背靠背变换器的仿真研究毕业论文.doc

1、毕 业 设 计 （ 论 文 ）题 目 背 靠 背 变 换 器 的 仿 真 研 究 专 业 电 气 工 程 及 其 自 动 化 赵 良 辰 ：背 靠 背 变 换 器 的 仿 真 研 究背 靠 背 变 换 器 的 仿 真 研 究摘 要背 靠 背 电 压 源 型 变 换 器 在 轻 型 直 流 输 电 系 统 ， 变 速 恒 频 风 力 发 电 系 统轻 型 直 流 输 电 系 统 以 及 电 动 机 变 频 调 速 中 有 着 越 来 越 重 要 的 作 用 。PWM 整 流 -PWM 逆 变 形 式 的 背 靠 背 VSC 不 仅 具 有 良 好 的 输 出 性 能 ， 更具 有 良 好 的 输

2、 入 性 能 ， 可 获 得 任 意 功 率 因 数 的 正 弦 输 入 电 流 ， 且 具 有 能量 双 向 流 动 的 良 好 能 力 。介 绍 了 背 靠 背 电 压 源 型 变 流 器 在 dq 同 步 旋 转 坐 标 系 下 的 动 态 数 学 模型 、 背 靠 背 电 压 源 型 变 流 器 与 两 端 交 流 系 统 互 联 时 的 功 率 交 换 控 制 原 理 。设 计 了 基 于 直 接 电 流 控 制 的 双 闭 环 控 制 器 ， 实 现 了 有 功 功 率 和 无 功 功 率的 解 耦 控 制 ， 基 于 系 统 传 递 函 数 ， 采 用 极 点 配 置 的 PI

3、参 数 设 计 方 法 ， 使控 制 器 的 期 望 性 能 指 标 与 PI 参 数 之 间 建 立 了 直 接 的 量 化 关 系 。最 后 ， 利 用 PSCAD 软 件 搭 建 了 背 靠 背 VSC 变 换 器 控 制 仿 真 模 型 ，最 终 通 过 对 背 靠 背 VSC 与 两 端 交 流 系 统 的 功 率 交 换 进 行 控 制 仿 真 ， 验 证了 所 设 计 控 制 器 的 有 效 性 。关 键 词 ： 背 靠 背 电 压 源 型 变 换 器 、 dq 轴 解 耦 控 制 、 直 接 电 流 控 制西 安 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （论 文 ）Abst

4、ractBack-to-back voltage source converter is becoming more and more important in new fields such as VSCF wind power generator system and HVDC light. back-to-back VSC in the form of PWM rectifier-PWM inverter not only has good output performance, but also has good input performance,and it can obtain

5、sinusoidal input current with any power factor as well as a bidirectional energy flow.The dynamic mathematical model for back-to-back VSC under dq synchronous reference frame is represented as well as the power exchange control principle between converters and two side ac systems.t A dual closed loo

6、p controller based on direct current control strategy is designed for active power and reactive power exchange between the converter and two side ac systems, active power control and reactive power control are decoupled. According to the system transfer function, the direct quantitative relationship

7、 is established between the desired performance targets and PI parameters based on pole-assignment for PI parameters design method.Finally, power exchange control simulation model for back-to-back VSC based on PSCAD is set up, Power exchange control between back-to-back VSC and two side ac systems i

8、s simulated, the validity of the proposed controller is demonstrated by the simulation results.Keywords: back-to-back voltage source converter, dq axis decoupled control, direct current control西 安 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （论 文 ）I目 录第 1 章 绪 论 11.1 选 题 背 景 及 意 义 11.2 背 靠 背 VSC 的 研 究 现 状 11.2.1 背 靠 背 VSC

9、的 应 用 情 况 11.2.2 VSC 控 制 策 略 的 研 究 现 状 5第 2 章 背 靠 背 VSC 的 数 学 模 型 62.1 背 靠 背 VSC 的 工 作 原 理 62.2 背 靠 背 VSC 的 数 学 模 型 10第 3 章 背 靠 背 VSC 的 控 制 器 设 计 113.1 背 靠 背 VSC 的 上 层 控 制 策 略 113.2 背 靠 背 VSC 的 控 制 器 设 计 123.2.1 背 靠 背 VSC 内 环 电 流 控 制 器 设 计 123.2.2 背 靠 背 VSC 直 流 电 压 控 制 器 设 计 153.2.3 背 靠 背 VSC2 侧 控 制

10、 器 设 计 183.3 本 章 小 结 20第 4 章 背 靠 背 VSC 仿 真 运 行 结 果 224.1 背 靠 背 VSC 系 统 功 率 控 制 仿 真 建 模 224.1.1 锁 相 环 224.1.2 dq 变 换 模 块 234.1.3 调 制 波 发 生 模 块 234.1.4 上 层 控 制 模 块 244.1.4 PWM 发 生 模 块 254.2 背 靠 背 VSC 系 统 功 率 控 制 仿 真 结 果 284.2.1 直 流 电 压 控 制 仿 真 结 果 284.2.2 VSC1 侧 无 功 功 率 控 制 仿 真 结 果 28赵 良 辰 ：背 靠 背 变 换

11、器 的 仿 真 研 究II4.2.3 VSC2 侧 有 功 功 率 控 制 仿 真 结 果 304.2.4 VSC2 侧 无 功 功 率 控 制 仿 真 结 果 31结 论 33致 谢 22参 考 文 献 32附 录 42西 安 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （论 文 ）1第 1 章 绪 论1.1 选 题 的 背 景 及 意 义目 前 ， 以 全 控 型 器 件 和 PWM 技 术 为 特 征 的 背 靠 背 电 压 源 型 变 流 器（ VoltageSource Converter, VSC） ， 由 于 具 有 能 够 实 现 能 量 的 双 向 流 动 、有 功 功 率

12、和 无 功 功 率 可 独 立 控 制 、 产 生 的 谐 波 含 量 小 、 直 流 电 压 可 控 等诸 多 优 点 ， 在 节 能 与 新 能 源 备 受 重 视 的 当 今 社 会 ， 已 成 为 变 速 恒 频 风 力发 电 系 统 、 轻 型 直 流 输 电 系 统 及 电 动 机 变 频 调 速 技 术 的 核 心 ， 从 而 得 到了 广 泛 的 关 注 15。近 年 来 ， 许 多 学 者 对 于 变 流 器 的 控 制 技 术 进 行 了 深 入 研 究 ， 取 得 了 一些 成 果 。 背 靠 背 电 压 源 型 变 流 器 应 用 于 上 述 领 域 时 ， 其 控 制

13、 目 标 是 实 现两 端 交 流 系 统 功 率 的 相 互 交 换 ， 系 统 的 整 体 工 作 性 能 不 仅 取 决 于 控 制 器的 稳 定 性 、 快 速 性 和 精 确 性 ， 而 且 与 主 电 路 结 构 及 参 数 有 关 ， 而 控 制 器的 性 能 则 决 定 于 控 制 策 略 和 控 制 器 参 数 选 择 的 优 劣 。 因 此 ， 对 于 背 靠 背 VSC 的 控 制 器 如 何 设 计 ， 控 制 器 参 数 如 何 选 取 以 满 足 控 制 目 标 的 要 求 、主 电 路 参 数 对 系 统 运 行 特 性 有 何 影 响 等 内 容 进 行 深 入

14、 的 分 析 和 研 究 ， 对于 背 靠 背 VSC 的 实 际 运 行 有 重 要 的 指 导 意 义 。1.2 背 靠 背 VSC 的 研 究 现 状1.2.1 背 靠 背 VSC 的 应 用 情 况a.背 靠 背 VSC 在 变 速 恒 频 风 力 发 电 中 的 应 用在 能 源 短 缺 、 环 境 污 染 日 益 严 重 的 今 天 ， 充 分 开 发 、 利 用 可 再 生 能源 是 解 决 能 源 与 环 境 问 题 的 最 优 选 择 ， 其 中 风 能 的 利 用 又 是 目 前 最 具 有现 实 意 义 的 方 案 。 对 此 ， 世 界 各 国 均 高 度 重 视 、

15、大 力 发 展 ， 使 得 风 电 机组 的 装 机 容 量 和 在 电 能 生 产 中 所 占 比 重 均 迅 速 增 长 。 此 外 ， 随 着 风 电 机组 单 机 容 量 的 不 断 扩 大 ， 如 何 最 大 限 度 地 利 用 风 能 、 提 高 发 电 效 率 已 经成 为 风 力 发 电 的 重 要 研 究 内 容 。 变 速 恒 频 发 电 方 式 已 成 为 风 电 技 术 的 主流 ， 其 中 采 用 变 频 器 交 流 励 磁 的 双 馈 异 步 发 电 系 统 更 是 当 前 的 主 要 技 术赵 良 辰 ：背 靠 背 变 换 器 的 仿 真 研 究2方 案 67。由

16、 于 PWM 整 流 -PWM 逆 变 形 式 的 背 靠 背 VSC 不 仅 有 良 好 的 输出 性 能 ， 更 具 有 良 好 的 输 入 性 能 ， 可 获 得 任 意 功 率 因 数 的 正 弦 输 入 电 流 ，且 具 有 能 量 双 向 流 动 的 能 力 。 更 为 重 要 的 是 根 据 目 前 商 品 化 自 关 断 功 率器 件 的 功 率 等 级 ， 可 以 满 足 兆 瓦 级 变 速 恒 频 风 力 发 电 机 组 转 子 交 流 励 磁的 需 要 ， 有 着 现 实 的 工 程 应 用 价 值 ， 因 此 在 变 速 恒 频 双 馈 异 步 发 电 系 统中 可 作

17、 为 一 种 满 足 交 流 励 磁 要 求 的 理 想 变 频 电 源 。由 于 在 变 速 恒 频 双 馈 风 力 发 电 系 统 的 运 行 过 程 中 ， 两 个 PWM 变流 器 的 工 作 态 经 常 变 换 ， 通 常 不 再 以 它 们 工 作 于 整 流 或 逆 变 的 状 态 来 区分 它 们 ， 而 是 按 它 们 的 位 置 分 别 称 之 为 网 侧 PWM 变 流 器 和 转 子 侧 PWM 变 流 器 ， 交 流 励 磁 双 馈 风 力 发 电 系 统 结 构 如 图 1-1 所 示 。齿轮箱转子侧变换器网侧侧变换器电网A CD C D CA C图 1-1 变 速

18、 恒 频 交 流 励 磁 双 馈 异 步 发 电 系 统 结 构 示 意 图在 具 体 的 运 行 控 制 过 程 中 ， 网 侧 PWM 变 流 器 的 任 务 主 要 有 两 个 ：一 是 保 证 良 好 的 输 入 特 性 ， 即 输 入 电 流 的 波 形 接 近 正 弦 ， 谐 波 含 量 少 ，功 率 因 数 符 合 要 求 ， 理 论 上 网 侧 PWM 变 流 器 可 获 得 任 意 可 调 的 功 率 因数 ， 这 就 为 整 个 系 统 的 功 率 因 数 的 控 制 提 供 了 另 一 个 途 径 ； 二 是 保 证 直流 母 线 电 压 的 稳 定 ， 直 流 母 线

19、电 压 的 稳 定 是 两 个 PWM 变 流 器 正 常 工 作的 前 提 ， 是 通 过 对 输 入 电 流 的 有 效 控 制 来 实 现 的 。 转 子 侧 变 流 器 的 作 用是 也 主 要 分 两 个 方 面 ： 一 是 给 双 馈 异 步 发 电 机 的 转 子 提 供 励 磁 分 量 的 电流 ， 从 而 可 以 调 节 定 子 侧 所 发 出 的 无 功 功 率 ； 二 是 通 过 控 制 双 馈 异 步 发电 机 转 子 转 矩 分 量 的 电 流 控 制 转 速 或 控 制 定 子 侧 所 发 出 的 有 功 功 率 ， 从西 安 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设

20、 计 （论 文 ）3而 使 双 馈 异 步 发 电 机 运 行 在 风 力 机 的 最 佳 功 率 曲 线 上 ， 实 现 最 大 风 能 追踪 （ 捕 获 ） 运 行 。b.背 靠 背 VSC 在 轻 型 直 流 输 电 系 统 中 的 应 用轻 型 直 流 输 电 （ HVDC Light） 技 术 采 用 全 控 型 器 件 IGBT（ 绝 缘 栅双 极 晶 体 管 ） 和 PWM（ 脉 宽 调 制 ） 技 术 组 成 的 电 压 源 换 流 器 进 行 换 流 ，可 以 工 作 在 无 源 逆 变 方 式 ， 不 需 要 外 加 换 相 电 压 ， 从 而 克 服 了 传 统 HVDC

21、 受 端 必 须 是 有 源 网 络 的 根 本 缺 陷 。 由 于 其 传 输 容 量 比 传 统 的 小 ，装 置 结 构 简 单 ， 因 此 称 为 轻 型 直 流 输 电 。 全 控 型 器 件 的 应 用 赋 予 了 HVDC Light 一 些 传 统 HVDC 无 法 比 拟 的 优 点 ， 例 如 可 以 向 无 源 网 络 供电 ， 同 时 独 立 控 制 有 功 功 率 和 无 功 功 率 ， 动 态 补 偿 交 流 母 线 的 无 功 功 率 ，稳 定 直 流 母 线 电 压 等 ， 甚 至 能 够 在 一 侧 交 流 系 统 故 障 的 条 件 下 仍 然 通 过另 一

22、 侧 输 送 功 率 ， 还 可 以 构 成 并 联 多 端 直 流 系 统 。 目 前 在 瑞 典 、 丹 麦 、澳 大 利 亚 和 美 国 等 国 家 已 建 成 了 7 个 轻 型 HVDC 工 程 8-9， 其 主 要 适用 于 向 孤 立 的 远 方 小 负 荷 区 供 电 、 风 力 发 电 站 或 小 型 水 电 站 与 主 网 的 联结 等 。 轻 型 直 流 输 电 系 统 结 构 如 图 1-2 所 示 。LRLRLREaEbEcVaLRVbVcLRLR交流系统 1 交流系统 2图 1-2 轻 型 直 流 输 电 系 统 结 构 示 意 图轻 型 直 流 输 电 系 统 中

23、 的 背 靠 背 VSC 一 般 有 四 种 基 本 控 制 方 式 ：（ 1） 定 直 流 电 压 控 制 方 式 ， 用 以 控 制 直 流 母 线 电 压 和 输 送 到 交 流 侧 的无 功 功 率 ；（ 2） 定 直 流 电 流 （ 功 率 ） 控 制 方 式 ， 用 以 控 制 直 流 电 流 （ 功 率 ） 和 输送 到 交 流 侧 的 无 功 功 率 ；（ 3） 定 交 流 电 压 控 制 方 式 ， 仅 控 制 交 流 侧 母 线 电 压 ；（ 4） 变 频 率 控 制 方 式 ， 用 以 控 制 交 流 侧 频 率 ， 适 用 于 与 风 力 发 电 厂 连赵 良 辰 ：背

24、 靠 背 变 换 器 的 仿 真 研 究4接 。其 中 方 式 （ 1） 、 （ 2） 适 用 于 与 有 源 交 流 网 络 相 联 的 情 况 ， 方 式（ 3） 适 用 于 给 无 源 网 络 供 电 的 情 况 。 对 于 一 个 实 际 的 轻 型 直 流 输 电 系 统 ，需 有 一 端 采 用 定 直 流 电 压 控 制 ， 另 一 端 是 采 用 定 直 流 电 流 控 制 还 是 定 交流 电 压 控 制 则 取 决 于 所 联 的 交 流 网 络 是 有 源 网 络 还 是 无 源 网 络 。c.背 靠 背 VSC 在 电 动 机 变 频 调 速 中 的 应 用背 靠 背

25、变 流 系 统 基 于 交 -直 -交 结 构 ， 输 入 端 采 用 PWM 可 控 整 流 ，输 出 端 采 用 PWM 逆 变 ， 与 传 统 采 用 二 极 管 不 控 整 流 的 变 流 系 统 相 比 具有 可 以 实 现 网 侧 电 流 正 弦 化 ， 且 可 实 现 网 侧 单 位 功 率 因 数 ， 便 于 控 制 直流 母 线 电 压 的 泵 升 ， 能 量 可 双 向 流 动 ， 可 将 电 机 制 动 产 生 的 能 量 回 馈 电网 ， 实 现 电 机 四 象 限 运 行 等 诸 多 优 点 10-11， 背 靠 背 变 流 系 统 如 图 1-3 所示 。M3L R

26、L RL REaEbEc图 1-3 背 靠 背 变 流 系 统 结 构 示 意 图根 据 能 量 的 流 向 ， 背 靠 背 变 流 系 统 运 行 状 态 可 以 分 为 两 种 ：1、 能 量 由 三 相 交 流 电 网 流 向 电 动 机 负 载 当 电 动 机 处 于 拖 动 运 行 状态 时 ， 能 量 由 交 流 电 网 经 系 统 中 的 VSC1 流 向 VSC2。 此 时 ， VSC1 工 作 在 整 流 状 态 下 ， 使 用 PWM 方 式 控 制 交 流 网 侧 的 电 流 与 电 网 相 电 压同 相 位 ， 实 现 单 位 功 率 因 数 整 流 ； VSC2 工 作 在 逆 变 状 态 下 ， 逆 变 桥 开关 元 件 在 PWM 控 制 下 ， 输 出 频 率 与 幅 值 可 调 的 正 弦 电 压 信 号 ， 实 现 交流 电 机 的 变 频 调 速 。2、 电 动 机 再 生 能 量 馈 入 三 相 交 流 电 网 在 变 频 调 速 过 程 中 ， 当 电 动机 处 于 减 速 运 行 时 ， 由 于 负 载 惯 性 作 用 进 入 发 电 状 态 。 此 时 ， VSC2 工