s a r ec e n t e r e da r o u n dt h es t a b i l i t ya n dl i n es i d ec u r r e n tq u a l i t yo f t h ev s c t h ec o n t e n to f t h ed i s s e r t a t i o n i sf i t sf o f l o w s ： t h r e e p h a s es t a t i o n a r yf r a m eb a s e dm o d e l ，c o o r d i n a t es m t i o n a r y f r a m eb a s e dm o d e l ，s y n c h r o n o u s f r a m eb a s e dm o d e la n d c o m p l e x v e c t o rb a s e dm o d e if o rf s c a r ce s t a b l i s h a d t h es t a t es p a c e a v e r a g i n g m e t h o di s a p p l i e dt oo b t a i nt h es t a t es p a c ea v e r a g em o d e la n dt h ee q u i v a l e n tc i r c u i t b a s e do nt h e c i r c u i t ，t h es t e a d ys t a t ea n a l y s i si sc a r d e d o u t t w o r e g u l a rc u r r e n tr e g u l a t o r s - - - t h r e e - p h a s es t a t i o n a r yf r a m eb a s e dp ir e g u l a t o ra n ds y n c h r o n o u s f r a m eb a s e dp ir e g u l a t o ra r ec o m p a r e d t h ec o n c e p to fr e l a t i v eg a i ni s e m p l o y e dt oa n a l y z et h e c o u p l i n ga n dd e c o u p l i n go f t h e 瞰i n o r d e rt oo b t a i nt h ed e c o u p l i n gm e t h o dw h i c hi sa p p r o p r i a t ei n i nt h ec o n v e r t e r , t h er o b u s t n e s sa n da l g o r i t h md i f f i c u l t yo f t w o d e c o u p l i n gm e t h o d s - - - s e r i e sd e c o u p l i n g m e t h o da n ds t a t ef e e d b a c km e t h o da r e c o m p a r e d 1 1 1 ed e s i g n o fv o l t a g er e g u l a t o ra n dc u r r e n t r e g u l a t o r sa n dt h ei n f l u e n c eo f c u r r e n tr e g u l a t o r s s t y l e so nt h es t a b i l i t yr e g i o na r ed i s c u s s e d t h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h ep h a s el o c kl o o pi st h ef o u n d a t i o no f c u r r e n ta c c u r a c y , t w op h a s el o c kt e c h n i q u e s a r ei n t r o d u c e da n d c o m p a r e d t h ec o n n e c t i o n sb e t w e e nt w op w m t e c h n i q u e s - - t r i a n g u l a rc a r r i e rb a s e dp w mt e c h n i q u ea n d s p a c ev e c t o rp w mt e c h n i q u ea d e s c r i b e di nd e t a i l t h eg e n e r a t i o na n da d v a n t a g e so f d i s c o n t i n u o u s p w ma r ep r e s e n t e d t h em a x i m u mm o d u l a t i o ni n d e xi nl i n e a rm o d u l a t i o nr e g i o n c u r r e n tq u a l i t y , p o w e rl o s sa n dt h eo v a r m o d u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e 船 cu n d e rv a r i a b l ep w m m e t l l o da r e p r o p o s e d t r i a n g u l a rc a r r i e rb a s e do v e r m o d u l a d o nt e c h n i q u ea n ds p a c ev e c t o rb a s e do v e r m o d u l a t i o n t e c h n i q u ea r ec o m p a r e d t h ei n f l u a n c eo f t h e u t n i t yu n b a l a n c eo nt h e 昭c i sd i s c u s s e d t h el i m i tt or e d u c et h eu n b a l a n c e d u t i l i t yi n f l u e n c ei sp o i n t e do u t t h ec u r r e n tc o n t r o lt e c h n i q u eu n d e ru n b a l a n c e du t i l i t yi si n d i c a t e d t h e s i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e dt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo f t h ec o n 仃o lm e t h o d t h r e ed e t e c t i n gm e t h o d sf o r u n b a l a n c e dv o l t a g ea n du n b a l a n c e dc u r r e n t a 聘c o m p a r e d a c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i so f t h ev s c a p r o t o t y p ev s c w h i c hi su t i l i z e di nt h e 醐穰西p r o t o t y p ei n h u s ti sa c c o m p l i s h e d t h e p e r f o r m a n c eo f t h ep r o t o t y p ev s c d e m o n s t r a t et h ec o n c l u s i o n sa b o u tt h e i n d e p e n d e n tc o n t r o lo fa c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e r , c u r r e n tr e s p o n s e ，d e c o u p l i n g , w a v e f o r m q u a l i t y i nt h i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ： s u p e r - c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e ( s m e s ) v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e 椰c ) s y n c h r o n o u sf r a m e r e l a t i v eg a i n d e c o u p l i n gt r i a n g u l a rc a r r i e rs p a c e v e c t o ru n b a l a n c e 一一 华中理工。大学博士学位论文 第一章簟论 ，1 1 引直 在二十一世纪，电力工业的主要发展方向是解除供电、用电的市场管制。这将使得电力市 场竞争空前激烈并由于一系列的社会、环境与经济困难，限制了新的发电厂和输电线的建设 使得电力系统在二十一世纪的主要研究方向是：如何提高电力设备的利用率。 随着电力电子技术、计算机技术、控制技术的不断进步。给电力工业注入了新的内容，其 中一个重大的成就就是柔性交流输电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n s t e m 缩写f a c t s ) 的提出 与应用。f a c t s 能够在很大程度上简化电网的复杂程度，并能够很好地控制电网的潮流。 f a c t s ，由美国电力专家n g h i n g o r a n i 于1 9 8 6 年提出，从广义上讲就是指采用了电力 电子器件的输电控制器f a c t s 的研究已经从基于晶闸管的f a c t s 过渡到基于变换器的f a c t s 阶段，在新一代的f a c t s 中，核心部分是三相电压源变换器( v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r , 缩写 v s c ) 在1 2 中将介绍刷c b 的发展现状 超导磁储能系统( s u p e r - c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e 缩写s m e s ) 属于新一代的 f a c t s , 它与其它形式f a c t s 不同的是它能够通过变换器将能量转化成直流电流储存在超导线 圈中。关于它的特点、优势与作用将在1 3 中介绍。本文主要的研究内容就是用于s a f e s 中的 三相v s c 的控制技术 三相v s c 系统有多种电路形式。对v s c 选择的不同，s m e s 的性能也不同在本章的1 4 与1 5 中，将把各种v s c 的主要形式作了简单叙述，并比较它们的优、缺点 三相f s c 系统之所以能够成为s m e s 及新一代f a c t s 技术的核心，就是因为它能够平滑、 精确地调节变换器与电网之间交换的有功、无功功率。有功、无功功率的调节是通过调节三相 v s c 交流侧电流来实现的，三相v s c 交流侧电流的稳、暂态性能是整个s m e s 性能的基础。因 此，对三相v s c 交流侧电流的控制技术是控制整个s a l e s 的关键，在本章的1 6 中，将列举各 种电流控制的方法，并比较其优缺点 t 2f a c t s 技术的曩出与鬟晨f i j 田- p 4 1 与早年采用放射状的输电线将发电机 与负载连接在一起不同，现代电力传输系 统是用一个巨大的网把发电站与主要的负 载节点连接在一起，这些输电线上的巨大 电力希望能够经济、有效地传输到所需的 负载。 输电线有四个特征参数：衰征有功功 率损失的电阻；表征导线周围磁感应效应 的电感；表征绝缘介质中产生泄漏电流以 及空气游离产生有功功率损失的电导；表 图1 i 第一代输电控制嚣 华中理工大学博士学位论文 - _ _ - - - - - - _ _ _ l i _ _ _ _ - - _ _ 一i _ - _ l _ l - - - l _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ ! ! ! ! ! ! ! - o ! ! ! 鬯! ! ! ! ! 征导线周围电场效应的电容 5 2 1 。输电线传送的功率是由线阻抗、线两端电压幅值和相位差决定， 电力传输的性能可以通过机械开关适当地投切一些串联电容或并联电感、电容改变传输线的特 征来加以改善，通常这种机械式的补偿器被称为第一代输电控制器( 图1 1 ) 。 第一代输电控制器能够在稳态时保证良好的电力传输与电压控制，但是由于电力系统的暂 态时间常数小，它们在暂态时几乎没有作用，为了应付电网的种种扰动( 如，短路、断路、设 。 备故障、负载的投切等) ，电网在运行时必须保证很大的裕量。 七十年代以来，电网工业遇到了系列的困难( 石油价格的提升、公众对核反应堆的反对、 公众对环境越来越重视等) ，对电网高效应用的呼声越来越高，这导致许多原来分离的电网纷纷 连接在一起成为一个大的互联电网，因为这样能够利用时差和气候条件来改变电网的用电高峰 和用电低谷、均匀分布负载，使电力系统更经济、更有效地提供电能。如：北美联合电力系统 覆盖了加拿大、美国、墨西哥的加利福尼亚半岛，总容量达8 2 7 5 g w 前苏联于1 9 7 8 年已形成 统一电网，并且还延伸到一些周边国家，总容量达到2 0 4 4 g w 。欧洲也很早就形成跨越多个国 家的统一电力系统。 但与原来的电网相比，互联电网更加复杂，并产生了一些新的问题，如在一些重载线路产 生“瓶颈”现象、功率环流、不同地域之间大幅的功率摆动等。大型互联电网存在着这些问题 。 是由多方面因素造成的：互联电网是由初期的区域电网逐步发展而来的，因而网架结构或多或 少地存在不合理的地方；电源中心与负荷中心的分布不一致，导致远距离输电和迂回送电的情 况经常出现；资金和环境保护等原因使建设新线路受到诸多限制，另外，各电力公司各自的经 济效益也影响到互联电网的统一调度。 这时由于晶体闸流管( s c r ) 的 研制和半导体工业的大力发展， 出现了第二代输电控制器一 f a c t s ( 图1 2 ) 。它们的结构与第 一代传输控制器类似，但采用g t r 开关速度快。 虽然第二代输电控制器解决 了响应速度的问题但同时依然 保持着第一代变换器的许多不良 特征：需要巨大的电感与电容提 圈i2 第二代输电控制器 供足够的无功功率；所需的晶闸管容量极大；有时导致一些次谐波振荡；只能变换单一的网络 参数；体积十分庞大。 第二代输电控制器的缺点、自关断器件的大力发展和电力系统的发展方向为解除市场管制 等原因促进了第三代基于变换器的f a c t s 控制器的发展，其特征是采用自关断器件与电压源变 换器( v o y a g es o u r c ec o n v e r t e r 缩写v s c ) 。它可以克服第二代输电控制器的缺点。并且能够使有 功、无功功率同时、独立控制。基于变换器的f a c t s 控制器包括静止同步补偿器( s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r 缩写s t a t c o m ) 、静止同步串联补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o l t 口s e r i e s c o m p e n s a t o r 缩写s s s c ) 、统一潮流控制器( u n i f i e d p o w e rf l o wc o n t r o l l e r 缩写u p f c ) 、超导 储能系统( s u p e r - c o n d u c t i n g m a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e 缩写s m f s ) 。 一2 一 e 回 华中理工大学博士学位论文 1 8 超导霜i 俺蕾系统( s m e s ) 超导储能系统( 图1 3 ) 是利用超导线制成的线圈作为储能元件，将电网供电励磁所产生的磁 场能量储存起来，在需要时再将储存的能量释放出来，从而可以调节有功、无功功率。在结构 上，s m e s 类似于s t a t c o m , 但是由于系统有储能装置，它能移向电网输送与吸收有功功率。 t jo e j01 】 - 1 】 一， i 一 _ 一 一 t20 z ji ! 】i 【! 一，一一 图1 3s m e s s m e s 在电力系统方面的应用主要有以下几个方面： ( 1 ) 在配电系统中，作为用户电力技术发展的一种器件对集中用户和修理进行补偿或作为 备用电源，也可用于负荷的调峰与填谷。 ( 2 ) 在输电系统中，由于其充、放电快，可对系统提供瞬时有功功率支持，阻止系统振荡， 提高稳定性。 ( 3 ) 使发电机能够快速制动，等于增大发电机阻尼。 ( 4 ) 平衡电网次谐波振荡。 早在1 9 7 9 年，美国就开展了s m e s 应用与稳定输电线的研究。为了消除美国沿太平洋西海 岸的两条并联大功率交流输电线路上可能产生的功率振荡对西部电网的影响，b o n n e v i l e 电管局 和l o sa l a m o s 实验室提出：采用s h i e s 装置为上述交流输电线路的负阻尼提供正阻尼，以改善 整个电力系统的稳定性。八十年代初，美国和日本联合做成了3 0 m j 的s m e s 系统【。美国研制 的s m e s 容量为1 0 0 0 m w ，储能5 5 0 0 m w h ，超导线圈最大电流为2 3 0 k a ，用8 组容量为1 2 5 m w 的变流器并联。美国能源部1 9 8 8 年组织的全国调查表明，s m e s 运行相当于给美国增加了1 5 的附加发电能力。 因为三相电网上的电压是三相交流电。超导线圈上流过的是一个恒定的直流电流，所以电 网与超导线圈之间必须有一个装置与它们匹配。这个装置称为功率调节系统( p o w e rc o n d i t i o n i n g s y s t e m ，缩写p c s ) 功率调节系统一般有如下特点： ( 1 ) 有功、无功功率可以随着指令双向流动 ( 2 ) 系统有比较高的效率 ( 3 ) 有功功率和无功功率可以独立调节 3 华中理工大学博士学位论文 早期的p c s 采用的结构是采用十二相整流 的结构( 图1 4 ) 。主要的元器件是由晶闸管组 成的三相相控整流桥。为了达到有功、无功功 率的独立控制，各个晶闸管的控制角是不对称 的。但是，它具有相控整流的一般缺点，在深 度相控的情况下电流畸变严重，存在着大量 的低次谐波。而且与电网连接的变压器过于庞 大。- 随着功率器件的发展，g z f d 的容量有了很 大的提高，自关断器件应用于电网成为可能， 使得p c s 的主电路研究有了新的进展。1 9 9 1 年， 一。一一1 图14 早期p c s 结构 l a s s t e r 和j a l a h 提出了p c s 的两种拓扑结构【6 l - 电流源e c s ( 图1 5 ) 与电压源p c s ( 图1 3 ) 。电 流源p c s 是由一个电流源变换器直接连接超导线圈和电网。电压源p c s 是由一个v s c 和一个 两象限斩波器组成，v s c 的作用是联结电网和 直流母线，两象限斩波器能够依据指令的不同 变换工作模式来控制直流母线电压或超导线圈 电流。 由于v s c 具有体积小，控制方便等优点， 而且，在p c s 中如果采用电流源变换器，各个 功率开关中将流过与超导线圈中同样大小的电 流，将大大增大功率器件的容量，所以v s c 比 电流源变换器应用更广泛。 1 4 脚的圭蔓拓扑螬构 y ，r fzllil j j) 上上l _ 厂一 f i j zl 图1 5 电流源型变换器 超 导 线 圈 如前所述v s c 是整个s m e s 的核心，它更是现代电力电子中应用最普遍的拓扑结构，它广 泛应用于f a c t s 、变频器、u p s 等涉及交、直流转换的系统中，其直流侧一般接一个大电容， 在工程分析中常常等效为电压源，所以称为电压源变换器。 常用的三相v s c 有以下几种： 1 4 1 三相三鳃六开关- 譬口 三相三线六开关v $ c 是由一个三相全控 桥交流侧接三个电感、直流侧接稳压电容构 成，这种结构的v s c ( 图1 6 ) 应用最为广泛， 它能够很灵活地控制交流侧电流与童流侧电 压，使得v s c 与电网交换的有功、无功功率 可以在容量范围内任意调节。它的缺点是因为 它是无中线系统，不能向电网提供零序电流。 图1 6 三相三线六开关v s c 一4 一 翟 。l，、。i，、丢 华中理工大学博士学位论文 1 4 2 三相兰线四开关临口嘲l l o 】“u 】 如图1 7 为三相三线四开关v s c 。这种结构采用四个功率开关来产生三相正弦电压，第三 相接至直流侧电容的中点，从原理图上可以明显看出：变流器的交流侧所能产生的线电压最大 值为一d ，所以它所能产生的线电压最大峰值为。u d 。从另一个方面来看，如果三相三线四开关 22 v s c 与三相三线六开关v s c 在交流侧产生线电压基波相同，其所需直流侧的电压值将是三相三 线六开关v s c 的两倍。 与三相六开关v s c 相比，三相三线四开关v s c 优点是在主电路结构上。三相四开关v s c 比三相 三线六开关v s c 少了一个桥臂，同时也少了两套 驱动电路及其电源。在某些情况下( 尤其是交流侧 所需电压不是很高的情况下) 可以节省开支。 但它存在一些缺点： ( 口) 当交流侧所需电压比较高的时候，由于 直流侧的电压更高，所选用的开关管的电压额定值 将比较高，所以尽管少了一个桥臂，但花费可能更 多。 圈1 7 三相三线四开关v s c ( 6 ) 因为直流侧电容需要提供一相电流，使得直流侧电容电压的波动比较大，需要的电容 数值也比较大。 ( c ) 在电网电压、交流侧电流与开关频率均相同的情况下。三相四开关v s c 的损耗比三 1 相六开关v s c 大。这是因为虽然少了一个桥臂，但直流侧电压升高了一倍。 j ( d ) 三相四开关v s c 不能象六开关v s c 那样在相电压中加入零序分量以减小开关损耗。 ( p ) 由于电路不对称，它对一些非线性因素如：直流侧电容分压不均匀、半导体开关上的 电压降落、死区等比三相六开关v s c 敏感。 1 4 3 三相四坟六开关，零口【1 2 】，【”l 三相四线六开关v s c 与三相三 线六开关v s c 的结构基本一样，只 是将直流侧电容的中点接至零线上 ( 图1 8 ) 。这种电路的提出主要是 为了向电网提供零序电流。另外， 对于一些输出有中线但输入侧无变 压器的系统也可以采用这种结构 相对于三相三线六开关v s c ，三相 四线六开关v s c 解除了三相电流之 间的耦合( 即三相电流之和可以不 为零) ，它与三相三线六开关v s c 图i 8 三相四线六开关婚c 一5 一 华中理工大学博士学位论文 的主要区别如下： ( a ) 系统可以完全等效为三个单相电路，使三相电流可以独立调节。 ( 6 ) 三相四线六开关i , s c 除了象三相三线六开关i , t c 样向电网输送有功、无功电流之 外，还可以向电网输送零序电流。 ( c ) 由于电网零线与变流直流侧中点相连，交流器中点电压相对于电网是稳定的a w ( d ) 直流侧电压应大于两倍交流侧相电压基波峰值，而三相三线六开关i t c 只需大于其 压倍即可。 由于电网中许多单相负载的影响，电网中存在着零序电流，这种电路拓扑结构就是针对电 网中的零序电流而提出的。但是这种结构只能用于低功率的情况因为所有的零序电流都从直 流侧稳压电容中流过。 1 4 4 三报四钱八开关脚 对于兰相三桥臂系统，三相四线八开关v s c 多了一个中线桥臂( 图1 9 ) ，它有以下优点： ( 口) 对零序电流的处理更加灵活，附加的零线桥臂可以很方便的处理零序电流的问题，而 ， 且零序电流也不用从直流侧电容上流过。 f b ) 更强的容错功能【i m ，当三相桥臂中有一个桥臂短路，附加的中线桥臂能够调节中线上 的电流使其余两桥臂正常工作，最大转换功率是额定功率的喜，而当三相三桥臂系统中有一桥 图1 9 三相四线八开关v s c 1 臂断路时，最大转换功率只有额定功率的。 j ( c ) 四桥臂八开关v s c 对于电网不平衡的情况具有更灵活的处理能力。 1 5 大謇脚拓扑螬构 由于功率开关的限制，采用以上拓扑结构对于高电压、大电流、大容量系统可能不适用 这就出现了高电压和大电流的拓扑结构。 一6 华中理工大学博士学位论文 1 5 1 禽电压拓t h 宣构 高电压拓扑结构一般分为无变压器拓扑结构和有变压器拓扑结构，其中，无变压器拓扑现 在应用最多的是三电平v s c ( t h r e el e v e lv o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ) ，有变压器拓扑结构一般指 多个模块通过变压器串联。 ( 1 ) 三电平脚 在交流侧电压比较高 容量大的场合可以采用三电 平v s c 亦称为中点钳位 v s c 。它每一个桥臂由四个 功率开关构成( 如图1 1 0 ) ， 使得每一个桥臂可以产生三 ” 个电平一等，0 ，警。 z 相对于两电平v s c ，它 有以下优点： ( 口) 每一个主功率开关 上承受的电压峰值只有两电 平v s c 的，所以它适合 z 于高电压、大容量的场合。 图1 1 0 三电平船c 十 + ( 6 ) 由于三电平v s c 每一个桥臂有三个开关状态，所以，整个v s c 有2 7 个工作状态( 包括 三个零状态) 。用空间矢量的观点是它在空间可以用2 7 个开关矢量来构成所需的电压矢量，使 得三电平v s c 在开关频率不是很大的情况下也能够保证良好的电流波形，对于使用g t o 的系 统更为有利。 它的缺点是电路复杂。 ( 2 ) 串联多重化 串联多重化的电路比较多，其中，图1 1 1 中所示为常用的两种电路拓扑，图1 1 l ( a ) 表示三 相有中线系统，每一相都拆成三个单元。图1 1 l ( 6 ) 表示串联三相多重变换器，它把m 个三相桥 式变换器各错开相位；l ，再用抵消它们之间相位差的变压器连接起来，可以组成脉波数为6 m j m 的变换器，6 i n k 士1 次以外的谐波能够被消除。 ， 华中理工大学博士学位论文 ( 口) 图i 1i 串联多熏化拓扑结构 采用变压器进行串联的拓扑形式性能好，开关频率低，但是需要一个庞大的变压器。 1 5 2 大电流拓扑螬构 以上的拓扑结构适合于 大容量中电压等级高的情 况。当大容量系统的电压等 级不是很高，但电流等级高 的时候，以上拓扑结构将不 再适用，需要采用多个v s c 并联。 三相v s c 系统的并联 一般分两种情况：有变压器 并联与无变压器并联。 ( 1 ) 有变压并联【1 8 】1 1 9 1 有变压器并联的拓扑通 常称为移相多重化在三相 昭c 的直流侧并联，模块之 间不存在耦合，将变压器之 间错开一定的角度，可以在 开关频率比较低的情况下获 得比较好的电流波形。图 ( d ) ( 6 ) - 图11 2 有变压器并联 1 1 2 ( 为传统的1 2 相整流。缺点是在大功率的情况下，变压器的体积过于庞大。虽然在文献【1 9 】 中提出采用自耦调压器( 图1 1 2 ( 6 ) ) 可以将变压器容量减小到原来的2 0 ，但体积还是过大。 一8 一 一 rml_l、，i、j 华中理工大学博士学位论文 ( 2 ) 无变压并j 群2 m 图i 1 3 无变压器并联 船c 电路的直接并联相对于上一种并联方法省去了变压器( 图1 1 3 ) ，但是出现了模块之间 的耦合问题。两个v s c 电路直接并联，由于两个电路的开关动作不可能完全一致，系统之间必 将出现环流。如果环流不是零序电流，可以将环流看成电流扰动，通过系统的电流环将之克服。 如果环流是零序电流，则基于由同步旋转坐标系的控制系统无法将之检测并消除。为了将零序 分量减小，通常有以下几种方法： ( 。) 在交流侧加入耦合电感。缺点是耦合电感对环流中的直流成分没有作用。 ( 6 ) 在三相静止a b c 坐标系实施 b a n g - b a n g 控制方案。缺点是开关频率不固定，加重 了滤波的负担。 ( c ) 把所有的单元看成一个大系统。缺点是当模块一多，控制方案将极其复杂。 ( d ) 采用无零矢量p w m 技术。这种方法虽然消除了环流中直流分量的主要来源，但一旦 由于其它原因而使得系统有直流环流，将无法遏制。 1 6 三相，岛口的电流控一技术概谜 三相v s c 系统的电流控制技术按主电路中有无电流传感器可以划分为直接电流控制与间接 电流控制。间接电流控制由于其过渡时间长、动态超调大而且预测参数经常不准确影响系统性 能以及不利于大规模生产等缺点，应用比较少。一般所指的电流控制方式都指直接电流控制方 式。 直接电流控制又分为线性电流控制与非线性电流控制 相对于非线性电流控制，线性电流控制有一个明显的优势在线性电流控制中，电流调节 器与p w m 的产生环节是分离的，使p 聊汀的产生环节能不受系统功率与电流波形的影响，可 一一一 一9 一 华中理工大学博士学位论文 进行开关优化与开关频率的设定，从而使输入电流具有良好的谐波频谱，有利于滤波器的设计。 另外，电流调节器与p w m 的产生环节分离，可以在主电路不工作的时候，检测p w m 的产生 机制与死区等状况，并且对系统进行开环测试。 1 6 1 线性电流控棚 常用的线性电流控制方式有以下几种 ( 1 ) 基于l 址坐标系的环【2 l 】【2 2 】1 基于静止坐标系的肼环是 最基本的控制方式( 如图 1 1 4 ) ，每一相都有一个独立的 电流调节器。调节器的输出与 三角载波比较，得到三相脉宽。 在这种控制方式中，由于三相 独立调节器没有考虑三相电流 之间的耦合，一般来说，开关 1 周期应在电流扰动时间的以 m 图1 1 4 基于静止坐标系的环 下。才能够保证系统具有良好 的电流跟踪性能。而且，7 环在给定信号是正弦波的情况下是不能做到无静差的 s 。 ( 2 ) 予旋转两步坐标系的环州 2 5 1 【2 6 1 三相对称的交流量可以看成是一个空间旋转矢量。如果从一个空间同步旋转坐标系来研究 系统，每一组变量都能够用 一组直流量来表示。由于 p ，环在给定信号是直流量 的情况下是没有静差的，所 以基于同步坐标系的环 ( 图1 1 5 ) 相对于基于静止坐 标系的p i 环对电流的控制 精度要高。并且关于用p i 环来调节直流量的理论也比 较成熟，因而这种电流控制 方式应用十分广泛其缺点 l 口l bl t 图1 1 5 基于同步坐标系的户，环 是对稳定性条件要求比较严格且使用，环的响应速度较慢。 ( 3 ) 琢涓电童控 采用单纯的p 环在控制上存在滞后，这使得预测控制在电流控制中的应用有了研究的必 要。 一1 0 一 华中理工大学博士学位论文 预测控制是7 0 年代末期提出来的算法，它是一种基于模型的控制算法。预测控制应用于电 流控制上主要有两种方法一固定开关频率预测电流控制与变开关频率的预测电流控制 a 固定开关颤搴覆舅电囊控一口】口】i 挣】p o 固定开关频率预测电流控制也称为无差拍控制，其主要思想是利用系统的精确模型，在每 一个开关周期内都采用电压矢量使系统电流能在开关周期结束时达到参考电流值。 具体的算法简要描述如下： 假设系统矢量模型为 最。= 磁+ l 堕d t + 最r 卧砟卜南肌旷南瓜) ( 1 2 ) 其中，f = ，r s 为采样周期。 可解得第k 个开关周期，变流器交流侧电压矢量的表达式为 厅， ) ：厅，忙) 一l j 垒三；l 二掣 ( 1 3 ) 这种方法的优点是动态响应快，并且开关频率恒定。 但预测电流控制存在着其固有缺陷： ( 口) 预测电流控制首先必须得到系统的预测模型，而且系统的性能对参数的预测误差比较 敏感。 ( 6 ) 控制系统中没有限流措施。 b 童开关囊搴的i 蔓测电麓控川 变开关频率的预测电流控制现在研究的比较少，只有j h o l t z , 与s s t a d t f e l d 在1 9 8 3 年提出 了一种算法，它的思路是给电流误差制定了一定的范围，当电流误差突破这个范围，控制器则 预测电流在v s c 各个状态下的轨迹并决定各个开关状态的时间，使电流误差回到指定范围。这 种方法限制了电流的误差，但是必须计算开关时刻，控制出现延时。 ( 4 ) 小时问控一口9 1 最小时间控制的思想是利用最优控制原理，使电流跟踪时间最小。 具体的算法为把整个系统看成一个具有约束条件( 直流母线电压对三相桥的交流侧电压的 约束) 的时间最小问题，选择适当的哈密顿函数，利用最小值原理求解最优控制量。 其缺点是最后求解控制量的方程是一个超越方程组，无法得到最优控制量的解析式，只能 使用查表法求解，占用了很大的存储空间。 华中理工大学博士学位论文 1 8 2 非缀性电麓控删 非线性电流控制即采用一些非线性的- v - b l ，对变流器电流进行控制。 ( 1 ) 潘后电流控翻 棒性好、响应快。 但它也有一些明显的缺点： ( d ) 滞后电流控制由于电流环与p 胁f 环节不是分离的，所以系统的开关频率在一个 电网周期内不是固定的，而且会受系统负载与 输入电压大小的影响。其直接结果是谐波频谱 是连续的，这将给系统带来噪声，并给滤波带 来一定难度。 ( b ) 由于滞后电流控制固有的随机性， 以及三相系统是耦合的，电流有时会突破滞环 宽，给系统的保护带来困难吲。 ( c ) 滞后电流控制的主要优点是响应快。 但是，如果滞后电流控制应用于数字控制系 统，由于a d 采样、中断延时等原因，滞后 圈l 1 7 三相滞环电流控制中矢量表示图 电流控制将失去其响应快的优势。 近年来，针对滞后电流控制的以上缺点，开发了一些新的控制算法。其中有代表性的有以 下几种： 文献【3 2 】提出了一种也是基于三相静止坐标系的滞环电流控制方案。它将三相电流误差分 解为两个分量，一个可直接由单相开关状态决定。另一个分量则由相间电压耦合决定。电流误 差的第一个分量经过滞环决定开关状态，通过限制第一个分量的方法来限制电流误差整个电流 误差，并且将开关周期与理想开关周期相比较，其结果经过调节器来改变滞环宽，从而使开关 频率恒定。在这种方法中，采用误差电流分离来针对上述缺点( 6 ) ，采用锁相环来解决缺点( 口) 。 但这种方法也有其缺点： ( 口) 电流误差第一分量是由有检测的电流误差分量减去电流误差第二分量的预测值得到 为了预测电流误差的第二分量，需要使用电感预测值。这将给系统带来控制误差以及鲁棒性能 的降低。 1 2 lilf 华中理工大学博士学位论文 ( 6 ) 当电流指令突然变化很大或电网有一个大的扰动时，系统容易失去同步 在文献【3 3 冲，首先提出了基于空间矢量的滞后电流控制方案它把所有的三相变量看成 一个空间矢量，然后根据电流误差矢量、电网电压矢量，选择与电网电压相邻的矢量，并根据 频率误差的变化来改变滞环宽，以获得恒定的开关频率。这种控制方法能抑制相间耦合的影响， 但算法复杂。 在文献 3 6 】中，又把三电平滞环应用于基于空间矢量的滞后电流控制( 如图1 1 8 ) 中。在 文献【3 6 】中与以上文献不同的地方有： ( 口) 它所有的算法都是基于空间同步旋转坐标系，有功分量和无功分量可以独立调节。并 且由于调节量是直流量，滞环输出在 稳态时是均匀的。 o ( 6 ) 采用三电平滞环，零矢量可 以很自然地发出。 ( c ) 开关的状态的改变不是发生 在电流值触及滞环边缘时刻，而是分 采样周期地根据滞环状态与电网电压 向量位置决定，这样可以作到开关周 期的恒定，但是缺点是电流尖峰有时 不能限制住。 ( 2 ) 变绪杓控f 4 0 l , f 4 1 1 , f 4 2 1 i 。i bi 。 图11 8 基于两相旋转坐标系的三电平滞环电流控制 变结构控制是一种非连续性的控制方式，这种非连续性实际上是对控制函数的一种开关切 换动作。系统在整个控制过程中由于该切换动作，不断地反复改变其结构。开关的切换动作则 受到一种滑动模态( s l i d i n gm o d e ，简称为滑模) 的控制( 注：此处开关不是三相v s c 系统中的 三相功率开关) 。 滑模变结构控制应用比较好的是文献【4 2 】中所述方法，它是基于两相旋转坐标系，选择切 换平面为 拇2 i ，d i2 ： ( 1 。) i s q = 一= o u 一 控制策略为选择矢量使 ( 1 5 ) 所以控制器选择的矢量总是使妇，j _ 趋近于0 ，从而使，趋近于，i q 。 相对于线性电流控制，滑模变结构控制的鲁棒性好、响应快。相对于滞环控制，滑模变结 构控制性能不受负载影响。但它的缺点是无法做到限制谐波频谱与开关频率，并且在平衡点附 近有“颤振”现象。 一1 3 一 o o d g 占 s d ， j j ，l 华中理工大学博士学位论文 c 3 ) 基于事蛸着夫的控方法f 3 】 在文献 4 3 】中提出了基于李亚普若夫直接法的控制方法。它的过程是首先选定一个能量函 数，每次选取的矢量都以能量函数的导数为负数，从而使系统绝对稳定，但对电感电流与电容 电压没有限制。 在各种电流控制方式中，除了上述的线性电流控制方式与非线性电流控制方式还有智能 控制方式，如模糊控制方式【“】、基于神经网络h 的控制方式。这些智能控制方式目前虽然有一 些研究，但是大多数都是应用于传动系统，在三相垮c 上应用很少，在这里就不一一介绍了。 1 7 镰背量与本文主墨研究内謇 为了提高我国的m i 匹s 研究水平，华中理工大学超导中心研制了一台超导磁储能样机，并 以之研究s m e s 调节电网的功能。作者在攻读博士学位期间，在导师的指导下，完成了超导磁 储能样机中的v s c 的研制。 在本系统中，不考虑电网中的零序分量补偿，所以，在主电路结构的选择上采用的是前文 所述的三相六开关v s c ，为了简单起见，在以后的文章中，凡提到三相v s c 都指三相六开关v s c 。 在电流的控制方式选择上，基于同步旋转坐标系的p l 调节器的系统，有功、无功电流可独 立控制，控制精度高，且调节器的设计方法成熟，所以，采用基于同步旋转坐标系的调节器 作为本系统的电流控制方式。 整个论文的内容如下： c 1 ) 三相脚系统的粳鲞 要分析与设计三相v s c 系统，对它的模型研究是整个工作的基础本文在第二章主要内容 是三相v s c 系统的模型。根据电路的结构，得到了基于三相静止坐标系的系统模型，由于三相 电压是耦合的，为了分析方便引入了两相静止坐标系，并建立了基于两相静止坐标系模型，为 提高控制性能，本文主要研究的是基于两相旋转坐标系的各种控制方式，故根据坐标间变换关 系建立了基于两相旋转坐标系模型在以上的模型中，系统都是表示成一个多输入、多输出系 统，不便于进行分析，因此本章还建立了基于复平面的系统模型。在复平面中，每一个系统变 量都能够表示成一个复矢量。模型的表达式是单入、单出系统，可以采用b o d e 图和根轨迹对系 统进行分析。在介绍这些模型的同时，文中还描述了它们之间的转换关系、等效电路与稳态状 况。 文章的第三章是基于两相旋转坐标系的控制方法研究因为在两相旋转坐标系中t 电流的 有功分量与电流的无功分量是分离的，并可以独立控制。但是它们之间是耦合的，电流的相间 耦合增大暂态过程中电流的超调量。加长了系统暂态调整时间。所以，在控制方法的研究中重 点分析了解耦的方法。文中为了分析系统的耦合，引入了相对增益的概念，利用相对增益阐述 了四种解耦方法的解耦机理。并比较了采用两种主要解耦方法在不完全解耦情况下对系统稳定 性、稳态精度、动态响应的影响及其算法难易程度。为了使系统有比较好的性能，除了要对系 统进行完全解耦之外，还要根据系统参数设计好电流、电压调节器的参数，文章叙述了系统电 流、电压调节器的设计方法，并详细推导了在不同电流调节器形式下系统的稳定范围。对基于 一1 4 华中理5 - - 大学博士学位论文 两相旋转坐标系的系统，锁相环是整个系统性能的基础在第三章的最后