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储能功率变换系统（PCS）四桥臂功率变换器及其控制策略

作　者: 陈红兵
导　师: 张兴
学　校: 合肥工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 功率变换系统电流控制策略四桥臂功率变换器共模电压抑制方法无扰动切换技术三维空间矢量调制
分类号: TM46
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

储能对构建智能电网和发展微网起到了重要推动作用，储能功率变换系统(PCS)作为储能设备和电网之间的能量传输通道，它是储能系统中的核心技术之一，四桥臂功率变换器及其控制策略决定并网电能质量和本地负载电能质量的优劣，因此研究储能功率变换系统中的四桥臂功率变换器具有重要的理论意义和工程价值。本文以双级PCS中的四桥臂功率变换器为研究对象，从理论建模、仿真研究和实验验证等三方面深入、详实和全面的研究了非对称电网和非对称负载条件下四桥臂功率变换器的控制策略、空间矢量调制算法及其共模电压抑制、无扰动切换技术。论文的主要研究工作与创新如下：①在三相静止坐标系、同步坐标系中建立了四桥臂功率变换器的开关函数模型，在此基础上推导了三相静止坐标系和同步坐标系中的低频大信号模型，为了便于用线性控制理论分析和研究其控制系统，又研究了四桥臂功率变换器的小信号模型。②研究了三维空间矢量调制算法和四桥臂功率变换器产生共模电压的机理，并且分析了影响共模电压大小的因素，根据产生共模电压的机理，研究了四种抑制共模电压的方法。由于两个零状态矢量产生最大的共模电压，研究了无零矢量的空间矢量调制算法，该算法可使四桥臂功率变换器的共模电压减小50%；三对互补开关状态使四桥臂功率变换器不产生共模电压，据此，研究了基于相邻矢量的调制算法，该调制算法能彻底消除共模电压；在研究基于共模滤波器抑制共模电压的过程中，提出了一种能消除四桥臂功率变换器共模电压的有源共模滤波器。③重点研究了四桥臂功率变换器的四种电流控制策略。基于四桥臂功率变换器的双级PCS一般直接与三相四线制配电网相联，该电网的电压一般是不对称的，针对这种工况，本文研究了两种电流控制策略，即基于TSRF-PI(Tri-Synchronous Reference Rrame-PI)的电流控制策略和基于PI-RC(Proportional plus Integrate-Repeative Control）的电流控制策略。基于TSRF-PI的电流控制策略能有效抑制负序电压分量和零序电压分量对并网电流产生的扰动，提高了并网电流的质量；针对电网电压中含有谐波电压的工况，基于PI-RC的电流控制策略能抑制电压谐波对并网电流的扰动，从而四桥臂功率变换器可将对称的电流接入电网；本文还研究了基于SSRF-PI(Single-Synchronous Reference Rrame-PI)的电流控制策略、基于比例谐振算法的电流控制策略、PQ控制策略和四桥臂功率变换器的直流侧电压控制策略。④基于四桥臂功率变换器的双级PCS孤岛运行时，应能为本地非对称负载提供对称电压，本文研究了基于PI-RC的电压控制策略，该策略能使四桥臂功率变换器输出对称的负载电压，并且降低了负载电压的THD。⑤三相四线制电网中不仅存在单相负载，而且存在不对称三相负载，甚至存在大量非线性负载，因此电网中性线上流有较大的畸变电流。为了减小中性线上的电流，本文提出了一种补偿本地负载电流的四桥臂功率变换器及其电流控制策略，该四桥臂功率变换器能补偿本地负载电流，有效降低了流入中性线的电流。⑥基于四桥臂功率变换器的双级PCS并网/孤岛切换对电网和本地负载会产生的冲击，为了降低对电网和负载产生的冲击、提高并网/孤岛切换的柔性，研究了基于频率自适应滤波器的锁相环、基于多环反馈控制的无扰动切换技术和基于下垂算法的无扰动切换技术，两种无扰动切换技术均可使双级PCS能在并网状态和孤岛状态之间实现无扰动切换。为了验证三维空间矢量调制算法、电流控制策略和基于多环反馈控制的无扰动切换技术等策略的有效性，设计和研制了一台四桥臂功率变换器实验样机，对三维空间矢量调制算法，SSRF-PI、TSRF-PI、PI-RC等电流控制策略和基于多环反馈控制的无扰动切换技术进行了深入的实验研究，获得了部分实验结果，对本文研究和提出的控制策略进行了有效地验证。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-13
致谢  13-24
第一章绪论  24-44
  1.1 选题的背景与意义  24-25
  1.2 储能技术的研究现状  25-28
    1.2.1 储能技术的分类  25-27
    1.2.2 储能技术的性能比较分析  27-28
  1.3 储能功率变换系统(PCS)的拓扑研究  28-33
    1.3.1 功率变换系统的单级变换拓扑  29-31
    1.3.2 功率变换系统的双级变换拓扑  31-33
  1.4 功率变换系统拓扑的选择  33-36
  1.5 四桥臂功率变换器控制策略的研究现状  36-42
    1.5.1 电流控制策略的研究  36-39
    1.5.2 共模电压及其抑制策略的研究  39-41
    1.5.3 并网运行/孤岛运行的无扰动切换技术研究  41-42
  1.6 本文的主要研究内容  42-44
第二章四桥臂功率变换器的数学建模与分析  44-53
  2.1 引言  44
  2.2 四桥臂功率变换器的开关函数模型  44-47
    2.2.1 abc 坐标系中的开关函数模型  45-47
    2.2.2 dq0 坐标系中的开关函数模型  47
  2.3 四桥臂功率变换器的低频大信号模型  47-50
    2.3.1 abc 坐标系中的低频大信号模型  47-48
    2.3.2 dq0 坐标系中的低频大信号模型  48-50
  2.4 四桥臂功率变换器的小信号数学模型  50-52
  2.5 本章小结  52-53
第三章四桥臂功率变换器的空间矢量调制及其共模电压抑制  53-77
  3.1 引言  53
  3.2 四桥臂功率变换器的三维空间矢量调制算法研究  53-62
    3.2.1 状态矢量的选择  54-59
    3.2.2 目标电压矢量的合成  59-62
  3.3 三维空间矢量调制算法的共模电压分析  62-66
  3.4 四桥臂功率变换器的共模电压抑制  66-75
    3.4.1 基于相邻矢量调制算法的共模电压抑制方法  66-70
    3.4.2 基于无零矢量三维空间调制算法的共模电压抑制  70-73
    3.4.3 基于无源共模滤波器的共模电压抑制  73-74
    3.4.4 基于有源共模滤波器的共模电压抑制  74-75
    3.4.5 四种抑制共模电压方法的比较分析  75
  3.5 本章小结  75-77
第四章四桥臂功率变换器的控制  77-125
  4.1 引言  77-78
  4.2 电流控制的基本问题研究  78-81
    4.2.1 电流环中的延时问题  79-80
    4.2.2 电流环的控制对象研究  80-81
  4.3 电流控制策略的研究  81-103
    4.3.1 电网对称时的电流控制策略研究  81-94
      4.3.1.1 基于 SSRF-PI 的电流控制策略  82-90
      4.3.1.2 基于比例谐振控制的电流控制策略  90-94
    4.3.2 电网不对称时的电流控制策略究  94-103
      4.3.2.1 基于 TSRF-PI 的电流控制策略  94-97
      4.3.2.2 基于 PI-RC 的电流控制策略  97-103
  4.4 补偿本地负载电流的四桥臂功率变换器及其电流控制策略研究  103-106
  4.5 电流控制策略的抗扰性分析  106-109
    4.5.1 SSRF-PI 电流控制策略的抗扰性分析  107
    4.5.2 比例谐振电流控制策略的抗扰性分析  107-109
    4.5.3 PI-RC 电流控制策略的抗扰性分析  109
  4.6 电流控制策略的鲁棒性分析  109-113
    4.6.1 SSRF-PI 电流控制策略的鲁棒性分析  109-111
    4.6.2 比例谐振电流控制策略的鲁棒性分析  111-112
    4.6.3 PI-RC 电流控制策略的鲁棒性分析  112-113
  4.7 四桥臂功率变换器的直流电压控制策略  113-118
  4.8 四桥臂功率变换器的 PQ 控制策略  118-122
  4.9 非对称负载时的电压控制策略研究  122-124
  4.10 本章小结  124-125
第五章四桥臂功率变换器并网/孤岛运行的无扰动切换技术研究  125-155
  5.1 引言  125
  5.2 基于频率自适应滤波器的锁相环研究  125-139
    5.2.1 SAFF-PLL 的小信号模型  126-128
    5.2.2 SAFF-PLL 的参数整定  128-134
    5.2.3 仿真结果及其分析  134-139
  5.3 四桥臂功率变换器的无扰动切换策略研究  139-154
    5.3.1 基于多环反馈控制的无扰动切换策略研究  140-145
    5.3.2 基于下垂算法的无扰动切换策略研究  145-154
      5.3.2.1 并网运行的控制策略分析  146-148
      5.3.2.2 并网运行时下垂控制的稳定性分析  148-150
      5.3.2.3 基于下垂算法的无扰动切换策略的切换过程分析  150-154
  5.4 本章小结  154-155
第六章实验研究  155-186
  6.1 引言  155
  6.2 实验平台主电路及其控制系统硬件设计  155-163
    6.2.1 直流侧电容设计  155-156
    6.2.2 输出滤波器的设计  156-160
    6.2.3 采样电路的设计  160-161
    6.2.4 隔离驱动电路的设计  161-162
    6.2.5 基于 DSP 最小系统的控制板设计  162-163
  6.3 系统的软件实现  163-174
  6.4 三维空间矢量调制算法的实验研究  174-175
  6.5 电流控制策略的实验研究  175-183
  6.6 无扰动切换策略的实验研究  183-185
  6.7 本章小结  185-186
总结与展望  186-187
参考文献  187-205
攻读博士学位期间发表的学术论文  205

储能功率变换系统（PCS）四桥臂功率变换器及其控制策略

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