基于LCL滤波器的风力发电网侧变换器的研究_图文

1、声尸明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于滤波器的风力发电网侧变换器的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：）麴丕垫日期：关于学位论文使用授权的说明本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它

2、复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。（涉密的学位论文在解密后遵守此规定）作者签名：啦¨陵篙名期签导日 华北电力人学硕士学位论文摘要级风力发电机组由于功率大，其网侧变换器采用传统的滤波器时电感值较大，既增加了制造成本又降低了系统动态性能，而采用滤波器可解决上述问题。本文建立了采用滤波器的网侧变换器的拓扑结构和数学模型，设计了滤波器的参数。针对滤波器存在的谐振现象，提出了有源阻尼方法，并分析了各种电流反馈控制策略，在此基础上给出了基于电网电压定向的

3、双闭环矢量控制方法。考虑到实际电力系统三相电压不平衡情况，提出了抑制交流侧负序电流和抑制直流侧二次谐波的控制策略。在旧平台下进行了仿真，仿真结果证明了本文提出的基于滤波器的网侧变换器控制方法和策略的正确性，为工程应用提供了可靠参考。关键词：滤波器，电流反馈，有源阻尼法，矢量控制，不平衡控制，嘶，（）：， 华北电力大学硕士学位论文目录中文摘要英文摘要第一章绪论本课题的提出国内外关于的研究现状控制策略的研究滤波器的参数设计本论文的主要工作第二章数学模型及控制策略研究的数学模型三相坐标系下的数学模型两相坐标系下的数学模型中电流反馈控制策略分析网侧电流反馈控制网侧电流和电容电流双内环反馈控制变换器侧电

4、流反馈控制中的阻尼控制策略分析虚拟阻尼法基于超前网络的法无电压传感器的有源阻尼第三章滤波器的原理分析及参数选择滤波器对系统性能影响的定性分析滤波器的参数设计总电感的限制条件滤波电容。的选择电感厶和的选择阻尼电阻励的选择第四章控制系统的设计与分析电压电流双闭环控制系统电流内环控制系统设计电压外环控制系统设计控制给定电压所在扇区的判断给定电压两个相邻矢量作用时间的计算在中的实现仿真验证分析第五章不平衡电网下的控制策略电网不平衡时网侧变换器的数学模型电网不平衡时的网侧变换器控制策略电网不平衡时交流侧电流的控制算法电网不平衡电动势的检测抑制交流侧负序电流的控制策略抑制直流侧电压波动的控制策略基于筇坐标

5、系的功率平衡控制策略电网不平衡时仿真不平衡电网下采用传统双闭环控制策略仿真抑制交流侧负序电流控制策略仿真抑制直流侧电压波动控制策略仿真基于筇坐标系的功率平衡控制策略仿真第六章结论及展望论文研究工作总结对后续工作的展望参考文献致谢在学期间发表的学术论文和参加科研情况本课题的提出第一章绪论风力发电作为一种有效的可再生能源利用形式，近年来越来越受到关注。变速恒频（，）风力发电由于具有运行效率高、机组磨损小、电能质量好等诸多优点，得到了广泛的关注和深入的研究【¨实现变速恒频发电的方式很多，其中采用双馈异步发电机（，）的交流励磁变速恒频风力发电系统是最具优势的方案之一在该方案中，定子接入电网，

6、转子由电力变换器提供励磁，调节励磁电压的幅值、频率和相位，实现定子恒频恒压输出。变换器具有可实现能量双向流动、谐波污染小、功率因数高以及恒定直流电压控制等优点，广泛应用于太阳能、风能等可再生能源的并网发电等控制中。在变速恒频双馈风力发电系统中，两电平电压型双变换器（）是可用作风力发电交流励磁电源的最具优势的一种变换器【】。两电平电压型双变换器是由两个完全相同的电压型变换器（，下称）通过直流母线背靠背连接而成的，通常按其位置分为网侧变换器和转子侧变换器【卜【】。其中，网侧变换器的作用为：一是使输入电流的波形接近正弦，谐波含量少，实现可调的功率因数控制；二是保证直流母线电压的稳定。等相关国际标准规

7、定风力发电网侧变换器输出的并网电流波形总谐波畸变率（）应小于，因此对风力发电并网变换器的拓扑结构以及控制策略提出了更高的要求。由于变换器的开关频率一般为，会产生开关频率及其整数倍处的高频谐波分量，可能对电网中对电磁干扰敏感的设备产生不利影响【】。因此，一般在变换器和电网之间串入无源滤波器，该滤波器不但抑制变换器输出的谐波电流，更中的是可为变换器与电网间的能量交换提供条件。在功率等级较低的并网变流器中，一般采取在网侧变换器和电网之间串联电感来实现以上目的。通过增大电感值，减小开关频率附近的高次谐波。基于滤波器的电压型变换器（下称）的拓扑结构如下图所示：华北电力大学硕士学位论文图卜的拓扑结构图随着

8、风机单机容量的不断增大，基于效率和可靠性的考虑，其变换器的开关频率一般较低。如在级风力发电系统中变换器的开关频率一般选，为了滤除高次开关谐波，相应需要选择较大的电感参数。但电感值的增大会带来两个问题：一是大功率的电感较贵、制造困难，从而带来制造成本和体积的增加；二是大电感会使系统的动态性能下降。为了克服上述问题，可采用滤波器代替滤波器。滤波器的滤波效果较好且使用的电感值也较小，在级风机并网变流器中得到了广泛应用【刀，其拓扑结构如下图所示：图的拓扑结构图滤波器的阻抗值与流过的电流频率成反比，频率越高，阻抗越小，所以可以滤除高频谐波【。但滤波器也有其自身的缺陷：由于滤波电容支路的增加，使得的电流控

9、制系统由一阶变为三阶，控制更为复杂。并且在某些高次谐波电流下，滤波器的总阻抗接近零，将导致谐振效应，影响系统的稳定性【】。因此，需要在以往的理论基础上研究适合基于滤波器的变换器（下称）的控制策略。为了抑制谐振，还需要研究增强系统稳定性的控制策略。由于滤波器参数设计比较复杂，如何选择合适的参数提高系统性能也是需要研究的问题。随着风电机组的大规模并网，电网对风电机组的故障运行能力要求不断提高，电网故障情况下的动态特性和控制算法也成为研究热点。国内外关于的研究现状目前国内外关于的研究主要体现在控制策略和滤波器的设计两个方面。控制策略的研究】控制策略的研究主要包括三个方面：谐振抑制技术、闭环控制策略和

10、电网故障下的控制策略。为了解决滤波器的谐振问题，一般采用在已有控制策略的基础上增加阻尼控制的方法。阻尼方法分为两种：一种称为“无源阻尼法（，简称）”】【屹】，通过在电容支路上串联电阻来使系统稳定，这种方法稳定可靠，在工业中得到广泛应用，但加入的电阻会增加系统的损耗；另一种称为“有源阻尼法（，简称）】【。，通过修正控制算法使系统达到稳定，抑制谐振，而且避免了无源阻尼的损耗问题。由于可以降低系统损耗，关于的研究已成为当今的研究热点之一。在文献】中提出了“虚拟电阻”的策略，通过传递函数的变换，虚拟出一个阻尼电阻替代实际的电阻。由于具有简明的物理意义，该方法在工业上得到一定的应用。文献】中提出一种采用

11、“超前滞后（）的滤波电容电压反馈方法，采用这种方法不会带来功率损耗，但是参数的选择比较复杂，不利于实际应用。在文献】中提出了基于双带通滤波器的方法，该方法不需要额外的传感器，但其采用的遗传算法增加了控制系统的复杂程度，目前在工业上还很难得到应用。方法的局限性在于大都需要额外增加传感器，从实际应用角度看，既增加了系统成本，又降低了系统可靠性。因此，研究无交流电压传感器的控制策略就变得很有必要【擂】。文献】【】根据瞬时无功功率理论对无交流电压传感器的控制策略进行了初步研究。目前的控制策略大多是在的控制策略基础上引申得到的，主要分为电压矢量定向控制（）】【和直接功率控制（）】【。其中，是目前应用较多

12、的成熟控制策略，而由于动态响应快、原理简单，近年来也得到了广泛应用。在中，滤波器由于电容支路的增加，使得电流内环控制的交流电流采样有了多种选择。根据电流采样位置的不同，电流内环控制策略可分为网侧电流反馈控制【、变换器侧电流反馈控制【以及网侧电流和电容电流双内环反馈控制【。对而言，传统的没有电流内环，不能采用已有的有源阻尼方法。文献】中提出了针对的直接功率控制策略，将传统方法中给出的电流或电压参考值转化为功率参考值，将有功、无功分量减去阻尼分量后就可以避免谐振现象。考虑到滤波器的特性，有学者提出了专门针对滤波器的控制策略【】。和在文献中提出了基于滤波器的斩波器的无差拍控制，这是最早的基于滤波器的

13、控制策略。在该方法的基础上，等人提出了改进的矢量无差拍控制策略【，该策略只需要一组电流和电压传感器，其他的量可以由状态观测器获得，系统的扰动可以用无源阻尼来衰减。与传统的整流器相比，改进的无差拍控制方法的脉冲宽度根据当前的电路状态实时确定，因而具有更优越的动态性能。在实际系统中，三相电网不可能完全对称，而不平衡的电网电压由于存在零序和负序分量，会对电力系统和电力用户造成一系列的危害。此外，大规模的风电并网，对风电机组的并网运行和不间断运行能力提出了更高的要求，需要能在一定的不平衡电网条件下实现可靠运行。因此，研究不平衡电网下的控制策略是十分必要的【】【】。由于主要考虑低频下的运行特性，关于不平

14、衡控制策略可由延申得到。文献】中采用对称分量分析方法，以三相从电网吸收平衡的瞬时功率为约束条件求出消除三相直流电流（电压）非特征谐波的交流侧正序、负序指令电流信号，但采用调节器无法实现对负序电流的无差跟踪控制，从而影响了系统的控制性能，且不能完全消除直流电压中的非特征谐波。文献】中提出了采用正序、负序两套同步旋转坐标系（下称）的独立电流跟踪控制方案，由于正、负序电流在正、负序中均表现为直流量，显然采用调节器可以实现对正、负序电流的无静差跟踪控制。但该控制方案由于采用了两套构成四个电流内环，使得系统结构复杂化；此外，该方案需要对正负序电流进行独立检测，当采用了低通滤波器进行正负序电流检测时，系统

15、的控制带宽将受到影响。也有学者专门针对进行了不平衡控制策略的研究，如文献】中提出了改进的正负序电流独立控制策略。年，和提出了三闭环不平衡控制策略【，其电压外环采用传统的调节控制方式，电流内环采用双内环的控制结构。第一内环是网侧电流内环，第二内环是电容电流内环，相当于在矢量控制的基础上引入了电容电流内环来提高系统的稳定性。该策略对于不平衡电网电压有较强的鲁棒性，但所需传感器数量多，需要两组电流传感器和一组电压传感器，限制了其实用性。目前国内对的控制策略研究也日益增多，主要集中在合肥工业大学、浙江大学、中科院电工所等高校。但目前还处在消化、吸收国外的控制策略阶段，至今仍然没有提出一种新的完善的控制

16、方法。滤波器的参数设计滤波器由于参数较多，参数设计比较复杂。为了获得良好的滤波特性、电流响应特性以及功率特性，网侧电感、变换器侧电感和滤波电容的参数选择及优化组合显得非常重要【】【】。滤波器在低频时可近似等效于滤波器，但高频时两者的传输特性有着明显的区别，需要加入阻尼控制，这也增加了参数选择的复杂性。因此，如何优化设计滤波器参数也是当前一个重要的研究方向。文献】定性分析了滤波器各参数变化对滤波特性的影响，为参数的优化设计提供了依据。文献】给出了滤波器的设计准则，根据谐振频率限制、电容的无功功率限制、总电感值限制、电流响应速度限制等条件给出了参数设计流程。但该方法是一种尝试法，需要反复计算校验，

17、变换器侧电感的计算非常繁琐，阻尼电阻的选取采用经验公式，而且未考虑实际控制器引入的延时对系统控制性能的影响。为此，文献提出了非理想工作条件下的参数设计，对实际中可能存在的计算延时、电网不平衡、传感器安放位置不同引起的测量误差等进行了分析，并在设计过程考虑这些因素的影响，具有一定的实际意义。文献提出了一种新的设计方法，基于文献】中对滤波器参数的限制，利用电流的纹波要求，得出滤波器的等效电感，然后利用谐振频率作为中间参数，推导出了以电流谐波的衰减比例为变量的二次方程，通过对方程的求解，得到滤波器的参数。本论文的主要工作随着电网对风电机组并网运行能力的不断提高，风电机组中的优化设计和高性能运行愈发显

18、得重要。在国家自然科学基金“双馈式变速恒频风力发电机组并网运行能力优化策略（）的资助下，本文从的滤波器设计和控制策略两个方面开展了研究，主要工作和成果如下：（）根据的拓扑结构，建立了三相静止和两相旋转坐标系下的数学模型，并对滤波器本身的频率特性进行了研究。（）针对滤波器存在的谐振问题，总结并分析了各种阻尼控制策略，并重点对有源阻尼控制进行了研究。在此基础上研究了的矢量控制策略，并对电流内环不同的反馈控制策略进行了对比分析。（）在定性分析了滤波器各参数对系统影响的基础上，提出了一套实用的参数设计流程方法。（）建立了基于的矢量控制仿真模型，对滤波器参数、参数的变化对控制系统的动态性能与静态性能的影

19、响进行了研究。（）从抑制交流负序电流和直流侧电压二次谐波两方面，研究了在不平衡三相电网条件下的控制策略。为了提高系统的实用性，提出了基于两相静止坐标系下的不平衡控制策略，并通过仿真模型进行了理论验证。第二章数学模型及控制策略研究的数学模型要研究网侧变换器的动态、稳态运行性能及其控制策略，首先必须建立其数学模型。的数学模型与类似，但由于滤波器为三阶，传输特性将有所变化，其频率特性在不同的频段内有不同的特点。本章先建立了三相静止坐标系下的数学模型，然后为了控制系统设计方便，建立了两相旋转坐标系下的数学模型。三相坐标系下的数学模型时域下主回路结构图如下图所示：（）图时域下的主回路图在图中，厶、尼分别

20、为网侧电感及其寄生电阻；、分别为变换器侧电感及其寄生电阻；为滤波器电容；艮为直流支撑电容；（后，）为功率开关器件的开关函数【】（鼠时，上桥臂器件导通，下桥臂器件关断；鼠时，上桥臂器件关断，下桥臂器件导通）。为研究方便，将转子侧变换器以一恒定负载代替。假设电网侧为三相平衡电网，滤波电感为线性，且不考虑饱和。在静止坐标系下以单相电路（，）分析，根据基尔霍夫电压、电流定律，得到的数学模型为：既（）：咫私（）厶掣（）砸）吲卅。掣叫归酬）三警州）望螋：玩（）一豇（）、（）（）（）（）式中，枷为单相网侧电流，豇为变换器侧电流，池电容支路电流，为电网电压，为电容电压，变换器侧桥臂输出电压，玩为直流电容支路电

21、流，为负载电流。吲踯）一；。委，。踯舰缸（）（）两相坐标系下的数学模型（）（）三相坐标系下的数学模型具有物理意义清晰、直观等特点，但其交流侧电压回路方程是以时变信号出现的，不利于控制系统设计。为此，需要通过坐标变换将标系下的量转换到以电网基波频率同步旋转的由坐标系下，将时变量转换为直流量，以方便实现网侧变换器的有功和无功分量的解耦、独立控制。在进行变换后，就可以得到两相由坐标系下的数学模型：厶皇竽：一凡妇一彩一甜厶掣：一，白一甜国，：一尺妇一“粤：一“一均。：一豇一妇（）（）（）（）（）华北电力大学硕士学位论文。：一岛国钟留岛班已丝：一（妇椭）一豇、（）（一）式中：、分别为电网电压的、轴分量；

22、、幺分别为网侧电流的、轴分量；毛、分别为变换器侧电流的、轴分量；、分别为滤波电容电压的、轴分量；屹、屹分别为变换器侧桥臂输出电压的、轴分量；岛、分别为开关函数的、轴分量；彩为电网电压的同步角速度。网侧变换器从电网吸收的有功功率和无功功率分别为：（）若将同步旋转坐标的轴定向于电网电压，即，则上式变为：，、一吃（）上式说明：在由坐标系下实现了网侧有功分量和无功分量的解耦。尸表示网侧变换器工作于整流状态，从电网吸收能量；表示网侧变换器处于逆变状态，能量从直流侧回馈到电网。表示网侧变换器呈容性，从电网吸收超前的无功；表示网侧变换器呈感性，从电网吸收滞后的无功。变换器、轴上的电流分量岛分别控制网侧的有功

23、功率尸和无功功率。因此，只要控制屯的正负即可实现有功功率的双向流动，控制乞可以控制无功功率。式即为基于电压矢量定向控制（）中电流环的基本控制思想，具体设计过程详见第四章。中电流反馈控制策略分析滤波器的单相电路（口，）如图所示，其频域下的数学模型为：一幻彩岛华北电力大学硕士学位论文如鬲（一锹）趾一锹三尺、“：上（一豇）“一船、枷丽（）坛工疃、电网侧厶三忍二尺变换器侧图滤波器的单相电路图（）中，由于滤波电容支路的增加，使得交流侧电流可测量的位置有多个，故其控制方案也有多种选择。根据电流采样位置的不同，目前常采取的策略为网侧电流反馈控制【和变换器侧电流反馈控制【。此外，还有利用滤波器的网侧电流和电容

24、电流的双闭环复合控制策略【。网侧电流反馈控制变换器无论采用滤波器还是滤波器，其控制系统的目的都是控制网侧电流（口，）。因此，参照中的电流反馈控制，首先考虑在中采取网侧电流（口，）进行反馈控制。在由坐标系中，取妇、函事为参考电流。为使网侧变换器运行于单位功率因数，令岛幸，轫则由电压外环决定；同时测量网侧电流以跟踪参考电流。其闭环控制结构如下图所示。图网侧电流反馈结构框图由图可得，电流环的开环传递函数（）为：啡，旦高器耥式中，（）云百，：）历，）云再瓦，（）为调节器（）为了便于分析系统的稳定性，（）选择为比例调节器，即（），并忽略电感寄生电阻，即令。电流环开环传递函数为：（）而历而利用工具可绘制其

25、电流环根轨迹如下图所示：篓麓钠疆至×槛（）（），弦、。锄：冷一旦乳：曼一罂必：；：誊餐零主：爹霉妻耋霎彰：图采用网侧电流反馈时电流环根轨迹图由图可知：当选择电流作为变量进行反馈控制时，系统的根轨迹只有少部分位于平面的左半平面，大部分位于复平面右半平面。当比例增益，稍微增大时，系统就有可能会变得不稳定。因此，中不宜采用网侧电流控制。网侧电流和电容电流双内环反馈控制由于选择网侧电流作为内环控制变量，网侧变换器易处于不稳定状态，为了提高系统稳定性，文献【】提出了网侧电流和电容电流双内环反馈控制策略，以电容电流级作为第一内环控制变量，网侧电流轨作为第二内环控制变量，其闭环控制结构如下图所示：

26、图网侧电流和电容电流双内环反馈结构框图忽略电网电压的影响，网侧电流础只受电容电压的控制。而电容电流缸为电容电压信号的一阶微分，反映了电容电压的变换趋势。因此，只要控制了电容电流缸，就可以控制，进而达到控制轨的目的。由图可得，电流环的开环传递函数为：矗而篙鬻鬻式中，（）、）都是调节器为了分析方便，取（），（），得电流环开环传递函数为：（）瓦万磊五万瓦历绘制出其电流环根轨迹如下图所示：（）（）图采用双内环电流反馈时电流环根轨迹图由图可知，与网侧电流反馈相比，电流闭环极点分布在平面左半平面的部分增大，通过合理调整比例增益和肠：就可使系统稳定，因此，系统的稳定性得到了改善。但和的取值范围是受限制的，当

27、比例增益大到一定程度时，系统仍有可能变得不稳定。电流双内环反馈控制可以在一定程度上提高系统稳定性，但是需要同时检测变换器侧电流和网侧电流，增加了系统中电流传感器的数量，从而降低了其实际应用性。变换器侧电流反馈控制对变换器侧电流进行采样时，可以更快地检测到变流器的过流故障，封锁脉冲，对功率器件进行保护。因此，不少文献中都采取了变换器侧电流反馈这种方案【，其闭环控制结构如下图所示：华北电力大学硕士学位论文图变换器侧电流反馈结构框图选择变换器侧电流，）进行反馈控制时，其开环传递函数为：函（）瓦沥，（而）利用工具绘制电流环根轨迹如下图所示：丝琵霸匹曼（）（）图采用变换器侧流反馈时电流环根轨迹图由图可知

28、：当选择电流矗作为变量进行反馈控制时，系统的根轨迹除少数极点分布在虚轴，其他极点都分布在平面的左半平面，比例增益骱可调范围华北电力大学硕十学位论文大，系统的稳定性好。与网侧电流反馈控制不同的是，在由坐标系下采用变换器侧电流反馈控制时，为了实现网侧变换器单位功率因数运行，轴指令电流信号，需要对滤波器造成的相移进行补偿【，取无功参考电流为：一（一）（）式中，国为基波角频率；为滤波电容；桥臂输出电压轴分量；厶为总电感厶通过对上述种电流反馈控制策略分析后可知，采取网侧电流反馈易使系统不稳定；加上电容电流后的双内环电流反馈虽然能提高系统稳定性，但需要增加电流传感器，而调节器数量的增加也降低了系统的可靠性

29、；变换器侧电流反馈虽然结构相对复杂，需要增加相移补偿环节，但系统稳定性好，且只需检测变换器侧电流（一般变换器输出都内置了输出电流传感器）。因此，在本文后续的研究中电流内环将采用变换器侧电流反馈控制策略。中的阻尼控制策略分析滤波器在某些频率点存在着谐振问题，一定程度上降低了系统的可靠性。为了增强系统的稳定性，常见的方法就是在滤波器的电容支路中串入电阻来增加系统的阻尼。这种串电阻的方法就叫做无源阻尼法。电容支路在未加阻尼电阻时，变换器侧电压对电流如的传递函数（）为：，器丽鬲岛（）由上式可以看出，传递函懒率为纰藤。为了抑锖¨谐振王见象，在电容支路串联阻尼电阻砌，通常取值为谐振点电容阻抗的，

30、即（×），此时传递函数变为：（）瓦面面面面而（）华北电力大学硕：卜学位论文作出（）和（）的图如下图所示：合粤、，端毋也：一：÷卜夕（；一卜卜：、；：卜：弋：万：（）由图可以看出：（）的图上有个幅值很大的尖峰，谐波电流在峰值处会被放大，增大了谐波的畸变率。串联了阻尼电阻后，）的图上就没有产生大幅度的峰值，不会对谐波电流产生放大，这样就抑制住了谐振的发生，提高了系统运行的稳定性。无源阻尼法方法简单，但加入的电阻会增加系统损耗。因此，下文将重点对有源阻尼法（）进行分析研究。虚拟阻尼法虚拟电阻，就是用控制算法去替代实际电阻阻尼的作用，主要是通过对传递函数框图进行结构变换得到的。电容

31、支路串联电阻后其结构框图如图所示，对其进行等效变换后的结构框图如图所示。：华北电力大学硕士学位论文图电容支路串联电阻时电流内环结构框图一一！图等效变换后的电容支路串联电阻时电流内环结构框图由图可以看出，虚拟电阻的原理为：对电容器电流进行采样，并通过微分环节，微分器的输出加到变换器侧电流的参考电流上，相当于改变了参考电流信号。利用上述结构产生一个虚拟电阻，代替实际电阻的作用。在电流内环的控制中，参考电流就变为。只要确定了滤波电容。和阻尼电阻的参数值，微分环节的系数就可以求得，进而实现虚拟阻尼。采用虚拟阻尼策略的双闭环控制系统如图一所示：华北电力大学硕士学位论文图基于虚拟阻尼控制的双闭环控制框图采

32、用虚拟阻尼法可以抑制滤波器的谐振，且不会带来功率损耗问题。需要增加额外电流传感器和微分器，其中微分器会对高频信号进行放大，带来噪声问题。基于超前网络的法但该方法会给系统在滤波器中，将超前网络串联在电容电压反馈检测通道中，然后将输出值叠加到电流调节器输出，从而间接的实现超前网络的补偿作用。超前网络的表达式为：邵慕式中，乃为时间常数，口基于超前网络的电流内环控制【】结构框图如下图所示广、一）弭旨一掣；协）卜匝（）华！皇查查堂塑主堂垡堡塞一图基于超前网络的电流内环结构图在图中，（）、）和（）的传递函数表达式分别为：踯，鬻三白。五西，器螽）（）（）作出（）、（）和（）（）的图如下图所示：（）（）：日躺

33、（）搿黼。一鬻！：一芹嗳：二乱（，、：；：！一骶一；盥。甲，。一：一；÷；：。鞠：。÷：。一：一：一一一一一；一！一；！；，一一÷一？二。：；：，。；二一：，：隧每。，。一：一：一±！：一一一（）图基于超前网络的电流内环图体循熙翥徽裂型撩耄臻笳裂挲鬈鬻篓使得（），因而对电流环低频段性能没有影响；在鬲频段”习，田丁占日。司姒取华北电力大学硕？卜学位论文减特性使得（），因而对电流环高频性能没有影响。在谐振频率附近，由于（）引入了负峰值，与（）的正谐振峰值相抵消，从而使系统变得稳定。采用基于超前网络的法不会带来功率损耗问题，但该方法需要电压传感器检测电容电压，

34、而且参数幻、乃和口的调整比较麻烦，故实际应用性不高。无电压传感器的有源阻尼无论是虚拟电阻法还是基于超前网路的法，共同的特点就是需要增加电流或电压传感器，使系统的成本增加，并降低了系统可靠性。因此，研究无电压传感器下的控制策略很有必要【们。在网侧变换器中，变流器电流传感器和直流母线电压传感器对系统提供过电流、直流母线电压过压等严重故障保护，一般系统都已有配置。因此，在此基础上可以通过参数估计的方法来获得电网电压或滤波电容电压。假定在低频时，滤波器的滤波电容的阻抗很大（即，）。根据定律，电网电压的估计值可以通过求变换器桥臂电压与电感电压降之和得到，而电容电压则通过求变换器桥臂电压与变换器侧电感电压

35、降之和得到。变换器桥臂电压通常可以采样获取，因此，问题就转化为求电感压降。在求电感压降时，可采取电流微分方法或复功率估计的方法【。：通过式！可求得变换器侧电感压降，经过变换后，即可得变换器侧电感电压的筇分量。、，。从原理上讲，该方法简单易行，但对电流进行微分会造成噪声放大，因此求电感压降通常采用基于复功率估计的方法。由于在中存在零矢量时刻，即。若选择在该时刻采样交流电流，并通过复功率理论估计电感电压，就不会引入开关噪声。在零矢量时有功、无功功率可以表示为：豇。豇，鱼丝：也等吨警，由瞬时功率理论可得，电感压降估计值为：嘲瓦，邶一，咖，蚴（）（）堕出豇拦口压厶乩弘盱式中，眈、是给出的变流器三个桥臂

36、上管的占空比电网电压可通过式、中求得的变流器桥臂电压与电感电压降之和得到。（）在通过估算得到电网电压和滤波电容电压后，就可以结合和章节中的方法实现无电压传感器下的有源阻尼控制。咿舭舭球卢”“口声华北电力大学硕上学位论文第三章滤波器的原理分析及参数选择滤波器对系统性能影响的定性分析在中，网侧电感厶、变换器侧电感三和滤波电容。的参数值不同组合对系统性能有着不同的影响。滤波器除了要满足网侧谐波电流畸变率低的要求外，还需使总电感量尽可能小，电容吸收的无功功率尽可能的小，使桥臂电流谐波尽可能的小，使桥臂电压对网侧基波电流的控制能力尽可能的大。因此，在进行滤波器设计之前，需要研究各个参数对其整体滤波性能的

37、影响。由图可得，频域下滤波器的数学模型结构如下图所示：图滤波器单相等效结构图为研究方便，忽略寄生电阻的影响，可得状态变量（）、厶（）与输入量（）之间的传递函数为厶）（）必（厶），）厶（）厶（三厶）（）（）定义，（）、（）为电流、电压中的第阶谐波，代表开关频率谐波次数。在高频下，变换器可看作一个谐波发生器，而网侧可认为是短路的。即在开关频率下，变换器侧电压谐波（吃。），而网侧电压谐波聪（吃。）。在上述假设条件下，可计型盟盔，（）吒一砖（）热缸再，吒嚣，向南为联频率由式和对比可以看出，与型滤波器相比，由于电容支路的增加，滤波器传递函数多了两个极点。电容支路的引入造成滤波器有可能产生高频谐振，因此，

38、需采用有源阻尼或无源阻尼的方法来抑制谐振，具体方法见第二章。令厶，三，代入式可得变换器侧至网侧的交流电流谐波衰减率为：锗丽，（），（一三，）（）滤波器的主要作用就是使维持在一较低水平，的大小直接反映了滤波器性能的优劣。为了方便分析不同参数对其特性的影响，作如下假设：电流谐波衰减为一定值（通常取）；开关频率瓜为已知。分析滤波器参数的不同组合，可得到如下结论【：（）随着电容。的增大，滤波器的总电感量厶三会降低。当电容。增大到一定值后，总电感量厶的减小趋于平缓，并且当网侧电感具有一定值后，的不同对总电感量的影响也较小。（）随着电容。的增加使得桥臂电流谐波增加，当电容值一定时，越大，桥臂电流谐波含量也

39、就越大。（）随着电容。的增加和，的增加，桥臂电压对网侧基波电流的控制力度也在增加。（）随着电容。和，的增加，滤波器的谐振频率（将下降，可以由此根华北电力大学硕：学位论文据控制系统设计的要求调节谐振频率的值。滤波器的参数设计滤波器的设计比较复杂，目前用得较多的是文献】中提出的设计方法，根据滤波器参数的限制条件，经过多次尝试，找到合适的参数。鉴于该方法在设计中不方便，文献】提出了利用电流的纹波要求和谐振频率，推导出以电流谐波衰减率为变量的二次方程，通过解方程得到滤波器的参数。本文在总结了多种方法的基础上，提出了一套完整的滤波器的设计方法。该方法滤波器参数的选取主要从三个方面进行考虑滤波器的参数设计

40、：满足有功功率、无功功率控制的要求；满足电流跟踪响应的要求；满足谐波电流指标的要求。总电感的限制条件【】在低频时，由于电容的阻抗较大，滤波器可等效为滤波器，传递特性与后者相同。网侧变换器对有功功率和无功功率的控制性能实际上是一种稳态的低频运行特性，因此，需满足滤波器对电感的要求。在稳态条件下网侧变流器的交流侧相量关系如下图所示：侈、。、卜、协一冬召心、，、图网侧变换器相电压矢量图图中，、，分别表示变换器交流侧相电压基波、电网相电压基波、相电流基波的有效值，觇为电感两端电压。的端点运动轨迹构成了一个以觇为半径的圆，并且、四点将圆周分成四个圆弧段，位于不同的圆弧段上时变换器具有不同的运行状态，而各状态对电感的要求也不一样。设系统功率因数为，要实现整流器的四象限运行，需满足如下关系式【】：如生业±巫至五亚（）式中，为电网相电压峰值，如为