VSC變流器直接功率控制策略研究與仿真

周碧英

（渭南師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

VSC變流器直接功率控制策略研究與仿真

周碧英

（渭南師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

電壓源換流器（VSC）在電機(jī)變頻調(diào)速、柔性交流輸電及高壓直流輸電中得到了廣泛的應(yīng)用。通過增加電平數(shù)可提高輸出電壓和減少諧波含量，達(dá)到電力系統(tǒng)應(yīng)用容量要求，是VSC控制研究的重要方向。本文在分析VSC數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了直接功率控制策略，并在MATLAB/Simulink中進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明所提出的控制策略可對(duì)輸出功率進(jìn)行有效控制。

VSC；數(shù)學(xué)模型；開關(guān)函數(shù)；直接功率

電壓源換流器 （Voltage Source Converter，VSC）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有兩種[1]，一種是傳統(tǒng)的三相全橋換流器；另一種是多電平換流器。在較低的開關(guān)頻率下，通過增加電平數(shù)來提高輸出電壓和減少諧波含量，達(dá)到電力系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的容量要求。

電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力電子器件由早期的不控二極管、半控型晶閘管，發(fā)展到后來的全控型GTO、MOSFET、IGBT，到目前的IGCT、EGCT以及保護(hù)驅(qū)動(dòng)一體化的IPM，開關(guān)頻率逐步增大，功率等級(jí)不斷提高，動(dòng)態(tài)性能更加優(yōu)異[2-4]。器件的進(jìn)步促使電力電子變流裝置迅速更新，出現(xiàn)以PWM控制方式為基礎(chǔ)的各類變流裝置，例如交流變頻器、開關(guān)電源、UPS、斬波式脈沖電源等[5-6]。在AC-DC整流領(lǐng)域，針對(duì)功率因數(shù)低的這一問題，利用全控型功率器件構(gòu)成的高功率因數(shù)PWM整流器上，從整流設(shè)備本身入手，改造其成為綠色負(fù)載，從源頭上消除對(duì)電網(wǎng)的污染，才是諧波抑制與無功補(bǔ)償?shù)母窘鉀Q途徑。

1　VSC的工作原理

對(duì)于圖1所示VSC可逆PWM整流器，由交流輸入側(cè)三相對(duì)稱電壓源、電感L、三對(duì)全控型功率器件，直流側(cè)輸出電容C構(gòu)成。系統(tǒng)的變流過程為：通過控制六個(gè)功率器件的通斷，將三相交流電能變換為直流電能，輸出電壓保持為一穩(wěn)定值，同時(shí)使得交流側(cè)各相電流為正弦波，且與各相電壓同相位，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1。

圖1　三相可逆VSC整流器Fig.1　Three-phase reversible rectifier VSC

2　VSC在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

假定三相交流電壓源對(duì)稱且無中線，則僅對(duì)A相進(jìn)行分析即可，列寫回路電壓方程

其中，當(dāng)a相橋臂上管導(dǎo)通時(shí)Sa=1，下管導(dǎo)通時(shí)Sa=0。

對(duì)于三相無中線系統(tǒng)，應(yīng)有

式（5）、式（6）相加整理可得

該式表明，N點(diǎn)對(duì)O點(diǎn)電位與直流側(cè)電壓Udc、開關(guān)狀態(tài)Sk有關(guān)。

對(duì)于電容支路，應(yīng)用KCL定律，有如下方程

以X=[iaibicUdc]T為狀態(tài)變量，系統(tǒng)狀態(tài)方程為

其中

由于開關(guān)函數(shù)S的存在，模型式具有不連續(xù)、非線性、時(shí)變的特性，能夠準(zhǔn)確描述VSC的動(dòng)態(tài)行為。

3　直接功率控制策略

直接功率控制（DPC）結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，是針對(duì)VSC變流器的一種獨(dú)特控制方法，控制結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2　DPC控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2　DPC control structure

控制系統(tǒng)包含一個(gè)PI形式的電壓調(diào)節(jié)器，當(dāng)VSC系統(tǒng)工作于單位功率因數(shù)整流狀態(tài)時(shí)，

設(shè)Udc=Udcref+ΔUdc，代入式（11）

拉普拉斯變換后有

根據(jù)以上分析，可得DPC系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型如圖3，其中GPI（s）為待整定的電壓調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)。

圖3　DPC系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型Fig.3　DPC system transfer function model

系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為

4　仿真分析

利用Matlab/Simulink工具箱，建立VSC的直接功率控制仿真模型，對(duì)其進(jìn)行研究。主電路模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。由三相對(duì)稱電壓源、進(jìn)線電感、整流橋、輸出穩(wěn)壓電容、負(fù)載等組成，門端為六路觸發(fā)脈沖，由控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輸出。

圖4　DPC控制策略的VSC主電路模型Fig.4　DPC control strategy VSC main circuit model

各仿真單元參主要數(shù)如表1所示。

表1　仿真參數(shù)Tab.1　Simulation parameters

系統(tǒng)啟動(dòng)及其穩(wěn)態(tài)波形如圖5～圖8所示。

圖5　直流電壓響應(yīng)曲線Fig.5　DC voltage response curve

系統(tǒng)能夠保證直流側(cè)輸出電壓跟隨給定，但電壓始終是有波動(dòng)的，且交流輸入側(cè)電壓電流同相位，這是由于功率環(huán)是通過滯環(huán)控制器控制，最終反映在直流電壓，使其波動(dòng)。電壓電流同相位，但電流波形質(zhì)量不夠好。系統(tǒng)對(duì)有功和無功的控制是有效的，均能跟隨給定值。

圖6　交流輸入側(cè)a相電壓電流Fig.6　a phase AC input voltage and current

圖7　有功功率響應(yīng)曲線Fig.7　Active response curve

5　結(jié)束語

文中VSC的基本工作原理進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上建立了其三相數(shù)學(xué)模型，針對(duì)目前存在的問題，提出了直接功率控制策略，最后建立了仿真模型并分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明所提出的方法能有效對(duì)功率進(jìn)行控制，驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性和有效性。

圖8　無功功率響應(yīng)曲線Fig.8　Reactive power response curve

[1]Dixon Juan W，Ol Boon Teck.Indirect current control of a unity power factor sinusoidal current boosttype three-phase rectifier[J].IEEE Trans on Industrial Electronics，1998，35 （4）:508-515..

[2]Jurgen.K.Sternke.Switching Frequency Optimal PWM Control of a Three-level Inv ert er[J].IEEE Trans on Power Electronics，1996，7（3）:487-496.

[3]侯朝勇，胡學(xué)浩，惠東．基于離散狀態(tài)空間模型的LCL濾波并網(wǎng)變換器控制策略[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（36）: 8-15．

[4]吳振興，鄒旭東，黃清軍，等．三相電力電子負(fù)載并網(wǎng)變換器研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（24）:1-7．

[5]Lascu C，Asiminoaei L，Boldea I，et al．Frequency response analysis of current controllers for selective harmonic compensation in active power filters[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56（2）:337-347．

[6]耿強(qiáng)，夏長亮，閻彥，等．電網(wǎng)電壓不平衡情況下PWM整流器恒頻直接功率控制[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（36）: 79-85．

Research and simulation on VSC converter direct power control strategy

ZHOU Bi-ying
（School of Mathematics and Information Science，Weinan Normal University，Weinan 714000，China）

Voltage source converter（VSC）in the motor speed regulation，flexible AC and HVDC transmission has been widely used.By increasing the number of levels to improve and reduce the harmonic content of the output voltage to reach the capacity of the power system application requirements，VSC control is an important research direction.This paper analyzes the VSC mathematical model is proposed based on direct power control strategy，and in the MATLAB/Simulink in simulation analysis results show that the proposed control strategy can effectively control the output power.

VSC；mathematical model；switching function；direct power

TN102

A

1674－6236（2016）01-0178-03

2015-03-03稿件編號(hào)：201503049

陜西省軍民融合研究基金項(xiàng)目（15JMR14）；陜西省扶持學(xué)科數(shù)學(xué)學(xué)科基金資助項(xiàng)目（14SXZD0113）；渭南市科技創(chuàng)新扶持資金項(xiàng)目（2013KYJ-2）；渭南師范學(xué)院特色學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（14TSXK02）

周碧英（1978—），女，陜西大荔人，碩士，講師。研究方向：信號(hào)與信息處理、計(jì)算機(jī)測(cè)控。