VSC變流器直接功率控制策略研究與仿真

周碧英

（渭南師范學院 數學與信息科學學院，陜西 渭南 714000）

VSC變流器直接功率控制策略研究與仿真

周碧英

（渭南師范學院 數學與信息科學學院，陜西 渭南 714000）

電壓源換流器（VSC）在電機變頻調速、柔性交流輸電及高壓直流輸電中得到了廣泛的應用。通過增加電平數可提高輸出電壓和減少諧波含量，達到電力系統(tǒng)應用容量要求，是VSC控制研究的重要方向。本文在分析VSC數學模型的基礎上，提出了直接功率控制策略，并在MATLAB/Simulink中進行了仿真分析，結果表明所提出的控制策略可對輸出功率進行有效控制。

VSC；數學模型；開關函數；直接功率

電壓源換流器 （Voltage Source Converter，VSC）的拓撲結構主要有兩種[1]，一種是傳統(tǒng)的三相全橋換流器；另一種是多電平換流器。在較低的開關頻率下，通過增加電平數來提高輸出電壓和減少諧波含量，達到電力系統(tǒng)應用時的容量要求。

電子技術的迅猛發(fā)展，電力電子器件由早期的不控二極管、半控型晶閘管，發(fā)展到后來的全控型GTO、MOSFET、IGBT，到目前的IGCT、EGCT以及保護驅動一體化的IPM，開關頻率逐步增大，功率等級不斷提高，動態(tài)性能更加優(yōu)異[2-4]。器件的進步促使電力電子變流裝置迅速更新，出現以PWM控制方式為基礎的各類變流裝置，例如交流變頻器、開關電源、UPS、斬波式脈沖電源等[5-6]。在AC-DC整流領域，針對功率因數低的這一問題，利用全控型功率器件構成的高功率因數PWM整流器上，從整流設備本身入手，改造其成為綠色負載，從源頭上消除對電網的污染，才是諧波抑制與無功補償的根本解決途徑。

1　VSC的工作原理

對于圖1所示VSC可逆PWM整流器，由交流輸入側三相對稱電壓源、電感L、三對全控型功率器件，直流側輸出電容C構成。系統(tǒng)的變流過程為：通過控制六個功率器件的通斷，將三相交流電能變換為直流電能，輸出電壓保持為一穩(wěn)定值，同時使得交流側各相電流為正弦波，且與各相電壓同相位，實現功率因數為1。

圖1　三相可逆VSC整流器Fig.1　Three-phase reversible rectifier VSC

2　VSC在三相靜止坐標系下的數學模型

假定三相交流電壓源對稱且無中線，則僅對A相進行分析即可，列寫回路電壓方程

其中，當a相橋臂上管導通時Sa=1，下管導通時Sa=0。

對于三相無中線系統(tǒng)，應有

式（5）、式（6）相加整理可得

該式表明，N點對O點電位與直流側電壓Udc、開關狀態(tài)Sk有關。

對于電容支路，應用KCL定律，有如下方程

以X=[iaibicUdc]T為狀態(tài)變量，系統(tǒng)狀態(tài)方程為

其中

由于開關函數S的存在，模型式具有不連續(xù)、非線性、時變的特性，能夠準確描述VSC的動態(tài)行為。

3　直接功率控制策略

直接功率控制（DPC）結構簡單、動態(tài)響應快，是針對VSC變流器的一種獨特控制方法，控制結構如圖2。

圖2　DPC控制結構圖Fig.2　DPC control structure

控制系統(tǒng)包含一個PI形式的電壓調節(jié)器，當VSC系統(tǒng)工作于單位功率因數整流狀態(tài)時，

設Udc=Udcref+ΔUdc，代入式（11）

拉普拉斯變換后有

根據以上分析，可得DPC系統(tǒng)的傳遞函數模型如圖3，其中GPI（s）為待整定的電壓調節(jié)器傳遞函數。

圖3　DPC系統(tǒng)傳遞函數模型Fig.3　DPC system transfer function model

系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數為

4　仿真分析

利用Matlab/Simulink工具箱，建立VSC的直接功率控制仿真模型，對其進行研究。主電路模型結構如圖4所示。由三相對稱電壓源、進線電感、整流橋、輸出穩(wěn)壓電容、負載等組成，門端為六路觸發(fā)脈沖，由控制系統(tǒng)驅動輸出。

圖4　DPC控制策略的VSC主電路模型Fig.4　DPC control strategy VSC main circuit model

各仿真單元參主要數如表1所示。

表1　仿真參數Tab.1　Simulation parameters

系統(tǒng)啟動及其穩(wěn)態(tài)波形如圖5～圖8所示。

圖5　直流電壓響應曲線Fig.5　DC voltage response curve

系統(tǒng)能夠保證直流側輸出電壓跟隨給定，但電壓始終是有波動的，且交流輸入側電壓電流同相位，這是由于功率環(huán)是通過滯環(huán)控制器控制，最終反映在直流電壓，使其波動。電壓電流同相位，但電流波形質量不夠好。系統(tǒng)對有功和無功的控制是有效的，均能跟隨給定值。

圖6　交流輸入側a相電壓電流Fig.6　a phase AC input voltage and current

圖7　有功功率響應曲線Fig.7　Active response curve

5　結束語

文中VSC的基本工作原理進行了分析，在此基礎上建立了其三相數學模型，針對目前存在的問題，提出了直接功率控制策略，最后建立了仿真模型并分析了實驗結果，表明所提出的方法能有效對功率進行控制，驗證了系統(tǒng)的正確性和有效性。

圖8　無功功率響應曲線Fig.8　Reactive power response curve

[1]Dixon Juan W，Ol Boon Teck.Indirect current control of a unity power factor sinusoidal current boosttype three-phase rectifier[J].IEEE Trans on Industrial Electronics，1998，35 （4）:508-515..

[2]Jurgen.K.Sternke.Switching Frequency Optimal PWM Control of a Three-level Inv ert er[J].IEEE Trans on Power Electronics，1996，7（3）:487-496.

[3]侯朝勇，胡學浩，惠東．基于離散狀態(tài)空間模型的LCL濾波并網變換器控制策略[J]．中國電機工程學報，2011，31（36）: 8-15．

[4]吳振興，鄒旭東，黃清軍，等．三相電力電子負載并網變換器研究[J]．中國電機工程學報，2010，30（24）:1-7．

[5]Lascu C，Asiminoaei L，Boldea I，et al．Frequency response analysis of current controllers for selective harmonic compensation in active power filters[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56（2）:337-347．

[6]耿強，夏長亮，閻彥，等．電網電壓不平衡情況下PWM整流器恒頻直接功率控制[J]．中國電機工程學報，2010，30（36）: 79-85．

Research and simulation on VSC converter direct power control strategy

ZHOU Bi-ying
（School of Mathematics and Information Science，Weinan Normal University，Weinan 714000，China）

Voltage source converter（VSC）in the motor speed regulation，flexible AC and HVDC transmission has been widely used.By increasing the number of levels to improve and reduce the harmonic content of the output voltage to reach the capacity of the power system application requirements，VSC control is an important research direction.This paper analyzes the VSC mathematical model is proposed based on direct power control strategy，and in the MATLAB/Simulink in simulation analysis results show that the proposed control strategy can effectively control the output power.

VSC；mathematical model；switching function；direct power

TN102

A

1674－6236（2016）01-0178-03

2015-03-03稿件編號：201503049

陜西省軍民融合研究基金項目（15JMR14）；陜西省扶持學科數學學科基金資助項目（14SXZD0113）；渭南市科技創(chuàng)新扶持資金項目（2013KYJ-2）；渭南師范學院特色學科建設項目（14TSXK02）

周碧英（1978—），女，陜西大荔人，碩士，講師。研究方向：信號與信息處理、計算機測控。