能量雙向流動交直流電源變換器原理及控制方法分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u20723能量雙向流動交直流電源變換器原理及控制方法分析概述 1214391.1能量-雙向流動交直流電源轉(zhuǎn)換器原理 1289151.1.1能量-雙向流動交直流電源轉(zhuǎn)換器的原理概述 1202251.1.2能量雙向轉(zhuǎn)換流動電壓交直流通用電源電壓變換器的主要工作電路原理 3247111.2三相能量雙向流動交直流電源變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 47311.3三相VSR雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計 5187771.3.1電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 558531.3.2電壓外環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 81.1能量-雙向流動交直流電源轉(zhuǎn)換器原理1.1.1能量-雙向流動交直流電源轉(zhuǎn)換器的原理概述當(dāng)能量雙向流動交直流電源變換器從電網(wǎng)吸取電能時，其運行于整流工作狀態(tài)；而當(dāng)能量雙向流動交直流電源變換器想電網(wǎng)傳輸電能時，其運行于有源逆變工作狀態(tài)。當(dāng)網(wǎng)側(cè)短路能量雙向同相流動的網(wǎng)側(cè)交直流驅(qū)動電源電壓變換器在網(wǎng)側(cè)高壓整流電路中連續(xù)運行并達(dá)到一個雙向整流同相狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)的短路電壓、電流也同樣就是一個同相；例如，當(dāng)網(wǎng)側(cè)能量雙向同相流動的網(wǎng)側(cè)交直流驅(qū)動電源電壓變換器在低壓電路中連續(xù)運行并達(dá)到與網(wǎng)側(cè)有源電壓逆變的整流狀態(tài)中，器網(wǎng)側(cè)的短路電壓、電流將不會發(fā)生一個反相。進(jìn)一步的科學(xué)研究實驗結(jié)果表明，由于電源能量的雙向快速流動和在交直流轉(zhuǎn)換電源中在變換器器網(wǎng)側(cè)的驅(qū)動電流和其他功率驅(qū)動因數(shù)都可能是完全獨立可以被控制的。圖1.1主電路圖綜上可見，能量雙向流動交直流電源變換器實際上是一個交、直流側(cè)的可控四象限運轉(zhuǎn)的變流器。為了便于學(xué)習(xí)和理解，以下首先從模擬電路中詳細(xì)闡述PWM整流器工作原理。圖1.1為兩種能量雙向流動式交直流電源轉(zhuǎn)換器的模型電路，可以看出：能量雙向流動交直流電源變換器模型電路由交流回路、由超大功率交流啟動供電管路的橋路和直流啟動回路兩組成部分共同構(gòu)成。其中的高頻交流啟動回路主要電容包括用于交流電動勢和用于互聯(lián)網(wǎng)側(cè)的交流電感等；直流啟動回路主要電容包括電路負(fù)載的直流電阻和電路輸出的直流負(fù)載電動勢等；用于功率電流啟動控制管路的橋路一般來說可由高頻功率電壓式或低頻的功率電流式啟動橋路所組合構(gòu)成。圖1.2PWM整流器模型電路當(dāng)不計功率開關(guān)管橋路損耗時，由交、直流側(cè)功率平衡關(guān)系得：由上式不難理解：我們不僅可以通過直接控制交流模型集成電路將其中的一個交流側(cè)，就是一個交流電壓側(cè)也可以被直接控制在直流側(cè)，反之也是可以成立。以下將主要從一種模型驅(qū)動電路設(shè)計中的新型交流側(cè)電路入手，分析一種利用能量單向互相流動的新型交直流驅(qū)動電源電壓變換器在實際運行過程中的工作狀態(tài)與流量控制及其工作基本原理。對于能量雙向流動交直流電源變換器電路，只考慮基波分量而忽略PWM諧波分量，并且不計交流側(cè)電阻。這樣可從圖1.2分析：當(dāng)以國際電網(wǎng)線路中的電動勢雙向矢量長度作為主要測量參考時，通過對兩個交流源電壓的流動矢量長度進(jìn)行自動控制，便流泵可以同時實現(xiàn)兩種流動方式實現(xiàn)能量的雙向動態(tài)流動，即交直流泵在電源電壓變換器的兩個四象數(shù)極限動態(tài)運行。例如，當(dāng)有源電壓電流矢量B的端點同時處于一個圓形流動軌跡電路A的端點時，電流電壓矢量較電動勢電壓矢量端點滯后，此時電流能量的雙向自由流動變?yōu)榻恢绷鲿闺娫措妷鹤儞Q器的互聯(lián)網(wǎng)側(cè)電路會明顯呈現(xiàn)出純線性電感的流動特性。圖1.3PWM整流器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系如圖1.3(a)所示；此時當(dāng)一個電壓勢向矢量從一個終點網(wǎng)側(cè)移動一直到一個圓形的直線軌跡低于B的端點時，電流勢向矢量和電動勢向上的矢量之間開始平行并且同向，此時通過能量雙向旋轉(zhuǎn)流動小型交直流專用電源電壓變換器的終端網(wǎng)側(cè)就開始會逐漸呈現(xiàn)出正電阻的流動特性，如如下圖1.3(b)所示；此時當(dāng)一個接在電壓勢向矢量上的端點從軌跡C點開始移動到一個圓形橢圓直線軌跡低于C的端點時，電流勢向矢量端點會比一個電動勢向上矢量更加超前，此時當(dāng)一個電壓勢向矢量從一個終極網(wǎng)側(cè)端點開始移動至一個圓形直線軌跡上的D點時，電流勢向矢量與電動勢向上的矢量之間開始平行并逐漸發(fā)生相對逆,此時通過能量雙向旋轉(zhuǎn)流動小型交直流專用電源電壓變換器的終端網(wǎng)側(cè)就開始會逐漸呈現(xiàn)出一種低于負(fù)阻的流動特性，如如下圖1.3(d)所示。以上，A、B、C、D四點分別指的是關(guān)于能量雙向交直流動電壓交直流通用電源電壓變換器關(guān)于四象數(shù)有限節(jié)點運行的四個同時具有特殊通用工況運行狀態(tài)的有限節(jié)點，進(jìn)一步比較分析，可以得到關(guān)于能量雙向交直流動電壓交直流通用電源電壓變換器關(guān)于四象數(shù)有限節(jié)點運行工作規(guī)律的基本概述全文如下：(1)能量矢量端點位于圓的軌跡AB上運動時，能量雙向流動的交直流電源變換器將其運行到一個整流的狀態(tài)。此時，能量的雙向流動交直流電源變換器必須要從電網(wǎng)中分別吸收一個有功和可感性的無功功率，電能將通過能量雙向流動交直流電源變換器由電網(wǎng)傳輸至直流負(fù)載。值得注意的一點那就是，當(dāng)一個采用整流能量雙向控制流動的單相交直流驅(qū)動電源電壓變換器在A和B的兩點上連續(xù)工作時，而就是當(dāng)它在A的兩點停止運轉(zhuǎn)時，能量雙向流動交直流電源變換器則不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只從電網(wǎng)吸收感性無功功率。(2)當(dāng)電壓矢量端點在圓軌跡BC上運動時，能量雙向流動交直流電源變換器運行于整流狀態(tài)。此時，能量雙向流動交直流電源變換器需從電網(wǎng)吸收有功及容性無功功率，電能會直流經(jīng)由兩個交直流經(jīng)過電源負(fù)載變換器通過兩個電源能量的雙向轉(zhuǎn)換流動后來而交直流經(jīng)由電源負(fù)載轉(zhuǎn)換器從交流電網(wǎng)中雙向傳輸后再到直流電源負(fù)載。例如，當(dāng)一個采用能量雙向交直流動裝在交直流中的電源電壓變換器在一個C型節(jié)點上連續(xù)運行時，能量雙向交直流動裝在交直流中的電源電壓變換器就可能會不從整個電網(wǎng)中直接吸收一個有功的電功率，而只是從整個電網(wǎng)中直接吸收一個帶電容性的無功功率。(3)當(dāng)有源電壓向量將矢量器的端點放在位于一個圓柱形軌道上的CD上快速運動時，能量的雙向快速流動使在交直流中的電源電壓變換器就可能會繼續(xù)運行并達(dá)到一個有源電壓逆變器的狀態(tài)。此時能量雙向流動交直流電源變換器向電網(wǎng)傳輸有功及容性無功功率，電能把由一定能量的雙向電壓流動形成交直流側(cè)的電源作為變換器的直流側(cè)電源送入智能電網(wǎng)。例如，當(dāng)一個電源能量雙向高速流動成為交直流時的電源電壓變換器在一個D點上高速運行時受到一個能量單位小于功率增益因數(shù)的相對有源式交流逆變器的控制。(4)當(dāng)一個電壓向矢量的端點位于圓軌跡DA上而移動時，能量雙向流動交直流電源變換器運行于有源逆變狀態(tài)。此時，能量雙向流動交直流電源變換器向電網(wǎng)傳輸有功及感性無功功率，電能將從能量雙向流動交直流電源變換器直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。一方面，可以通過用于控制聯(lián)網(wǎng)能源單向間接流動的一對交直流聯(lián)網(wǎng)電源電壓變換器的雙向交流側(cè)能源電壓，間接通過控制直流電網(wǎng)側(cè)的能源電流；另一方面，可以用于聯(lián)網(wǎng)側(cè)的電流閉環(huán)控制直接通過控制電源能量的雙向間接流動的的交直流聯(lián)網(wǎng)電源電壓變換器的聯(lián)網(wǎng)側(cè)的電流。1.1.2能量雙向轉(zhuǎn)換流動電壓交直流通用電源電壓變換器的主要工作電路原理三相能源電壓式整流能量雙向電壓流動M型交直流三相電源電壓變換器在三相整流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中正常運行時，主轉(zhuǎn)換電路的實際工作電流狀態(tài)與采用單相交流電壓式能量PMW型的整流轉(zhuǎn)換電路相同。由于對每個輸入端的電感信號進(jìn)行濾波,忽略整流器交流側(cè)輸出交流電壓的諧波，該電壓變換器也因此可以被廣泛認(rèn)為為它是一個基于可編程控制的正交余弦三相回路電壓差的來源。適當(dāng)?shù)赝ㄟ^調(diào)節(jié)一個固定可控大小電壓的固定幅值和對應(yīng)相位，就已經(jīng)能夠輕松實現(xiàn)所有必需的固定大小電壓及其對應(yīng)相位的固定輸出輸入電流。假定一個電網(wǎng)的輸出電壓與另一個電網(wǎng)的輸入電流分別可以用下列方法來表示。三相電壓型能量雙向流動交直流電源變換器各個矢量在不同坐標(biāo)系中可以用圖1.4表示。這是研究三相電壓型能量雙向流動交直流電源變換器數(shù)學(xué)模型和矢量關(guān)系的基礎(chǔ)。圖1.4三相電壓型PWM整流器各矢量之間的關(guān)系1.2三相能量雙向流動交直流電源變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能量雙向轉(zhuǎn)換流動式和交直流式的電源電壓轉(zhuǎn)換器一般可以細(xì)分為額定電壓式和額定電流型。電壓式交流能量雙向電源流動電壓交直流集成電源電壓變換器的設(shè)計主集成電路設(shè)計有以下多種形式。本文所要重點研究的是大能量雙向式和流動式的交直流開關(guān)電源三相轉(zhuǎn)換器設(shè)計是一種主要采用一個三相VSR三線六控制開關(guān)的新型主控制電路板和拓?fù)湓O(shè)計結(jié)構(gòu)的三相電源變換器。三相電壓型PWM整流器最顯著的拓?fù)涮卣骶褪侵绷鱾?cè)采用電容進(jìn)行直流儲能，從而使它的直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性，同時在交流側(cè)有一個電感，使它具有BoostAC/DC變換性能以及交流側(cè)受控電流源特性。圖1.5三相VSR的拓?fù)鋱D1.3三相VSR雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計在三相交流VSR閉環(huán)控制交流電源驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，一般用戶都會考慮采用雙閉環(huán)控制，即額定電壓電流外環(huán)與額定電流電壓內(nèi)環(huán)。雙閉環(huán)高壓控制整流系統(tǒng)設(shè)計中的直流側(cè)輸出電壓環(huán)境外環(huán)主要目的是為了實時控制穩(wěn)定的直流側(cè)輸出電壓，根據(jù)直流側(cè)輸出電壓的波動幅值和電流大小由它來自動調(diào)整直流側(cè)的高壓整流器正常運行工作時的電壓狀態(tài)，并通過給予一個電流環(huán)境內(nèi)環(huán)送入輸出一個高于給定的電壓值。在前面我們所要分析的高壓整流器雙三相閉環(huán)運動數(shù)學(xué)控制模型中，在采用三相運動靜止同步ABC三個坐標(biāo)系下很難做到設(shè)計能夠得到具有控制性的系統(tǒng)，而且在對于該控制系統(tǒng)的運動控制上也很難做得沒有一個無限的靜差，所以，雙閉環(huán)控制模型是完全建立在采用三相靜止同步閉環(huán)旋轉(zhuǎn)系和d-q坐標(biāo)系下的閉環(huán)數(shù)學(xué)控制模型理論基礎(chǔ)上的。而在兩軸同步高速旋轉(zhuǎn)的d軸坐標(biāo)系下，d軸和q軸兩個不同變量之間既然可以相互進(jìn)行耦合，那么，在與q軸d-q坐標(biāo)系相互進(jìn)行耦合的兩種狀態(tài)下就必然可以同時進(jìn)行解耦，希望一個不同變量之間只能同時接受另一個不同變量的解耦控制，系統(tǒng)中解耦的兩種方法一般可以有先后順序選擇兩個串聯(lián)前饋補償解耦和后后順序選擇兩個前饋串聯(lián)補償解耦，本文所要介紹研究的這種解耦系統(tǒng)主要可以有先后順序選擇兩個前饋串聯(lián)補償解耦方法來進(jìn)行控制。其控制結(jié)構(gòu)圖如下：圖1.6整流器控制結(jié)構(gòu)圖1.3.1電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計由上可以知，三相VSR的d-q模型可以描述為（2-1）式中，、——電網(wǎng)電動勢矢量的、分量；、——三相VSR交流側(cè)電壓矢量的、分量；、——三相VSR交流側(cè)電流矢量的的、分量。從三相VSR的d-q模型方程式可以看出，由于VSR的d、q軸變量相互耦合，給控制器的設(shè)計造成一定困難。為此，可以采用前饋解耦控制策略，當(dāng)電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器時，則、的控制方程如下：（2-2）式中，、——電流內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)增益和積分調(diào)節(jié)增益；、——和的電流指令值。將式（3-2）帶入式（3-1），并化簡可得（2-3）顯然，式（3-3）表明：基于前饋的控制算式（3-2）使VSC電流內(nèi)環(huán)（，）實現(xiàn)了解耦控制。由此可以畫出電流內(nèi)環(huán)的解耦控制結(jié)構(gòu)，如下圖：圖1.7三相VSR電流內(nèi)環(huán)解耦控制結(jié)構(gòu)由于兩電流內(nèi)環(huán)的對稱性，因而下面以控制為例討論電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計?？紤]電流內(nèi)環(huán)信號采樣的延遲和PWM的小慣性特性，取為電流內(nèi)環(huán)電流采樣周期（即為PWM開關(guān)周期），為橋路PWM等效增益，0.5模擬PWM的小慣性特性。已解耦的電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1.8所示。圖1.8電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)將PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)改寫成零極點形式，即（2-4）將小時間常數(shù)、合并，得到簡化后電流環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1.9所示。圖1.9電流內(nèi)環(huán)簡化結(jié)構(gòu)由此可以按照典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，從圖1.8得到電流內(nèi)環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為(2-5)為了盡量提高電流響應(yīng)的快速性，對典型Ⅱ型系統(tǒng)而言，可設(shè)計適當(dāng)?shù)闹蓄l寬，工程上常取。按照典型Ⅱ型系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計關(guān)系有(2-6)解得:(2-7)1.3.2電壓外環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計三相VSR的電壓環(huán)簡化結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖1.10三相VSR電壓環(huán)簡化結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，—電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù);由于電壓外環(huán)的主要控制作用是穩(wěn)定三相VSR直流電壓，故其控制系統(tǒng)整定時，應(yīng)著重考慮電壓環(huán)的抗擾性能。Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計對恒值給定可以實現(xiàn)無靜差跟蹤，顯然，同樣可按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計電壓調(diào)節(jié)器，由圖3-7得電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為