【文章內(nèi)容簡介】 抗器(LL2)構(gòu)成。電感寄生電阻及線路損耗電阻分別用R1和R2表示，通常L1=L2=L、Rl=R2=R。其中直流側(cè)電容器C為逆變側(cè)提供電壓支撐以及濾波作用。圖21 背靠背電壓源型變流器主電路結(jié)構(gòu)圖 由于兩側(cè)變流器對稱，下面以VSC1為例進(jìn)行分析其工作原理。假設(shè)VSC中功率開關(guān)元件為理想元件，以開關(guān)信號(hào)描述其通斷，定義三相橋臂開關(guān)信號(hào)為： 以a相為例，當(dāng)sa=1,既a相上橋臂導(dǎo)通、下橋臂關(guān)斷時(shí)，變流器a相對于直流側(cè)參考點(diǎn)O的電壓uao=udc，udc為直流側(cè)電壓；當(dāng)a相上橋臂關(guān)斷、下橋臂導(dǎo)通時(shí)，sa=0，uao=0。同理可得到b相與c相結(jié)果。因此： 因?yàn)? 其中VNO為交流系統(tǒng)1的中性點(diǎn)與直流側(cè)參考點(diǎn)之間的電壓?？梢缘玫? 由于VSC1交流側(cè)為三相平衡系統(tǒng)，其中，所以 因此 由此可得，VSC直流側(cè)電壓通過功率開關(guān)狀態(tài)與交流側(cè)電壓互相關(guān)聯(lián)，開關(guān)狀態(tài)確定后直流電壓與交流電壓之間的關(guān)系也就確定[14]。VSC交流輸出為電壓脈沖，包含有基波與高次諧波。由于電感L的濾波作用，VkN中的高次諧波分量使交流電流產(chǎn)生的脈動(dòng)非常小，可以忽略，所以VSC交流輸出電壓為一幅值、相位與頻率可控的正弦電壓，可以用（27）表示： 式中：m為調(diào)制比，其值等于變流器輸出的交流相電壓基波幅值與直流側(cè)電壓之比；δ為變流器輸出的交流基波相電壓超前交流系統(tǒng)基波相電壓的相角。下面分析 VSC 交流側(cè)輸出電壓與功率流向的關(guān)系，如圖 22 所示，E 為交流系統(tǒng)電壓矢量，I 為交流系統(tǒng)電流矢量，V 為變流器輸出電壓基波矢量，VL 為電感電壓矢量，δ為V 超前E 的相位，φ 為交流系統(tǒng)的功率因數(shù)角。圖22 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)變流器輸出電壓基波向量與傳輸功率關(guān)系示意圖 圖23 背靠背VSC系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與能量流向關(guān)系示意圖忽略等效電阻 R，由穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電壓矢量關(guān)系可知，當(dāng)|E|不變，|I|一定的條件下，向量V 的端點(diǎn)軌跡是以|VL|為半徑的圓，通過控制 VSC 交流側(cè)電壓V 的幅值和相角，即可實(shí)現(xiàn) VSC 有功功率和無功功率的雙向流動(dòng)，即實(shí)現(xiàn) VSC 的四象限運(yùn)行。VSC 從交流系統(tǒng)中吸收的有功功率 P 的大小和方向主要取決于δ，吸收的無功功率的大小和方向主要決于|V |（V 的幅值）。當(dāng)δ＞0 變流器向交流系統(tǒng)傳輸有功功率；δ＜0，變流器從交流系統(tǒng)吸收有功功率。|V |＞|E| ,變流器向交流系統(tǒng)提供無功功率，|V |＜|E|, 變流器從交流系統(tǒng)吸收無功功率。背靠背VSC系統(tǒng)與兩側(cè)交流系統(tǒng)互聯(lián)時(shí)，通過對兩端VSC的運(yùn)行狀態(tài)（即VSCVSC2交流輸出電壓）的控制來實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，如圖 23 所示：當(dāng)功率正向傳輸時(shí)，交流系統(tǒng)2從直流環(huán)節(jié)吸收能量VSC2在PWM 控制下工作于逆變狀態(tài)，直流環(huán)節(jié)的電容由于放電，會(huì)導(dǎo)致直流電壓有下降的趨勢，為了保持直流電壓穩(wěn)定，在脈沖控制下VSC1工作于整流狀態(tài)。當(dāng)功率反向傳輸時(shí)，交流系統(tǒng)2向直流環(huán)節(jié)釋放能量，VSC2在脈沖控制下轉(zhuǎn)換成整流狀態(tài)，電容充電，引起直流環(huán)節(jié)電壓的上升。為了限制直流環(huán)節(jié)電壓的上升，VSC1需要將直流環(huán)節(jié)的電能傳向交流系統(tǒng)1，因此在PWM控制下轉(zhuǎn)換成逆變狀態(tài)。可以看出，變流器工作狀態(tài)的切換是由功率傳輸?shù)姆较驔Q定的。由功率守衡原理可知，要保證有功功率的平衡傳輸，若只對兩端VSC進(jìn)行孤立控制是不行的，必須對兩端VSC進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。而對于兩端VSC與各端交流系統(tǒng)的無功功率的交換，因其不需要直流側(cè)的參與，所以可獨(dú)立完成[15]。 背靠背VSC的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)建模的目的是能夠正確反映被控對象的動(dòng)態(tài)特性，為被控對象控制器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。因此，雙PWM變流器的數(shù)學(xué)模型是研究其實(shí)現(xiàn)多種控制功能的基礎(chǔ)。由圖11可知，背靠背VSC是對稱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其三相對稱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可用如下基于dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)微分方程組描述[16] 其中，直流側(cè)電壓變化方程為： 式中：ωω2 分別為交流系統(tǒng)相電壓角頻率；ididiqiq2 分別為VSC 交流側(cè)輸出電流矢量的d、q 軸分量；Esd、Vsd、Esq、Vsq 分別為VSC 交流側(cè)并聯(lián)系統(tǒng)電壓矢量的d、q 軸分量；mdmdmqmq2 分別為VSC1 和VSC2 調(diào)制開關(guān)函數(shù)的d、q 軸分量；Udc 為直流側(cè)母線電壓。三相對稱系統(tǒng)中，忽略交流線路損耗與開關(guān)損耗，則流入VSC1和流出VSC2的有功功率和無功功率分別為： 式中：i0i02為VSCVSC2的直流側(cè)電流。第3章 背靠背VSC的控制器設(shè)計(jì)本章首先對背靠背VSC系統(tǒng)的功率交換進(jìn)行了分析，將有功功率和無功功率的控制轉(zhuǎn)化為對有功電流和無功電流的控制，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)電流控制器采用電流反饋和電壓前饋的解耦控制策略，實(shí)現(xiàn)電流的快速跟蹤，外環(huán)控制器用于確定電流參考值。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，將系統(tǒng)的期望性能指標(biāo)與PI參數(shù)建立起直接清晰的函數(shù)關(guān)系。 背靠背VSC的上層控制策略背靠背VSC用于交流系統(tǒng)互聯(lián)時(shí)，其目的是實(shí)現(xiàn)有功功率與無功功率的單獨(dú)控制。根據(jù)式（210），穩(wěn)態(tài)情況下Esd、Vsd均為常數(shù)，所以，分別控制idiq1即可控制交流系統(tǒng)1的有功、無功功率交換；同理可得到交流系統(tǒng)2相同的結(jié)論。為了確保安全運(yùn)行，背靠背系統(tǒng)應(yīng)維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定于其額定值附近。由式（29）（210）可得，此約束條件即可得到背靠背交流系統(tǒng)之間的有功功率交換必須維持平衡。而由于兩側(cè)交流系統(tǒng)間無功功率交換無需直流側(cè)電容參與，因此相互獨(dú)立。因此，背靠背VSC通常情況下采取一側(cè)為定直流電壓和無功功率控制，另一側(cè)為有功功率和無功功率控制的控制策略。而背靠背VSC與兩側(cè)交流系統(tǒng)間的功率交換控制問題轉(zhuǎn)換為對其dq軸電流參考值的跟蹤問題。 背靠背VSC的控制器設(shè)計(jì)背靠背VSC的控制系統(tǒng)包括控制器和調(diào)制器兩部分，控制器用于獲取變換器輸出的電壓指令，而調(diào)制器則以此電壓指令為調(diào)制波，采取SPWM調(diào)制，獲得相應(yīng)的脈寬調(diào)制信號(hào)，從而使變換器輸出的電壓電流能夠接近所給定的電壓指令，從而對兩側(cè)交流系統(tǒng)的有功、無功功率進(jìn)行控制。而由于PWM技術(shù)發(fā)展已非常成熟，所以將不再進(jìn)行介紹，主要進(jìn)行控制器部分的設(shè)計(jì)說明。下面將通過分析背靠背VSC系統(tǒng)在dq軸坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，對電網(wǎng)電流d軸與q軸分量進(jìn)行解耦控制，設(shè)計(jì)出電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制器，建立各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，控制器的性能指標(biāo)與PI參數(shù)之間建立直接的量化關(guān)系。本文中，VSC1采用定直流電壓與無功功率控制，VSC2采用有功功率與無功功率控制。下面先討論VSC1的控制器設(shè)計(jì)。 內(nèi)環(huán)電流控制器參照四象限變流器狀態(tài)方程，我們可以得到如下的VSC1電壓方程：其中VdVq1分別為VSC1交流輸出電壓的d軸分量與q軸分量。由上式可知，d、q軸電流除了受到控制量VdVq1影響外，還受到電流交叉耦合項(xiàng)ωLidωLiq1與電網(wǎng)電壓Esd、Esq的影響。因此，對idiq1進(jìn)行解耦控制，將是內(nèi)環(huán)電流控制器的核心。在這里，我們將采取前饋解耦控制，以消除電流交叉耦合以及電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的影響?？梢缘玫娇刂屏縑dVq1為 式中的id1ref、iq1ref分別為VSC1側(cè)有功電流id1和無功電流iq1的