3并网变换器及其控制new.pdf

1 第三章 并网变换器及其控制 同向前同向前 2011 5 主要内容 第一节 并网变换器概述 第二节 电压源型并网变换器的拓扑结构 第三节 电压源型并网变换器的工作原理 第四节 电压源型并网变换器的动态建模与控制 第五节 电压源型变换器的PWM调制策略 第六节 并网变换器的锁相同步技术 第一节 并网变换器概述 第二节 电压源型并网变换器的拓扑结构 第三节 电压源型并网变换器的工作原理 第四节 电压源型并网变换器的动态建模与控制 第五节 电压源型变换器的PWM调制策略 第六节 并网变换器的锁相同步技术 第一节 并网变换器概述 一 并网变换器的定义与作用 二 并网变换器的分类与特点 三 并网变换器的主要器件 四 并网变换器的电网接口兼容特性 一 并网变换器的定义与作用 二 并网变换器的分类与特点 三 并网变换器的主要器件 四 并网变换器的电网接口兼容特性 1 定义1 定义 所有与电网直接相连 并与电网交换功率的电 力电子变换器 包括整流器 逆变器和补偿器 所有与电网直接相连 并与电网交换功率的电 力电子变换器 包括整流器 逆变器和补偿器 一 并网变换器的定义与作用一 并网变换器的定义与作用 2 作用2 作用 整流 将电网交流电变换为直流电供直流设备 使用 能量从电网流向负荷 整流 将电网交流电变换为直流电供直流设备 使用 能量从电网流向负荷 HVDC ASD UPS 整流电源HVDC ASD UPS 整流电源 逆变 将直流电变换为与电网同步的交流电 等效为一个静止发电机 能量从直流侧流向交流 电网 逆变 将直流电变换为与电网同步的交流电 等效为一个静止发电机 能量从直流侧流向交流 电网 HVDC 新能源发电并网HVDC 新能源发电并网 补偿 作为一种有源补偿装置 改善电网的电 能质量 交流侧与直流测不进行能量交换 补偿 作为一种有源补偿装置 改善电网的电 能质量 交流侧与直流测不进行能量交换 STATCOM APF DVRSTATCOM APF DVR 二 并网变换器的分类与特点二 并网变换器的分类与特点 按照电力电子开关的开关特性 并网变换器分为 按照电力电子开关的开关特性 并网变换器分为 电流源变换器电流源变换器 电流型开关 直流电流不变 交流电流通过开关切换 在正负间突变 电流型开关 直流电流不变 交流电流通过开关切换 在正负间突变 电压源变换器电压源变换器 电压型开关 直流电压不变 交流电压通过开关切换 在正负间突变 电压型开关 直流电压不变 交流电压通过开关切换 在正负间突变 1 并网变换器的分类1 并网变换器的分类 2 整流逆变整流逆变 Ud Id 典型的电流源变换器典型的电流源变换器 典型的电压源变换器典型的电压源变换器 3 低压补偿用的电压源变换器结构低压补偿用的电压源变换器结构 2 两类并网变换器的特点比较2 两类并网变换器的特点比较 直流电压平直直流电压平直 直流电流脉动直流电流脉动 交流电压脉冲突变交流电压脉冲突变 交流电流近似正弦交流电流近似正弦 直流电流平直直流电流平直 直流电压脉动直流电压脉动 交流电流脉冲突变交流电流脉冲突变 交流电压近似正弦 波 形 特 点 电压源变换器电流源变换器 交流电压近似正弦 波 形 特 点 电压源变换器电流源变换器 直流侧并电容器直流侧并电容器 交流侧串电抗器交流侧串电抗器 全控器件电路为主全控器件电路为主 整流与逆变合而为一整流与逆变合而为一 直流侧串电抗器直流侧串电抗器 交流侧并电容器交流侧并电容器 半控器件电路为主半控器件电路为主 整流与逆变电路分离 电 路 结 构 整流与逆变电路分离 电 路 结 构 直流电容器直流电容器 电压源电压源 负载电流缓冲滤波负载电流缓冲滤波 交流电抗器交流电抗器 交流侧电压缓冲滤波交流侧电压缓冲滤波 开关器件 直流电压开关开关器件 直流电压开关 直流电抗器直流电抗器 电流源电流源 负载电压缓冲滤波负载电压缓冲滤波 交流电容器交流电容器 交流侧电流缓冲滤波交流侧电流缓冲滤波 无功功率补偿无功功率补偿 开关器件 直流电流开关 元 件 作 用 电压源变换器电流源变换器 开关器件 直流电流开关 元 件 作 用 电压源变换器电流源变换器 换相方式 强迫自换相换相方式 强迫自换相 开关频率 每周波开关频率 每周波N次次 开关损耗 高开关损耗 高 运行特点 运行特点 四象限运行四象限运行 有功与无功分别独立可控有功与无功分别独立可控 换相方式 电网换相换相方式 电网换相 开关频率 每周波开关频率 每周波1次次 开关损耗 低开关损耗 低 运行特点 运行特点 1 4象限运行象限运行 有功可控 无功随动有功可控 无功随动 开 关 方 式 电压源变换器电流源变换器 开 关 方 式 电压源变换器电流源变换器 电压源变换器电流源变换器电压源变换器电流源变换器 整流 逆变整流 逆变 单位功率因数整流器单位功率因数整流器 功率双向流动 功率双向流动 HVDC Light 无功补偿器无功补偿器STATCOM 有源滤波器有源滤波器APF 动态电压恢复器动态电压恢复器DVR 光伏并网变换器光伏并网变换器 电力储能装置电力储能装置 整流整流 整流电源 整流电源 HVDC等等 谐波大 吸收大量无功谐波大 吸收大量无功 有源逆变有源逆变 直流电机回馈制动直流电机回馈制动 HVDC 应 用 应 用 3 并网变换器的等值结构3 并网变换器的等值结构 4 1 电力电子器件1 电力电子器件 三 并网变换器的主要器件三 并网变换器的主要器件 目前绝大多数电力电子器件都是采用目前绝大多数电力电子器件都是采用硅 Si 硅 Si 材料 而 采用 材料 而 采用碳化硅 SiC 碳化硅 SiC 和和氮化镓 GaN 氮化镓 GaN 等宽禁带半导体材料 可以制造出性能更加优越的电力电子器件 研究表明 基于SiC材料的半导体器件 等宽禁带半导体材料 可以制造出性能更加优越的电力电子器件 研究表明 基于SiC材料的半导体器件 最高工作温度可达600 C 远高于Si材料的115 C 最高工作温度可达600 C 远高于Si材料的115 C 通态电阻较相同等级Si小 通态电阻较相同等级Si小 开关频率提高10倍以上 开关频率提高10倍以上 PN结耐压等级可达10kV以上 PN结耐压等级可达10kV以上 宽禁带器件将可能推动电力电子变换器进入新时代 宽禁带器件将可能推动电力电子变换器进入新时代 2 滤波电容器2 滤波电容器 交流滤波电容器交流滤波电容器 作用 电流滤波 无功补偿 主要电气参数 额定交流电压 额定容量 总电流有效值 电容量计算依据 无功补偿要求 滤波要求和安全要求 作用 电流滤波 无功补偿 主要电气参数 额定交流电压 额定容量 总电流有效值 电容量计算依据 无功补偿要求 滤波要求和安全要求 直流平波电容器直流平波电容器 直流链接电容器 DC LINK 作用 抑制直流电压波动 提供直流电压支撑 主要电气参数 直流额定电压 电容量 要求自感小 电容量计算依据 直流电压波动要求 直流链接电容器 DC LINK 作用 抑制直流电压波动 提供直流电压支撑 主要电气参数 直流额定电压 电容量 要求自感小 电容量计算依据 直流电压波动要求 5 3 滤波电抗器3 滤波电抗器 交流滤波电抗器交流滤波电抗器 作用 电压缓冲 抑制谐波电流 限制电流冲击 主要电气参数 额定交流电流 额定交流电压 电感 量 品质因数 谐波电流等 电感量的计算依据 满足谐波电流限制要求 作用 电压缓冲 抑制谐波电流 限制电流冲击 主要电气参数 额定交流电流 额定交流电压 电感 量 品质因数 谐波电流等 电感量的计算依据 满足谐波电流限制要求 直流平波电抗器直流平波电抗器 作用 抑制电流脉动 促进电流连续 主要电气参数 额定直流电流和电感量 电感量的计算依据 保证轻载条件下电流连续 满足电 流脉动要求 作用 抑制电流脉动 促进电流连续 主要电气参数 额定直流电流和电感量 电感量的计算依据 保证轻载条件下电流连续 满足电 流脉动要求 四 并网变换器的电网接口兼容特性四 并网变换器的电网接口兼容特性 同步性同步性 功率因数功率因数 谐波特性谐波特性 三相对称性三相对称性 直流电流限止直流电流限止 孤岛保护孤岛保护 故障保护故障保护 1 同步性1 同步性 相控整流 逆变器相控整流 逆变器 触发脉冲与电网电压同步 参考相位触发脉冲与电网电压同步 参考相位 三相触发脉冲的对称性 非特征谐波三相触发脉冲的对称性 非特征谐波 电压源PWM逆变器电压源PWM逆变器 逆变输出电压必须与电网电压同步 同频逆变输出电压必须与电网电压同步 同频 PWM控制必须等间隔采样和控制输出 PLLPWM控制必须等间隔采样和控制输出 PLL 2 功率因数2 功率因数 变换器作为电网的一个负载 功率因数应尽量接 近于1 单位功率因数 变换器作为电网的一个负载 功率因数应尽量接 近于1 单位功率因数 基波位移因数基波位移因数 谐波因数 3 谐波与电磁干扰 谐波因数 3 谐波与电磁干扰 并网变换器的网侧电流谐波应尽量小 包括总谐 波畸变率和单次谐波含有率 见相关标准 并网变换器的网侧电流谐波应尽量小 包括总谐 波畸变率和单次谐波含有率 见相关标准 并网变换器产生的电磁噪声应尽量小 并网变换器产生的电磁噪声应尽量小 并网变换器应不受电网电压谐波的影响 并网变换器应不受电网电压谐波的影响 4 三相对称4 三相对称 三相变换器作为电网的一个负载或电源 应尽量 保持三相输出电流的对称性 三相变换器作为电网的一个负载或电源 应尽量 保持三相输出电流的对称性 三相变换器应不受电网电压不对称的影响 5 直流电流限止 正负半周要均衡 三相变换器应不受电网电压不对称的影响 5 直流电流限止 正负半周要均衡 并网变换器的输出电流不应含有直流分量 并网变换器的输出电流不应含有直流分量 逆变器的输出电压不应含有直流分量 逆变器的输出电压不应含有直流分量 6 孤岛保护6 孤岛保护 分布式发电并网变换器应设有必要的孤岛保护措 施 7 故障保护 分布式发电并网变换器应设有必要的孤岛保护措 施 7 故障保护 并网变换器应设有必要的内部故障保护措施 避 免因内部故障扩大引起电网故障 并网变换器应设有必要的内部故障保护措施 避 免因内部故障扩大引起电网故障 并网变换器应能在电网故障情况下正常工作或安 全退出 过压 欠压 短路 缺相 短时断电 等 并网变换器应能在电网故障情况下正常工作或安 全退出 过压 欠压 短路 缺相 短时断电 等 6 第二节 电压源型并网变换器的拓扑结构 一 低压并网变换器的拓扑结构 二 高压并网变换器的拓扑结构 三 高压串联组件的均压与驱动技术 一 低压并网变换器的拓扑结构 二 高压并网变换器的拓扑结构 三 高压串联组件的均压与驱动技术 一 低压并网变换器的拓扑结构一 低压并网变换器的拓扑结构 目前 单个IGBT器件的电压电流积已经达到5MVA 不必串并联 即可满足绝大多数应用 目前 单个IGBT器件的电压电流积已经达到5MVA 不必串并联 即可满足绝大多数应用 1200V 3600A1200V 3600A 1700V 3600A1700V 3600A 3300V 1500A3300V 1500A 6500V 750A6500V 750A 电路结构常用标准2电平或3电平电路拓扑 电路结构常用标准2电平或3电平电路拓扑 2电平 变换器交流侧相电压只有2个电平2电平 变换器交流侧相电压只有2个电平 3电平 变换器交流侧相电压只有2个电平3电平 变换器交流侧相电压只有2个电平 2电平电压源变换器电路拓扑2电平电压源变换器电路拓扑 O 二极管箝位3电平电压源变换器电路拓扑二极管箝位3电平电压源变换器电路拓扑 二 高压并网变换器的拓扑结构二 高压并网变换器的拓扑结构 1 基于器件串联的2 3电平结构1 基于器件串联的2 3电平结构 2 基于H桥模块串联的级联多电平结构2 基于H桥模块串联的级联多电平结构 C AC1 AC2 输出电压波形质量高 输出电压波形质量高 易于实现模块化设计 易于实现模块化设计 冗余控制 运行可靠性高 冗余控制 运行可靠性高 串联桥间协调控制复杂 串联桥间协调控制复杂 直流电容电压自励控制困难 直流电容电压自励控制困难 7 优点 模块化结构 便于制 造和扩容 模块化结构 便于制 造和扩容 开关频率低 输出电 压波形质量好 开关频率低 输出电 压波形质量好 模块输出电流小 功 率回路设计简单 模块输出电流小 功 率回路设计简单 各模块负荷均分 各模块负荷均分 缺点 变压器磁芯独立 制 造成本高 变压器磁芯独立 制 造成本高 级联多电平 变压器隔离型 优点 模块化结构 便于制 造 扩容方便 模块化结构 便于制 造 扩容方便 开关频率低 输出电压 波形质量好 开关频率低 输出电压 波形质量好 模块输出电流小 功率 回路设计简单 模块输出电流小 功率 回路设计简单 变压器共用磁芯 制造 成本较低 变压器共用磁芯 制造 成本较低 缺点 各模块间存在环流 必须抑制 各模块间存在环流 必须抑制 变压器制造工艺复 杂 设计成本高 变压器制造工艺复 杂 设计成本高 级联多电平 特殊变压器隔离型 优点 模块化结构 便于制 造 扩容方便 模块化结构 便于制 造 扩容方便 开关频率低 输出电压 波形质量好 开关频率低 输出电压 波形质量好 模块输出电流小 功率 回路设计简单 模块输出电流小 功率 回路设计简单 各模块负荷均分 各模块负荷均分 缺点 多组电容器 不能进行 背靠背连接 多组电容器 不能进行 背靠背连接 级联多电平 直流侧独立型 CDC CDC A相阀 CDC CDC B相阀 CDC CDC C相阀 电抗器 升压变压器 直流侧独立型三相级联多电平电路 va1 va2 va3 va4 va5 va6 va7 va8 va9 va10 90 180 270 360 0 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 a9 a10 三 高压串联组件的均压与驱动技术 将功率器件直接串联是一种简单 有效提高耐 压的方法 结合以2 3电平PWM控制技术 可以获 得较快的响应速度及较好的输出波形 器件串联的关键问题是确保各个串联器件端电 压均衡 防止过压损坏 三 高压串联组件的均压与驱动技术 将功率器件直接串联是一种简单 有效提高耐 压的方法 结合以2 3电平PWM控制技术 可以获 得较快的响应速度及较好的输出波形 器件串联的关键问题是确保各个串联器件端电 压均衡 防止过压损坏 8 为减小器件串联时分压不均衡 常采用以下措施 1 采用同批次生产的器件以减小器件间特性差异 2 实测器件的开关特性并进行匹配使用 3 串联器件采用相同的散热条件 减小结温差异 4 设计对称的门极驱动电路 减小门极信号间的差异 5 采用均压措施 影响IGBT串联运行的两方面因素 为减小器件串联时分压不均衡 常采用以下措施 1 采用同批次生产的器件以减小器件间特性差异 2 实测器件的开关特性并进行匹配使用 3 串联器件采用相同的散热条件 减小结温差异 4 设计对称的门极驱动电路 减小门极信号间的差异 5 采用均压措施 影响IGBT串联运行的两方面因素 器件自身特性差异 漏电流 开关速度不同器件自身特性差异 漏电流 开关速度不同 门极驱动信号差异 信号上下沿和强度不同门极驱动信号差异 信号上下沿和强度不同 a 静态均压电路 并联的吸收电容C并联的吸收电容C0 0可以减缓关断过程 中dv dt以抑制关断瞬间过电压 R 可以减缓关断过程 中dv dt以抑制关断瞬间过电压 R0 0用于 限制器件开通时C 用于 限制器件开通时C0 0的放电电流 D用于器 件关断时提高C 的放电电流 D用于器 件关断时提高C0 0的充电速度 的充电速度 1 在开通过程中 若T1 在开通过程中 若T2 2管先于T管先于T1 1管开 通 则T 管开 通 则T1 1端电压上升 电容C端电压上升 电容C12 12端 电压由零上升变正 并通过反馈电 阻R 端 电压由零上升变正 并通过反馈电 阻R13 13使T 使T1 1管提前进入开通过程 从而T 管提前进入开通过程 从而T1 1管端电压箝位在参考电压 值 达到抑制过电压的目的 2 在关断过程中 若T 管端电压箝位在参考电压 值 达到抑制过电压的目的 2 在关断过程中 若T2 2管先于T管先于T1 1管 关断 则T 管 关断 则T2 2端电压上升 电源U端电压上升 电源Udc dc 通过T通过T1 1管向电容C管向电容C22 22充电 C 充电 C22 22端 电压由负回零变正后通过R 端 电压由负回零变正后通过R23 23产生 附加开通信号 迫使T 产生 附加开通信号 迫使T2 2管推迟关 断过程 达到箝位电压的目的 管推迟关 断过程 达到箝位电压的目的 Z1管完成静态钳 位 在Z1管击穿后 C1电容充电 减 缓电压上升 Z2管击穿后 C E电压钳位 均压实验电流 以RC门极有源控制为例 仅静态均压后的IGBT电压电流波形 a 两IGBT门极信号无时差 b 两IGBT门极信号相差500ns 9 加RCD吸收电路后的IGBT电压波形 a 两IGBT门极信号无时差 b 两IGBT门极信号相差500ns 加RC门极有源控制后的IGBT电压波形 a 两IGBT门极信号无时差 b 两IGBT门极信号相差500ns 第三节 电压源变换器的工作原理 一 电压源并网变换器的控制目的 二 实现途径 三 直接电流控制的等值电路与原理 四 间接电流控制的等值电路与原理 一 电压源并网变换器的控制目的 二 实现途径 三 直接电流控制的等值电路与原理 四 间接电流控制的等值电路与原理 输入 控制目标 交流侧电压 电流参考 PWM驱动信号输入 控制目标 交流侧电压 电流参考 PWM驱动信号 输出 交流侧电压电流 直流侧电压电流 或功率P Q输出 交流侧电压电流 直流侧电压电流 或功率P Q 在交流侧产生一个期望的电流波形在交流侧产生一个期望的电流波形 实现交流电流幅相控制 正弦波 实现交流电流幅相控制 正弦波 实现有功and or无功控制 正弦波 实现有功and or无功控制 正弦波 实现谐波补偿 波形含有谐波分量 实现谐波补偿 波形含有谐波分量 在直流侧产生一个期望的直流电压幅值在直流侧产生一个期望的直流电压幅值 实现直流侧电压控制 恒压 实现直流侧电压控制 恒压 实现直流侧电流控制 恒流 实现直流侧电流控制 恒流 实现直流侧功率控制 恒功率 一 电压源并网变换器的控制目的 实现直流侧功率控制 恒功率 一 电压源并网变换器的控制目的 直接电流控制 将各种控制目标要求转化为交流侧电流要求 然后根据交流侧电流的期望波形和瞬时值大小 幅 相 直接产生IGBT的驱动信号 二 实现途径 直接电流控制 将各种控制目标要求转化为交流侧电流要求 然后根据交流侧电流的期望波形和瞬时值大小 幅 相 直接产生IGBT的驱动信号 二 实现途径 10 滞 环 比 较 滞 环 比 较 控制直流电压的直接电流控制控制直流电压的直接电流控制 直接电流控制的原理等值电路直接电流控制的原理等值电路 间接电流控制 将各种控制目标要求转化为交流侧电压要求 然后根据交流侧电压的期望波形和瞬时值大小 幅 相 直接产生IGBT的驱动信号 间接电流控制 将各种控制目标要求转化为交流侧电压要求 然后根据交流侧电压的期望波形和瞬时值大小 幅 相 直接产生IGBT的驱动信号 间接电流控制的原理等值电路间接电流控制的原理等值电路 11 三 直接电流控制的等值电路与原理三 直接电流控制的等值电路与原理 sin cos csac csac IUQ IUP R u dt du CuP dcdc dcdc 2 dcac PP 结论1 控制结论1 控制ic 即可控制 交流电流 交流有功 交流无功 直流功率 直流电压 直流电流 即可控制 交流电流 交流有功 交流无功 直流功率 直流电压 直流电流 结论2 控制结论2 控制ic的幅值和相位 可以同时控制有功功率 和无功功率 功率四象限运行 的幅值和相位 可以同时控制有功功率 和无功功率 功率四象限运行 ic的大小决定PQ的大 小 的大小决定PQ的大 小 ic的相位决定的相位决定PQ的性 质 的性 质 四 间接电流控制的等值电路与原理四 间接电流控制的等值电路与原理 X UUU Q LLX X UU P css ac cs cs ac cos sin R u dt du CuP dcdc dcdc 2 dcac PP Us Uc UX P Q o 结论1 控制结论1 控制uc 即可控制 交流有功 交流无功 直流功率 直流电压 直流电流 即可控制 交流有功 交流无功 直流功率 直流电压 直流电流 结论2 控制结论2 控制uc的幅值和相位 可以同时控制有功功率 和无功功率 功率四象限运行 的幅值和相位 可以同时控制有功功率 和无功功率 功率四象限运行 uc的大小主要决定 Q 的大小主要决定 Q uc的相位主要决定的相位主要决定P 12 第四节 电压源变换器的PWM调制策略 一 滞环PWM调制策略 二 SPWM调制策略 三 SVPWM调制策略 四 优化PWM调制策略 一 滞环PWM调制策略 二 SPWM调制策略 三 SVPWM调制策略 四 优化PWM调制策略 如何根据参考电流或电压来产生IGBT的驱动信号 如何根据参考电流或电压来产生IGBT的驱动信号 脉冲宽度调制 PWM 原理脉冲宽度调制 PWM 原理 理论依据理论依据 冲量相等而形状不同的窄脉 冲加在具有惯性的环节上时 其 效果基本相同 冲量相等而形状不同的窄脉 冲加在具有惯性的环节上时 其 效果基本相同 PWMPWM 调制方法的评价指标调制方法的评价指标 变换器交流电流波形的正弦度 谐波变换器交流电流波形的正弦度 谐波 直流电压的利用率 逆变电压最大幅值与直流电压之比直流电压的利用率 逆变电压最大幅值与直流电压之比 变换器的损耗 开关损耗 通态损耗变换器的损耗 开关损耗 通态损耗 滞 环 比 较 滞 环 比 较 一 滞环PWM调制策略一 滞环PWM调制策略 三 角 载 波 调 制 三 角 载 波 调 制 13 二 SPWM调制策略二 SPWM调制策略 单相单极性 SPWM控制 单相单极性 SPWM控制 单相双极性SPWM控制单相双极性SPWM控制 cm rm U U m 载波幅值 调制波幅值 2 dc of U mU 三相双极性SPWM控制三相双极性SPWM控制 cm rm U U m 载波幅值 调制波幅值 2 2 3 dc lineof U mU 2 2 1 dc phaseof U mU 2 3 直流电压利用率 SPWM 交流电流与PWM波SPWM 交流电流与PWM波 三 SVPWM调制策略三 SVPWM调制策略 空间电压矢量空间电压矢量 设在空间上互差120 的三相绕组A B C 其中的三相 电压A t B t C t 可以由doq复平面上的一个矢量 设在空间上互差120 的三相绕组A B C 其中的三相 电压A t B t C t 可以由doq复平面上的一个矢量V V 来表示 来表示 CBA 2 3 2 V 3 2 j e 3 4 2 j e 设三相电压设三相电压A t B t C t 为相位上互差为相位上互差120 频率为 频率为 的正弦量 的正弦量 tMtA cos 32cos tMtB 34cos tMtC 则有则有 tj eMt V 显然 矢量V t 在doq复平面上以M为半径 以 为角 速度旋转的圆轨迹 显然 矢量V t 在doq复平面上以M为半径 以 为角 速度旋转的圆轨迹 14 如果对如果对V V t 进行抽样 其抽样频率为 t 进行抽样 其抽样频率为 s s 则矢量 则矢量V V t 可以表示为 t 可以表示为 1 s n kj eMkV kTk s 当当 k 从从0到到n变化时 变化时 V k 在在doq平面上形成了一系列的离 散矢量 平面上形成了一系列的离 散矢量 矢量合成矢量合成 在如图所示的逆变系统中 如 果采用双极性调制 实质上只能得到 8个基本矢量 其中 在如图所示的逆变系统中 如 果采用双极性调制 实质上只能得到 8个基本矢量 其中V V1 1 V V6为工作矢 量 6为工作矢 量 V V0和0和V V7零矢量 所有抽样矢量均可以由8个基 本矢量来合成 7零矢量 所有抽样矢量均可以由8个基 本矢量来合成 SVPWM 交流电流与PWM波SVPWM 交流电流与PWM波 SPWM与与SVPWM的比较的比较 SPWM较较SVPWM简易 简易 SPWM输出相电压和线电压均为正弦波 而输出相电压和线电压均为正弦波 而SVPWM输 出线电压为正弦 相电压含有丰富的三次谐波 输 出线电压为正弦 相电压含有丰富的三次谐波 在一个基波周期内 在一个基波周期内 SVPWM有有120 不导通区 开关损 耗小 不导通区 开关损 耗小 SVPWM的直流电压利用率为的直流电压利用率为1 比 比SPWM的的0 866高出高出 15 1 特定谐波消去法1 特定谐波消去法 Selected Harmonic Elimination PWM SHEPWM 输出电压半周期内 器件 通 断次数有限 如各3 次 不包括0和 输出电压半周期内 器件 通 断次数有限 如各3 次 不包括0和 共6 个开关时刻可控 共6 个开关时刻可控 为减少谐波并简化控制 要尽量使波形对称 为减少谐波并简化控制 要尽量使波形对称 四 优化PWM调制策略四 优化PWM调制策略 为消除偶次谐波 使波形正负两半周期镜像对称 即为消除偶次谐波 使波形正负两半周期镜像对称 即 tutu 为消除谐波中余弦项 应使波形在正半周期内前后 1 4周期以 为消除谐波中余弦项 应使波形在正半周期内前后 1 4周期以 2为轴线对称 2为轴线对称 tutu 同时上两式波形同时上两式波形称为四分之一周期对称波形称为四分之一周期对称波形 用傅 里叶级数表示为 式中 用傅 里叶级数表示为 式中 An为为 5 3 1 sin n n tnAtu 2 0 dsin 4 ttntuAn 15 若独立控制若独立控制a1 a2和和a3共共3个时刻 该波形的个时刻 该波形的An为为 式中n 1 3 5 若确定基波若确定基波A1的值 再令两个不同的的值 再令两个不同的An 0 就可 建三个方程 求得 就可 建三个方程 求得a1 a2和和a3 cos2cos2cos21 2 d sin 2 dsin 2 d sin 2 dsin 2 4 321 2 0 3 3 2 2 1 1 nnn n U ttn U ttn U ttn U ttn U a d dd dd n A 在三相对称电路的线电压中 相电压所含的3次谐波 相互抵消 可考虑消去5次和7次谐波 得如下联立方 程 给定 在三相对称电路的线电压中 相电压所含的3次谐波 相互抵消 可考虑消去5次和7次谐波 得如下联立方 程 给定A A1 1 解方程可得 解方程可得 1 1 2 2和和 3 3 A A1 1变 变 1 1 2 2和和 3 3 也相应改变 也相应改变 0 7cos27cos27cos21 7 2 0 5cos25cos25cos21 5 2 cos2cos2cos21 2 321 d 7 321 d 5 321 d 1 U a U a U aA A A 一般在输出电压半周期内 器件通 断各一般在输出电压半周期内 器件通 断各k次 考虑 到 次 考虑 到PWM波四分之一周期对称 波四分之一周期对称 k个开关时刻可控 除用一个自由度控制基波幅值外 可消去 个开关时刻可控 除用一个自由度控制基波幅值外 可消去k 1个频率 的特定谐波 个频率 的特定谐波 k的取值越大 开关时刻的计算越复杂 该法在工程中如果采用实时计算则无法完成 在稳态 的控制使用较多 动态控制不适用 的取值越大 开关时刻的计算越复杂 该法在工程中如果采用实时计算则无法完成 在稳态 的控制使用较多 动态控制不适用 目的 提高直流电压利用率 目的 提高直流电压利用率 方法 在相电压调制信号中叠加3次谐波 使之成为鞍 形波 输出相电压中也含3次谐波 且三相的三次谐波 相位相同 合成线电压时 3次谐波相互抵消 线电压 为正弦波 方法 在相电压调制信号中叠加3次谐波 使之成为鞍 形波 输出相电压中也含3次谐波 且三相的三次谐波 相位相同 合成线电压时 3次谐波相互抵消 线电压 为正弦波 1 sinsin3 6 rrr umtmt 效果 可提高电压利用率效果 可提高电压利用率效果 可提高电压利用率效果 可提高电压利用率15 15 2 三次谐波注入法2 三次谐波注入法 还可注入三倍次谐波和直流分量 三相零序 形成 各种调制波 降低开关损耗 还可注入三倍次谐波和直流分量 三相零序 形成 各种调制波 降低开关损耗 3 其他注入法3 其他注入法 16 如何根据控制目标生成电压或电流参考信号 留待后续应用性章节 如何根据控制目标生成电压或电流参考信号 留待后续应用性章节 第五节 电压源变换器的模型与控制 一 电路拓扑与电气参数 二 基于开关函数的 一 电路拓扑与电气参数 二 基于开关函数的VSC数学模型 三 基于调制信号参数的 数学模型 三 基于调制信号参数的VSC数学模型 四 基于 数学模型 四 基于d q变换的变换的VSC数学模型 五 控制系统方案 数学模型 五 控制系统方案 输入 控制目标输入 控制目标 交流侧电压 电流参考交流侧电压 电流参考 PWM驱动信号PWM驱动信号 输出 交流侧电压电流 直流侧电压电流 或功率P Q输出 交流侧电压电流 直流侧电压电流 或功率P Q 一 电路拓扑与电气参数一 电路拓扑与电气参数 电 压 源 变 换 器 电 路 电 压 源 变 换 器 电 路 交流侧电气参数交流侧电气参数 交流电压 usa usb usc 交流电流 ia ib ic 交流功率 Pac jQac 直流侧电气参数直流侧电气参数 直流电压 udc 直流电流 idc 直流功率 Pdc 二 基于开关函数的数学模型二 基于开关函数的数学模型 开关函数模型用于研究电路的暂态行为 和特性 即在外部开关输入信号发生实时变 化时 系统参数的变化过程 开关函数模型用于研究电路的暂态行为 和特性 即在外部开关输入信号发生实时变 化时 系统参数的变化过程 17 cbax dt di LRiuu x xxcxs casbbsaasac iuiuiup 交流侧交流侧 dcdcdc iup load dcdc dc R u dt du Ci 直流侧直流侧 dcac pp 3 交直流耦合交直流耦合 c b a cbaccbbaadc s s s iiiisisisi 2 1 1 下管通 上管通 1 1 cba s 下管通 上管通 0 1 1 2 1 cbacba ss c b a dc cc bc ac s s s u u u u 2 1 2 下管通 上管通 0 1 2 1 cba c b a cbaccbbaadc s s s s iiiisisisi idc ia b c a s b s c s 下管通 上管通 1 1 2 1 cbacbadc cc bcac ssssuuuu uca ucb ucc a s b s c s 本模型实际上是一个暂稳态的基波模 型 用于研究电路在稳定状态下的电路关 系和特性 即调制信号参数对系统参数的 作用与影响 本模型实际上是一个暂稳态的基波模 型 用于研究电路在稳定状态下的电路关 系和特性 即调制信号参数对系统参数的 作用与影响 三 基于调制信号参数的数学模型三 基于调制信号参数的数学模型 120sin 120sin sin t t t s s s c b a 对对sx作傅立叶 分解 仅取基 波分量 作傅立叶 分解 仅取基 波分量 18 交流侧交流侧 SPWM 120sin 120sin sin 2 1 2 1 t t t u s s s u u u u dc c b a dc cc bc ac cccs bcbs acas c b a uu uu uu LjR i i i 1 交流侧交流侧 忽略电抗器电阻 忽略电抗器电阻 SPWM 4 6 2 2 1 333 dcdcacvscass UUUUUU L UU L UU IUP dcsvscs sac 4 6 sinRe 15 L UUU L UUU IUQ dcssvscss sac 46 cos Im 15 直流侧直流侧 load dc dcdcdc R U IUP 2 load dc dc R U I cbax dt di LRiuu x xxcxs qqcddcdcdc iuiuiu load dcdc dc R u dt du Ci load dc dc qqcddc dc CR u Cu iuiu u dt d cccs bcbs acas c b a c b a uu uu uu L i i i L R i i i dt d 1 qcqs dcds q d q d uu uu Li i L R L R i i dt d 1 dc qqcddc dc u iuiu i qcdcdcqd uufuii 四 基于四 基于d q变换的变换的VSC动态数学模型动态数学模型 120sin 120sin sin 2 1 t t t u u u u dc cc bc ac 0 1 1 sin 4 6 cos 4 6 sin 4 6 cos 4 6 qs ds dc q d load dc q d u u L u i i CRCC LL R LL R u i i dt d g uii dcqd 0 1 1 4 6 4 6 4 6 4 6 qs ds dc q d load qcdc qc dc dc q d u u L u i i CR u C u C u LL R u LL R u i i dt d qcdc dcqd uug uii 4 6 sin cos 4 6 qc dc dcdc qc dc u u uu u u load dc dc qqcddc dc CR u Cu iuiu u dt d dcqs dcds q d q d uu uu Li i L R L R i i dt d 1 120sin 120sin sin 2 1 t t t u u u u dc cc bc ac 0 1 1 4 6 4 6 4 6 4 6 qs ds dc q d load dc q d u u L u i i CRCC LL R LL R u i i dt d sin cos qc dc u u 0 1 1 4 6 4 6 4 6 4 6 qs ds dc q d load qcdc qc dc dc q d u u L u i i CR u C u C u LL R u LL R u i i dt d 4 6 sin cos 4 6 qc dc dcdc qc dc u u uu u u 19 利用拉普拉斯变换 可得 0 0 1 sin 4 6 cos 4 6 sin 4 6 cos 4 6 qs ds dc q d load U U U I I Cs R LsRL LLsR 0 0 1 4 6 4 6 4 6 4 6 qs ds dc q d load qcdc qc dc U U U I I Cs R uu uLsRL uLLsR 4 61 qc dc dc qs ds q d q d u u U Lu u Li i L R L R i i dt d 在VSC为他励 udc恒定 的情况下 dc qs ds q d q d U Lu u Li i L R L R i i dt d 4 61 0 4 6 qc dc dc qs ds q d U U U U U I I LsRL LLsR 0 4 6 dc qs ds q d U U U I I LsRL LLsR 基于d q变换的VSC暂态数学模型 传递函数 参数取值 L 1mH R 0 03 314rad s T K随意 1 控制关系 控制关系反映了受控目标与可控变量之间 的因果关系 控制关系反映了受控目标与可控变量之间 的因果关系 VSC的可控变量只有两个 即 和 的可控变量只有两个 即 和 VSC的受控目标有多个可选参数 包括交 流有功 交流无功 直流有功 直流电压 和直流电流等 的受控目标有多个可选参数 包括交 流有功 交流无功 直流有功 直流电压 和直流电流等 五 控制系统方案五 控制系统方案 一 基于主要控制关系的控制方案 结论1 调节调制深度 可以控制 交流有功功率 直流有功功率 直流输出电压 直流输出电流 交流无功功率 结论2 调节控制相角 可以控制 交流有功功率 直流有功功率 直流输出电压 直流输出电流 20 X UUQ P dcS 4 6 0 0 0 0 4 6 0 0 Q X UUP dcS 潮流控制特性近似分析 U潮流控制特性近似分析 Udc dc恒定 恒定 结论 有功功率 Ug 无功功率 L UU P dcs ac 4 6 L UUU Q dcss ac 46 二 基于d q电流解耦的控制方案 见具体应用 一 同步技术及其在并网变换器中的作用 二 典型同步电路及其原理 三 并网变换器对同步电路的特殊要求 四 基于d q变换的数字同步方案 五 同步电路的数字化实现 一 同步技术及其在并网变换器中的作用 二 典型同步电路及其原理 三 并网变换器对同步电路的特殊要求 四 基于d q变换的数字同步方案 五 同步电路的数字化实现 第六节 并网变换器中的同步技术 一 同步技术及其在并网变换器中的作用一 同步技术及其在并网变换器中的作用 1 同步 两个时间变量在变化过程中保持恒定 相位差的关系 两个周期变化的量 其周期成整数倍 数的关系 2 倍频 输出信号频率严格等于输入信号频率 的整数倍 同 步 的 概 念 同 步 的 概 念 采用某种电子线路来控制输出信号的频 率 使其与输入信号频率保持固定的相 位差 采用某种电子线路来控制输出信号的频 率 使输出信号频率锁定在输入信号频 率或输入信号频率的整数倍上 锁 相 技 术 的 定 义 锁 相 技 术 的 定 义 21 同步 倍频是目的 锁相是手段 同步技术 锁相技术 同步技术或锁相技术中包含有倍频 的功能 如果需要 同 步 倍 频 与 锁 相 的 关 系 同 步 倍 频 与 锁 相 的 关 系 1 电网交流信号的同步等间隔采样 2 并网变换器同步控制 数字相位 晶闸管相位控制 相移角的精确定位 相位分辨率可达0 01 d q变换中的单位正弦 余弦同步信号 PWM开关频率的倍频关系 逆变器输出电压 电流与电网电压的同步 同步技术是并网变换器的一个共性问题 同 步 电 路 的 作 用 同 步 电 路 的 作 用 数 字 化 相 位 数 字 化 相 位 同步技术的必要性仿真说明同步技术的必要性仿真说明 二 典型同步电路及其原理二 典型同步电路及其原理 并 网 变 换 器 的 同 步 电 路 结 构 并 网 变 换 器 的 同 步 电 路 结 构 Ua b c 电网三相电压信号 作为同步参考信号 Fout 同频率方波输出信号 零相位时刻相同 NFout N倍频方波输出信号 用来反映当前时刻 的数字相位 相位分辨率为2 N 22 锁相电路的基本结构锁相电路的基本结构 倍频电路的基本结构倍频电路的基本结构 同步电路1同步电路1 过零比较法过零比较法 同步电路2同步电路2 单相过零比较法单相过零比较法 同步电路3同步电路3 三相过零比较法三相过零比较法 电压缺口对过零比较同步电路的影响电压缺口对过零比较同步电路的影响 23 同步电路4同步电路4 变换法 变换法 同步电路5同步电路5 d q变换法变换法 基于d q变换法的同步技术原理基于d q变换法的同步技术原理 三 并网变换器对同步电路的特殊要求三 并网变换器对同步电路的特殊要求 1 三相同步 减小三相不平衡时单相同步的误差 2 考虑电压质量 三相不平衡 谐波 电压缺口 电压偏差与波动 缺相 短时失压等 的影 响 3 电网频率的波动 5 4 同频同相输出 即输出与输入信号相位差为0 1 三相同步 减小三相不平衡时单相同步的误差 2 考虑电压质量 三相不平衡 谐波 电压缺口 电压偏差与波动 缺相 短时失压等 的影 响 3 电网频率的波动 5 4 同频同相输出 即输出与输入信号相位差为0 当三相电网电压理想时 当三相电网电压理想时 3 2sin 3 2sin sin tUu tUu tUu c b a 四 基于d q变换的数字同步方案四 基于d q变换的数字同步方案 经过经过d d q q变换后 得到变换后 得到 sin 2 3 sin 2 3 11 tUttUud 显然 上述结构可以做到显然 上述结构可以做到同频同相同频同相输出输出 失压影响是如何解决的 失压影响是如何解决的 当三相电网电压不对称且含有谐波分量时 当三相电网电压不对称且含有谐波分量时 1 22 1 11 1 22 1 11 1 22 1 11 120sin 2 120sin 2 120sin 2 120sin 2 sin 2 sin 2 n nn n nnc n nn n nnb n nn n nna tnUtnUu tnUtnUu tnUtnUu 零序在做d q变换后其 值为0 对结果没影响 故 不予考虑 零序在做d q变换后其 值为0 对结果没影响 故 不予考虑 三相不平衡与谐波的影响三相不平衡与谐波的影响 24 当基波频率锁定 当基波频率锁定 1 1 且同相 且同相 11 11 0 时 0 时 1 22 2 11 1sin 3 1sin 3 n nn n nnd tnU tnUu 经d q变换后 经d q变换后 1 212 2 11111111 sin 3 sin 3 sin 3 n nn n nnd tnU tnUtUu 问题 基波负序和谐波均使基波负序和谐波均使u ud d产生波动 影响输出相位的 线性度或采样间隔的均匀性 产生波动 影响输出相位的 线性度或采样间隔的均匀性 解决方法 对于谐波 由于频率较高 可以采取低通滤波器对 ud先行滤波 实际上 PI调节器或环路滤波器本身 就具有低通滤波作用