30kVA背靠背四象限變流器功率交換控制策略研究

摘 要：電力電子器件的發(fā)展，使PWM變流器在交流變頻調(diào)速，輕型直流輸電換流器、DFIG勵磁系統(tǒng)等電力電子裝置中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。背靠背四象限變流器有四象限運(yùn)行，能量雙向流動，有功功率、無功功率可單獨控制的優(yōu)點。本文分析了基于IGBT的三相橋式背靠背變流器的工作原理，進(jìn)行了其與其他交交變換技術(shù)的優(yōu)劣比較，建立了數(shù)學(xué)模型，研究了其功率控制策略，并做了仿真分析。通過研究，建立了基于dq解耦控制的內(nèi)環(huán)電流控制器，外環(huán)功率控制器，以及SPWM控制器。通過采用規(guī)則采樣法的脈沖寬度調(diào)制，基于非線性反饋線性化設(shè)計了PWM的調(diào)制比、相移角控制。基于EMTDC/PSCAD仿真軟件對該功率控制器數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了仿真。在其中添加了一個小的瞬時性故障：BC兩相短路，以分析該控制系統(tǒng)的抗干擾能力。結(jié)果證明了所設(shè)計的控制器可以滿足控制精度的要求，具有良好的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞： 背靠背VSC；四象限運(yùn)行；dq解耦控制；功率控制策略；PSCAD仿真分析

1 引言

隨著傳統(tǒng)化石能源的過度開發(fā)和利用，風(fēng)能等清潔可再生能源發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)——AC-AC變換技術(shù)在新能源的開發(fā)和利用中逐漸走上了歷史舞臺并且取得了很好的技術(shù)突破。

傳統(tǒng)的變流技術(shù)使用二極管整流橋作為開關(guān)元件，有諸多的缺點。而應(yīng)用IGBT功率模塊后可以實現(xiàn)功率流向的四象限運(yùn)行，也消除了諧波對電力系統(tǒng)的污染。它能將回饋的電能送回電網(wǎng)中而不是設(shè)置電阻制動環(huán)節(jié)來使之變?yōu)闊崃堪装紫牡簦_(dá)到了徹徹底底的節(jié)能。因此背靠背四象限變流器具有可實現(xiàn)能量雙向流動、諧波危害小、功率因數(shù)高以及能夠使用恒定直流電壓來控制等優(yōu)點，這也使其被廣泛應(yīng)用于無功補(bǔ)償與有源電力濾波、統(tǒng)一潮流控制、高壓直流輸電、柔性交流輸電系統(tǒng)及太陽能、風(fēng)能等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電等的控制中。

2 電壓源型變流器電磁暫態(tài)建模

電流源型變流器：直流源總是在一個方向上流動，要想改變功率傳輸方向則可通過電壓極性的反向來實現(xiàn)，但在經(jīng)濟(jì)性和器件性能的方面上考慮，還是選用電壓源型變流器。

電壓源型變流器：直流電流始終只有一個極性，可通過改變直流電流的極性實現(xiàn)反向功率傳輸。傳統(tǒng)的變流器常由晶閘管構(gòu)成，由于其無關(guān)斷能力，只可能是使用電流型變流器。電壓源型變流器的輸出電流可以在任一方向流動，所以這種變流器的開關(guān)器件應(yīng)允許電流雙向流動。有一些可開通也可關(guān)斷的電力電子器件，例如IGBT與IGCT，將它們與二極管反并聯(lián)集成為一個整體，就可以用于電壓源型變流器開關(guān)元件組的構(gòu)成。

采用IGBT做整流橋，并對它的觸發(fā)脈沖波形進(jìn)行SPWM控制，就可以調(diào)整輸入功率因數(shù)，也能夠消除電網(wǎng)的諧波污染，實現(xiàn)背靠背變流器功率控制四象限的運(yùn)行，到達(dá)節(jié)能的效果。

2.1 電壓源型三項橋式全波變流器

如圖1，六個開關(guān)器件的脈沖按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60°。共陰極組VT1，VT3，VT5和共陽極組VT4，VT6，VT2的觸發(fā)脈沖也分別依次相差120.

2.2 IGBT的四象限變流器與其他AC-AC的變換技術(shù)的優(yōu)劣比較

晶閘管相控三相AC-AC變頻器，級聯(lián)式脈寬調(diào)制AC-DC-AC變換器，直接與間接矩陣AC-AC變換器，脈寬調(diào)制AC-AC斬波器，多電平AC-AC變換技術(shù)。上面這幾種AC-AC變換技術(shù)的主要缺陷有：可靠性低，控制復(fù)雜，網(wǎng)側(cè)電流諧波大以及沒有直流環(huán)節(jié)等。

3 背靠背電壓源型變流器電磁暫態(tài)建模

數(shù)學(xué)建模是研究功率控制策略的基礎(chǔ)，本章通過研究在abc與dq坐標(biāo)下背靠背四象限變流器主電路的數(shù)學(xué)建模，為后續(xù)功率控制策略的研究奠定了基礎(chǔ)。如圖1為背靠背四象限變流器網(wǎng)側(cè)VSC1主電路圖。其中的主要元件參數(shù)，要求較嚴(yán)格，過大或過小均不可。

（1）濾波電感：即輸入電抗器，在工作時存儲和釋放能量， 與IGBT的開通和關(guān)斷共同作用而產(chǎn)生了與輸入電壓相位一致的正弦電流波形。電感值增大，能減小輸入電流諧波，但過大會使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度變慢，也會削弱系統(tǒng)帶負(fù)載能力.與輸入電阻值的確定相關(guān)聯(lián)，因為阻抗角需要是一個固定的值，一般情況下4度左右為好。

（2）直流濾波電容：為兩端背靠背變流器提供電壓支撐，減小直流側(cè)諧波，緩沖IGBT關(guān)斷時產(chǎn)生的沖擊電流，并且在無功交換時，電容的儲能主要提供無功能量。電容值增大將減少直流電壓諧波含量，提升抗負(fù)載擾動的能力，但也會減弱系統(tǒng)響應(yīng)速度。

（3）續(xù)流二極管的作用是在IGBT管反向不導(dǎo)通時使電流在二極管中續(xù)流，防止IGBT被反向擊穿，防止設(shè)備損壞。

電氣回路中有IGBT，給數(shù)學(xué)模型的建立增添了困難。于是締造IGBT開關(guān)函數(shù)。為了避免變流器出現(xiàn)只有一相導(dǎo)通的故障，同一橋的上下兩個IGBT的導(dǎo)通關(guān)斷必須是互補(bǔ)的，即上臂導(dǎo)通必下臂關(guān)斷，反之亦然。

3.1 三相靜止坐標(biāo)系abc下數(shù)學(xué)建模

若需要建立理想化數(shù)學(xué)模型，需對實際情形做如下理想化假設(shè)：

（1）網(wǎng)側(cè)輸入為理想三相交流電源（等幅，相位依次相差120°，波形為理想三相正弦波）；（2）輸入電抗器是線性，不考慮它的飽和情況。（3）IGBT開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于交流側(cè)基波的頻率50Hz，且視開關(guān)元件為理想器件。

可見，在0.1s左右系統(tǒng)交流側(cè)電壓先穩(wěn)定于額定值，之后再向設(shè)定值逼近。有功功率起初有小擾動，經(jīng)過0.3s左右穩(wěn)定于標(biāo)幺值0.66，經(jīng)過1.8s后才穩(wěn)定于1.初試振蕩較小。無功功率起初有大的波動，但很快趨于0.

6 結(jié)束語

PWM VSC變流技術(shù)的應(yīng)用已應(yīng)用于多個電氣領(lǐng)域，背靠背四象限變流器有四象限運(yùn)行、能量可以雙向流動、有功功率和無功功率可單獨控制的優(yōu)點。本文研究了基于IGBT的三相橋式背靠背變流器的工作原理，分析了其與其他交交變換技術(shù)的優(yōu)劣，對其功率控制策略進(jìn)行了研究，建模與仿真分析。通過分析，建立了基于dq解耦控制的內(nèi)環(huán)電流控制器，外環(huán)功率控制器，以及SPWM控制器。采用規(guī)則采樣法的脈沖寬度調(diào)制，基于非線性反饋線性化設(shè)計PWM的調(diào)制比、相移角控制。在性能仿真中添加了一個小故障BC兩相短路，分析該控制系統(tǒng)的抗干擾能力。結(jié)果證明了所設(shè)計的控制器可以滿足控制的要求，具有良好的穩(wěn)定性。

文章主要工作如下：（1）通過park變換建立在abc坐標(biāo)系與dq坐標(biāo)系的背靠背變流器的電磁暫態(tài)建模。（2）分析并建立了功率控制器的內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)，外環(huán)功率環(huán)節(jié)，SPWM控制器等。（3）運(yùn)用PSCAD仿真進(jìn)行了功率控制的性能分析。

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