基于VSG的逆变器

华北电力大学现代电力电子技术结课论文第 1 页 共 6 页基于 PWM技术的有功功率可控 VSC设计摘 要PWM 即为脉冲宽度调制，它通过对一系列的脉冲宽度进行调制，来获得所需要的等效波形， 包括幅值和形状。 其基本思想源于采样理论中的面积等效原理，即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。 随着电力电子技术的发展， 技术广泛用于控制全控型器件的通断。 为保持电压源换流器输出的交流电压接近接近正弦， 本文采用调制技术， 即在 PWM 的基础上通过改变调制脉冲方式，使脉冲宽度时间占空比呈正弦规律排列。脉冲波数越多，其输出波形越接近正弦。当 VSC 采用 PWM 技术时， δ 即为调制波的相角， UC与 PWM 的调制比 M 成正比。所以，利用 PWM 调制波的相角和调制比就能分别对 VSC 输出的有功功率和无功功率进行控制。关键词： PWM 技术； VSC；功率可控1.VSC的数学模型定义 uca、 ucb、 ucc分别为换流器端三相电压瞬时值， usa、 usb、 usc分别为交流系统侧三相电压瞬时值， ia、 ib、 ic 分别为流过换流器的三相电流， udc 为直流侧电压， L 为换流变压器电感，为换流器和变压器电阻损耗。由图可得交流侧三相动态微分方程：as a a c abs b b c bcs c c c cdiu L Ri udtdiu L Ri udtdiu L Ri udt（ 1-1）整理，且写成矩阵形式：a sa a cab sb b cbc sc c cci u i udL i u R i udt i u i u （ 1-2）由于处于三相静止坐标系的上述数学模型所涉及的变量太多， 解析时比较困难，为了简化分析和方便研究， 需要将其进行坐标变换， 即将三相静止坐标系描述的矢量用两相旋转坐标系来表示。其核心为， 寻找一个变换矩阵， 基于变换前后功率保持不变的原则， 根据研究对象选取不同的坐标系， 使得经过变换后新坐标系下的表达方程式中某些变量变成零， 达到降阶解耦的目的。 从三相静止坐标系 abc到两相旋转坐标系 dq 的变换矩阵及其逆变换矩阵为：华北电力大学现代电力电子技术结课论文第 2 页 共 6 页2 2cos cos( ) cos( )3 32 2 2sin sin( ) sin( )3 3 31/ 2 1/ 2 1/ 2t t tT t t t （ 1-3）1cos sin 12 2cos( ) sin( ) 13 32 2cos( ) sin( ) 13 3t tT t tt t（ 1-4）经变换后可得式100 0 0 0dqsdq dq cdq dqdi dTL u Ri u T idt dt （ 1-5）由于三相对称系统中无零序分量，则上式可写成00d sd d cd dq sq q cq qi u i u idL R Li u i u idt （ 1-6）根据瞬时功率理论， 旋转坐标系下换流站与交流系统交换的有功功率和无功功率为3 ( )23 ( )2sd d sq qsd q sq dP u i u iQ u i u i（ 1-7）通过向量定位，可以进一步简化其数学模型。当 d 轴以电网电压向量定位时，usq=0，则上式可写成3232sd dsd qP u iQ u i（ 1-8）在交流系统比较大时， usd为恒定值。由此可知，经过 dq 转换后，可以通过控制 id、 iq来分别控制有功功率和无功功率，达到了功率解耦独立控制的目的。2. 控制系统设计图 1 为 VSC 控制基本原理图。其中 A 参考为有功功率类控制量， B 参考为华北电力大学现代电力电子技术结课论文第 3 页 共 6 页无功功率类控制量。整个控制器由内环电流控制器、外环电压控制器、 锁相同步环节和触发脉冲生成环节等几个部分组成。 内环电流控制器用于实现换流器交流侧电流波形和相位的直接控制， 以快速跟踪电流。 外环电压控制则用来实现定有功功率控制。 锁相环节输出的相位信号用于提供电压矢量定向控制和触发脉冲生成所需的基准相位。 触发脉冲生成环节是根据 PWM 原理， 利用电流环输出的参考电压和同步相位信号产生换流器各桥臂的触发脉冲。PI PI& 解耦算法PI PI& 解耦算法VSC阀PI& 解耦算法+ - + -+ - + -d-qabcUarefUbrefUcrefI aI bI cUa Ub U cia ib icA 类参考A 测量B类参考B测量UdUqIdI d测量IqIq测量d-qabc图 1 VSC控制基本原理图2.1 内环电流控制器设计sdsd sq sd dsqsq sd sq qdiL Ri i u udtdiL Ri i u udt（ 2-1）式中， usd、 usq分别为电压源电压的 d、 q 分量； ud、 uq 分别为电压源换流器交流侧电压基波的 d、 q 轴分量； isd、 isq分别为电网电流的 d、 q 轴分量， R、 L是连接变压器加相电抗器的等效电阻及等效电感。 d、 q 轴电流除受控制量 ud、uq 的影响外，还受到电压交叉耦合相 ω Li sd、 ω Li sq和电压源电压 usd、 usq的影响。为消除 d、 q 轴之间的电流耦合和电压源电压扰动， 现将式 （ 2-1） 改写为式 （ 2-2） ，即得到换流器交流侧期望输出的基波电压量 d sd d qq sq q du u u uu u u u（ 2-2）华北电力大学现代电力电子技术结课论文第 4 页 共 6 页式中， sdd sdsqq sqdiu L Ridtdiu L Ridt， q sqd sdu Liu Li由式（ 2-1）可知， Δ ud、 Δ uq 是仅有 d 轴、 q 轴电流分量线性方程，可以作为电流耦合反馈加入控制器，这样就可以实现 d 轴、 q 轴电流分量的独立解耦控制， 且控制器结构简单， 容易实现。 同时， 还可以对电压源电压、 进行前馈补偿，有利于减小系统电压扰动，提高动态性能。由此得到如图所示内环解耦控制器。电流参考值 id_ref、 iq_ref 由外环控制回路产生， 经内环控制回路产生参考电压 udq_ref。 最后， udq_ref 经坐标变换成触发 PWM控制器所需的参考电压 uabc_ref。Kp+K i/sKp+K i/sω Lω L触发脉冲生成isdref+-+-+--++-isdisqisqrefusdudrefuqrefusqud同步信号图 2 VSC内环解耦控制器2.2 外环有功功率控制取电压源电压矢量 Us的方向为 d 轴方向，有 Usd=Us（ Us为电网电压空间矢量的模值） ， usq=0，则3232s sds sqp U iq U i(2-3) 因此可以通过 isd控制 p， 从而实现有功功率和独立调节。 为了消除稳态误差，引入 PI 调节器，则有功功率控制器结构如图所示。华北电力大学现代电力电子技术结课论文第 5 页 共 6 页Kp+K i/sPref+-Pi dmaxidminisdref图 3 外环有功功率控制器图 3 中有功功率与有功功率指令值的偏差经 PI 调节，转换为有功电流的参考量 isdref。3. 仿真分析初始状态下，有功功率给定值为 1；在 1s 时，有功功率给定值为 -1。 iq 给定值始终为 0。如图 4 所示，从左至右依次为 dq 轴电压 ud、 uq， dq 轴电流 id、 iq，VSC 发出的功率 P 和 Q，直流侧电流 i，直流侧电压电压 udc。从图中可以看出在 0 到 1 秒， P 给定为 1， ud 值为 1 左右， id值为 0.7 左右，根据式（ 2-3）得 P 约为 1，交流侧向直流侧传输有功功率， VSC 处于整流状态；由于 iq值给定为 1，故 uq、 iq 始终为 0。在 1 到 2 秒， P 给定为 -1， ud 值仍为 1，id 值则变为 -0.7 左右，根据式（ 2-3）的 P 约为 -1，逆变器直流侧电压 udc 降低，直流侧向交流侧传输有功功率， VSC 处于有源逆变状态。0 0.5 1 1.5 2-1012timeudq0 0.5 1 1.5 2-202timeidq0 0.5 1 1.5 2-505timeP&Q0 0.5 1 1.5 2-500005000timei0 0.5 1 1.5 22.533.5 x 105timeud图 4 仿真波形图4. 总结本文分析和研究了 VSC 的基本原理及数学模型，给出了定有功功率的控制策略并在 MATLAB/Simulink 仿真平台进行了仿真分析。仿真结果表明根据内环华北电力大学现代电力电子技术结课论文第 6 页 共 6 页电流控制和外环功率控制的控制策略，并通过 PWM 对 VSC 开通关断进行控制的方法能够对 VSC 的有功功率控制起到一定的作用。5. 参考文献[1] 孙文博 .多端柔性直流输电系统及控制策略研究 .[华北电力大学硕士学位论文 ].华北电力大学， 2012,03 [2] 丁一平 . 柔性直流输电技术在风电并网中的应用研究 .[长沙理工大学硕士学位论文 ].长沙理工大学， 2012,04 6. 致谢本论文是在学习了两个月现代电力电子技术课程后完成的， 衷心感谢王毅老师两个月来的指导。 通过两个月的电力电子课程学习， 使我对当前高压直流输电的课题背景和基本原理有了进一步的了解， 同时我还要感谢孟建辉老师和师兄以及同学们对我仿真方面的指导。 借此论文完成之际， 谨向两位老师致以诚挚的敬意和深深的感谢！