（电力系统及其自动化专业论文）基于lcl滤波器的风力发电网侧变换器的研究.pdf

华北电力人学硕士学位论文 摘要 m w 级风力发电机组由于功率大，其网侧变换器采用传统的l 滤波器时电感值 较大，既增加了制造成本又降低了系统动态性能，而采用l c l 滤波器可解决上述问 题。本文建立了采用l c l 滤波器的网侧变换器的拓扑结构和数学模型，设计了l c l 滤波器的参数。针对l c l 滤波器存在的谐振现象，提出了有源阻尼方法，并分析了 各种电流反馈控制策略，在此基础上给出了基于电网电压定向的双闭环矢量控制方 法。考虑到实际电力系统三相电压不平衡情况，提出了抑制交流侧负序电流和抑制 直流侧二次谐波的控制策略。在m a t u 旧s i m u l i n k 平台下进行了仿真，仿真结 果证明了本文提出的基于l c l 滤波器的网侧变换器控制方法和策略的正确性，为工 程应用提供了可靠参考。 关键词：l c l 滤波器，电流反馈，有源阻尼法，矢量控制，不平衡控制 a b s t r a c t i nt h em ww i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，t h ep o w e ri sl a r g e w h e nu s i n gt h e t r a d i t i o n a ll - f i l t e r , t h ei n d u c t a n c ev a l u ei si n c r e a s e di nt h eg r i d - s i d ec o n v e r t e r s ot h e m a n u f a c t u r i n gc o s ti si n c r e a s e da n dt h es y s t e md y n a m i cp e r f o r m a n c ei sr e d u c e d u s i n g l c l f i l t e rc a nr e s o l v et h e s ep r o b l e m s t h et o p o l o g ya n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f 嘶d s i d e c o n v e r t e rb a s e dl c lf i l t e ra lee s t a b l i s h e d ，t h ep a r a m e t e r so fl c l - f i l t e ra r ed e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h er e s o n a n c e o fl c l - f i l t e r , t h ea c t i v ed a m p i n gm e t h o d sa r ep r o p o s e d ，av a r i e t y o fc u r r e n tf e e d b a c kc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ea n a l y z e da n dd o u b l ec l o s e d l o o pc o n t r o ls t r a t e g yi s i n t r o d u c e d t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ea c t u a lt h r e e - p h a s ev o l t a g ei m b a l a n c ei nt h ep o w e rs y s t e m ， t w ok i n d so fc o n t r o ls t r a t e g i e sa r es t u d i e d o n ei st h ea cc u r r e n tc o n t r o l l i n gs t r a t e g yt h a ta i m s t om a k et h ea cc u r r e n ts i n u s o i d a la n dt h eo t h e ro n ei st h ep o w e rc o n t r o l l i n gs t r a t e g yt h a t m a i n l ya i m st oe l i m i n a t et h eh a r m o n i c so ft h ed el i n kv o l t a g e t h e s es t a t e g i e sa r es i m u l a t e d u n d e rm a t l a b s i m u l i n k ，t h er e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h em e t h o d sp r e s e n t e di nt h i sp a p e ra r e c o r r e c ta n dp r o v i d er e l i a b l er e f e r e n c et op r a c t i c a le n g i n e e r i n g z h o uy a n g ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i ul i a n g u a n g k e y w o r d s ：l c lf i l t e r , c u r r e n tf e e d b a c k , a c t i v ed a m p i n g ，v e c t o rc o n t r o l ，u n b a l a n c e c o n t r o l i 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 本课题的提出1 1 2 国内外关于l c l - v s r 的研究现状3 1 2 1l c l - v s r 控制策略的研究3 1 2 2l c l 滤波器的参数设计5 1 3 本论文的主要工作5 第二章l c l v s r 数学模型及控制策略研究7 2 1l c l v s r 的数学模型7 2 1 1 三相a b e 坐标系下的数学模型7 2 1 2 两相d q 坐标系下的数学模型8 2 2l c l v s r 中电流反馈控制策略分析9 2 2 1 网侧电流反馈控制1 0 2 2 2 网侧电流和电容电流双内环反馈控制1 2 2 2 3 变换器侧电流反馈控制1 3 2 3l c l v s r 中的阻尼控制策略分析1 5 2 3 1 虚拟阻尼法1 6 2 3 2 基于超前网络的a d 法1 8 2 3 3 无电压传感器的有源阻尼2 0 第三章l c l 滤波器的原理分析及参数选择2 2 3 1l c l 滤波器对系统性能影响的定性分析2 2 3 2l c l 滤波器的参数设计2 4 3 2 1 总电感r 的限制条件2 4 3 2 2 滤波电容。的选择2 6 3 2 3 电感厶和的选择2 6 3 2 4 阻尼电阻励的选择2 7 第四章l c l v s r 控制系统的设计与分析2 8 4 1 电压电流双闭环控制系统2 9 4 1 1 电流内环控制系统设计2 9 4 1 2 电压外环控制系统设计3 2 4 2s v p w m 控制3 4 4 2 1 给定电压u 所在扇区的判断3 5 4 2 2 给定电压u 两个相邻矢量作用时间的计算3 6 华北电力大学硕士学位论文 4 2 3s v p w m 在m a t l a b 中的实现3 7 4 3 仿真验证分析3 8 第五章不平衡电网下l c l v s r 的控制策略4 4 5 1 电网不平衡时网侧变换器的数学模型4 4 5 2 电网不平衡时的网侧变换器控制策略4 7 5 2 1 电网不平衡时交流侧电流的控制算法4 8 5 2 2 电网不平衡电动势的检测4 9 5 2 3 抑制交流侧负序电流的控制策略5 0 5 3 4 抑制直流侧电压波动的控制策略5 2 5 3 5 基于筇坐标系的功率平衡控制策略5 4 5 3 电网不平衡时l c l - v s r 仿真5 7 5 3 1 不平衡电网下采用传统双闭环控制策略仿真5 7 5 3 2 抑制交流侧负序电流控制策略仿真5 9 5 3 3 抑制直流侧电压波动控制策略仿真5 9 5 3 3 基于筇坐标系的功率平衡控制策略仿真6 0 第六章结论及展望6 1 6 1 论文研究工作总结6 1 6 2 对后续工作的展望6 l 参考文献6 2 致谢6 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 7 i l 华北电力大学硕士学位论文 1 1 本课题的提出 第一章绪论 风力发电作为一种有效的可再生能源利用形式，近年来越来越受到关注。变速 恒频( v 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 y ，v s c f ) 风力发电由于具有运行效率高、机 组磨损小、电能质量好等诸多优点，得到了广泛的关注和深入的研究【实现变速 恒频发电的方式很多，其中采用双馈异步发电机( 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 ) 的交流励磁变速恒频风力发电系统是最具优势的方案之一在该方案中，定 子接入电网，转子由电力变换器提供励磁，调节励磁电压的幅值、频率和相位，实 现定子恒频恒压输出。 p w m 变换器具有可实现能量双向流动、谐波污染小、功率因数高以及恒定直 流电压控制等优点，广泛应用于太阳能、风能等可再生能源的并网发电等控制中。 在变速恒频双馈风力发电系统中，两电平电压型双p w m 变换器( b a c k t o b a c kp w m c o n v e r t e r ) 是可用作风力发电交流励磁电源的最具优势的一种变换器【2 】。两电平电压 型双p w m 变换器是由两个完全相同的电压型p w m 变换器( v o l t a g es o u r c er e c t i f i e r ， 下称v s r ) 通过直流母线背靠背连接而成的，通常按其位置分为网侧变换器和转子 侧变换器【3 卜【5 】。其中，网侧变换器的作用为：一是使输入电流的波形接近正弦，谐 波含量少，实现可调的功率因数控制；二是保证直流母线电压的稳定。i e e e 5 1 9 等 相关国际标准规定风力发电网侧变换器输出的并网电流波形总谐波畸变率( t h d ) 应 小于5 ，因此对风力发电并网变换器的拓扑结构以及控制策略提出了更高的要求。 由于p w m 变换器的开关频率一般为1 1 5 k h z ，v s r 会产生开关频率及其整数 倍处的高频谐波分量，可能对电网中对电磁干扰敏感的设备产生不利影响【6 】。因此， 一般在变换器和电网之间串入无源滤波器，该滤波器不但抑制变换器输出的谐波电 流，更中的是可为变换器与电网间的能量交换提供条件。在功率等级较低的并网变 流器中，一般采取在网侧变换器和电网之间串联电感来实现以上目的。通过增大电 感值，减小开关频率附近的高次谐波。 基于l 滤波器的电压型p w m 变换器( 下称l v s r ) 的拓扑结构如下图所示： 华北电力大学硕士学位论文 图卜1l v s r 的拓扑结构图 随着风机单机容量的不断增大，基于效率和可靠性的考虑，其变换器的开关频 率一般较低。如在m w 级风力发电系统中变换器的开关频率一般选1 3 k h z ，为了 滤除高次开关谐波，相应需要选择较大的电感参数。但电感值的增大会带来两个问 题：一是大功率的电感较贵、制造困难，从而带来制造成本和体积的增加；二是大 电感会使系统的动态性能下降。为了克服上述问题，可采用l c l 滤波器代替l 滤波 器。l c l 滤波器的滤波效果较好且使用的电感值也较小，在m w 级风机并网变流器 中得到了广泛应用【_ 刀，其拓扑结构如下图所示： 图1 - 2l c l v s r 的拓扑结构图 l c l 滤波器的阻抗值与流过的电流频率成反比，频率越高，阻抗越小，所以可 以滤除高频谐波【8 1 。但l c l 滤波器也有其自身的缺陷：由于滤波电容支路的增加， 2 华北电力大学硕士学位论文 使得v s r 的电流控制系统由一阶变为三阶，控制更为复杂。并且在某些高次谐波电 流下，l c l 滤波器的总阻抗接近零，将导致谐振效应，影响系统的稳定性【9 】。因此， 需要在以往l v s r 的理论基础上研究适合基于l c l 滤波器的p w m 变换器( 下称 l c l v s r ) 的控制策略。为了抑制谐振，还需要研究增强系统稳定性的控制策略。 由于l c l 滤波器参数设计比较复杂，如何选择合适的参数提高v s r 系统性能也是 需要研究的问题。随着风电机组的大规模并网，电网对风电机组的故障运行能力要 求不断提高，电网故障情况下l c l v s r 的动态特性和控制算法也成为研究热点。 1 2 国内外关于l c l - v s r 的研究现状 目前国内外关于l c l v s r 的研究主要体现在控制策略和l c l 滤波器的设计两 个方面。 1 2 1l c l - v s r 控制策略的研究1 0 】 l c l v s r 控制策略的研究主要包括三个方面：谐振抑制技术、闭环控制策略和 电网故障下的控制策略。 为了解决l c l 滤波器的谐振问题，一般采用在已有l v s r 控制策略的基础上 增加阻尼控制的方法。阻尼方法分为两种：一种称为“无源阻尼法( p a s s i v ed a m p i n g ， 简称p d ) ” 1 l 】- 【屹】，通过在电容支路上串联电阻来使系统稳定，这种方法稳定可靠， 在工业中得到广泛应用，但加入的电阻会增加系统的损耗；另一种称为“有源阻尼 法( a c t i v ed a m p i n g ，简称a d ) 1 3 】- 【1 。7 1 ，通过修正控制算法使系统达到稳定，抑制 谐振，而且避免了无源阻尼的损耗问题。由于可以降低系统损耗，关于a d 的研究 已成为当今l c l v s r 的研究热点之一。p e k i k a r g od a h o n o 在文献 1 3 】中提出了“虚 拟电阻”的a d 策略，通过传递函数的变换，虚拟出一个阻尼电阻替代实际的电阻。 由于具有简明的物理意义，该方法在工业上得到一定的应用。文献 1 4 】中提出一种 采用“超前滞后( l e a d l a g ) 的滤波电容电压反馈a d 方法，采用这种方法不会带 来功率损耗，但是参数的选择比较复杂，不利于实际应用。m a r c ol i s e r r e 在文献 1 5 】 中提出了基于双带通滤波器的a d 方法，该方法不需要额外的传感器，但其采用的 遗传算法增加了控制系统的复杂程度，目前在工业上还很难得到应用。a d 方法的 局限性在于大都需要额外增加传感器，从实际应用角度看，既增加了系统成本，又 降低了系统可靠性。因此，研究无交流电压传感器的a d 控制策略就变得很有必要 【擂】。文献 1 9 】- 【2 l 】根据瞬时无功功率理论对无交流电压传感器的l c l v s r 控制策略 进行了初步研究。 华北电力大学硕士学位论文 目前l c l v s r 的控制策略大多是在l v s r 的控制策略基础上引申得到的，主 要分为电压矢量定向控制( v o c ) 2 2 】- 【2 3 1 和直接功率控制( d p c ) 2 4 】_ 【2 5 1 。其中，v o c 是目前应用较多的成熟控制策略，而d p c 由于动态响应快、原理简单，近年来也得 到了广泛应用。在v o c 中，l c l 滤波器由于电容支路的增加，使得电流内环控制 的交流电流采样有了多种选择。根据电流采样位置的不同，电流内环控制策略可分 为网侧电流反馈控制【2 7 1 、变换器侧电流反馈控制【1 1 1 【2 8 1 以及网侧电流和电容电流双 内环反馈控制【2 9 1 。对l c l v s r 而言，传统的d p c 没有电流内环，不能采用已有的 有源阻尼方法。文献 2 6 】中提出了针对l c l v s r 的直接功率控制策略，将传统a d 方法中给出的电流或电压参考值转化为功率参考值，将有功、无功分量减去阻尼分 量后就可以避免谐振现象。考虑到l c l 滤波器的特性，有学者提出了专门针对l c l 滤波器的控制策略【3 0 】。m i c h a e ll i n d g r e n 和j a ns v e n s s o n 在文献 3 1 中提出了基于 l c l 滤波器的斩波器的无差拍控制，这是最早的基于l c l 滤波器的控制策略。在该 方法的基础上，e m i l i o j b u e n o ，f e l i p ee s p i n o s a 等人提出了改进的矢量无差拍控制 策略【3 2 1 ，该策略只需要一组电流和电压传感器，其他的量可以由状态观测器获得， 系统的扰动可以用无源阻尼来衰减。与传统的s v p w m 整流器相比，改进的无差拍 控制方法的脉冲宽度根据当前的电路状态实时确定，因而具有更优越的动态性能。 在实际系统中，三相电网不可能完全对称，而不平衡的电网电压由于存在零序 和负序分量，会对电力系统和电力用户造成一系列的危害。此外，大规模的风电并 网，对风电机组的并网运行和不间断运行能力提出了更高的要求，需要l c l v s r 能在一定的不平衡电网条件下实现可靠运行。因此，研究不平衡电网下l c l v s r 的控制策略是十分必要的【3 3 】【3 4 】。由于l c l v s r 主要考虑低频下的运行特性，关于 不平衡控制策略可由l v s r 延申得到。文献 4 9 】中采用对称分量分析方法，以三相 v s r 从电网吸收平衡的瞬时功率为约束条件求出消除三相v s r 直流电流( 电压) 非特征谐波的交流侧正序、负序指令电流信号，但采用p i 调节器无法实现对负序 电流的无差跟踪控制，从而影响了系统的控制性能，且不能完全消除直流电压中的 非特征谐波。文献 5 0 】中提出了采用正序、负序两套同步旋转坐标系( s y n c h r o n o u s r e f e r e n c ef r a m e 下称s f r ) 的独立电流跟踪控制方案，由于正、负序电流在正、负 序s f r 中均表现为直流量，显然采用p i 调节器可以实现对正、负序电流的无静差 跟踪控制。但该控制方案由于采用了两套s f r 构成四个电流内环，使得系统结构复 杂化；此外，该方案需要对正负序电流进行独立检测，当采用了低通滤波器进行正 负序电流检测时，系统的控制带宽将受到影响。也有学者专门针对l c l v s r 进行 了不平衡控制策略的研究，如文献 3 5 】中提出了改进的正负序电流独立控制策略。 2 0 0 3 年，e r i k at w i n i n g 和d o n a l dg r a h a m eh o l m e s 提出了三闭环不平衡控制策略【2 7 1 ， 4 其电压外环采用传统的p i 调节控制方式，电流内环采用双内环的控制结构。第一内 环是网侧电流内环，第二内环是电容电流内环，相当于在矢量控制的基础上引入了 电容电流内环来提高系统的稳定性。该策略对于不平衡电网电压有较强的鲁棒性， 但所需传感器数量多，需要两组电流传感器和一组电压传感器，限制了其实用性。 目前国内对l c l v s r 的控制策略研究也日益增多，主要集中在合肥工业大学、 浙江大学、中科院电工所等高校。但目前还处在消化、吸收国外的控制策略阶段， 至今仍然没有提出一种新的完善的控制方法。 1 2 2l c l 滤波器的参数设计 l c l 滤波器由于参数较多，参数设计比较复杂。为了获得良好的滤波特性、电 流响应特性以及功率特性，网侧电感、变换器侧电感和滤波电容的参数选择及优化 组合显得非常重要【3 6 】- 【3 8 】。l c l 滤波器在低频时可近似等效于l 滤波器，但高频时 两者的传输特性有着明显的区别，需要加入阻尼控制，这也增加了参数选择的复杂 性。因此，如何优化设计l c l 滤波器参数也是当前一个重要的研究方向。文献 3 9 】 定性分析了l c l 滤波器各参数变化对滤波特性的影响，为参数的优化设计提供了依 据。文献 1 1 】给出了l c l 滤波器的设计准则，根据谐振频率限制、电容的无功功率 限制、总电感值限制、电流响应速度限制等条件给出了参数设计流程。但该方法是 一种尝试法，需要反复计算校验，变换器侧电感的计算非常繁琐，阻尼电阻的选取 采用经验公式，而且未考虑实际控制器引入的延时对系统控制性能的影响。为此， 文献 4 0 提出了非理想工作条件下的参数设计，对实际中可能存在的d s p 计算延时、 电网不平衡、传感器安放位置不同引起的测量误差等进行了分析，并在设计过程考 虑这些因素的影响，具有一定的实际意义。文献 4 1 提出了一种新的设计方法，基 于文献 1 1 】中对滤波器参数的限制，利用电流的纹波要求，得出滤波器的等效电感， 然后利用谐振频率作为中间参数，推导出了以电流谐波的衰减比例为变量的二次方 程，通过对方程的求解，得到l c l 滤波器的参数。 1 3 本论文的主要工作 随着电网对风电机组并网运行能力的不断提高，风电机组中l c l v s r 的优化设计 和高性能运行愈发显得重要。在国家自然科学基金“双馈式变速恒频风力发电机组并网 运行能力优化策略( 5 0 8 0 7 0 1 2 ) 的资助下，本文从l c l v s r 的滤波器设计和控制策略 两个方面开展了研究，主要工作和成果如下： ( 1 ) 根据l c l v s r 的拓扑结构，建立了三相静止和两相旋转坐标系下的数学模型， 5 华北电力大学硕二e 学位论文 并对l c l 滤波器本身的频率特性进行了研究。 ( 2 ) 针对l c l 滤波器存在的谐振问题，总结并分析了各种阻尼控制策略，并重点 对有源阻尼控制进行了研究。在此基础上研究了l c l v s r 的矢量控制策略，并对电流 内环不同的反馈控制策略进行了对比分析。 ( 3 ) 在定性分析了l c l 滤波器各参数对系统影响的基础上，提出了一套实用的参数 设计流程方法。 ( 4 ) 建立了基于m a t l a b s i m u l i n k 的l c l - v s r 矢量控制仿真模型，对l c l 滤波器 参数、p i 参数的变化对控制系统的动态性能与静态性能的影响进行了研究。 ( 5 ) 从抑制交流负序电流和直流侧电压二次谐波两方面，研究了在不平衡三相电网 条件下l c l v s r 的控制策略。为了提高系统的实用性，提出了基于两相静止坐标系下 的不平衡控制策略，并通过仿真模型进行了理论验证。 6 华北电力大学硕+ 学位论文 第二章l c l v s r 数学模型及控制策略研究 2 1l c l v s r 的数学模型 要研究网侧变换器的动态、稳态运行性能及其控制策略，首先必须建立其数学 模型。l c l v s r 的数学模型与l v s r 类似，但由于l c l 滤波器为三阶，传输特性 将有所变化，其频率特性在不同的频段内有不同的特点。本章先建立了三相静止坐 标系下的数学模型，然后为了控制系统设计方便，建立了两相旋转坐标系下的数学 模型。 2 1 1 三相a b c 坐标系下的数学模型 时域下l c l v s r 主回路结构图如下图所示： i l ( t ) 图2 - 1 时域下l c l - v s r 的主回路图 在图2 1 中，厶、尼分别为网侧电感及其寄生电阻；、r 分别为变换器侧电 感及其寄生电阻；o 为滤波器电容；艮为直流支撑电容；s k ( 后= a ，b ，c ) 为功率开关 器件的开关函数【4 2 】( 鼠= l 时，上桥臂器件导通，下桥臂器件关断；鼠= 0 时，上桥 臂器件关断，下桥臂器件导通) 。为研究方便，将转子侧变换器以一恒定负载代替。 假设电网侧为三相平衡电网，滤波电感为线性，且不考虑饱和。在静止坐标系 下以单相电路k ( k = a ，b ，c ) 分析，根据基尔霍夫电压、电流定律，得到l c l v s r 7 华北电力大学硕士学位论文 的数学模型为： 既( f ) ：咫私( f ) + 厶掣+ u c k ( f ) d t 砸) 吲卅。掣 叫归酬f ) + 三警州f ) 望螋：玩(f)一豇(f)dt 、7、7 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 式中，枷为单相网侧电流，豇为变换器侧电流，池电容支路电流，e k 为电网电压， u c k 为电容电压，变换器侧桥臂输出电压，玩为直流电容支路电流，l 为负载电流。 吲踯) 一；1 。委，。踯舰 缸= i k ( t ) s k ( t ) 2 1 2 两相d q 坐标系下的数学模型 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 三相a b c 坐标系下的数学模型具有物理意义清晰、直观等特点，但其交流侧电 压回路方程是以时变信号出现的，不利于控制系统设计。为此，需要通过坐标变换 将a b c a a _ 标系下的量转换到以电网基波频率同步旋转的由坐标系下，将时变量转换 为直流量，以方便实现网侧变换器的有功和无功分量的解耦、独立控制。在进行3 s 2 r 变换后，就可以得到两相由坐标系下l c l v s r 的数学模型： 厶皇竽：一凡妇一c o l g i g q + 彩一甜c f d t 厶掣：一r g i g q + 6 0 l , i z d + 白一甜国 d f l d i _ z ，：一尺妇一a 9 l i q + “c h w d t 粤：一r i q + c o l i d + “q 一均 d t 。 c fd u 。c d ：一豇一c o c u c q + l 妇 d t ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 c f d u 。c q ：一岛+ 国g 钟c 留+ 岛 班 已丝：一3 ( 妇+ 椭) 一豇 d t 2 、 ( 2 - 1 2 ) ( 2 一1 3 ) 式中：、分别为电网电压的d 、q 轴分量；0 、幺分别为网侧电流的d 、g 轴 分量；毛、分别为变换器侧电流的d 、g 轴分量；u c d 、u c q 分别为滤波电容电压的 d 、g 轴分量；屹、屹分别为变换器侧桥臂输出电压的d 、g 轴分量；岛、& 分别 为开关函数的d 、q 轴分量；彩为电网电压的同步角速度。 网侧变换器从电网吸收的有功功率和无功功率分别为： ( 2 - 1 4 ) 若将同步旋转坐标的d 轴定向于电网电压，即= e ，20 ，则上式变为： p = e d i d ，、 1 92 一吃0 ( 2 - 1 5 ) 上式说明：在由坐标系下实现了网侧有功分量p 和无功分量q 的解耦。尸 o 表 示网侧变换器工作于整流状态，从电网吸收能量；p 0 表示网侧变换器呈容性，从电网吸收超前的无 功；q 一卜卜 ： 、i i ；： ： lr 卜 ：弋 l - i e 1 1 i ：万： g ( s ) i 由图2 8 可以看出：g ( s ) 的b o d e 图上有2 个幅值很大的尖峰，谐波电流在峰 值处会被放大，增大了谐波的畸变率。串联了阻尼电阻后，g b ) 的b o d e 图上就没 有产生大幅度的峰值，不会对谐波电流产生放大，这样就抑制住了谐振的发生，提 高了系统运行的稳定性。 无源阻尼法方法简单，但加入的电阻会增加系统损耗。因此，下文将重点对有 源阻尼法( a d ) 进行分析研究。 2 3 1 虚拟阻尼法 虚拟电阻，就是用控制算法去替代实际电阻阻尼的作用，主要是通过对传递函 数框图进行结构变换得到的。电容支路串联电阻后其结构框图如图2 - 9 所示，对其 进行等效变换后的结构框图如图2 1 0 所示。 1 6 | | | | | i | | | | |：| | 廿ud：鳍c翻哂至 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 9 电容支路串联电阻时电流内环结构框图 l 一一! 图2 1 0 等效变换后的电容支路串联电阻时电流内环结构框图 由图2 1 0 可以看出，虚拟电阻的原理为：对电容器电流f c 进行采样，并通过 s c s r i 微分环节，微分器的输出加到变换器侧电流的参考电流上，相当于改变了参考 电流信号。利用上述结构产生一个虚拟电阻，代替实际电阻的作用。在电流内环的 控制中，参考电流就变为i + s c f r d i c 。只要确定了滤波电容。和阻尼电阻m 的参数 值，微分环节的系数o m 就可以求得，进而实现虚拟阻尼。采用虚拟阻尼策略的 l c l v s r 双闭环控制系统如图2 一1 1 所示： 1 7 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 l 基于虚拟阻尼控制的双闭环控制框图 采用虚拟阻尼法可以抑制滤波器的谐振，且不会带来功率损耗问题。 需要增加额外电流传感器和微分器，其中微分器会对高频信号进行放大， 带来噪声问题。 2 3 2 基于超前网络的a d 法 但该方法 会给系统 在l c l 滤波器中，将超前网络串联在电容电压反馈检测通道中，然后将输出值 叠加到电流调节器输出，从而间接的实现超前网络的补偿作用。超前网络的表达式 为： 邵m 慕 式中，乃为时间常数，口 竺( 3 1 0 ) 4 0 3 & m 。知 式中，谐波电流脉动最大允许值如。通常取值为额定电流的1 0 2 0 。 联立式3 8 和3 1 0 ，可得到总电感值r 的取值范围： 一u d c 妨擘 ( 3 - 1 1 ) 为了提高电流的跟踪能力及系统的快速响应，r 应越小越好；但从滤波效果看， 三r 则越大越好。因此，在选择总电感r 时需要综合考虑两方面的要求。 华北电力大学硕：仁学位论文 3 2 2 滤波电容。的选择 l c l 滤波器中电容的引入，将造成无功功率的增加，从而会降低系统功率因数。 为了保证系统的高功率因数，一般限制电容吸收的基波无功功率不能大于系统额定 有功功率的5 t 1 1 1 。由此可得出滤波电容的限制条件为 o 5 丽p ( 3 - 1 2 ) 式中，p 为整流器的额定有功功率，鼠为电网电压有效值，厂- 为电网频率 由章节3 1 中分析可知，电容值也不能太小，否则电感值将会很大。因此，设 计时可先按式3 一1 2 计算出电容最大值，初始值选为最大值的一半左右，然后多次调 整得到最佳值。 3 2 3 电感厶和三的选择 对于l c l 滤波器，为了避免谐振频率发生在主要谐波频率附近，需满足【1 1 】： 1 0 厂l 知0 5 ( 3 - 1 3 ) 式中，f l 和，。分别为电网基波频率和开关频率，知为谐振频率 知忑1 v l 器+ l y ： 浯 对l c l 滤波器而言，在开关频率处，网侧电感厶和电容。的等效l c 并联阻 抗呈容性【4 3 1 ，使得在开关频率处其等效阻抗较小。因此，在根据桥臂电流谐波要求 设计变换器侧电感三时可以不考虑网侧电感厶和电容。的作用。综合考虑滤除谐波 需要和电流跟踪快速性方面的要求，文献【4 4 给出了变换器侧电感取值的经验公式： 三：声鱼 2 6 w ( 3 1 5 ) 通常在设计时，高次谐波的衰减比例d 是已知量，将式3 1 5 中计算得到的变换 器侧电感值代入式3 - 6 ，即可求得电感分割比例，进而得到网侧电感厶。 华北塑垄奎堂堡圭兰堡垒奎一 一一一 在滤波电容。和变换器侧电感己知的情况下，可作出，与d 的关系曲线如下 图所示： 由；宴譬霎蒌篓嚣詈，0 麓二墨鋈季萎嵩? 品譬霎罴鼍篇髫篙慧 臻：i 警篇黑g 黧然亲嚣翥嚣：淼五 电感增大至一定值后对系统的影响较小。但由于谐振频率p 利芯吧矧m 刚刚川 的值也不能无限增大，因此，在选择厶值时也应综合考虑。 弼甘燃禁甓誓鬈j 一黼嚣器0 及盖篓装冀乞裟爱等翥磊誓戮昙罢曩薹嚣嚣；簇蔷羞毛i-8 ：訾一鬈淼篇冀主茎髫纛要著喜羹淼淼戮蓦 巍耋饿竽瓮，翟戮淼徽戮鬈鬣凝虿 熹笔譬霎：。、耄阻号篓銮套芸某主善? 霉羹耄黧墨薹盖篓圣i 豢喜墓芏篡萎巢 阻尼值太小时，又会导致系统不稳定，增大电流谐汲咐义率。练口巧蟠上脞x 1 ” l m = 3 x2 r r f i 。c e ( 3 - 1 6 ) 华北电力大学硕：t 学位论文 第四章l c l v s r 控制系统的设计与分析 网侧变换器的控制目标是：输出直流电压稳定且具有良好的动态响应能力；控 制网侧输入电流正弦，功率因数接近于1 。因此，有效控制输入电流就成了网侧变 换器控制的关键。由于l c l v s r 中交流侧电流的控制性能实际上是一种低频下的 运行特性，在低于系统的谐振频率触范围内，l c l 滤波器的传输特性等效于l 滤 波器，电容的作用可以忽略【1 1 】。由第三章中的式3 3 和3 4 分别得到l 和l c l 滤波 器的传递函数的b o d e 图如图4 1 所示。因此，可以参考l v s r 的控制策略，对 l c l v s r 采取基于电压定向的电压、电流双闭环控制策略。 b o d ed i a g r a m f r e q u e n c y ( r a d s e c ) 图4 1l 和l c l 滤波器传递函数的b o d e 图 由上图可以看出，l c l 滤波器在其谐振频率处幅值很大，如果不采取措施，会 导致该频率处的谐波幅值增大。为了抑制l c l 滤波器高频时的谐振问题，需要在矢 量控制的基础上加入了阻尼控制策略。 一口u口3c西匹暑 (6口一心计哂c正 华北电力大学硕士学位论文 4 1 电压电流双闭环控制系统 在l c l v s r 控制系统设计中，采用同步旋转坐标系下的电压定向控制( v o l t a g e o r i e n t e dc o n t r o l ，简称v o c ) 。其中电压外环的作用是维持直流母线电压稳定，减少 直流电压的波动对网侧电流的干扰；电流内环的作用是按电压外环输出的电流指令 进行电流控制，实现网侧变换器单位功率因数运行。其控制原理为：将网侧电压、 电流经过3 s 2 r 坐标变换，并且对电压进行矢量定向，使由轴上的电流分量i d 、南分 别控制网侧的有功功率和无功功率，如式3 1 5 所述。直流电压外环经过p i 调节器 后，输出为桥臂侧电流有功分量指令d * ，与可独立控制的无功电流指令幻一起经 过p i 调节器后得到整流器交流侧电压的d 、q 分量v d 、v q 的调制信号，经过s v p w m 调制后生成p w m 脉冲信号，进而控制网侧变换器运行。l c l v s r 双闭环控制原理 框图如下图所示。 4 1 1 电流内环控制系统设计 图4 - 2 电压电流双闭环控制框图 当l c l 滤波器等效为单电感时，在由坐标系下的数学模型为： 三r 掣：一尺嘞+ 础而+ 甜一w d f 三r 皇：一r 喝一国l r d + 白一坳 班 。 ( 4 - 1 ) ( 4 - 2 ) 式中，e d 、e q 为电网电压的d 、q 分量；v d 、v q 为变换器桥臂输出电压的d 、q 分量； 彩为电网角频率；l r 为总电感值l r = l g + 三，r r 为总寄生电阻，r r = r g + 尺 由式4 - 1 和4 - 2 可以看出，d 、q 轴电流除受控制电压v d 、岣的影响外，还受到 华北电力大学硕士学位论文 电流交叉耦合项c o l r i q 、一c o l r i a 和电网电压e d 、e q 的影响，因而给控制器设计造成一 定困难。为此，可采用前馈解耦控制策略【4 5 1 ，当电流调节器采用p i 调节器时，得y d 、 岣的控制方程如下： w ：一( k + 鱼兰) ( 白+ 一如) + 功而+ 钉 j 岣：一( k + 竺望) ( 岛一面) 一国三砌+ 白 s ( 4 - 3 ) ( 4 - 4 ) 式中，k i p 、k i t 为电流内环比例调节增益和积分调节增益 为实现v o c 控制，令d 轴与电网电压矢量e 重合，即e a t = p ，e q = 0 。为实现单 位功率因数控制，令i q = 0 ，电流内环闭环控制图如下图所示： 图4 - 3 网侧变换器电流内环控制系统示意图 上图中，目为电网矢量的相位，0 = t a n 叫( “口u z ) 。 由于d 、q 轴两电流内环是对称的，下面将只对豇控制进行电流调节器的设计。 在考虑存在延时的情况下，电流内环结构框图如下图所示。 图4 4 豇电流内环控制框图 3 0 华北电力大学硕士学位论文 在图4 4 中，系统存在两个环节的延时，一个是电流内环的采样延时，以一阶 惯性环节i ( t 心+ d ( 正为电流内环电流采样周期，通常取为p w m 开关周期) 来表 示，另一个是p w m 控制的延时，以一阶惯性环节i g , w ui ( o 5 y , s + 1 ) ( k e w u 为桥路p w m 等效增益，o 5 乃表示当s v p w m 调制采用峰谷点采样时的延时时间) 。 为简化分析，忽略电压e 的扰动，并将p i 调节器传递函数写成零极点形式 + 鱼：勋三盟 s下诺 ( 4 - 5 ) 式中，钌= 笔。 将小惯性时间常数0 5 7 3 、死合并后，可得到简化的电流内环结构如图4 - 5 所示。 此时电流内环开环传递函数为： q ( j ) k i p k p w m z i s 七1 =；-一一 f 艘r s ( 1 + 1 5 孕) ( 1 + ( 0 碍) j ) i d t 国-y 一础+ l k v w m ll d 7 k| _ = ， r f 西 l + 1 5 t s l t s + r t - 图4 - 5 函电流内环控制简化框图 ( 4 - 6 ) 从动态要求上看，电流内环需获得较快的电流跟随性能，不允许在电流调节过 程中有太大的电流超调。因此，可按典型i 型系统来设计电流调节器【4 研。由式4 - 6 可知，只需将p l 调节器引入的零点与控制对象本身的极点对消掉即可，令 蟊= l r 尺r ，则开环传递函数化简为 删= 警丽1 面 ( 4 - 7 ) 根据典型i 型系统参数整定关系【4 6 1 ，当取系统阻尼比f = o 7 0 7 时，有如下关系 1 5 t f k i e k e w u ：1 r , r r2 ( 4 - 8 ) 华北电力大学硕十学位论文 则可得到电流内环p i 调节器控制参数为： 酢2 鑫 珞= 面r i t 此时电流内环闭环传递函数为： ( j ) 2 巫巫i 1 写 k , k e w u 磁p k p 嘲j ( 4 - 9 ) ( 4 - 1 0 ) 当开关频率足够高，即乃足够小时，由于j 2 项系数远小于s 项系数，因此j 2 项 可以忽略不计，闭环传递函数可简化为： ( s ) 忑1 2 丽1 ( 4 - 1 1 ) k i p k p w m 上式说明，当电流内环按典型i 型系统设计时，电流内环可近似等效成一个惯 性环节，其惯性时间常数为3 。 4 1 2 电压外环控制系统设计 网侧变换器直流侧的电流玩的表达式如下： i d c = s 矗n + s b 拓+ s d c( 4 - 1 9 ) 根据文献 4 5 ，当开关频率远高于电网电动势基波频率厂- 时，可忽略p w m 谐波分量，即只考虑开关函数s k ( k = 口，b ，c ) 的低频分量，则： 0 5 3 ) + 0 5 3 1 + 0 5 式中，秒为开关函数基波初始相位角；m 为p w m 调制比( m 1 ) 。 3 2 ( 4 - 1 3 ) 印研研研臼旧 筹一 o ” 陀枷锄锄 华北电力大学硕士学位论文 i 厶厶o o s ( t o t ) f 6 i m c o s ( t o t - - 2 z 3 ) (