电压源型换流器控制策略的研究及其应用

论文摘要

绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)将GTR与MOSFET两者的优点结合在一起,逐渐成为组成中小功率电力电子装置的主导开关器件,因此基于IGBT的电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)也在不同领域得到了广泛应用,尤其为紧密配合我国“十二五”规划对新能源开发利用战略的有效实施,人们加快了电压源型换流器在新能源分布式发电系统中的应用研究步伐,本文主要针对电压源型换流器在光伏并网发电系统、单相逆变电源系统以及新型多端直流输电系统中的应用,进行了以下几方面的工作:首先,根据光伏阵列数学模型并利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC编写了光伏阵列的控制模型元件,使其控制输出信号去触发一恒流源,以此来模拟光伏阵列的电模型元件,为后续利用PSCAD/EMTDC进行光伏并网系统仿真研究奠定了可行性基础。在此基础之上,推导了三相光伏并网逆变器在三相abc静止坐标系、两相αβ静止坐标系以及两相同步旋转dq坐标系下的数学模型,相应地提出了可以独立控制有功与无功的前馈解耦控制,并对三相光伏并网单级式和两级式系统分别进行了仿真。然后,在前面研究内容的基础上将模糊自整定PI控制引入到光伏并网系统,使其有效改善了由于光照强度变化而引起畸变的并网电流波形。其次,在离散重复控制的基础上,引入零相差自适应控制算法,由此提出了一种新的复合控制算法,该算法结合了两种控制算法的优点,具有良好的动静态特性。本文推导出单相逆变系统的数学模型,根据该数学模型推导出零相差自适应控制,同时将本文所提的复合控制应用于单相逆变电源系统,并利用PSCAD/EMTDC与MATLAB/SIMULINK接口进行了仿真。最后,为削减新型多端直流输电系统的建造成本,本文提出了虚拟电网磁链定向矢量控制算法。该算法替代了传统的电网电压定向矢量控制,省去了各个电压源换流站控制所需的电网电压传感器,从而降低了大规模多端系统的成本。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景与意义
• 1.2 光伏并网发电系统控制算法
• 1.2.1 最大功率点跟踪控制算法（MPPT）
• 1.2.2 光伏并网逆变器的控制
• 1.3 重复控制的研究概要
• 1.4 多端直流输电系统
• 1.4.1 VSC-HVDC 结构以及研究现状
• 1.4.2 VSC-MTDC 研究发展现状
• 1.4.3 多端直流输电系统的应用
• 1.5 PSCAD/EMTDC 软件简介
• 1.6 本章的主要工作
• 2 光伏阵列与光伏并网逆变器
• 2.1 引言
• 2.2 光伏阵列的数学模型
• 2.2.1 光伏电池基本工作原理
• 2.2.2 光伏阵列理想数学模型
• 2.3 光伏并网逆变器数学模型
• 2.3.1 并网逆变器结构
• 2.3.2 并网逆变器数学模型
• 2.3.2.1 三相静止坐标系下的并网逆变器数学模型
• 2.3.2.2 两相坐标系下的并网逆变器数学模型
• 2.4 锁相环（PLL）
• 2.5 并网逆变器控制系统
• 2.5.1 内环电流控制器
• 2.5.2 外环功率控制器
• 2.6 仿真结果与分析
• 2.7 本章小结
• 3 光伏并网发电系统仿真研究
• 3.1 引言
• 3.2 最大功率追踪控制（MPPT）
• 3.3 单级式三相光伏并网系统
• 3.3.1 光伏并网系统结构
• 3.3.2 光伏并网系统的控制策略
• 3.4 两级式光伏并网系统
• 3.4.1 光伏并网系统结构
• 3.4.2 Boost 变压器
• 3.4.2.1 Boost 变压器结构
• 3.4.2.2 Boost 变压器控制
• 3.5 仿真结果与分析
• 3.5.1 单级式光伏并网系统仿真
• 3.5.2 两级式光伏并网系统仿真
• 3.6 本章小结
• 4 模糊自整定PI 控制器在光伏并网系统中的应用
• 4.1 引言
• 4.2 模糊控制基本原理
• 4.2.1 模糊控制系统的组成
• 4.2.2 模糊控制器组成
• 4.3 模糊自整定PI 控制
• 4.4 仿真结果与分析
• 4.5 本章小结
• 5 零相差自适应-重复控制的复合控制法在电压源型逆变器中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 单相全桥电压源型逆变器（VSI）结构
• 5.3 重复控制器
• 5.3.1 内模原理
• 5.3.2 离散重复控制器
• 5.4 零相差自适应控制系统
• 5.4.1 自适应控制
• 5.4.2 零相差自适应控制系统设计
• 5.5 复合控制策略
• 5.6 仿真结果与分析
• 5.7 本章小结
• 6 虚拟电网磁链定向矢量控制在新型多端直流输电系统中的应用
• 6.1 引言
• 6.2 新型多端直流输电系统
• 6.2.1 VSC-MTDC 的接线方式
• 6.2.2 VSC-MTDC 的控制原则
• 6.2.3 多端直流输电系统结构
• 6.3 同步旋转坐标变换
• 6.4 无电网电压传感器的虚拟电网磁链定向控制
• 6.4.1 虚拟电网磁链的定义
• 6.4.2 虚拟电网磁链定向矢量控制
• 6.5 VSC-MTDC 系统上层控制
• 6.6 仿真结果与分析
• 6.7 本章小结
• 7 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文