文檔編碼:CL9V7V7H1J2——HH8Q10D2K1O2——ZO7C3B4T6K2第3講-電壓源型變流器的數(shù)學(xué)模型精品文檔第3講電壓源型變流器的數(shù)學(xué)模型電力電子變換器是以電力電子器件為基礎(chǔ)、接受確定的電路結(jié)構(gòu)形式對電能進行變換的系統(tǒng)或裝置,其顯著特點是能夠?qū)﹄娔苓M行靈敏、精確、連續(xù)的把握；因此,現(xiàn)代大容量風(fēng)電機組大多引入了電力電子變換器以改善機組的運行性能；目前,應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中的電力電子變換器主要是基于全控型電力電子器件的交直交電壓源型變流器,本節(jié)主要介紹電壓源型變流器的數(shù)學(xué)模型；3.1三相電壓源型變流器的工作原理 圖1給出了三相電壓源型變流器的原理結(jié)構(gòu)：直流側(cè)并聯(lián)一個單極性的直流電壓源或支撐電容,直流電源或支撐電容的容量足夠大,能在連續(xù)充 /放電和器件換相過程中保持電壓不會發(fā)生很大的變化；為爭辯便利,在本章中假定直流電容電壓恒定,并且直流電流是雙向流淌的,從而實現(xiàn)電能的雙向交換；交流側(cè)通過確定的接口電感與溝通系統(tǒng)（電網(wǎng)或負載）相連,串聯(lián)電感的作用是在溝通電壓源內(nèi)阻抗較小的情形下,防止直流側(cè)電容發(fā)生短路而快速向容性負載放電,損壞器件和裝置；接口電感可以是分立的電抗器,也可以是連接變壓器的漏抗； 由于電壓型變流器中電壓的極性不變,而直流電流是雙向的,因此所接受的可關(guān)斷器件組（開關(guān)閥）只需阻斷正向電壓而無需阻斷反向電壓,同時應(yīng)具備雙向電流導(dǎo)通才能；圖中可關(guān)斷器件V1和一個等容量的二極管VD1反并聯(lián)構(gòu)成電壓型變流器的開關(guān)閥,同理,開關(guān)閥；V2、VD2,?,V6、VD6也分別構(gòu)成了5個可關(guān)斷器件V1~V6一般有三個端子：兩個端子聯(lián)結(jié)在主電路中流通主電路電流,而第三端為把握端；可關(guān)斷器件V1~V6的導(dǎo)通或者關(guān)斷是通過在其把握端和一個主電路端子之間施加確定的把握信號來把握的；為防止直流側(cè)電壓源短路,同一支路上的上、下橋臂不能同時導(dǎo)通；可關(guān)斷器件導(dǎo)通后,聯(lián)結(jié)在主電路中的兩個端子之間的阻抗特殊小,相當于短路；可關(guān)斷器件關(guān)斷后,聯(lián)結(jié)在主電路中的兩個端子之間的阻抗特殊大,相當于開路,即可關(guān)斷器件相當于可控理想開關(guān)；下面以A相輸出把握為例,分析電壓源型變流器的工作原理：

當可關(guān)斷器件V1開通、V2處于關(guān)斷狀態(tài)時,正向直流端和溝通側(cè) A相連,相對于直流側(cè)電源假想中點的溝通輸出電壓跳變?yōu)閁dc/2；當可關(guān)斷器件V1關(guān)斷、V2開通時,負向直流端和溝通側(cè) A相連,相對于直流側(cè)電源假想中收集于網(wǎng)絡(luò),如有侵權(quán)請聯(lián)系治理員刪除精品文檔點的溝通輸出電壓跳變?yōu)槠骷墓ぷ鳡顟B(tài)；-Udc/2；即變流器溝通側(cè)輸出電壓完全受控于可關(guān)斷+OV1AV3BV5CVD5iaRLEaNUdcVD1VD32RLEbibUdcV4VD4VD6VD2icRLEc2V6V2- 圖1電壓源型變流器的主電路結(jié)構(gòu)圖為分析便利,定義變流器的相開關(guān)函數(shù)：sk1k相上橋臂導(dǎo)通,下橋臂關(guān)斷〔k=A、B、C〕1k相上橋臂關(guān)斷,下橋臂導(dǎo)通就變流器溝通側(cè)相對于直流電源假想中點O的輸出電壓為：uAO=sAUdc〔1〕2uBO=sBUdc2uCO=sCUdc2 可見,電壓源型變流器直流側(cè)電壓恒定時,溝通側(cè)輸出電壓是幅值等于Udc/2、與開關(guān)函數(shù)波形相像的電壓脈沖,即輸出電壓完全取決于變流器開關(guān)函數(shù)；因此,通過轉(zhuǎn)變 SA、SB和SC的值或開關(guān)V1-V6的狀態(tài),即可實現(xiàn)對輸出電壓的把握,即電壓型變流器實質(zhì)為可控電壓源；當開關(guān)函數(shù)SA、SB和SC為正弦脈寬調(diào)制函數(shù)時,由于功率器件的開關(guān)頻率較高（kHz級）,變流器溝通側(cè)電壓包含基波和高次諧波；由于變流器輸出電感的濾波作用,高次諧波電壓的影響特殊小；當忽視輸出電壓中的高頻重量時,變流器又相當于可控的基本正弦電壓源,其表達式為：uAOuAO.1=mAUdc〔1〕2uBOuBO.1=mBUdc2uCOuCO.1=mCUdc2收集于網(wǎng)絡(luò),如有侵權(quán)請聯(lián)系治理員刪除精品文檔式中：mA、mB、mC分別為正弦脈寬開關(guān)函數(shù)sA、sB、sC的基波正弦重量,也稱之為調(diào)制比,是逆變器輸出相電壓基波幅值與半倍直流電壓幅值之比；3.2三相電壓源型變流器的數(shù)學(xué)模型 依據(jù)圖1給定正方向,忽視電壓型變流器輸出電壓的高頻重量,就電壓型變流器聯(lián)網(wǎng)運行電壓方程可表示為：LdiaEauAO.1RiaEamAUdcRia〔2〕dt2LdibEbuBO.1RibEbmBUdcRibdt2LdicEcuCO.1RicEcmCUdcRicdt2式中：Ea、Eb、Ec為溝通系統(tǒng)電壓,ia、ib、ic為逆變器相電流,uAO.1、uBO.1、uCO.1為變流器輸出三相基波電壓； 為了分析便利,將上述方程變換到電網(wǎng)電壓空間矢量定向下的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系,就經(jīng)過坐標變換后的變流器模型為：LdidEdudRidLiqEudRidLiq〔2〕dtLdiqEquqRiqLid0uqRiqLiddt式中：Ed、Eq為電網(wǎng)電壓空間矢量的d、q軸重量；ud、uq為變流器溝通側(cè)電壓空間矢量的d、q軸重量；id、iq為電網(wǎng)電流空間矢量的 d、q軸重量；E為電網(wǎng)電壓空間矢量的幅值；因L、R相對較小,故變流器與溝通系統(tǒng)間交換的有功功率 P和無功功率Q分別近似等于溝通系統(tǒng)發(fā)出的有功、無功,即：P3EiddEiqq3Eid〔2〕P<0時表示變22Q3EiqdEidq3Eiq22當P>0時,表示變流器工作在整流狀態(tài),從電網(wǎng)吸取能量；流器工作在逆變狀態(tài),能量從直流側(cè)返回溝通電網(wǎng)；Q>0表示變流器從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率；Q<0表示變流器從電網(wǎng)吸取超前的無功功率； 由上式可知,通過分別把握電網(wǎng)電流空間矢量的流器與電網(wǎng)之間的有功、無功交換的解耦把握；d、q軸重量,即可實現(xiàn)變收集于網(wǎng)絡(luò),如有侵權(quán)請聯(lián)系治理員刪除精品文檔 而由兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的變流器電壓方程可知,電壓源型變流器電壓方程中含有與d、q軸電流相關(guān)的交叉耦合項,故需要解耦技術(shù)才能實現(xiàn) d、q軸電流（有功、無功）的獨立把握；3.3背靠背四象限電壓源型變流器的數(shù)學(xué)模型背靠背電壓源型變流器的電路原理結(jié)構(gòu)如圖1所示,是由兩個結(jié)構(gòu)相同的電壓源型變流器（VSC1和VSC2）以“背靠背”方式、通過中間的直流環(huán)節(jié)耦合而成；兩側(cè)變流器與溝通系統(tǒng)之間可以進行獨立的無功功率交換,但是進行有功功率傳輸時,兩者需要和諧把握,以保證直流側(cè)電容電壓的恒定；Ea1L1R1ia1ua1ub1i01i02ua2ub2uc2ia2R2L2Ea2iCEb1L1R1ib1 +

UdcCib2R2L2Eb2Ec1L1R1ic1VSC1uc1-VSC2ic2R2L2Ec2圖1背靠背電壓源型變流器的主電路結(jié)構(gòu)圖1. 背靠背電壓型變流器聯(lián)網(wǎng)運行電壓方程

參考圖1所示正方向,背靠背電壓源型變流器在靜止坐標系下的狀態(tài)方程可表示為：L1dia12Ri1a12Ea1ua1〔2-8〕dtL1dib1Ri1b1Eb1ub1dtdic1Ec1uc1L1Ri1c1dtdiaua2Ea2L2Ri2adtL2dib2Rib2ub2Eb2〔2-9〕dtL2dic2Ric2uc2Ec2dt收集于網(wǎng)絡(luò),如有侵權(quán)請聯(lián)系治理員刪除精品文檔Cdudci01i02〔2-10〕dt式中：ux1、ux2分別為VSC1、VSC2溝通側(cè)輸出相電壓的基波重量（x=a,b,c）； 同理,將上述狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換到電網(wǎng)電壓空間矢量定向的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系（dq坐標系）下,就背靠背四象限變流器狀態(tài)方程為：L1did1R111LR1id1Ed1ud1E1ud1〔2-13〕uq1dtiq111Liq1Eq1uq10E2〔2-14〕L2did2R2222Lid2ud2Ed2ud2dtiq22Liq2uq2Eq2uq21、0R2Cdudci01i023md1*id1mq1*iq1md2*id2mq2*iq2〔2-15〕dt22分別為式中：md1＝ud1/udc,mq1＝uq1/udc,md2＝ud2/udc,mq2＝uq2/udc；VSC1、VSC2所聯(lián)溝通電網(wǎng)角頻率；由上式可知,背靠背四象限變流器為5階模型,狀態(tài)量為[id1,iq1,id2,iq2,udc]；把握量為[ud1,uq1,ud2,uq2]；當狀態(tài)量初始值已知時,就給定一組把握量（因電網(wǎng)電壓空間矢量幅值 E1、E2已知）,即可求解出一組狀態(tài)量；2. 背靠背電壓型變流器與溝通電網(wǎng)間的功率交換特性 忽視連接電感、電阻上的損耗,就流入功功率分別為：VSC1、流出VSC2的有功功率、無P13Ei1d1〔2〕2Q13Eiq12P23Ei2d2〔2〕2Q23Eiq22由于E1、E2均為常數(shù),因此對有功功率和無功功率的把握可轉(zhuǎn)化為對有功電流id1（id2）和無功電流iq1（iq2）的把握；忽視變流器開關(guān)損耗,就輸入VSC1的有功功率應(yīng)等于直流側(cè)輸出功率,變流器VSC2直流側(cè)注入功率應(yīng)等于其溝通側(cè)的輸出功率,即：P1ui01〔2〕P2ui02〔2〕收集于網(wǎng)絡(luò),如有侵權(quán)請聯(lián)系治理員刪除精品文檔由電容電壓狀態(tài)方程可知,為保護直流側(cè)電容電壓udc恒定,需使i01=i02,即要求背靠背變流器與兩端溝通系統(tǒng)間的有功功率交換需保持平穩(wěn)；3. 背靠背電壓型變流器并網(wǎng)操作為防止背靠背電壓型變流器接入溝通電網(wǎng)時造成電流沖擊,要求遵循確定的操作步驟,以實現(xiàn)無沖擊聯(lián)網(wǎng)；KM2溝通系統(tǒng)1KM1L1R1RrAC1CDC2R2L2KM3DC1AC2溝通系統(tǒng)2VSC1VSC2圖3背靠背電壓源型變流器并網(wǎng)操作示意圖VSC1、VSC2分別通過斷路器與溝通電網(wǎng)相聯(lián)；1）合KM1,使VSC1經(jīng)充電電阻對直流側(cè)電容充電；2）合KM2,旁路充電電阻,使VSC