低载波比大功率电压型变流器离散域建模与控制研究

High-power voltage-type converters have found more and more applications, such as large-scale energy storage, rail transit auxiliary power supply, wharf shore power supply and medium frequency ground power unit for airplanes etc. At present, the high-power voltage converter has the common problem of low-pulse-ratio, and the system control has some issues to be solved, such as active damping mechanism, limited bandwidth and poor high frequency harmonic compensation capability etc. This project proposes to construct and design the controller directly in the discrete-time domain, and mainly study the establishment of vector model, the resonance suppression mechanism of active damping, and the voltage loop discrete-time vector controller construction and parameter design method. The purpose of the project is to reveal the active damping mechanism of inner current loop and clear damping gain design criterion, making the performance of voltage loop irrelevant to discretization and pulse-ratio, and ultimately solve the existing problems of bandwidth limitation and poor high frequency harmonic compensation capability. The research of this subject will achieve a breakthrough of the generic key techniques of the low-pulse-ratio high-power voltage-type converter, and provide theoretical support and promote the rapid development of relevant important industrial applications.

大功率电压型变流器在大规模储能、轨道交通辅助供电、码头岸电以及中频航空地面电源等场合具有越来越强烈的应用需求。目前，大功率电压型变流器具有载波比低下的共性问题，其系统控制存在有源阻尼机理不清晰、带宽受限以及高频谐波补偿能力差等不足。本项目提出直接在离散域进行控制器构造与设计的方法，重点研究低载波比条件下电压型变流器的离散域矢量建模、有源阻尼谐振抑制机理、电压环离散域矢量控制器的构造与参数优化设计，揭示电流内环有源阻尼机理并明确内环增益设计准则，实现电压环控制性能与离散化、载波比的解耦，解决目前存在的带宽受限与高频谐波补偿能力不足等问题。本课题的研究将有助于低载波比大功率电压型变流器共性关键技术的突破。研究成果可以为相关重要应用行业提供理论支撑并促进其快速发展。

针对大规模可再生能源并网、储能、岸电电源等大功率电压源型变流器应用存在的低载波比共性问题，围绕有源阻尼谐振抑制与离散域控制器设计展开研究。首先，建立了被控对象离散域矢量模型，并以被控对象改造为出发点研究电流环有源阻尼参数设计，以期为电压外环提供最佳阻尼。在此基础上，建立改造后被控对象在PS-SRF与NS-SRF 的离散域矢量模型，直接考虑数字控制一拍延时消除闭环奇异点，分别在 PS-SRF、NS-SRF 为电压环构造正序与负序矢量控制器，实现对相应序分量的无静差调节。结合PS-SRF 与 NS-SRF 推导得到静止坐标系的一体控制器，同时实现对该频次正负序分量的无静差调节，以抑制不对称负载对输出电压的影响。进一步，将控制器推广至各频次分量，考察其系统带宽以及高频谐波分量补偿能力，以抑制非线性负载对输出电压的影响。最后，针对控制器参数设计展开研究，在分析闭环极点特性的基础上，确定系统临界阻尼状态，完成基于调节时间与超调量协同优化的临界阻尼参数设计，获得快速输出电压响应的同时避免出现暂态电压质量。研究成果突破低载波比条件下大功率电压源型变流器系统控制共性关键技术，为大规模可再生能源发电、码头电源、轨道交通辅助供电、大功率航空地面电源等应用提供理论依据与技术储备。