三相电压型变流器的建模及双闭环控制系统设计研究

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1、三相电压型变流器的建模及双闭环控制系统设计研究1绪论1.1研究背景及意义随着技术的不断进步，推动了电力电子器件及控制技术的发展，也使得变流技术和装制等[1]在人们日常的生产、生活中扮演更重要的角色。在许多场合，都需要稳定且可调的直流电压或变频、逆变电源、高频开关电源等装置，而通过变流环节来对电压、电流进行控制是这些变换设备都需要的。在大量的变流设备中，利用半导体器件特性的晶闸管相控整流或者是二极管不控整流的应用较多，其优点是这种电路简单、可靠，但大量谐波注入电网及较多的无功功率消耗等问题愈发严重[2]，它们带给公用电网一系列严峻的问题[3]：(1)大量的谐波注入到电网，会导致

2、交流侧电流波形严重畸变的出现，功率因数必然因此而下降。(2)谐波的存在致使电气设备的绝缘老化速度加快，甚至会增加故障率。与此同时，它们还会导致误动作产生于继电保护装置，致使测量仪器出现了精度下降、干扰附近电子设备等问题。(3)由于大量的无功功率被这些设备所消耗掉，因此，为了维持电压，发电机不得不输送更多的无功功率，这样就降低了发电机的有功输出。不但增加了电网的负担和输电线路上的损耗，同时也增加设备容量及损耗。一些冲击性的无功功率负载甚至会致使电压产生强烈的波动，这必然导致电能质量的下降。此外，由于二极管变流是利用了其单向导电的性能，因此，无法实现四象限运行。这个缺点制约了传动

3、领域中再生能量的回馈，使得能量只能通过其他的途径消白白浪费掉[4]，这显然不符合当前社会中对绿色能源的定义。再次，许多精密仪器的大量使用也拔高了所需的供电质量的水平，在此压力下公共电网的谐波标准在许多国家都被制定出来了。在此背景下，怎样消除由电力电子装置引起的谐波污染、电能质量下降引起了越来越多的学者的关注。.........1.2电压型P变流器的研究现状对P变流器的分类依据较多，主要的分类方式有以电网相数（单相、三相及多相电路）、直流侧储能形式（电压型变流器和电流型变流器）、调制电平数（两电平、三电平及多电平电路）及P调制方式（硬开关和软开关调制）划分。但还是以直流侧储能形

4、式划分为电压型和电流型为最主流的一种分类。原因在于它们两者有对耦的关系存在于主电路结构上，且各自有与之对应的控制策略。这其中，应用最为广泛的则是以三相全桥为拓扑结构的电压型、电流型变流器。相比之下，电流型变流器要达到稳定的电压输出，就需要较大的电感，因而体积大，重量和损耗也相应的比较大。与此同时，串联的二极管（为了防止电流反向流动）也造成主电路较之电压型更复杂、损耗更大。相比之下，电压型P变流器在抑制浪涌电压能力方面有着更好的性能且结构相对简单，易于控制，所以是研究的重点，本文也是以电压型变流器为例展开论述。目前，建模、主电路拓扑结构及其控制策略是对VSC研究的核心。建模方面

5、，1988年基于坐标变换原理的P变流器连续、离散的数学模型被A.ao等人利用小信号的特性极大的简化了控制器的设计和系统的分析[10]。在国内，2004年四象限变流器在三相对称条件下的统一性建模及分析方法由张加胜与张磊提出[11]。为基于状态空间法的四象限变流器多相建模提供了一个具有一般性的统一模型。..........2三相电压型变流器工作原理及数学模型本章首先简要分析了P变流器具备四象限运行能力的原因，并介绍了电压型P变换器几种常见的拓扑结构。概述了三相电压型P变流器的原理，然后给出了三相VSC在不同坐标系中的数学模型。对三相VSC在不对称条件之下的一般建模及负序分量提取及

6、抑制方法进行了介绍。2.1电压型变流器的工作原理及拓扑结构在IGBT等功率器件性能的不断提升和调制技术的完善的推动下，P变流器的功能得到了扩展，实现了以前的不控整流和相控整流等无法实现的功能，如单功率因数的整流和逆变、四象限运行。由于其能使得网侧呈现受控电流源特性，因此可以根据不同的有功及无功分布而调整功率因数。而网侧的电压与电流相位差就决定了功率因数和运行的象限。当它们同向时，就是单功率因数整流，反之就是逆变。调整不同的角度就实现了四象限运行。图2.1所示为VSC的模型电路。主电路的构成包括交流侧回路、功率开关桥（分为电压型变流桥路或电流型变流桥路）及直流回路。器件个数则有

7、单相、三相半桥或全桥决定。直流侧回路由负载电阻LR和负载电动势LE组成。........2.2三相对称时不同坐标系下变流器的数学模型静态稳定性和动态响应性能是衡量对VSC控制性能的两个重要指标，而数学模型是P变流器及其控制技术研究的基础。因此，不同条件下合理的变流器数学模型的建立就显得至关重要。下面对三相电压型P变流器在不同坐标系下的建模进行介绍。三相VSC主电路拓扑如图2.5所示，建模前假设网侧三相电压对称，不考虑网侧电感的饱和效应，用等效损耗电阻与电感串联来替代开关损耗。通用数学模型的物理意义清晰明