（电力系统及其自动化专业论文）轻型直流输电的运行与控制.pdf

贵州大学硕士论文 轻型直流输电的运行与控制 t h eo p e r a t i o na n dc o n t r o lo fh v d c l i g h t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g yd r i v e st h ed e v e l o p m e n to f h i 曲v o l t a g ed i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o n ( h v d c ) t e c h n o l o g y i nt h ec o m i n ge r ao f b i g p o w e rg r i de r a , h v d ct e c h n o l o g yr e f l e c t si t sa d v a n t a g e s l i g h th i g hv o l t a g ed i r e c t c u r r e n tt r a n s m i s s i o n ( h v d cl i g h t ) t e c h n o l o g yd e v e l o p so nt h eb a s i so ff i l l lc o n t r o l t y p es e m i c o n d u c t o rm a t e r i a ld e v e l o p m e n t h v d cl i g h tk e e p st h ef u l lc o n t r o lt y p e s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a li n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ( i g b t ) v o l t a g es o u i c 宅 c o n v e r t e r ( v s c ) r e m a i n i n gd o m i n a n tr e l a t i v e st ot h et r a d i t i o n a lh v d ch a l fe o n t r o l t y p es e m i c o n d u c t o rm a t e r i a lt h y r i s t o r 7 r h et h e s i s a n a l y z e st h ea d v a n t a g e so fs p a c ev o l t a g ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o ni nt h er e c t i f i c a t i o na n di n v e r s i o n ( s m a l lw a s t eo f s w i t c h , s m a l lc o n t e n t so f h a r m o n i cw a v e ，h i g hu s a g eo fv o l t a g e ) ，d o e sr e s e a r c ho ni t sm i x t u r er e a l i z a t i o n , a n d s e t su pi t ss i m u l a t i o nm o d e lu n d e rt h em a t l a b s i m u l i n k , o fw h i c hi ti n c l u d e s e s t i m a t e ds p a c ev o l t a g ev e c t o rs e c t o r s ，c a l c u l a t e st h et i m eo ft h ef u n c t i o no ft h et w o n o n z e r ov e c t o ra n dz e r ov e c t o ro nt h ee a c hs e c t o r , c a l c u l a t e st h es w i t c h i n gp o i n to f v e c t o r , a n df i n a l l ye x a c t l yr e a l i z e st h es p a c ev o l t a g ev e c t o r s i m u l t a n e o u s l y , i ts e t su p s t a b l em a t h e m a t i c sm o d e la f t e ra n a l y z i n gt h et h e o r yo fh v d cl i g h ta n df i x e st h e c o n t r o lp a t t e r n a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i po fc o n t r o lm a g n i t u d e sa n dc o n t r o l l e d m a g n i t u d e s ，i td e s i g n st h ep r o p o r t i o n a li n t e g r a lc o n t r o l l e r ( p ic o n t r o l l e r ) ，a n di tu s e s 4t oc o n t r o l9 i ，置t oc o n t r o l 矾ii nt h er a t e dd i r e c tc u r r e n tv o l t a g ec o n t r o lp a t t e m a n du s e s 五t oc o n t r o l 厶、尼t oc o n t r o l & i nt h er a t e dd i r e c tc u r r e n tc o n t r o lp a t t e r n 恐i st h ec o n t r o lm a g n i t u d ea n d 巩i st h ec o n t r o l l e dm a g n i t u d ei nt h er a t e da l t e r n a t i n g c u r r e n t a f t e rt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，i te s t a b l i s h e se a c hc o n t r o lm o d e la n dh v d cl i g h t m o d e lt h r o u g hm a t l a b s i m u l i n k , m a k e ss i m u l a t i o n so nt h eb o t l le n d sl i n k i n gw i t h t h ea c t i v en e t w o r ka n dh v d cl i g h ts y s t e m ss u p p l y i n gp o w e rt ot h ep a s s i v en e t w o r k , c o m p a r e st h es i m u l a t i o nr e s u l t so fh v d cl i g h ts y s t e m sa n dt r a d i t i o n a lh v d c s y s t e m sa n dt e s t st h ea d v a n t a g e so f h v d cl i g h ts y s t e m so nr e d u c i n gh a r m o n i cw a v e c o n t e n t sa n dt h ee ：船弧；n l e s so f c o n t r 0 1 k e yw o r d s ：v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e rf v s c ) ，l i g h th i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t t r a n s m i s s i o no w d cl i g h t ) ，s p a c ev o l t a g ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) ， p r o p o r t i o n a li n t e g r a lc o n t r o l l e r ( p ic o n t r o l l e r ) ，m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n h 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除丈中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：墨玺塑 e l期： 2 q q 2 生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵，i , i 大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：差璺整导师签名 日期：! ! 12 生旦 贵州大学硕上论文 轻型直流输电的运行与控制 1 1 引言 第1 章绪论 电力技术的发展是从直流电开始的。早期的直流输电是不需要经过换流的直 流输电，即发电、输电和用电均为直流电。随着三相交流发电机、感应电动机和 变压器的迅速发展，发电和用电领域很快被交流电所取代。同时变压器又可方便 地改变交流电压，从而使交流输电和交流电网得到迅速的发展，并很快占据了统 治地位。但在输电领域，直流输电具有交流输电所不能取代之处，与交流输电相 比，直流输电在经济上具有线路造价低、年电能损失小的优点，在技术上也有其 独到之处，例如：直流输电的输送容量和距离不受同步运行稳定性的限制，用于 远距离输电很有利；由直流输电连接两个交流电力系统时，两端交流系统可不必 同步运行，并可各自实现调频，因此用直流输电联网，便于分区调度管理，有利 于故障时交流系统间的快速紧急支援和限制事故扩大，也有助于限制短路容量的 增大；直流线路在稳态运行时，线路不存在电容电流，因此长距离电力电缆送电 宜采用直流输电；直流输电技术在开发利用新能源、新发电方式以及新储能方式 等方面，也是一种很有效的手段。 直流输电的发展与换流技术( 特别是高电压、大功率换流设备) 的发展有密 切的关系。大功率汞弧阀使高压直流输电成为现实，从1 9 5 4 年世界上第一个工 业性直流输电工程( 哥特兰岛直流工程) 在瑞典投入运行，到1 9 7 7 年最后一个 采用汞弧阀换流的直流输电工程( 纳尔逊河l 期工程) 建成，世界上共有1 2 项 汞弧阀换流的直流输电工程投入运行这一时期可以称为汞弧阀换流时期。由于 汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障率高、可靠性较差、运行维护不便等 因素，使直流输电的应用和发展受到限制。2 0 世纪7 0 年代以后，电力电子技术 迅速发展，高压大功率晶闸管问世。由于晶闸管换流阀不存在逆弧问题，有效地 改善了直流输电的运行性能及可靠性，促进了直流输电的发展。自1 9 7 2 年世界 上第一个采用晶闸管换流的伊尔河背靠背直流工程在加拿大投入运行以来，直流 输电工程就进入了晶闸管换流阀时期。轻型半导体换流设备的应用进入9 0 年代 以后，轻型金属氧化物半导体器件一一绝缘栅双极晶体管( i n s u l a t e d - g a t eb i p o l a r t r a n s i s t o ri g b t ) 首先在工业驱动装置上得到广泛的应用。1 9 9 7 年3 月世界上第 贵州大学硕士论文 轻型直流输电的运行与控制 一个采用i g b t 构成电压源换流器的直流输电工业性试验工程，在瑞典中部投入 运行，其输送功率和电压为3 m w 和1 0 k v ，输送距离1 0 k m 。由于这种换流器的 功能强、体积小，可以减少换流站的滤波装置，省去换流变压器，简化换流站结 构，从而称之为轻型高压直流输电( l i g h th i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o n i - i v d cl i g h t ) h v d cl i g h t 比传统h v d c 具有更简单经济的结构，更广泛的应 用领域，它是未来直流输电的一个发展方向。 1 2i t v d cl i g h t 的基本原理 所谓h v d cl i g h t 就是基于电压源换流器( v o r a g es o u r c ec o n v e r t c r v s c ) 的 f 【流输电，其基本原理如图l l 所示，设送端、受端换流器均采用v s c ，则两个 换流器具有相同的结构。换流器采用两电平六脉动型，每个桥臂都由多个i g b t 或g t o 串联而成。直流侧电容器的作用是为逆变器提供电压支撑、缓冲桥臂关 断时的冲击电流、减小直流侧谐波；换流电抗器是v s c 与交流侧能量交换的纽 带同时也起到滤波的作用；交流滤波器的作用是滤去交流侧谐波【2 6 】。 v s c e 疽自电线 罐_ 踺暑 图1 1 轻型直流输电原理图 设交流母线电压基波分量为仉、换流器输出电压基波分量为( ，。，u 。滞后 于仉的角度为万，换流电抗器电抗为置如图l - l 所示。则忽略谐波分量时换流 器所吸收的有功功率为： ，：盟s i n 艿( 卜1 ) 五 吸收的无功功率为： d ：u , ( u , - u ot o s s ) ( 1 2 ) 一 爿 由式( 1 一1 ) 可见，有功功率的传输主要取决于艿，当万 0 时v s c 吸收有功 功率，相当于传统h v d c 中的整流器运行；当万 0 时，v s c 吸收无功功率；u 一玑c o s 8 时，三相电压型p w m 换流器既可运行 于整流模式，又可运行于有源逆变模式，当运行于有源逆变模式时，三相电压 9 贵州大学硕士论文 轻型直流输电的运行与控制 型p w m 换流器将e 1 所发电能向电网侧输送，有时也称这种模式为再生发电模 式；当气 时，三相电压型p w m 换流器运行于整流模式 为分析方便，首先定义单极性二值逻辑开关函数s k 为 以= j 1 黼蒜鬻( 尼= 口，b ，c ) ( 2 - - 1 i o ( 2 - - 1 ) o j 一 上桥臂关断，下桥臂导通 “。一“ ，。7 j 将三相电压型p w m 换流器功率开关管损耗等效电阻r sl 司交流滤波电感等 效电阻r i 合并，并令r = r i + 足，采用基尔霍夫电压定律建立三相电压型p w m 换流器a 牛h 回路方程为 等枷= 气一( v a n + v m ) ( 2 - 2 ) 当v 。导通而v 关断时，= 1 ，且v i n = ；当v t 关断而v 导通时，开关 函数= 0 ，且= o 。由于= 墨；式( 2 2 ) 可改写为 工! + r f a = e t 一( 毛+ v n o ) ( 2 3 ) a t 同理，可得b 相、c 相方程如下： 工! + r i b = 气一( 1 ，出+ v 啪) ( 2 4 ) a t 旦+ 尺f c - - - e 。一( v d c s c + v m ) ( 2 5 ) a t 考虑三相对称系统，则 吃+ 气+ 吃= o ( 2 - - 6 ) f i + 毛+ i ；= 0 ( 2 - - 7 ) 联立式( 2 3 ) 式( 2 7 ) 得 =一鳖3vn0 s 。2 一。己o k = a 。b 。c ( 2 8 ) 在图2 - - 1 中，任何瞬间总有三个开关管导通，其开关模式共有2 3 = 8 种， 因此，直流侧电流缸可描述为 i i c = 识聱+ 槭+ 瓣i o s , s , 5 0 州黼+ 瓴+ f c 溉+ ( 2 9 ) ( f a + 毛+ 乇= 讽+ 枫+ 辑 i o 贵卅i 大学硕士论文 轻型直流输电的运行与控制 另外，对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律，得 c 警吨如峨一半( 2 - - 1 0 ) 联立式( 2 3 ) 式( 2 1 0 ) ，并考虑引入状态变量x 。且 x = 【f a ，毛，之，v d c 丁r ，则采用单极性二值逻辑开关函数描述的三相电压型 p w m 换流器一般数学模型的状态变量表达式为 虏= a x + b e( 2 1 1 ) 式中 a = z = 一roo o只o 0or 墨& 三oo o 0 工o0 o0 工o o o oc i 10 1 0 1 拈l oo l oo 一瓴一；) j t 哦h 口 一魄一：) j t 仁a , b e 一瓴一；) jk = a h ( 2 1 3 ) 001 ool 1 oi ( 2 - - 1 4 ) o 屈j e = k ，e b ，气，气i r ( 2 1 5 ) ( 2 1 2 ) 2 2 2 三相电压型p w m 换流器的d q 模型 前面对三相静止对称坐标系( a ，b ，c ) 中的三相电压型p w m 换流器一般数学 模型进行了研究分析。这种三相电压型p w m 换流器一般数学模型具有物理意义 清晰、直观等特点。但在这种数学模型中，三相电压型p w m 换流器交流侧均为 贵州大学硕士论文轻型直流输电的运行与控制 时变交流量，因而不利于控制系统设计。为此，可以通过坐标变换将三相对称静 止坐标系( a ，b ，c ) 转换成以电网基波频率同步旋转的( d ，q ) 坐标系。这样，经坐 标旋转变换后，三相对称静止坐标系中的基波正弦变量将转化成同步旋转坐标系 中的直流变量，从而简化了控制系统设计。三相静止对称坐标系中的三相电压型 p w i v l 换流器一般数学模型经同步旋转坐标变换后，即转换成三相电压型p w m 换流器d q 模型。 变换三相静止坐标系( a ，b ，c ) n - 相同步旋转坐标系( d ，q ) 的最突出优点是 将( a ，b ，c ) 坐标系中的基波正弦变量变换成( d ，q ) 坐标系中的直流变量，为此， 必须阿先确定( d ，q ) 坐标系的空间位置。众所周知：在三相电路中，两相同步旋 转坐标系( d ，q ) o e 的q 轴分量常表示有功分量，而d 轴分量则常用以表示无功分 量，如图2 2 所示 叭、 q ( e ) 、， 1 磐参 、0 。盘主二要f l ,正2 比卜 i b i d 、d f 图2 - 2 坐标系( d ，q ) 、坐标系( a ，b ，c ) 及矢量分解 在三相静止对称坐标系( a ，b ，c ) 中，e 、j r 分别表示三相电网电动势矢量和 电流矢量，并且e 、，以电网基波角频率_ ) 逆时针旋转根据瞬时无功功率理论 【1 】，在描述三相电量时，为简化分析，将两相旋转坐标系( d ，q ) 中q 轴与电网电 动势矢量e 同轴即q 轴按e 矢量定向，e 矢量( q 轴) 方向的电流分量定义 为有功电流，而比e 矢量滞后9 0 。相角的轴( d 轴) 方向电流分量毛定义为无功 电流a 另外，初始条件下令q 轴与a 轴同相 在( d ，q ) 坐标系定义基础上，即可分析三相静止对称坐标系( a ，b ，c ) - 与- 相 旋转坐标系( d ，q ) 间的变换关系以电流矢量j 为例加以研究。 如图2 2 所示，若令矢量j 与a 轴相角为，q 轴与a 轴相角为曰，显然 贵州太学硕士论文 轻型直流输电的运行与控制 f d = l ms i n ( f 7 一，) 乇= l mc o s ( o 一，) ( 2 1 6 ) i m = 而； 矢量_ ，在a ，b ，c 三相静止坐标轴的投影为f a ，毛，乇为 i= ，m c o s ， i b = ，。c o s ( 7 1 2 0 。) ( 2 1 7 ) i i 。= ，。c o s ( 7 + 1 2 0 。) 将式( 2 1 8 ) 代人式( 2 1 6 ) ，并考虑式( 2 1 7 ) ，得毛，关系式为 = ，m s i n 秽一力 = 委 ，ms i n o c o s 7 + i s i n ( 8 - 1 2 0 。) c o s ( ，一1 2 0 。) + i r as i n ( o + 1 2 0 。) c o s ( 7 + 1 2 0 。) 】 = 委【f is i n o + i b s i n ( o - 1 2 0 。) + i , s i n ( o + 1 2 0 。) 】 ( 2 1 9 ) = le o s ( o 一力 = 鲁【lc o s o c o s t + 1 c o s ( o 一1 2 0 。) c o s ( 7 一1 2 0 0 ) + lc o s ( o + 1 2 0 。) c o s ( 7 + 1 2 0 。) = a f ic o s o + i bc o s ( 0 - 1 2 0 。) + c o s ( o + 1 2 0 。) 】 ( 2 2 0 ) 为用方阵表示坐标变换，可定义零轴分量，即 乇：昙( f a + 乇+ 屯) ( 2 2 1 ) ， ) 联立式( 2 2 0 ) 、式( 2 2 1 ) ，得 扣口) 1 ( 勉， 式中孟( 口) 一一静止坐标系( a ，b ，c ) 到旋转坐标系( q ，d ，o ) 的变换矩阵 嘲 冽= 础 蝴 柳 研= 咿 伊 懈 荦 唧 哗 垆 萨 咿 咿 贵州大学硕士论文 轻型直流输电的运行与控制 = 乱 c o s t 7cos(t7m-120。)cos(t7m+120卟。)r(tt)sint7 sin(tt-120)sin(tt+1202312 ， ， = i。) l ( 2 一 ) ， 。i l 2 l 2 i 式( 2 2 2 ) 表示出三相静止对称坐标系( a ，b ，c ) 中的三相电流、毛、之与 两相同步旋转坐标系( d ，q ) 中两相电流毛、毛及零轴电流毛间的“等量”变换 若令如= 【f q ， i ，廿、k = k ，乇，i ：】r ，则式2 2 2 简记为 l q d o = r ( 口) ，曲c ( 2 2 4 ) 屯。= r - ( 护) l ( 2 2 5 ) 式中胄一，。目，：c o s ( t 7 口1 2 0 。，s i n ( t t 甄n - 口1 2 0 。，1 1 ( 2 - 2 6 ) 式中胄4 ( 目) = l o ) 。) l 【c o s ( t 7 + 1 2 0 。) s i n ( t t + 1 2 0 。) 1 j 上式分析表明，若己知矩阵r ( t 7 ) 或r “( 回，即可实现矢量j 如、j 棚间的相互 2 3 空间电压矢量的基本原理 空问电压矢量( s p a c e v o l t a g e v e c t o r p u l s e w i d t h m o d u l a t i o ns v p w m ) 是依据 换流器空间电压矢量切换来控制换流器的一种控制策略。其主要思路在于抛弃了 原有的正弦波脉宽调制( s i n u s o i d a l v o l t a g e v g g t o r p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n s p w m ) ， 而是采用换流器空间电压矢量的切换以获得准圆形旋转磁场，从而在不高的开关 频率( i 3 k i - i z ) 条件下，使整流( 或逆变) 获得了较s p w m 控制更好的性能。 。s v p w m 较s p w m 控制更加直接地控制了交流的旋转磁场，虽然s v p w m 不输出三相平衡p w m 波形，但它不仅在静态，甚至在暂态期间都能形成准圆形 旋转磁场然而，常规的s p w m 则将控制重点集中在波形的改进上，当开关频 率不高时，难以产生较为完善的正弦波电压，而开关频率较高时，由于电压型换 流器固有的开关死区延时，从而降低了电压利用率，甚至使波形畸变，因而难以 获得更为满意的控制结果。而将s v p w m 应用于三相电压型p w m 换流器的控制 1 4 贵州夫学坝i ：论x 轻型直流输电的运行与控制 有电压利用率高、开关损耗小、动态响应快等优点。 2 3 1 三相电压型p 雕换流器空间电压矢量分布 三相电压型p w m 换流器空间电压描述了交流侧相电压 0 0 、，) 在复 平面上的空间分布，由文献【2 3 】可得 v a o = ： 州卜亿z ， = m + * c 2 = 阻帆删卜协z 9 ， 式中j 。、 f b 、- r e 一一三相单极性二值逻辑开关函数。 将2 = 8 种开关函数组合代入式( 2 - 2 7 ) 式( 2 - 2 9 ) ，即得到相应的三相 表2 - - l 不同开关组合时的电压值 岛s c 伽v b ov 。ok 00 0oo0 1l2 0 ol 一j 一j kj 玛 12l olo j 了一j n 21l oll 一了j j “ 2ll loo j 一j 一了 n 121 lol j 一j kj l k 虼 ll2 l10 j j 一了 lllo 0 on 分析表2 1 不难发现，三相电压型p w m 换流器不同开关组合时的交流侧 电压可以用一个模为2 ，3 的空间电压矢量在复平面上表示出来，由于三相电 贵州大学硕士论文 轻型直流输电的运行与控制 t i m w ( n o ) ：v o ( 0 0 0 ) 哩哑 v “1 1 1 ) r ea v s ( 0 0 1 ) f l 、v o o o 图2 - - 3 三相电压型p w m 整流器空间电压矢量分布 j k 型p w m 换流器开关的有限组合，因而其空间电压矢量只有2 3 = 8 条，如图2 - - 3 所示。其中v o ( o 0 0 ) ，巧( 1 l 1 ) 由于模为零而称为零矢量。 显然，某一开关组合就对应一条空间电压矢量，该开关组合时的v 砷、v 、 v c o 即为该空间电压矢量在三轴hb ，c ) 上的投影。 上述分析表明，复平面上三相电压型p w m 换流器空间电压矢量k 可定义 为j 圪= 扛h 川3 ( ，( 2 - - 3 0 ) 【7 5 0 上式可表达成开关函数形式，即 一= 鲁v m ( j s b e j 2 j 3 + , $ 。e - j 2 z 3 ) u = o ：，7 ) ( 2 3 1 ) 对于任意给定的三相基波电压瞬时值v a o 、v b o 、v 。o ，若考虑三相为平衡系统，即 + + v 田= o ，则可在复平面内定义电压空间矢量 矿= 鲁( v 曲+ v e 1 2 。，3 + v p 。2 。仃) ( 2 3 2 ) 式( 2 - - 3 2 ) 表明：如果v i o 、 ，b 0 、v 曲是角频率为u 的三相对称正弦波电压，那 么矢量v 即为模为相电压峰值，且以角频率为u 按逆时针方向匀速旋转的空间 矢量，而空间矢量y 在三相坐标轴hb ，c ) 上的投影就是对称的三相正弦量。 实际上，对于对称的三相电压型p w m 换流器拓补结构，有 矿= 妻( v 柚+ v p j 2 。 + v c o p - j 2 7 ”) = 鲁【( v 州一v 啪) + ( v 州一v 瑚) p 。2 。，3 + ( v 羽一v n o ) p 一2 ”) 1 6 念掣 贵州大学硕七论文 轻型直流输电的运行与控制 = j 2 ( 4 v b t 。e j 2 x 1 34 - v c n p - j 2 x 3 ) ( 2 3 3 ) 可见，三相电压型p w m 换流器空间电压矢量控制与相电压参考点( 见图 2 - 1 中的0 或n 点) 的选择无关。 2 3 2 空间电压矢量的合成 咖，o 半产 ￥育、：。 y a ( 0 1 1 图2 4 空间电压矢量分区及合成 图2 - - 4 中，6 条模为2 ，3 的空间电压矢量将复平面均分成六个扇形区域 i ，对任一扇形区域中的电压矢量矿，均可由该扇形区两边的三相电压型 p w m 换流器空间电压矢量来合成。如果矿在复平面上匀速旋转，就对应得到了 三相对称的正弦量。实际上，由于开关频率和矢量组合的限制，矿的合成矢量只 能以某一步进速度旋转，从而使矢量端点运动轨迹为一多边形准圆轨迹。显然， p w m 开关频率越高，多边形准圆轨迹就越接近圆。 图2 4 中，若矿在i 区时，则矿可由k 、圪和7 合成，依据平行四边 形法则，有 芎矿+ y 尹矿( 2 - 3 4 ) 式中乃、死一一矢量“、圪在一个开关周期中的持续时间： 贵州大学硕士论文 轻型直流输电的运行与控制 乃一一p w m 开关周期。 令零矢量，7 的持续时间为7 ，则 t a + t 2 + t o 7 = 瓦 ( 2 - 3 5 ) 令矿与间的夹角为f ，由正弦定律可得 且 ( 2 3 6 ) 咖等出口s 姒争刃 又因为i k i = 忆i = 2 ，3 ，则联立式( 2 - 3 5 ) 、式( 2 3 6 ) ，可得 互= m 正s 畸卅 五- - - - m t , s i n o ( 2 - 3 7 ) r o ，= 互一互一正 式中m - - s v p w m 调制系数，并且 ，： 朋：坐州 ( 2 3 8 ) 。 对于零矢量的选择，主要考虑选择或玛应使开关状态变化尽可能少， 以降低开关损耗。在一个开关周期中，令零矢量插入时间为乃7 ，若其中插入 v o 的时间为r o _ 七瓦7 ，则插入乃的时间则为r 1 = ( 1 一k ) r o 其中0 k l 实际上，对于三相电压型p w m 换流器某一给定的空间电压矢量矿，常有 几种合成方法，以下讨论均考虑矿位于三相电压型p w m 换流器空间矢量i 区 域的合成 方法一：该方法将零矢量均匀地分布在矢量矿的起、终点上，然后依 次由n 、v 2 按三角形方法合成，如图2 - - 5 a 所示另外，再从该合成法的开关 函数波形如图2 - - 5 b 分析，一个| 丌关周期中，三相电压型p w m 换流器上桥臂功 率开关管共开关4 次，由于丌关函数波形不对称，因此p w m 谐波分量主要集中 在开关频率工及2 五上，其频谱分布如图2 - - 5 c 所示显然，在频率五处的谐波 幅值较大。方法二：该方法同方法一相同之处是将零矢量均匀地分布在矢量 矿的起、终点上。但与方法一不同的是，除零矢量外，矿依次由k 、h 合 成，并从矢量矿中点截出两个三角形，如图2 6 a 所示另外，由图2 - - 6 b 的 1 8 吃一 h p 陬一 贵州大学硕士论空 轻型直流输电的运行与控制 p w m 开关函数波形分析，一个开关周期中三相电压型p w m 换流器上桥臂功率 开关管共开关4 次，且波形对称，因而其p w m 谐波分量仍主要分布在开关频率 的整数倍频率附近，谐波幅值显然比方法一有所降低，其频谱分布如图2 6 c 所 示。方法三：方法三将零矢量周期分成三段，其中矢量矿的起、终点上均匀地 分布矢量蜘，而在矢量矿的中点分布矢量b ，且t o = 乃。除零矢量外，矢量矿 的合成与方法二类似，即均以矢量矿中点截出两个三角形，矿的合成矢量如图2 - - 7 a 所示。从开关函数波形图2 7 b 可以看出，在一个p w m 开关周期，该方法 使三相电压型p w m 换流器桥臂功率开关管共开关6 次，且波形对称，其p w m 谐波仍主要分布在开关频率的整数倍频率附近。显然，在频率石附近处的谐波幅 值降低十分明显，其频谱分布如图2 7 c 所示。 卜c 1 1 0 ) 刁 | i ，。冕 “奔v , ( 1 0 0 ) 一r e &轧 b ) 。霉，l | | 隘 图2 5 矿合成方法一 a ) 矿的合成b ) 开关函数波形c ) 频谱分布 1 9 剁 弘 h 纛d 贵州大学硕士论文 轻型直流输电的运行与控翻 晶 晶 & ；彤2 ：磊：彤2 【聊五形2 b ) 。礴溢 1 0 ) m 羰 i 孔+ i 影务 筑褊v , ( 1 0 0 ) e 狲 髓 a ) 1 0 0 8 0 幅6 0 值4 0 ( ) 2 0 0 鲻i iii t b ) 一 l i i i i - i ；_ 五 z 五 频率h z c ) 图2 7 矿合成方法三 a ) 矿的合成b ) 开关函数波形c ) 频谱分布 上述分析表明，三相电压型p w m 换流器空间电压矢量合成，不同方法各有 一 & 贵州大学硕士论文 轻型直流输电的运行与控制 其优缺点。综合来看，方法二较好，该方法中开关损耗及谐波均相对较低；但从 算法的简单性来看，方法一较好 2 4 空间电压矢量的具体实现 2 4 1 判断空间电压矢量所处的扇区 引入p a r k 变换，得到两相静止坐标系下口、卢轴分量圪、，合成空间电 压矢量，即： = 吃+ _ ，易= v o a 。+ 啊1 + 圪五2 ) ( 2 3 9 ) j 2 ， 其中，圪、圪、屹是换流器的每相相电压，厅- - e 。3 则电压矢量为： 兀：j 2 3 e j ( k - | 弓。( 七：l ，6 ) ( 2 - 4 0 ) 【0 ( 七= 0 , 7 ) 由几何知识，从圪、易得矢量所处的扇区：令，= ，k = 3 圪一， 工= 3 圪一，则扇区数n = s i g n ( j ) + 2 + s i g n ( k ) + 4 + s i g n ( l ) 2 4 2 计算每个扇区内两个非零矢量及零矢量的作用时间 由空l 刨电压矢量等效原则得o r 哪= f 驰+ r 吭西+ 翳q “圪私+ i m 。哪t ， 矿盯t = 玩瓦+ 暖+ l 瓦“( 2 4 2 ) t = 瓦+ 疋+ 瓦+ i ( 2 4 3 ) ， 丁( k - 1 ) l r 啦叱愕 其中，z 为一个p w m 周期，瓦、。瓦为电压矢量圪、圪。、在一个 贵州大学硕士论文 轻型直流输电的运行与控制 p w l v l 周期内作用的时日】凼v o2 2 u ，i f 且k ，圪“、明为但天萤，由 ( 2 - 4 1 ) 化简得： = 疙+ _ ，略= i p = i i ( c o s 8 + j s i n o ) ( 2 4 5 ) 坟= 詈小o s 华协m 学) 倍t e ， ，氏：罢比( c 。s 譬巾i nk l a ) ( 2 _ 4 7 ) j jj 将匕式带入f 2 3 7 1 得到，每个扇区上两个非零矢量和零矢量作用的时间为： 互= 至掣s ；呱了k t 一刃= 鲁c 圪s ；n 了k t 一c 。s 等， ”一百压t , 。驷v s 学i n 半) ( 2 - 。， 瓦= 瓦一瓦一瓦州 令警巩乏萼圪+ 抄y ，丢孽一抄z 当k 取l ，6 时，得到六个扇区中各五( 主矢量) 、五( 辅矢量) 的时间， 如表2 - 2 所示 表2 - 2 正和五的赋值表 2 4 3 计算矢量的切换点 由图2 8 所示( 以第三扇区为例) ，可以得到矢量的切换点： l = ( z - r , - t z ) 4 ，瓦= 正+ 五2 ，瓦= 瓦+ 五，2 其他扇区同理可以求得， 整理得表2 3 表2 3 开关切换的赋值表 旦匡呈 ! ! 型型旦 i 靠霸矗tc 托 毛 2 死 霸毛tc 贵州大学硕士论文 轻型直流输电舶运行与控崩 ；f ii 一一：一： 一 莩f ；1 一￥：车：一竿一j 一至一- 一r t ：。 图2 8 在扇区i i i 内的s v p w m 信号图 2 5 三相电压型p w m 换流器s v p 硼控制的优点 与普通的s p w m 控制相比，基于s v p w m 的三相电压型p w m 控制则有下 列突出优点： ( 1 ) 与s p w m 控制相比，其三相电压型p w m 控制直流电压利用率提高 了1 5 4 。由于直流电压利用率的提高，相同直流电压条件下，可提高三相电压 型p w m 换流器交流侧电压设计，因而相对减少了三相电压型p w i v i 换流器交流 侧电流，降低了换流器交流侧及功率管通态损耗，提高了换流器的运行效率。 ( 2 ) 与s p w m 控制相比，相同的波形品质条件下，s v p w m 控制具有较 低的开关频率，且平均约降低3 0 ，从而有效地降低了功率开关管的开关损耗。 ( 3 ) 与s p w m 控制相比，s v p w m 控制具有更好的动态性能。当采用 s v p w m 进行三相电压型p w m 换流器电流控制时，可以根据被跟踪的电流矢量， 优化选择空间电压矢量进行p w m 电流跟踪控制，从而在相对低的开关频率条件 下较好地跟踪电流指令 2 6 本章小节 从研究三相电压型p w m 换流器出发，对它的一般模型和d q 模型进行分析。 由三相电压型p w m 换流器的模型，引入了空间电压矢量，并研究了空间电压矢量 贵州大学硕士论文 轻型直流输电的运行与控制 的具体实现。主要工作有判断空间电压矢量所处的扇区、计算每个扇区内两个非 零矢量及零矢量的作用时间、计算矢量的切换点。最后与正弦脉宽调制( s p w m ) 进行比较，体现了空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 在提高电压利用率、改善 波形、降低谐波含量和降低开关损耗等方面的优点。 贵州大学硕士论文 轻型直流输电的运行与控制 第3 章i n d cl i g h t 系统稳态建模及控制关系的确定 3 1 引言 传统直流输电的优点之一，是能够通过换流器触发相位的控制，实现快速 和多种方式的调节。不但为了改善直流输电系统本身的运行特性要进行各种调 节，而且还可以扩大到以交流系统为对象进行调节，即充分利用直流输电系统快 速调节的特点，以改善交流系统的运行特性可以说直流输电系统的许多运行特 性，都是由调节方式所决定的。 对于h v d cl i g h t 与有源网络相联时，v s c 是一个两输入( p w m 的相位与调制 度) 、两输出( v s c 所发出的无功功率和直流电压或直流电流) 、非线性、非解耦 的被控对象。其两个控制量与两个被控量的匹配及控制器的设计都需要有数学模 型为依据。本章建立了 1 、，d cl i g h t 系统的稳态数学模型，并据此确定了v s c 两 个控制量与两个被控量之间的合理对应关系，设计了适合h v d cl i g h t 系统的p i 控制器。仿真结果表明，所设计的控制器对于整定值的阶跃变化具有很快的响应 速度和很好的稳定性，并且在不同的工作点都具有较高的稳态控制精度，同时也 证明了所建立的数学模型的正确性和控制量与被控量之间对应关系的合理性 3 2l l w cl i g h t 系统运行控制方式 在h v d cl i g h t 系统中，其换流站主要有三种基本的控制方式： ( 1 )定直流电压控制，这种控制方式控制直流母线电压和输送到交流侧 的无功功率； ( 2 ) 定直流电流控制( 或功率) 控制，这种控制方式控制直流电流( 或功 率) 和输送到交流侧的无功功率： ( 3 ) 定交流电压控制，这种控制方式只控制交流母线电压一个量。 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h v d cl i g h t 系统，必须有一端采用定直流 电压控制，另一端采用定直流电流控制还是定交流电压控制取决于所联的是有源 交流网络还是无源交流网络另外，当联接有源网络时，v s c 输出的基波电压频 贵州大学硕士论文 轻型直流输电的运行与控制 率必须与电网电压频率一致；当联接无源网络时，v s c 的输出的基波电压频率根 据负荷的要求决定。 3 3 两端均接有源网络h v d cl i g h t 系统稳态建模及控制关系的确定 3 3 1 两端均接有源网络h v d cl i g h t 系统稳态模型的建立 为了建立h v d cl i g h t 的稳态数学模型，从而确定其控制关系现将h 、，d c l i g h t 系统模型简化为如图3 一l 所示的物理模型，其中换流器被简化为比例放大 器，其损耗用电阻届，尼来模拟。 图3 - 1h v d cl i g h t 稳态物理模型 图中左端采用定直流电压控制方式，右端采用定直流电流控制方式。只。、玩 表示定直流电压控制端注入到交流系统的有功功率和无功功率，只n 玩表示定直 流电压控制端换流器吸收的有功功率和无功功率，对定直流电压控制端，我们关 心的是尼和编；尼、1 2 表示定直流电流控制端注入到交流系统的有功功率和 无功功率，尼，砬：表示定直流电流控制端换流器发出的有功功率和无功功率， 对于定直流电流控制端，我们关心的是尼和如。 为了讨论方便，令x 。= 驰、五= 鸠，z l = r ? + 砰、z 2 = 霹+ 墨、 k = l l z i 、e = i z 2 、嘶= 甜c t a n ( 蜀i x , ) 、a 2 = a r c t a n ( 坞置) 。 由