【正文】 畢業(yè)設(shè) 計(jì)（ 論 文） 題 目 背靠背變換器的仿真研究 專(zhuān) 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 趙良辰：背靠背變換器的仿真研究 背靠背變換器的仿真研究 摘 要 背靠背電壓源型變換器在輕型直流輸電系統(tǒng)，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輕型直流輸電系統(tǒng)以及電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速中有著越來(lái)越重要的作用。 PWM整流 PWM 逆變形式的背靠背 VSC 不僅具有良好的輸出性能，更具有良好的輸入性能，可獲得任意功率因數(shù)的正弦輸入電流，且具有能量雙向流動(dòng)的良好能力。 介紹 了背靠背電壓源型變流器在 dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 、 背靠背電壓源型變流器與兩端交流系統(tǒng)互聯(lián)時(shí)的功率交換控制原理。設(shè)計(jì)了基于直接電流控制的雙閉環(huán)控制器，實(shí)現(xiàn)了有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，基于系統(tǒng)傳遞函數(shù)，采用極點(diǎn)配置的 PI 參數(shù)設(shè)計(jì)方法，使控制器的期望性能指標(biāo)與 PI 參數(shù)之間建立了直接的量化關(guān)系。 最后，利用 PSCAD 軟件搭建了背靠背 VSC 變換器控制仿真模型，最終通過(guò)對(duì)背靠背 VSC 與兩端交流系統(tǒng)的功率交換進(jìn)行控制仿真，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制器的有效性。 關(guān)鍵詞： 背靠背電壓源型變換器、 dq 軸解耦控制、直接電流控制 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Abstract Backtoback voltage source converter is being more and more important in new fields such as VSCF wind power generator system and HVDC light. backtoback VSC in the form of PWM rectifierPWM inverter not only has good output performance, but also has good input performance,and it can obtain sinusoidal input current with any power factor as well as a bidirectional energy flow. The dynamic mathematical model for backtoback VSC under dq synchronous reference frame is represented as well as the power exchange control principle between converters and two side ac A dual closed loop 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 is established between the desired performance targets and PI parameters based on poleassignment for PI parameter′s design method. Finally, power exchange control simulation model for backtoback VSC based on PSCAD is set up, Power exchange control between backtoback VSC and two side ac systems is simulated, the validity of the proposed controller is demonstrated by the simulation results. Keywords: backtoback voltage source converter, dq axis decoupled control, direct current control 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 目 錄 第 1章 緒論 …………………………………………………………………1 選題背景及意義 ………………………………………… ……………1 背靠背 VSC 的研究現(xiàn)狀 ……………………………………………1 背靠背 VSC 的應(yīng)用情況 …………………………………………1 VSC 控制策略的研究現(xiàn)狀 ………………………………………5 第 2 章 背靠背 VSC 的數(shù)學(xué)模型 …………………………………………6 背靠背 VSC 的工作原理 ……………………………………………6 背靠背 VSC 的數(shù)學(xué)模型 …………………………………………10 第 3章 背靠背 VSC 的控制器設(shè)計(jì) ………………………………………11 背靠背 VSC 的上層控制策略 …………………………………………11 背靠背 VSC 的控制器設(shè)計(jì) ……………………………………………12 背靠背 VSC 內(nèi)環(huán)電流控制器設(shè)計(jì) ………………………………12 背靠背 VSC 直流電壓控制器設(shè)計(jì) ………………………………15 背靠背 VSC2 側(cè)控制器設(shè)計(jì) ……………………………………18 本章小結(jié) ………………………………………………………………20 第 4 章 背靠背 VSC 仿真運(yùn)行結(jié)果 ………………………………………22 背靠背 VSC 系統(tǒng)功率控制仿真建模 ……………………………22 鎖相環(huán) ……………………………………………………………22 dq 變換模塊 ………………………………………………………23 調(diào)制波發(fā)生模塊 …………………………………………………23 上層控制模塊 ……………………………………………………24 PWM 發(fā)生模塊 ……………………………………………………25 背靠背 VSC 系統(tǒng)功率控制仿真結(jié)果 ……………………………28 直流電壓控制仿真結(jié)果 …………………………………………28 VSC1 側(cè)無(wú)功功率控制仿真結(jié)果 ………………………………28 趙良辰：背靠背變換器的仿真研究 II VSC2 側(cè)有功功率控制仿真結(jié)果 ………………………………30 VSC2 側(cè)無(wú)功功率控制仿真結(jié)果 ………………………………31 結(jié)論 …………………………………………………………………………33 致謝 ………………………………………………………………………22 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………32 附錄 …………………………………… …………………………………42 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1章 緒論 選題的背景及意義 目前，以全控型器件和 PWM 技術(shù)為特征的背靠背電壓源型變流器（ VoltageSource Converter, VSC），由于具有能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)、有功功率和無(wú)功功率可獨(dú)立控制、產(chǎn)生的諧波含量小、直流電壓可控等諸多優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)能與新能源備受重視的當(dāng)今社會(huì)，已成為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、輕型直流輸電系統(tǒng)及電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的核心，從而得到了廣泛的關(guān)注 [1~5]。 近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)于變流器的控制技 術(shù)進(jìn)行了深入研究，取得了一些成果。背靠背電壓源型變流器應(yīng)用于上述領(lǐng)域時(shí)，其控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)兩端交流系統(tǒng)功率的相互交換，系統(tǒng)的整體工作性能不僅取決于控制器的穩(wěn)定性、快速性和精確性，而且與主電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)有關(guān)，而控制器的性能則決定于控制策略和控制器參數(shù)選擇的優(yōu)劣。因此，對(duì)于背靠背 VSC 的控制器如何設(shè)計(jì)，控制器參數(shù)如何選取以滿足控制目標(biāo)的要求、主電路參數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性有何影響等內(nèi)容進(jìn)行深入的分析和研究，對(duì)于背靠背 VSC 的實(shí)際運(yùn)行有重要的指導(dǎo)意義。 背靠背 VSC的研究現(xiàn)狀 背靠背 VSC 的應(yīng) 用情況 VSC在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用 在能源短缺、環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，充分開(kāi)發(fā)、利用可再生能源是解決能源與環(huán)境問(wèn)題的最優(yōu)選擇，其中風(fēng)能的利用又是目前最具有現(xiàn)實(shí)意義的方案。對(duì)此，世界各國(guó)均高度重視、大力發(fā)展，使得風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量和在電能生產(chǎn)中所占比重均迅速增長(zhǎng)。此外，隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，如何最大限度地利用風(fēng)能、提高發(fā)電效率已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電的重要研究?jī)?nèi)容。變速恒頻發(fā)電方式已成為風(fēng)電技術(shù)的主流，其中采用變頻器交流勵(lì)磁的雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)更是當(dāng)前的主要技術(shù)趙良辰：背靠背變換器的仿真研究 2 方案 [6~7]。 由于 PWM 整流 PWM 逆變形式的背靠背 VSC 不僅有良好的輸出性能，更具有良好的輸入性能，可獲得任意功率因數(shù)的正弦輸入電流，且具有能量雙向流動(dòng)的能力。更為重要的是根據(jù)目前商品化自關(guān)斷功率器件的功率等級(jí)，可以滿足兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁的需要，有著現(xiàn)實(shí)的工程應(yīng)用價(jià)值，因此在變速恒頻雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)中可作為一種滿足交流勵(lì)磁要求的理想變頻電源。 由于在變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，兩個(gè) PWM 變流器的工作態(tài)經(jīng)常變換，通常不再以它們工作于整流或逆變的狀態(tài)來(lái)區(qū)分它們，而是按它們的位置分別稱(chēng)之為網(wǎng)側(cè) PWM 變流器和轉(zhuǎn)子側(cè) PWM 變流器，交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 11 所示。 齒 輪 箱轉(zhuǎn) 子 側(cè)變 換 器網(wǎng) 側(cè) 側(cè)變 換 器電 網(wǎng)A CD C D CA C 圖 11 變速恒頻交流勵(lì)磁雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 在具體的運(yùn)行控制過(guò)程中，網(wǎng)側(cè) PWM 變流器的任務(wù)主要有兩個(gè)：一是保證良好的輸入特性，即輸入電流的波形接近正弦，諧波含量少，功率因數(shù)符合要求，理論上網(wǎng)側(cè) PWM 變流器可獲得任意可調(diào)的功率因數(shù)，這就為整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)的控制提供了另一個(gè)途徑；二是保證直流母線電壓的穩(wěn)定，直流母線電壓的穩(wěn)定是兩個(gè) PWM 變流器正常工作的前提，是通過(guò)對(duì)輸 入電流的有效控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的作用是也主要分兩個(gè)方面：一是給雙饋異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁分量的電流，從而可以調(diào)節(jié)定子側(cè)所發(fā)出的無(wú)功功率；二是通過(guò)控制雙饋異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩分量的電流控制轉(zhuǎn)速或控制定子側(cè)所發(fā)出的有功功率，從西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 而使雙饋異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行在風(fēng)力機(jī)的最佳功率曲線上，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤（捕獲）運(yùn)行。 VSC在輕型直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用 輕型直流輸電（ HVDC Light）技術(shù)采用全控型器件 IGBT（絕緣柵雙極晶體管）和 PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)組成的電壓源