基于谐波线性化的三相LCL型并网矩阵变换器正负序阻抗建模分析
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收稿日期: 2019-06-18 基金项目: 国家重点研发项目资助(2017YFB0903300) 第一作者: 张 博(1994-) ,男,在读硕士研究生,主要研究方向:矩阵变换器并网稳定性分析 电子邮箱: zbedumail@ 163. com( 张博) ,543034260@ qq. com( 文湘雲)
谐波线性化法最开始是对单相功率变换器进行稳定性分析[9 ~ 11] ,后慢慢应用到相控整流器[12 ~ 14] 、 多脉冲整流器[15 ~ 16] 和高压直流[17 ~ 18] 等多个方向. 文献[19] 对单相逆变器并网系统进行阻抗建模分 析. 文献[20] 分析了三相 L 型逆变器并网系统的正负序阻抗稳定性分析,文献[21] 分析了三相 LCL 型 并网逆变器的稳定性. 目前,尚没有文献运用谐波线性化阻抗建模法分析 MC 并网系统的稳定性问题.
本文通过谐波线性化方法建立了 MC 并网系统的正负序阻抗模型,为研究 MC 并网系统稳定性提 供了理论依据,分析了锁相环( PLL) 参数对系统稳定性的影响. 本文的其余部分如下:第 2 节建立了 MC 并网系统结构;第 3 节建立了正负序阻抗模型,并说明了如何建立锁相环模型以及将其纳入阻抗模型的 方法,并对锁相环的正负序传递函数进行了仿真;第 4 节对矩阵变换器阻抗模型进行仿真验证,并分析 了锁相环 PI 参数对矩阵变换器稳定性的影响;第 5 节总结全文.
第 5 期
张 博等:基于谐波线性化的三相 LCL 型并网矩阵变换器正负序阻抗建模分析
仿真参数
一次侧输入电压 二次侧电网电压 二次侧基波频率 f1
一次侧频率 矩阵变换器侧电感 L1
表 1 仿真参数
数值 220 V 50 V 50 Hz 50 Hz 4 mH
+
1 Zg(s) / Zo(s)
.
(2)
图 2 三相 LCL 矩阵变换器并网结构框图
由上述可知,系统的稳定性取决于公式(2) 的右半部分,当电网阻抗与输出阻抗之比 Zg(s) / Zo(s) 满足奈奎斯特判据时,MC 并网系统将稳定运行. 系统的稳定裕度也可以从 Zg(s) / Zo(s) 的奈奎斯特图 测量. 上述稳定判据表明,为了使 MC 并网系统能在更广泛的电网条件下稳定运行,并网变换器应设计 为具有尽可能高的输出阻抗,这就意味着输出阻抗将成为矩阵变换器并网系统稳定的重要性能指标.
图 1 矩阵变换器并网系统的小信号模型
根据图 1 中所示的电路结构
Is(s) =
Ic( s) Zo( s) Zo(s) + Zg(s)
-
Vg( s) Zo(s) + Zg(s)
.
(1)
经过数学推导公式(1) 可整理为以下形式
Is(s) = [Ic(s)
-
Zo(
V s)
g( s) &
第 39 卷第 5 期
2019 年 10 月
东北电力大学学报
Journal Of Northeast Electric Power University
DOI: 10. 19718 / j. issn. 1005-2992. 2019-05-0041-012
Vol. 39,No. 5 Oct,2019
为了实现可再生能源的最大利用化,发电机组需要能够在变速恒频状态下稳定运行. 矩阵变换器 ( Matrix Converter,MC) 以其优异的输入输出特性被视为变速恒频技术中交 - 交功率变换器的最佳选 择[1 ~ 5] . MC 是否能够稳定运行将对系统整体的稳定性有着至关重要的影响.
分析 MC 并网系统稳定性的常用方法分为状态空间法和谐波线性化法. 传统的状态空间法[6] 在分 析变换器并网稳定性时,需要将所有的变换器和电网元件参数建立统一的状态空间模型,这使得建模过 程异常复杂且得到的阻抗模型相互耦合,没有相对明确的物理意义. 为了降低建模难度,简化过程,学者 们通过阻抗法对系统进行稳定性研究[7] . 谐波线性化阻抗建模法是将变换器并网系统分为两个相互独 立的子系统,通过各自的电路结构和电路参数建立相应的阻抗模型[8] . 由于经过了复杂的相序变换和 大量的代数运算,获得的正负序阻抗相互解耦,具有清晰的物理意义,这为进一步分析系统稳定性提供 了理论依据. 最后,通过建立相应的等效电路结构,根据奈奎斯特判据对并网系统的稳定性进行分析.
为了研究 MC 并网系统的稳定性问题,本文采用了如图 2 所示的并网系统结构. MC 并网系统包括 电源、矩阵变换器、LCL 滤波器和并网负载,PCC 为并网系统采样点. 本文以三相 LCL 型 MC 并网系统 作为研究对象,并在 Matlab / Simulink 中建立相应的仿真模型,其系统仿真参数如表 1 所示.
基于谐波线性化的三相 LCL 型并网矩阵 变换器正负序阻抗建模分析
张 博,文湘雲
( 东北电力大学电气工程学院,吉林 吉林 132012)
摘 要: 矩阵变换器具有优良的输入输出特性,在各个领域中得到了广泛的应用. 为了研究矩阵变 换器并网系统稳定性问题,采用谐波线性化阻抗建模法对矩阵变换器并网系统进行小信号建模,得到了 具有清晰物理意义的正负序阻抗模型,再使用奈奎斯特稳定判据对系统进行稳定性分析. 分析了锁相环 参数设计对系统稳定性的影响. 为了验证理论分析的正确性,文中在 Matlab / Simulink 中建立矩阵变换器 并网系统仿真模型. 仿真结果证明了理论分析的正确性,仿真数据表明合理的锁相环参数设计对矩阵变 换器并网系统的稳定性具有重要意义. 关 键 词: 矩阵变换器并网;正负序阻抗;谐波线性化;锁相环参数 中图分类号: TM464 文献标识码: A
42
东北电力大学学报
第 39 卷
1 三相 LCL 并网矩阵变换器系统
文献[22] 首次提出了阻抗稳定判据概念,通过将 MC 并网系统分为两个相互独立的子系统即 MC 并网系统和电网负载系统对系统进行分析. MC 并网系统由理想电流源 Ic 和输出电阻 Zo 并联组成,电 网负载系统由电网负载 Zg 和并网电压 Vg 串联组成,如图 1 所示.
谐波线性化法最开始是对单相功率变换器进行稳定性分析[9 ~ 11] ,后慢慢应用到相控整流器[12 ~ 14] 、 多脉冲整流器[15 ~ 16] 和高压直流[17 ~ 18] 等多个方向. 文献[19] 对单相逆变器并网系统进行阻抗建模分 析. 文献[20] 分析了三相 L 型逆变器并网系统的正负序阻抗稳定性分析,文献[21] 分析了三相 LCL 型 并网逆变器的稳定性. 目前,尚没有文献运用谐波线性化阻抗建模法分析 MC 并网系统的稳定性问题.
本文通过谐波线性化方法建立了 MC 并网系统的正负序阻抗模型,为研究 MC 并网系统稳定性提 供了理论依据,分析了锁相环( PLL) 参数对系统稳定性的影响. 本文的其余部分如下:第 2 节建立了 MC 并网系统结构;第 3 节建立了正负序阻抗模型,并说明了如何建立锁相环模型以及将其纳入阻抗模型的 方法,并对锁相环的正负序传递函数进行了仿真;第 4 节对矩阵变换器阻抗模型进行仿真验证,并分析 了锁相环 PI 参数对矩阵变换器稳定性的影响;第 5 节总结全文.
第 5 期
张 博等:基于谐波线性化的三相 LCL 型并网矩阵变换器正负序阻抗建模分析
仿真参数
一次侧输入电压 二次侧电网电压 二次侧基波频率 f1
一次侧频率 矩阵变换器侧电感 L1
表 1 仿真参数
数值 220 V 50 V 50 Hz 50 Hz 4 mH
+
1 Zg(s) / Zo(s)
.
(2)
图 2 三相 LCL 矩阵变换器并网结构框图
由上述可知,系统的稳定性取决于公式(2) 的右半部分,当电网阻抗与输出阻抗之比 Zg(s) / Zo(s) 满足奈奎斯特判据时,MC 并网系统将稳定运行. 系统的稳定裕度也可以从 Zg(s) / Zo(s) 的奈奎斯特图 测量. 上述稳定判据表明,为了使 MC 并网系统能在更广泛的电网条件下稳定运行,并网变换器应设计 为具有尽可能高的输出阻抗,这就意味着输出阻抗将成为矩阵变换器并网系统稳定的重要性能指标.
图 1 矩阵变换器并网系统的小信号模型
根据图 1 中所示的电路结构
Is(s) =
Ic( s) Zo( s) Zo(s) + Zg(s)
-
Vg( s) Zo(s) + Zg(s)
.
(1)
经过数学推导公式(1) 可整理为以下形式
Is(s) = [Ic(s)
-
Zo(
V s)
g( s) &
第 39 卷第 5 期
2019 年 10 月
东北电力大学学报
Journal Of Northeast Electric Power University
DOI: 10. 19718 / j. issn. 1005-2992. 2019-05-0041-012
Vol. 39,No. 5 Oct,2019
为了实现可再生能源的最大利用化,发电机组需要能够在变速恒频状态下稳定运行. 矩阵变换器 ( Matrix Converter,MC) 以其优异的输入输出特性被视为变速恒频技术中交 - 交功率变换器的最佳选 择[1 ~ 5] . MC 是否能够稳定运行将对系统整体的稳定性有着至关重要的影响.
分析 MC 并网系统稳定性的常用方法分为状态空间法和谐波线性化法. 传统的状态空间法[6] 在分 析变换器并网稳定性时,需要将所有的变换器和电网元件参数建立统一的状态空间模型,这使得建模过 程异常复杂且得到的阻抗模型相互耦合,没有相对明确的物理意义. 为了降低建模难度,简化过程,学者 们通过阻抗法对系统进行稳定性研究[7] . 谐波线性化阻抗建模法是将变换器并网系统分为两个相互独 立的子系统,通过各自的电路结构和电路参数建立相应的阻抗模型[8] . 由于经过了复杂的相序变换和 大量的代数运算,获得的正负序阻抗相互解耦,具有清晰的物理意义,这为进一步分析系统稳定性提供 了理论依据. 最后,通过建立相应的等效电路结构,根据奈奎斯特判据对并网系统的稳定性进行分析.
为了研究 MC 并网系统的稳定性问题,本文采用了如图 2 所示的并网系统结构. MC 并网系统包括 电源、矩阵变换器、LCL 滤波器和并网负载,PCC 为并网系统采样点. 本文以三相 LCL 型 MC 并网系统 作为研究对象,并在 Matlab / Simulink 中建立相应的仿真模型,其系统仿真参数如表 1 所示.
基于谐波线性化的三相 LCL 型并网矩阵 变换器正负序阻抗建模分析
张 博,文湘雲
( 东北电力大学电气工程学院,吉林 吉林 132012)
摘 要: 矩阵变换器具有优良的输入输出特性,在各个领域中得到了广泛的应用. 为了研究矩阵变 换器并网系统稳定性问题,采用谐波线性化阻抗建模法对矩阵变换器并网系统进行小信号建模,得到了 具有清晰物理意义的正负序阻抗模型,再使用奈奎斯特稳定判据对系统进行稳定性分析. 分析了锁相环 参数设计对系统稳定性的影响. 为了验证理论分析的正确性,文中在 Matlab / Simulink 中建立矩阵变换器 并网系统仿真模型. 仿真结果证明了理论分析的正确性,仿真数据表明合理的锁相环参数设计对矩阵变 换器并网系统的稳定性具有重要意义. 关 键 词: 矩阵变换器并网;正负序阻抗;谐波线性化;锁相环参数 中图分类号: TM464 文献标识码: A
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东北电力大学学报
第 39 卷
1 三相 LCL 并网矩阵变换器系统
文献[22] 首次提出了阻抗稳定判据概念,通过将 MC 并网系统分为两个相互独立的子系统即 MC 并网系统和电网负载系统对系统进行分析. MC 并网系统由理想电流源 Ic 和输出电阻 Zo 并联组成,电 网负载系统由电网负载 Zg 和并网电压 Vg 串联组成,如图 1 所示.