背靠背变换器的仿真研究毕业设计.docx

背靠背变换器的仿真研究毕业设计.docx

《背靠背变换器的仿真研究毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《背靠背变换器的仿真研究毕业设计.docx（33页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

背靠背变换器的仿真研究毕业设计

（此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！

）

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

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

Abstract

Back-to-backvoltagesourceconverterisbecomingmoreandmoreimportantinnewfieldssuchasVSCFwindpowergeneratorsystemandHVDClight.back-to-backVSCintheformofPWMrectifier-PWMinverternotonlyobtainsinusoidalinputcurrentwithanypowerfactoraswellasabidirectionalenergyflow.

Thedynamicmathematicalmodelforback-to-backVSCunderdqsynchronousreferenceframeisrepresentedaswellasthepowerexchangecontrolprinciplebetweenconvertersandtwosideacsystems.tAdualclosedloopcontrollerbasedondirectcurrentcontrolstrategyisdesignedforactivepowerandreactivepowerexchangebetweentheconverterandtwosideacsystems,activepowercontrolandreactivepowercontrolaredecoupled.Accordingtothesystemtransferfunction,thedirectquantitativerelationshipisestablishedbetweenthedesiredperformancetargetsandPIparametersbasedonpole-assignmentforPIparameter′sdesignmethod.

Finally,powerexchangecontrolsimulationmodelforback-to-backVSCbasedonPSCADissetup,Powerexchangecontrolbetweenback-to-backVSCandtwosideacsystemsissimulated,thevalidityoftheproposedcontrollerisdemonstratedbythesimulationresults.

Keywords:

back-to-backvoltagesourceconverter,dqaxisdecoupledcontrol,directcurrentcontrol

第1章绪论…………………………………………………………………1

1.1选题背景及意义………………………………………………………1

1.2背靠背VSC的研究现状……………………………………………1

1.2.1背靠背VSC的应用情况…………………………………………1

1.2.2VSC控制策略的研究现状………………………………………5

第2章背靠背VSC的数学模型…………………………………………6

2.1背靠背VSC的工作原理……………………………………………6

2.2背靠背VSC的数学模型…………………………………………10

第3章背靠背VSC的控制器设计………………………………………11

3.1背靠背VSC的上层控制策略…………………………………………11

3.2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侧控制器设计……………………………………18

3.3本章小结………………………………………………………………20

第4章背靠背VSC仿真运行结果………………………………………22

4.1背靠背VSC系统功率控制仿真建模……………………………22

4.1.1锁相环……………………………………………………………22

4.1.2dq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

4.1.4PWM发生模块……………………………………………………25

4.2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

4.2.2VSC1侧无功功率控制仿真结果………………………………28

4.2.3VSC2侧有功功率控制仿真结果………………………………30

4.2.4VSC2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………………………………………………………………………42

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技术为特征的背靠背电压源型变流器（VoltageSourceConverter,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[1~5]。

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[6~7]。

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（HVDCLight）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，因此称为轻型直流输电。

全控型器件的应用赋予了HVDCLight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；VSC2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。

1.2.2VSC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=α（x）+β（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；δ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为变流器输出电压基波矢量，VL为电感电压矢量，δ为V超前E的相位，φ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δ，吸收的无功功率的大小和方向主要决于|V|（V的幅值）。

当δ＞0变流器向交流系统传输有功功率；δ＜0，变流器从交流系统吸收有功功率。

|V|＞|E|,变流器向交流系统提供无功功率，|V|＜|E|,变流器从交流系统吸收无功功率。

背靠背VSC系统与两侧交流系统互联时，通过对两端VSC的运行状态（即VSC1、VSC2交流输出电压）的控制来实现能量的双向流动，如图2-3所示：

当功率正向传输时，交流系统2从直流环节吸收能量VSC2在PWM控制下工作于逆变状态，直流环节的电容由于放电，会导致直流电压有下降的趋势，为了保持直流电压稳定，在脉冲控制下VSC1工作于整流状态。

当功率反向传输时，交流系统2向直流环节释放能量，VSC2在脉冲控制下转换成整流状态，电容充电，引起直流环节电压的上升。

为了限制直流环节电压的上升，VSC1需要将直流环节的电能传向交流系统1，因此在PWM控制下转换成逆变状态。

可以看出，变流器工作状态的切换是由功率传输的方向决定的。

由功率守衡原理可知，要保证有功功率的平衡传输，若只对两端VSC进行孤立控制是不行的，必须对两端VSC进行协调控制。

而对于两端VSC与各端交流系统的无功功率的交换，因其不需要直流侧的参与，所以可独立完成[15]。

2.2背靠背VSC的数学模型

数学建模的目的是能够正确反映被控对象的动态特性，为被控对象控制器的设计提供依据。

因此，双PWM变流器的数学模型是研究其实现多种控制功能的基础。

由图1-1可知，背靠背VSC是对称拓扑结构，其三相对称系统数学模型可用如下基于d-q同步旋转坐标系下的动态微分方程组描述[16]

其中，直流侧电压变化方程为：

式中：

ω1、ω2分别为交流系统相电压角频率；id1、id2、iq1、iq2分别为VSC交流侧输出电流矢量的d、q轴分量；Esd、Vsd、Esq、Vsq分别为VSC交流侧并联系统电压矢量的d、q轴分量；md1、md2、mq1、mq2分别为VSC1和VSC2调制开关函数的d、q轴分量；Udc为直流侧母线电压。

三相对称系统中，忽略交流线路损耗与开关损耗，则流入VSC1和流出VSC2的有功功率和无功功率分别为：

式中：

i01、i02为VSC1、VSC2的直流侧电流。

第3章背靠背VSC的控制器设计

本章首先对背靠背VSC系统的功率交换进行了分析，将有功功率和无功功率的控制转化为对有功电流和无功电流的控制，控制系统的设计采用双闭环控制结构，内环电流控制器采用电流反馈和电压前馈的解耦控制策略，实现电流的快速跟踪，外环控制器用于确定电流参考值。

基于系统传递函数，采用极点配置的PI参数设计方法，将系统的期望性能指标与PI参数建立起直接清晰的函数关系。

3.1背靠背VSC的上层控制策略

背靠背VSC用于交流系统互联时，其目的是实现有功功率与无功功率的单独控制。

根据式（2-10），稳态情况下Esd、Vsd均为常数，所以，分别控制id1、iq1即可控制交流系统1的有功、无功功率交换；同理可得到交流系统2相同的结论。

为了确保安全运行，背靠背系统应维持直流侧电压稳定于其额定值附近。

由式（2-9）（2-10）可得，此约束条件即可得到背靠背交流系统之间的有功功率交换必须维持平衡。

而由于两侧交流系统间无功功率交换无需直流侧电容参与，因此相互独立。

因此，背靠背VSC通常情况下采取一侧为定直流电压和无功功率控制，另一侧为有功功率和无功功率控制的控制策略。

而背靠背VSC与两侧交流系统间的功率交换控制问题转换为对其d-q轴电流参考值的跟踪问题。

3.2背靠背VSC的控制器设计

背靠背VSC的控制系统包括控制器和调制器两部分，控制器用于获取变换器输出的电压指令，而调制器则以此电压指令为调制波，采取SPWM调制，获得相应的脉宽调制信号，从而使变换器输出的电压电流能够接近所给定的电压指令，从而对两侧交流系统的有功、无功功率进行控制。

而由于PWM技术发展已非常成熟，所以将不再进行介绍，主要进行控制器部分的设计说明。

下面将通过分析背靠背VSC系统在d-q轴坐标系下的数学模型，对电网电流d轴与q轴分量进行解耦控制，设计出电流内环与电压外环的双闭环控制器，建立各个环节的传递函数，控制器的性能指标与PI参数之间建立直接的量化关系。

本文中，VSC1采用定直流电压与无功功率控制，VSC2采用有功功率与无功功率控制。

下面先讨论VSC1的控制器设计。

3.2.1内环电流控制器

参照四象限变流器状态方程，我们可以得到如下的VSC1电压方程：

其中Vd1、Vq1分别为VSC1交流输出电压的d轴分量与q轴分量。

由上式可知，d、q轴电流除了受到控制量Vd1、Vq1影响外，还受到电流交叉耦合项ωLid1、ωLiq1与电网电压Esd、Esq的影响。

因此，对id1、iq1进行解耦控制，将是内环电流控制器的核心。

在这里，我们将采取前馈解耦控制，以消除电流交叉耦合以及电网电压扰动的影响。

可以得到控制量Vd1、Vq1为

式中的id1ref、iq1ref分别为VSC1侧有功电流id1和无功电流iq1的参考值。

将式（3-2）代入（3-1）中可得：

由式（3-3）可以看出，引入电流状态反馈与电网电压前馈后，只要通过调节PI调节器参数，即可使Vd1、Vq1分别跟踪其参考值，进而产生控制目标对应的d、q轴电流，并且实现了d、q轴电流的解耦控制。

电流内环控制的原理如图3-1所示。

图3-1内环电流控制器

由于d、q轴电流具有类似的控制对象，因此控制结构与参数也应基本相同，下面以d轴为例进行控制器设计。

考虑数字化控制往往具有一个控制周期的延迟以及PWM装置的延迟时间，在控制器的设计中加入了电流信号采样延迟环节和PWM装置的延迟环节，PWM装置的延迟时间T≤Tc（PWM开关周期），一般取T=0.5Tc，由于变流器的控制中，Tc一般很小，时间常数很小的延迟环节可近似为一阶惯性环节。

内环电流控制器传递函数等值框图如图3-2所示。

图3-2内环电流控制器传递函数等值框图

将电流信号采样延迟环节和PWM装置延迟环节合并，由于开关频率一般较高，合并后分母s2项系数远小于s项系数，可将s2项忽略，简化为一阶惯性环节：

1（1.5Tcs+1）,Tc为开关周期。

简化后的内环电流控制器传递函数等值框图如图3-