背靠背变换器的仿真研究.doc
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1、毕业设计(论文)题 目 背靠背变换器的仿真研究 专 业 电气工程及其自动化 西安理工大学本科生毕业设计(论文)背靠背变换器的仿真研究摘 要背靠背电压源型变换器在轻型直流输电系统,变速恒频风力发电系统轻型直流输电系统以及电动机变频调速中有着越来越重要的作用。PWM整流-PWM逆变形式的背靠背VSC不仅具有良好的输出性能,更具有良好的输入性能,可获得任意功率因数的正弦输入电流,且具有能量双向流动的良好能力。介绍了背靠背电压源型变流器在dq同步旋转坐标系下的动态数学模型、背靠背电压源型变流器与两端交流系统互联时的功率交换控制原理。设计了基于直接电流控制的双闭环控制器,实现了有功功率和无功功率的解耦控
2、制,基于系统传递函数,采用极点配置的PI参数设计方法,使控制器的期望性能指标与PI参数之间建立了直接的量化关系。最后,利用PSCAD软件搭建了背靠背VSC变换器控制仿真模型,最终通过对背靠背VSC与两端交流系统的功率交换进行控制仿真,验证了所设计控制器的有效性。关键词:背靠背电压源型变换器、dq轴解耦控制、直接电流控制AbstractBack-to-back voltage source converter is becoming more and more important in new fields such as VSCF wind power generator system and
3、 HVDC light. back-to-back VSC in the form of PWM rectifier-PWM inverter not only has good output performance, but also has good input performance,and it can obtain sinusoidal input current with any power factor as well as a bidirectional energy flow.The dynamic mathematical model for back-to-back VS
4、C under dq synchronous reference frame is represented as well as the power exchange control principle between converters and two side ac systems.t A dual closed loop controller based on direct current control strategy is designed for active power and reactive power exchange between the converter and
5、 two side ac systems, active power control and reactive power control are decoupled. According to the system transfer function, the direct quantitative relationship is established between the desired performance targets and PI parameters based on pole-assignment for PI parameters design method.Final
6、ly, power exchange control simulation model for back-to-back VSC based on PSCAD is set up, Power exchange control between back-to-back VSC and two side ac systems is simulated, the validity of the proposed controller is demonstrated by the simulation results.Keywords: back-to-back voltage source con
7、verter, dq axis decoupled control, direct current control目 录第1章 绪论11.1 选题背景及意义11.2 背靠背VSC的研究现状1 1.2.1 背靠背VSC的应用情况1 1.2.2 VSC控制策略的研究现状5第2章 背靠背VSC的数学模型62.1 背靠背VSC的工作原理62.2 背靠背VSC的数学模型10第3章 背靠背VSC的控制器设计113.1 背靠背VSC的上层控制策略113.2 背靠背VSC的控制器设计12 3.2.1 背靠背VSC内环电流控制器设计12 3.2.2 背靠背VSC直流电压控制器设计15 3.2.3 背靠背VSC2
8、侧控制器设计183.3 本章小结20第4章 背靠背VSC仿真运行结果224.1 背靠背 VSC 系统功率控制仿真建模22 4.1.1 锁相环22 4.1.2 dq变换模块23 4.1.3 调制波发生模块23 4.1.4 上层控制模块24 4.1.4 PWM发生模块254.2 背靠背 VSC 系统功率控制仿真结果28 4.2.1 直流电压控制仿真结果28 4.2.2 VSC1侧无功功率控制仿真结果28 4.2.3 VSC2侧有功功率控制仿真结果30 4.2.4 VSC2侧无功功率控制仿真结果31结论33致谢22参考文献32附录42I第1章 绪论1.1 选题的背景及意义目前,以全控型器件和 PWM
9、 技术为特征的背靠背电压源型变流器(VoltageSource Converter, VSC),由于具有能够实现能量的双向流动、有功功率和无功功率可独立控制、产生的谐波含量小、直流电压可控等诸多优点,在节能与新能源备受重视的当今社会,已成为变速恒频风力发电系统、轻型直流输电系统及电动机变频调速技术的核心,从而得到了广泛的关注15。近年来,许多学者对于变流器的控制技术进行了深入研究,取得了一些成果。背靠背电压源型变流器应用于上述领域时,其控制目标是实现两端交流系统功率的相互交换,系统的整体工作性能不仅取决于控制器的稳定性、快速性和精确性,而且与主电路结构及参数有关,而控制器的性能则决定于控制策略
10、和控制器参数选择的优劣。因此,对于背靠背 VSC 的控制器如何设计,控制器参数如何选取以满足控制目标的要求、主电路参数对系统运行特性有何影响等内容进行深入的分析和研究,对于背靠背 VSC 的实际运行有重要的指导意义。1.2 背靠背VSC的研究现状1.2.1 背靠背VSC的应用情况a.背靠背VSC在变速恒频风力发电中的应用在能源短缺、环境污染日益严重的今天,充分开发、利用可再生能源是解决能源与环境问题的最优选择,其中风能的利用又是目前最具有现实意义的方案。对此,世界各国均高度重视、大力发展,使得风电机组的装机容量和在电能生产中所占比重均迅速增长。此外,随着风电机组单机容量的不断扩大,如何最大限度
11、地利用风能、提高发电效率已经成为风力发电的重要研究内容。变速恒频发电方式已成为风电技术的主流,其中采用变频器交流励磁的双馈异步发电系统更是当前的主要技术方案67。由于 PWM 整流-PWM 逆变形式的背靠背 VSC 不仅有良好的输出性能,更具有良好的输入性能,可获得任意功率因数的正弦输入电流,且具有能量双向流动的能力。更为重要的是根据目前商品化自关断功率器件的功率等级,可以满足兆瓦级变速恒频风力发电机组转子交流励磁的需要,有着现实的工程应用价值,因此在变速恒频双馈异步发电系统中可作为一种满足交流励磁要求的理想变频电源。由于在变速恒频双馈风力发电系统的运行过程中,两个 PWM 变流器的工作态经常
12、变换,通常不再以它们工作于整流或逆变的状态来区分它们,而是按它们的位置分别称之为网侧 PWM 变流器和转子侧 PWM 变流器,交流励磁双馈风力发电系统结构如图 1-1 所示。 图 1-1 变速恒频交流励磁双馈异步发电系统结构示意图在具体的运行控制过程中,网侧 PWM 变流器的任务主要有两个:一是保证良好的输入特性,即输入电流的波形接近正弦,谐波含量少,功率因数符合要求,理论上网侧 PWM 变流器可获得任意可调的功率因数,这就为整个系统的功率因数的控制提供了另一个途径;二是保证直流母线电压的稳定,直流母线电压的稳定是两个 PWM 变流器正常工作的前提,是通过对输入电流的有效控制来实现的。转子侧变
13、流器的作用是也主要分两个方面:一是给双馈异步发电机的转子提供励磁分量的电流,从而可以调节定子侧所发出的无功功率;二是通过控制双馈异步发电机转子转矩分量的电流控制转速或控制定子侧所发出的有功功率,从而使双馈异步发电机运行在风力机的最佳功率曲线上,实现最大风能追踪(捕获)运行。b.背靠背VSC在轻型直流输电系统中的应用 轻型直流输电(HVDC Light)技术采用全控型器件 IGBT(绝缘栅双极晶体管)和PWM(脉宽调制)技术组成的电压源换流器进行换流,可以工作在无源逆变方式,不需要外加换相电压,从而克服了传统 HVDC 受端必须是有源网络的根本缺陷。由于其传输容量比传统的小,装置结构简单,因此称
14、为轻型直流输电。全控型器件的应用赋予了 HVDC Light 一些传统 HVDC 无法比拟的优点,例如可以向无源网络供电,同时独立控制有功功率和无功功率,动态补偿交流母线的无功功率,稳定直流母线电压等,甚至能够在一侧交流系统故障的条件下仍然通过另一侧输送功率,还可以构成并联多端直流系统。目前在瑞典、丹麦、澳大利亚和美国等国家已建成了 7 个轻型 HVDC 工程8-9,其主要适用于向孤立的远方小负荷区供电、风力发电站或小型水电站与主网的联结等。轻型直流输电系统结构如图 1-2所示。 图 1-2 轻型直流输电系统结构示意图 轻型直流输电系统中的背靠背 VSC 一般有四种基本控制方式: (1)定直流
15、电压控制方式,用以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(功率)控制方式,用以控制直流电流(功率)和输送到交流侧的无功功率; (3)定交流电压控制方式,仅控制交流侧母线电压; (4)变频率控制方式,用以控制交流侧频率,适用于与风力发电厂连接。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。对于一个实际的轻型直流输电系统,需有一端采用定直流电压控制,另一端是采用定直流电流控制还是定交流电压控制则取决于所联的交流网络是有源网络还是无源网络。c.背靠背VSC在电动机变频调速中的应用背靠背变流系统基于交-直-交结构,输入端采用 PWM
16、可控整流,输出端采用 PWM 逆变,与传统采用二极管不控整流的变流系统相比具有可以实现网侧电流正弦化,且可实现网侧单位功率因数,便于控制直流母线电压的泵升,能量可双向流动,可将电机制动产生的能量回馈电网,实现电机四象限运行等诸多优点10-11,背靠背变流系统如图1-3 所示。图 1-3 背靠背变流系统结构示意图根据能量的流向,背靠背变流系统运行状态可以分为两种:1、能量由三相交流电网流向电动机负载 当电动机处于拖动运行状态时,能量由交流电网经系统中的 VSC1 流向 VSC2。此时,VSC1 工作在整流状态下,使用 PWM 方式控制交流网侧的电流与电网相电压同相位,实现单位功率因数整流;VSC
17、2 工作在逆变状态下,逆变桥开关元件在PWM 控制下,输出频率与幅值可调的正弦电压信号,实现交流电机的变频调速。2、电动机再生能量馈入三相交流电网 在变频调速过程中,当电动机处于减速运行时,由于负载惯性作用进入发电状态。此时,VSC2 工作在整流状态下,交流电动机的再生能量经由 VSC2 中开关元件和续流二极管向中间直流环节的储能电容充电,使电容器两端电压升高;VSC1 工作在有源逆变状态下,其开关元件在 PWM 控制下,将能量馈入交流电网中,完成能量的双向流动。同时,由于 PWM 整流器闭环控制作用,加上使用自关断器件和开关频率的大幅度提高,使馈入电网的电流为与电网相电压相位相反的正弦波,系
18、统的功率因数约等于1,回收了再生能量,提高了系统功率因数,消除了变频装置对电网的谐波污染。1.2.2 VSC控制策略的研究现状目前,变流器的控制策略主要有间接电流控制、直接电流控制和基于非线性系统反馈线性化理论的 dq 矢量解耦控制。间接电流控制也称为相位和幅值控制,是通过控制变流器前端电压的相位和幅值,间接地控制交流侧电流,实现功率因数校正,改善电流波形12。直接电流控制是通过运算求出交流输入电流指令值,在引入交流电流反馈,通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值12。非线性系统反馈线性化理论的 dq 矢量解耦控制是通过选择适当的非线性坐标变换 z=T(x)和非线性状态反馈量 v=(x)
19、+(x)u,从而使非线性系统得以在大范围甚至全局范围内线性化,对于多变量非线性系统,在实现线性化的同时,实现解耦13。第2章 背靠背VSC的数学模型背靠背电压源型变流器的数学模型是对其控制技术进行研究的基础,本章首先对背靠背电压源型变流器的工作原理进行分析,在此基础上建立其在 dq 同步旋转坐标系下的动态数学模型,并分析了该模型的特点。2.1 背靠背VSC的工作原理联结2个有源系统的背靠背电压源型变流器(VSC)的基本结构如图2-1所示。系统主要由2个电压源型变流器(VSC1,、VSC2 )、直流侧电容器(C)和交流侧电抗器(L1、L2)构成。电感寄生电阻及线路损耗电阻分别用R1和R2表示,通
20、常L1=L2=L、Rl=R2=R。其中直流侧电容器C为逆变侧提供电压支撑以及滤波作用。图2-1 背靠背电压源型变流器主电路结构图 由于两侧变流器对称,下面以VSC1为例进行分析其工作原理。假设VSC中功率开关元件为理想元件,以开关信号描述其通断,定义三相桥臂开关信号为: 以a相为例,当sa=1,既a相上桥臂导通、下桥臂关断时,变流器a相对于直流侧参考点O的电压uao=udc,udc为直流侧电压;当a相上桥臂关断、下桥臂导通时,sa=0,uao=0。同理可得到b相与c相结果。因此: 因为 其中VNO为交流系统1的中性点与直流侧参考点之间的电压。可以得到 由于VSC1交流侧为三相平衡系统,其中,所
21、以 因此 由此可得,VSC直流侧电压通过功率开关状态与交流侧电压互相关联,开关状态确定后直流电压与交流电压之间的关系也就确定14。VSC交流输出为电压脉冲,包含有基波与高次谐波。由于电感L的滤波作用,VkN中的高次谐波分量使交流电流产生的脉动非常小,可以忽略,所以VSC交流输出电压为一幅值、相位与频率可控的正弦电压,可以用(2-7)表示: 式中:m为调制比,其值等于变流器输出的交流相电压基波幅值与直流侧电压之比;为变流器输出的交流基波相电压超前交流系统基波相电压的相角。下面分析 VSC 交流侧输出电压与功率流向的关系,如图 2-2 所示,E 为交流系统电压矢量,I 为交流系统电流矢量,V 为变
22、流器输出电压基波矢量,VL 为电感电压矢量,为V 超前E 的相位, 为交流系统的功率因数角。图2-2 稳态运行时变流器输出电压基波向量与传输功率关系示意图 图2-3 背靠背VSC系统运行状态与能量流向关系示意图忽略等效电阻 R,由稳态运行时的电压矢量关系可知,当|E|不变,|I|一定的条件下,向量V 的端点轨迹是以|VL|为半径的圆,通过控制 VSC 交流侧电压V 的幅值和相角,即可实现 VSC 有功功率和无功功率的双向流动,即实现 VSC 的四象限运行。VSC 从交流系统中吸收的有功功率 P 的大小和方向主要取决于,吸收的无功功率的大小和方向主要决于|V |(V 的幅值)。当0 变流器向交流
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