高度电力电子技术复习提纲2.docx

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高度电力电子技术复习提纲2

高度电力电子技术复习提纲

1电力电子技术的基本概念

电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

通常把电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。

前者的理论基础是半导体物理，是电力电子技术的基础；后者的理论基础是电路理论，是电力电子技术的核心。

电力电子学是由电力学，电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。

2两级式光伏并网逆变器的基本拓扑与控制

（1）基本拓扑：

两级式光伏并网逆变器主要包括前级DC/DC变换器和后级DC/AC变换器。

两个变换器之间一般均设有一个足够容量的直流滤波电容，该直流滤波电容在缓冲前后级能量的同时，也起到了前后级控制上的解耦作用。

一般情况下，由于光伏电池的输出电压通常都低于电网电压的峰值，因此要实现并网发电，应先将光伏电池输出的直流电通过前级Boost变换器升压后再输出给后级的网侧逆变器。

单相

三相（略）

（2）控制策略：

对前后级变换器的控制策略一般可以独立地进行研究。

一般而言，在具有两级变换的光伏并网逆变系统中，前级DC/DC变换器主要实现最大功率点跟踪（MPPT）控制，而后级的DC/AC变换器（并网逆变器）则有两个基本控制要求：

一是要保持前后级之间的直流侧电压稳定；二是要实现并网电流的控制（网侧单位功率因数正弦波电流控制），甚至需根据指令进行电网的无功功率调节。

MPPT控制方法：

1）基于输出特性曲线的开环MPPT方法；2）扰动观测法；3）电导增量法；4）智能MPPT方法。

并网逆变器的控制策略：

1）基于电压定向的矢量控制策略；2）基于电压定向的直接功率控制策略；3）基于虚拟磁链定向的矢量控制策略；4）基于虚拟磁链定向的直接功率控制策略。

图1基于电压矢量定向的矢量控制系统（VOC）示意图

图2基于虚拟磁链定向矢量控制（VFOC）的控制结构

图3基于无电网电压传感器V-DPC的控制结构

图4基于无电网电压传感器VF-DPC的控制结构

3并网风力发电机组的基本类型及其变流器的基本拓扑

3.1发电机组基本类型

（1）恒速系统

笼型/绕线型转子异步风力发电机系统

（2）半变速系统

异步双馈（有齿轮箱）

电机转子连接风轮，一般需通过齿轮箱来提高电机转速。

电机定子直接与电网相连接。

变流器与电机转子、电网相连，通过控制电机转子侧的电流电压间接控制电机定子侧的电流电压。

由于电机运行于不同状态时，变流器的电流流向不同，故多采用“交．直．交”结构的双PWM型变流器。

由于变流器连接电机转子，变流器的功率是电机的转差功率，仅为电机功率的20％--一30％，降低了变流器的功率器件成本，因此目前兆瓦级风力发电机组采用双馈发电机系统的较多。

无刷双馈电机（Brushlessdoubly-fedmachine–BDFM）

定子侧具有两套极对数不同的独立绕组，极对数为Pp的定子绕组称为功率绕组，极对数为Pc的定子绕组称为控制绕组，转子采用自行闭合的环路结构，两套定子绕组在电路和磁路上完全解耦，取消了滑环，电刷，因而特别适用于风力发电驱动。

当n变化时，通过控制绕组频率fc，可使功率绕组的输出频率fp恒定，从而实现变速恒频发电，控制绕组的功率为功率绕组功率的Pc/（Pp+Pc）倍，显然双向变流的容量大大减少。

（3）全变速系统

电励磁/永磁同步直驱（无齿轮箱）

电励磁：

通过调节转子励磁电流，可保持发电机的端电压恒定；

定子绕组输出电压的频率随转速变化；

永磁：

由于永磁同步电机的转子极对数较多，转子可直接连接风轮，无需通过齿轮箱加速。

电机定子通过变流器并入电网，一般采用“交一直一交”结构的变流器。

由于变流器控制电机定子侧电流电压，变流器的额定功率需达到发电机的额定功率。

永磁发电机的励磁不可调，导致其感应电动势随转速和负载变化。

采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC变换，可维持直流母线电压基本恒定，同时可控制发电机电磁转矩以调节风轮转速；在电网侧采用PWM逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电，对电网波动的适应性好；

3.2变流器的基本拓扑

（1）全功率电压型风机变流器拓扑

二极管不控整流+升压斩波（boost）+三相电压型逆变器

双PWM变流器

三电平

（2）全功率电流型风机变流器拓扑

（3）全功率混合型风机变流器拓扑

（4）矩阵型风机变流器拓扑

4三相无源PWM逆变器的拓扑与控制策略，其输出滤波器的设计

（1）三相无源PWM逆变器的拓扑

（2）控制策略

由于VSI直流侧多采用整流电源或蓄电池等供电，因此一般无需直流电压反馈。

而为了提供稳定的交流输出电压，输出电压的闭环控制是必须的。

然而，对于输出采用LC滤波器的VSI而言，由于LC滤波器的谐振特性，输出电压单闭环的VSI控制可能存在系统稳定性问题。

可以在LC滤波器的电感或电容中串入阻尼电阻来抑制LC滤波器的谐振。

也可以采用基于多环的控制策略来改善逆变器控制的稳定性。

一般基于LC滤波器的VSI可以采用典型的双环控制策略，即电压外环（稳定和控制逆变器输出电压）、控制内环（用于改善控制性能）。

根据LC滤波器的参数，内环的反馈变量有三种选择，即电容C上电流

、电感L电流

或电感L电压

对于选择不同的内环反馈变量，其系统性能是不同的，究竟哪种变量作为反馈变量的系统性能最好，可以通过比较其稳定性，抗扰性等指标来进行判别。

采用电感电压

反馈的单位调节器内环控制系统始终不稳定，而才用电容电流或电感电流作为内环反馈变量的单位调节器内环控制始终稳定。

从抗扰性角度来看，以电容电流为反馈变量的系统比以电感电流为反馈变量的系统在低频段具有更小的输出阻抗，因此系统具有更好的抗扰性能。

因此选择电容电流作为内环反馈变量。

（3）滤波电容的选择

若令x为滤波电容吸收的无功功率占系统功率的百分比值，则有：

其中：

设计时，先按照5%的百分比算出电容最大值，而电容初选值一般可选择为此最大值的一半。

滤波电感的选择：

利用桥臂电感与电容组成的LC滤波器，并利用LC滤波器的谐振频率与开关频率的关系初步确定桥臂侧电感L的取值，即：

。

之后利用仿真验证LC滤波器的滤波效果，调整L取值使其电感电流脉动幅值达到桥臂电流脉动的最大允许值。

（摘自LCL滤波器的设计）

5基于LCL滤波器的PWM整流器的控制策略

基于LCL滤波器的PWM整流器一般采用直流电压外环，网侧电流中环，电容电流内环的三环控制策略。

VSR的主要任务是通过对网侧电流幅值和相位的跟踪控制来实现VSR的功率控制。

因此要对输出电流进行闭环控制。

针对网侧电流的控制，系统中存在电网电压和直流侧电压两个扰动量。

电网电压的扰动可以通过对电网电压的前馈进行抑制。

为了抑制

波动对输出的影响，一种简单的方法是对

进行检测，在控制程序中加入

的解耦环节；另外一种可行的方法是引入

闭环控制，使直流侧电压跟随指令信号稳定在所需要的大小。

采用LCL滤波器的主要目的是利用相对较小的滤波电感来有效滤除PWM高频谐波，因而这种拓扑结构在大功率场合应用可显著减小输出滤波器的体积、损耗和成本。

然而，LCL滤波器具有三阶的传递函数，自身存在谐振的可能，这样便会影响到系统的稳定性。

一般采用在已有控制策略的基础上增加阻尼作用来解决这个问题。

增加阻尼方法分为两种：

一种是无源阻尼法，它是通过在滤波网络上增加电阻（如在电容上串联电阻）来使系统稳定，这种方法稳定可靠，在工业中被广泛应用。

从控制特性，滤波特性，阻尼特性及功率损耗的角度综合分析，电容支路串联电阻的综合性能要优于网侧电感串电阻，网侧电感并电阻和电容支路并电阻。

单纯的通过加入阻尼电阻是可以令系统稳定运行的，但是由于阻尼电阻所引入的损耗使得系统效率降低，在高压大功率场合阻尼电阻发热严重，可能还需要强制风冷。

第二种方法是有源阻尼法，是通过构建一定的控制结构并通过控制算法来提高系统的阻尼，因此没有附加的系统损耗，从而提高了系统的效率。

然而，有源阻尼控制一般需要增加电压或电流传感器，并且控制系统结构相对复杂，这在一定程度上限制了有源阻尼的应用，但出于提高系统效率的考虑，有源阻尼有逐步取代无源阻尼的趋势和潜力。

对于基于LCL滤波器的VSR而言，可以通过多环控制策略来实现有源阻尼控制，例如采用三环控制策略：

外环为直流侧电压控制环（稳定直流电压）；内环为输出电流控制环（有功、无功电流控制）；内环是在中环的基础上引入交流侧LCL滤波器中的某一变量的反馈控制，以提高系统的稳定性。

显然，内环实际上起到了有源阻尼控制的作用。

通过比较分析可知，当以网侧电感电压，电容电压或逆变器侧电感电压作为内环反馈变量时，所购建的基于单位调节器的系统内环是不稳定的；而当以电容电流和逆变器侧电感电流作为反馈变量时，系统内环是稳定的。

进一步比较发现，以电容电流作为反馈变量时，系统阻尼比可在较大范围内选择，因此可以选择其作为内环反馈变量。