电力电子变流器控制系统 课件全套 郑常宝 1直流电机控制系统 -9柔性直流输电变流器控制系统

电力电子变流器控制系统第*页1 直流调速系统1.1 单闭环直流调速系统1.1.1 直流他励电动机调速方法改变转速的三种方法：⑴改变电枢电压U、⑵改变励磁磁通Ф、⑶改变电枢回路总电阻R直流调速用可控电压源有：晶闸管整流器、直流斩波器。第3页1.1.2晶闸管整流器-直流电动机系统第4页1.1.2晶闸管整流器-直流电动机系统触发-整流环节的数学模型第5页1.1.3直流PWM变流器-电动机系统第6页1.2 转速负反馈调速系统1.2.1 调速要求和稳态调速指标1、调速要求：⑴调速、⑵稳速、⑶加、减速2、稳态调速指标⑴调速范围⑵静差率(3)调速指标、静差率和额定速降的关系第7页1.2.2转速负反馈调速系统1、转速负反馈调速系统组成2、PI调节器第8页1.2.2转速负反馈调速系统3、含有积分作用的调节器稳态无误差静止状态加阶跃给定启动，电机转速为0，Un=0，偏差ΔUn=Un*，PI调节器很快饱和，输出饱和值Uos，Uc=Ucm，Ud为最大电压Udm，Udm=UN，相当于电机全电压启动，电机电枢流过很大的过电流，这是不允许的。系统运行被堵转时，也会出现过电流的情况。图1-10的系统需要加电流保护，一种方法是加电流截止负反馈，另一种是加电流负反馈。第9页1.3 转速、电流双闭环调速系统1.3.1转速、电流双闭环调速系统组成第10页1.3.2转速、电流双闭环调速系统稳态结构图和稳态参数⑴转速调节器不饱和第11页⑵转速调节器饱和第12页1.3.3双闭环调速系统数学模型和动态过程分析1、双闭环调速系统数学模型(1)电机的数学模型第13页1.3.3双闭环调速系统数学模型和动态过程分析⑵双闭环调速系统数学模型第14页1.3.3双闭环调速系统数学模型和动态过程分析双闭环直流调速系统的起动过程三个特点：①饱和非线性控制。②转速超调。③准时间最优控制。2、启动过程分析第15页3、抗扰性能分析1.3.3双闭环调速系统数学模型和动态过程分析电流反馈点在转速反馈点前，电流反馈先于转速反馈感知变化，电流调节器先于转速转速调节器产生调节作用，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。第16页1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计1、控制系统的动态性能指标(1)动态跟随性能指标①上升时间tr：②超调量σ与峰值时间tp③调节时间ts(2)动态抗扰性能指标①动态降落ΔCmax②恢复时间tv第17页(3)频域性能指标1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计①中频段以－20dB/dec的斜率穿越零分贝线，－20dB/dec占有足够的频带宽度，则系统的稳定性好。②截止频率（或称剪切频率）越高，则系统的快速性越好。③低频段的斜率陡、增益高，表示系统的稳态精度好（即静差率小、调速范围宽）。④高频段衰减得越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。一般要求γ=30~60°

GM>6dB第18页2、调节器的工程设计方法1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计(1)工程设计方法的原则和基本思路遵循的原则是：1）概念清楚、易懂；2）计算公式简明、好记；3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；4）考虑饱和非线性控制的情况，经过分段线性化处理，给出简单的计算公式；5）适用于各种可以简化成典型系统的闭环控制系统。分两步：第一步解决主要矛盾（稳、准），选择调节器的结构，以确保系统稳定、同时满足稳态精度。第二步选择调节器的参数，满足其他动态性能指标的要求（快、抗干扰）。(2)典型系统典型I型系统典型II型系统第19页典型I型系统1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计第20页1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计典型II型系统第21页(3)典型I型系统性能指标与开环增益K的关系1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计第22页1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计第23页1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计(4)典型II型系统性能指标与中频宽h的关系Mrmin在1.2~1.5之间时，系统的动态性能较好，有时也允许Mrmin达到1.8~2.0，所以h值可在3~10之间选择。h更大时，降低Mrmin的效果就不显著了。第24页动态跟随性能指标1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计h=5时的调节时间最短。h减小时，上升时间快，h增大时，超调量小典型II型系统的超调量一般都比典型I型系统大得多，快速性好于典型I型系统。第25页3、传递函数的简化1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计(1)高频段小惯性环节的近似处理(2)高阶传递函数降阶第26页(3)低频段大惯性环节近似处理1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计第27页4、用工程设计法设计双闭环调速系统的调节器1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计第28页(1)电流调节器设计1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计1）结构图等效变换第29页1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计2）确定电流环结构和调节器3)电流环等效传递函数第30页4)电流环抗电网电压扰动分析1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计第31页1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计第32页1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计第33页1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计1)转速环动态结构图2)确定转速环结构和调节器第34页3)转速环抗负载扰动性能分析1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计h<5时，h变小，由于振荡次数增加，恢复时间tv变长。h=5恢复时间tv最短、调节时间ts最短。综合典型II型系统跟随和抗扰性能指标，h=5应该是很好的选择。第35页1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计第36页1.3.4

转速、电流双闭环调速系统的设计(3)转速超调量计算批评指导，谢谢！郑常宝电力电子变流器控制系统第39页2 交流异步机调速系统2.1基于稳态模型的异步机调速系统2.1.1

异步机的机械特性和调速方法1、异步机机械特性第40页2.1基于稳态模型的异步机调速系统2.1.1

异步机的机械特性和调速方法1、异步机机械特性第41页2.1基于稳态模型的异步机调速系统2.1.1

异步机的机械特性和调速方法2、异步机调速方法按改变参数的不同，调速方法有三种：①变极对数np调速，②变频f1调速，③变转差率s调速。变转差率调速分为：转子电路串电阻调速、改变定子电压调速、滑差电机调速、绕线异步机双馈调速。定子转递给转子的电磁功率一部分转换为机械功率Pmech=(1-s)Pm，由轴输出；另一部分转换转差功率Ps=sPm。按对待转差功率的不同，调速方法有三类：转差功率不变型、转差功率馈送型、转差功率消耗型。变极对数调速和变频调速属于转差功率不变型调速，无论电机高速还是低速，转差功率不变。双馈调速属于转差功率馈送型调速，转差功率回送给电网。其它改变参数的调速方法属于转差功率消耗型调速，消耗更多转差功率获得转速的降低，调速效率低。第42页2.1基于稳态模型的异步机调速系统2.1.1

异步机的机械特性和调速方法3、异步机变压调速系统第43页2.1基于稳态模型的异步机调速系统2.1.2异步机变频调速系统1.变频调速原理(1)额定频率f1N（基频）以下变频调速第44页2.1基于稳态模型的异步机调速系统2.1.2异步机变频调速系统1.变频调速原理(2)额定频率f1N（基频）以上变频调速频率从额定频率增加时，受绝缘水平的限制定子电压不能高于额定电压，只能等于额定电压。随着频率上升，励磁磁通下降，低于额定磁通，属于弱磁调速。频率越高，磁通下降越多。允许流过电机转子电流为额定电流，磁通下降，电磁转矩Te下降。电机减弱磁通，速度增加，即弱磁升速。功率近似不变，近似为恒功率调速。2.恒压频比控制变频调速时的机械特性(1)基频以下第45页2.恒压频比控制变频调速时的机械特性(2)基频以上第46页3.变频器（1）主电路(2)PWM控制技术1）SPWM2)SVPWM（3）电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术（加）图5-21电压空间矢量1）、空间矢量的定义2）、电压与磁链空间矢量的关系图5-22旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹图5-23电压矢量圆轨迹3）PWM逆变器基本输出电压矢量图5-24基本电压空间矢量图（SA,SB

,SC）=(0,0,0)（SA,SB

,SC）=(0,1,1)（SA,SB

,SC）=(0,0,1)（SA,SB

,SC）=(1,1,0)（SA,SB

,SC）=(1,0,0)（SA,SB

,SC）=(1,0,1)（SA,SB

,SC）=(0,1,0)（SA,SB

,SC）=(1,1,1)2024/12/3524）正六边形空间旋转磁场图5-27电压空间矢量的六个扇区图5-28期望输出电压矢量的合成5）期望电压空间矢量的合成6）SVPWM的实现方法a、零矢量集中的实现方法图5-29零矢量集中的SVPWM实现b、零矢量分散的实现方法图5-30零矢量分布的SVPWM实现7)

SVPWM控制的定子磁链图5-31N=4时期望的定子磁链矢量轨迹图5-32定子磁链矢量的运动的7步轨迹图5-33N=4时实际的定子磁链矢量轨迹第60页第61页4.转速开环变频调速系统2.2 基于动态模型的异步机调速系统2.2.1 三相异步机动态数学模型研究异步电动机数学模型时，假设：①忽略空间谐波，三相绕组对称，在空间互差120o电角度，磁动势沿气隙按正弦规律分布。②忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。③忽略铁心损耗。④不考虑频率变化和温度对绕组电阻的影响，绕组电阻恒定。第62页1.磁链方程第63页2.电压方程3.转矩方程第64页2.2.2 坐标变换1．空间矢量及三种坐标系第65页2．Clarke变换（3s/2s变换）3．Park变换4．坐标变换对谐波次数的变换第66页2.2.3 正交坐标系中的异步机动态数学模型1．αβ坐标系中异步机的微分方程第67页2．dq坐标系中异步机的微分方程第68页2.2.4旋转正交dq坐标系中异步电动机的状态方程1、以ω-is-ψr为状态变量的状态方程第69页2、以ω-is-ψs为状态变量的状态方程第70页2.2.5异步机按转子磁链定向的矢量控制系统1、按转子磁链定向dq坐标系中的异步机状态方程第71页第72页2、按转子磁链定向的异步电动机矢量控制系统第73页3.按转子磁链定向的异步机矢量控制系统电流控制第74页

4.按转子磁链定向的异步机矢量控制系统电磁转矩控制5.转子磁链的计算第75页2.2.6异步机按定子磁链定向的直接转矩控制系统1.逆变电路输出电压的矢量上通下断，s=1;下通上断，s=0，开关状态有8种。

8种状态导通的器件是（二进制数）：V4、V6、V2（000），V1、V6、V2（100），V1、V3、V2（110），V4、V3、V2（010），V4、V3、V5（011），V4、V6、V5（001），V1、V6、V5（101），V1、V3、V5（111）。第76页第77页2.按定子磁链定向的dq坐标系中的异步电动机状态方程第78页3.定子电压矢量对定子磁链和电磁转矩的控制作用4.按定子磁链定向的直接转矩控制系统第80页4.按定子磁链定向的直接转矩控制系统5.定子磁链和转矩计算第81页6.直接转矩控制系统的特点和不足批评指导，谢谢！郑常宝电力电子变流器控制系统第84页3同步机调速系统3.1永磁同步电动机数学模型同步电动机的定子与异步电动机的相同，一般为三相绕组。按励磁方式，同步电动机分为可控励磁同步电动机和永磁同步电动机。可控励磁同步电动机转子有独立的直流励磁绕组，改变直流励磁电流改变磁场。永磁同步电动机转子用永磁材料制作，无需励磁。正弦波永磁同步电动机和梯形波永磁同步电动机。永磁同步电动机（PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM）。梯形波永磁同步电动机定子输入方波电流，气隙磁场呈梯形波分布，用其构成的自控变频同步电动机又称作无刷直流电动机（BrushlessDCMotor,BLDM）。第85页3.1永磁同步电动机数学模型隐极电动机Ld=Lq，凸极电动机Ld≠Lq。第86页3.1永磁同步电动机数学模型第87页3.2永磁同步电动机矢量控制系统第88页3.2永磁同步电动机矢量控制系统第89页3.2.2转折速度以上控制方式反电动势正比例与磁通和转速。高于转折速度时增加速度，若磁通不变，反电动势也随之增加，受定子电压的限制，不允许反电动势增加，可以减弱磁通使反电动势不变。转折速度以上，通过削弱气隙磁通提升速度的方法称为“弱磁”。永磁同步电动机转子磁场恒定，可以利用定子电流的直轴分量减弱磁通，使定子电流直轴分量isd产生的磁场与永磁体磁场的方向相反，起到削弱电机磁场的作用，控制定子电流直轴分量isd的大小控制弱磁程度。弱磁I区：电机定子电压、电流取最大值第90页弱磁II区：电机电压达到逆变器的输出电压极限，为了提高同步机输出更高转矩的要求，即利用有限电压输出尽可能大的转矩，可采用最大电磁转矩电压比控制(MaxiumTorquePerVoltage,MTPV)。根据拉格朗日极值定理，引入辅助函数3.3无刷直流电动机控制系统第92页3.3无刷直流电动机控制系统批评指导，谢谢！郑常宝电力电子变流器控制系统第95页4并网光伏逆变器控制系统4.1 光伏发电系统介绍第96页4.2 光伏电池的特性和最大功率点跟踪技术4.2.1 光伏电池的特性型4.2.2最大功率点跟踪技术1、MPPT第97页2、扰动观察法第98页3、扰动观察法的振荡和误判第99页3、扰动观察法的振荡和误判4、基于滞环比较的扰动观察法第100页第101页4.3 并网逆变器矢量控制系统4.3.1 并网逆变器第103页4.3.3并网逆变器矢量控制系统第104页第105页4.4锁相环和孤岛保护4.4.1锁相环第106页第107页4.4.2 孤岛保护1、孤岛效应2、孤岛效应的功率匹配问题第108页3、频移法批评指导，谢谢！郑常宝电力电子变流器控制系统第111页5

风电变流器控制系统5.1 绕线转子异步机双馈调速原理5.1.1 绕线转子异步机转子串电压调速（a图

）5.1.2 转子连变频电路（b图、c图）第112页5.2绕线转子异步机双馈调速四种基本工况第113页第114页第115页5.3双闭环控制的串级调速系统第116页5.4风电变流器控制系统5.4.1风力发电介绍第117页5.4.2基于定子磁场定向的双馈型风电变流器矢量控制系统定子磁链代入以ω-is-ψs为状态变量的状态方程第119页定子电流代入求转子磁链转子磁链代入求转子电压PI控制加前馈控制补偿上式右端的扰动量第120页定子电流和定子磁链代入求转矩公式dq坐标系中，利用定子电流求定子功率第121页第122页第123页第124页第125页第126页第127页1.双馈风力发电机的低电压穿越方案（1）附加撬棒电路的LVRT控制方案（2）定子串联变流器的LVRT方案第128页（3）附加阻抗网络的LVRT方案批评指导，谢谢！郑常宝电力电子变流器控制系统第131页6并联补偿装置控制系统

6.1 有源滤波器控制系统6.1.1 并联有源补偿器原理第132页6.1.2三相四线制APF主电路结构第133页6.1.3谐波电流检测方法和电流控制方法按电网电压定相三相电流的零序分量m次谐波电流第134页电流ClarkePark变换APF常用的电流控制方法：有单周控制、PWM跟踪控制、重复控制等。在电力电子技术课中学过三种PWM跟踪控制技术：滞环比较、三角波比较、定时比较。ip-iq算法第135页6.2静止同步补偿器控制系统6.2.1 级联多电平STATCOM的主电路能补偿无功功率的装置很多，主要有同步调相机、并联电容器、静止无功补偿器(StaticVarCopensator、SVC)和静止同步补偿器（StaticSynchronousCompensator、STATCOM）。6.2.2PWM调制技术多电平逆变电路的调制技术有：阶梯波调制法、SVPWM、指定谐波消除法、载波移相SPWM（CPS-SPWM）和载波层叠SPWM。CPS-SPWM由于各个模块输出基波电压相等，输入有功功率也相等，有利于实现直流侧电压均衡，故适合使用在级联H桥变换器中。第136页第137页6.2.3级联多电平STATCOM控制系统第139页批评指导，谢谢！郑常宝电力电子变流器控制系统第142页7动态电压恢复器控制系统

7.1 动态电压恢复器原理

电网短路故障、大容量感应电机的启动、变压器的突然投入、雷击等都会引起电压跌落(暂降)。国际电子电气工程师协会(IEEE)将电压方均根值突然下降至额定电压的10%-90%，且持续0.5个周期至1分钟后恢复正常的短时扰动现象定义为电压暂降；而国际电工委员会(IEC)将电压方均根值下降至额定电压的90%-1%定义为电压暂降。第143页7.2暂降电压检测与补偿策略7.2.1 暂降电压检测1、三相暂降电压检测第144页2、单相电压暂降

对于单相电压暂降，可以用移相的方法构造出三相对称电压，然后用Clarke变换和Park变换求解。构造三相电压的方法一，认为暂降电压为a相电压ua，a相电压延时三分之一周期得b相电压ub，a相电压延时三分之二周期得c相电压uc；方法二，认为暂降电压为a相电压，a相电压延时六分之一周期得负的c相电压uc，b相电压ub=-ua-uc对于单相电压暂降，还可以构造出正交两相电压uα、uβ，然后用Park变换求解。第145页用三角变换可以检测单相暂降电压若由锁相环得到与暂降基波电压同频率、同相位、幅值为1的正弦信号sin（ωt+φ1)、余弦信号cos(ωt+φ1)，暂降电压乘以此正弦信号和余弦信号，得第146页与基波电压同频率、初相为0、幅值为1的正弦信号sinωt和余弦信号cosωt，暂降电压分别乘以此正弦信号和余弦信号，得第147页7.2.2 补偿策略1、完全电压补偿2、同相补偿第148页3、最小能量补偿7.3 动态电压恢复器控制系统批评指导，谢谢！郑常宝电力电子变流器控制系统第151页8 潮流控制器控制系统8.1 潮流控制原理第152页第153页第154页8.2 DPFC的功率控制特性8.2.1 基波功率控制特性第155页第156页8.2.2 三次谐波功率控制特性第157页8.3 DPFC控制系统8.3.1 静止坐标系中单相并网变流器的控制1、 并联单相变流器并联单相变流器的控制目标为：从线路吸收基频有功功率来维持并联侧变流器的公共直流电容电压稳定；向线路输出基波无功功率以维持母线电压稳定或无功功率补偿；向线路输出稳定的三次谐波电压，向串联变流器提供三次谐波有功功率，串联变流器吸收三次谐波有功功率，维持其直流侧电容电压稳定。第159页2、 串联单相变流器串联单相变流器的控制目标为