背靠背四象限电压源型变流器功率交换控制

摘要

背靠背四象限电压源型变流器具有功率控制灵活、输出谐波含量小等诸多优点，在轻型直流输电、柔性交流输电和风力发电等领域中获得了广泛的应用，其控制目标是实现两端交流系统功率的相互交换，其整体性能取决于功率交换的稳定性、快速性和精确性。本文以背靠背电压源型变流器为研究对象，分析了背靠背电压源型变流器四象限运行的工作原理，在此基础之上研究了其调制原理和控制原理，为其设计了非线性解耦控制器。 本文建立了背靠背四象限电压源型变流器系统在三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系下的动态模型，阐述了背靠背四象限电压源型变流器系统功率交换的原理。分析了空间矢量PWM控制的基本原理和特点，并设计了两电平空间矢量PWM的实现算法。论文还探讨了SVPWM和SPWM两种调制方法等效的关系，并通过仿真给予了说明。 功率交换控制策略是控制系统的核心算法，是本论文的研究重点。本文基于一端电压源型变流器两相同步旋转坐标系下的数学模型，根据多输入多输出非线性系统线性化理论，推导了反馈控制律、设计了基于比例调节器的非线性解耦控制器。对控制器由于系统参数估计不准确产生控制的静态误差问题，提出了两种消除静态误差的方法。最后利用PSCAD/EMTDC仿真软件对背靠背四象限电压源型变流器系统的功率调节控制原理进行了大量仿真，对模型和控制器的有效性进行了多角度验证。 在以上研究的基础上，完成了基于反馈线性化控制策略的30kVA/380V背靠背四象限电压源型变流器物理样机的调试工作，并结合仿真内容进行了实验，实验结果与理论分析及仿真结果一致，验证了论文主要研究内容的结论。此外，物理样机将为动态模拟实验室开展大规模互联电力系统及轻型直流输电系统的物理模拟提供实验平台。

目录

文摘

英文文摘

论文原创性声明及论文知识产权权属声明

第1章绪论

1.1课题的背景和意义

1.2背靠背四象限VSC功率交换控制研究现状

1.2.1逆变器拓扑结构研究现状

1.2.2 PWM控制技术研究现状

1.2.3四象限变流器控制策略研究现状

1.3论文的主要工作

第2章背靠背四象限VSC的建模

2.1背靠背四象限VSC的工作原理

2.1.1四象限VSC的工作原理

2.1.2背靠背四象限VSC的工作原理

2.2背靠背四象限VSC的建模

2.2.1三相静止abc坐标下的数学模型

2.2.2两相同步旋转dq坐标下的数学模型

2.3本章小结

第3章空间矢量PWM控制

3.1 SVPWM的基本原理与特点

3.1.1 SVPWM的基本原理

3.1.2 SVPWM的特点

3.2 SPWM的原理及其与SVPWM控制的关系

3.2.1 SPWM的原理与特点

3.2.2 SPWM的数字化实现

3.2.3 SPWM与SVPWM的关系

3.3本章小结

第4章背靠背四象限VSC的功率控制策略

4.1变流器稳态运行时的参数分析及数字仿真

4.2基于反馈线性化的控制器设计

4.2.1非线性反馈律设计

4.2.2定直流电压和定有功无功功率控制器

4.2.3消除控制静态误差的控制器

4.3背靠背四象限VSC的控制系统结构和控制参数设计

4.4仿真算例

4.4.1参考功率跟踪控制仿真

4.4.2有功功率流向控制控制仿真

4.4.3两端VSC与接入交流系统的无功功率控制仿真

4.5本章小结

第5章背靠背四象限VSC物理样机的实验

5.1物理样机的构成介绍

5.1.1变流器主电路

5.1.2直流单元构成

5.1.3控制单元构成

5.2物理样机控制系统的设计介绍

5.2.1控制系统的硬件设计

5.2.2控制系统的软件设计

5.3物理样机的实验与分析

5.3.1参考功率跟跟踪控制实验

5.3.2有功功率流向控制实验

5.3.3两端VSC与接入交流系统无功功率控制实验

5.4本章小结

结论

致谢

参考文献