（电力电子与电力传动专业论文）基于混合级联多电平逆变技术的静止同步补偿器statcom的研究.pdf

a b s t r a c t 硕：卜论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，s i n c et h em u l t i l e v e li n v e r t e rc a nr e d u c et h ev o l t a g er e s i s t a n c eo f s w i t c h i n gd e v i c e s ，s a v et h em u l t i p l et r a n s f o r m e r sa n di m p r o v et h eq u a l i t yo fo u t p u tw a v e f o r m ， i th a sb e e nah o tt o p i ci nt h ee n g i n e e r i n gr e s e a r c ho ns t a t c o m a sa l li n n o v a t i o n t e c h n o l o g yi nm u l t i l e v e li n v e r t e r , t h eh y b r i dc a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e rh a sb e e np l a c e di n a ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho ns t a t c o m i n t h i sp a p e r ，t h e2 h 3 hh y b r i dm u l t i l e v e li n v e r t e ri s p r o p o s e da s t h em a i nc i r c u i t t o p o l o g yo fs t a t c o m t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h i sm a i nc i r c u i tt o p o l o g yi ss p e c i a l i z e d f o ra p p l i c a t i o ni nr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，s t a i r - w a v e f o r me p w mm o d u l a t i o ni sd e e p l y r e s e a r c h e dt oc o n t r o lt h e2 h 3 hh y b r i dc a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r t h i sm o d u l a t i o nm e t h o d c a l la c h i e v ew a v e f o r mw i t hh i g hq u a l i t yu s i n gl o ws w i t c h i n g 董陀q u e n c y t h es i m u l a t i o ns o f t w a r es i m p l o r e ri su s e dt os i m u l a t et h eh y b r i dc a s c a d e ds t a t c o m b a s e do n2 h 3 hh y b r i dc a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e h y b r i ds t a t c o mh a sag o o do u t p u tw a v e f o r ma n di tc a ns u c c e s s f u l l yc o m p e n s a t et h e r e a c t i v ep o w e ri nt h es y s t e m b a s i n go nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s e a r c h ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h eh y b r i ds t a t c o ma r ed e s i g n e d t h eh a r d w a r ec i r c u i tu s e st w oa r m 7e m b e d e dc h i p sa s t h ec o r e ，i n c l u d i n gp o w e rg r i ds y n c h r o n o u ss i g n a lg e n e r a t i n gc i r c u i t , d a t aa c q u i s i t i o nu n i t , d r i v ec i r c u i t ，m a i nc o n t r o lu n i ta n dm a i nc i r c u i t ，n l es o f t w a r ei sc o n s i s t e do fd a t a a c q u i s i t i o ns o f t w a r ea n dm a i nc o n t r o ls o f t w a r e ，r e s p o n s i b l ef o ra |d s a m p l i n g ，r e a c t i v e c u r r e n tc o u n ta n dt h eo u t p u to fp w ms i g n a l s t h ed e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r ei sb a s e do n a d s l 2 b a s i n go nt h ed e s i g no ft h eh y b r i dc a s c a d e ds t a t c o m ，a ne x p e r i m e n tp r o t o t y p ei s m a d e a f t e rt h ed e b u g g i n g ，t h ep r o t o t y p ei su s e di nt h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n e x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o t o t y p ec a nc o m p e n s a t et h er e a c t i v e p o w e ra n d t r a c kr e a c t i v ec u r r e n tc h a n g e si nt h e s y s t e m c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a l s t a t c o m ，t h e2 h ，3 hh y b r i dc a s c a d e ds t a t c o mh a sa d v a n t a g e so ni n s t a l l a t i o nc o s t s ， q u a l i t yo fo u t p u tw a v e f o r ma n ds w i t c h i n g6 e q u e n c y k e yw o r d s ：h y b r i dc a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r , r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ， s t a t c o m ，s t a i r - w a v e f o r me w p m ，m a i nc i r c u i tt o p o l o g y 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 硕士论文 基于混合级联多电平逆变技术的静止同步补偿器( s t a t c o m ) 的研究 1 绪论 随着电力系统的发展，各种新型冲击性负荷( 如电力机车、轧钢机等) 使电网上电 压波动频繁，电压质量变差，影响了某些设备的正常工作。同时，一些精密仪器和设备 对电能质量的要求也越来越高。因此，研究容量更大、响应速度更快的无功补偿装置， 以有效提高电力系统稳定性和改善电能质量成为电力系统领域的一个重点研究方向n 胡。 1 1 课题背景 在电力系统中，由于非线性负载的存在，系统中不仅存在有功功率还存在无功功率。 无功功率是在正弦电路中平均功率为零时，电源和储能元件之间来回交换的变动功率， 是在电能传输和转换过程中建立电磁场和提供电网稳定不可缺少的功率之一。无功功率 在电网中的传输不但会产生很大的有功损耗，而且沿传输途径还会产生很大的电压降 落，并使电网的视在功率增大，对电力系统的安全性与稳定性产生不利影响。 无功功率如果都由发电机提供并经过长距离传送是不经济的，通常也是不可能的。 合理的方法应是在需要无功功率的地方产生无功功率，这就是通常说的无功补偿哺1 。 无功补偿的作用主要有以下几点： 1 ) 提高供用电系统和负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗； 2 ) 稳定受电端电压，提高供电质量。在长距离的输电线中合适的地点设置动态无 功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力； 3 ) 在三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负 载。 1 2 无功补偿装置的发展 电力系统中的无功补偿装置，经历了电容器、同步调相机、静止无功补偿装置( s v c ) 直至静止同步补偿器( s t a t c o m ) 等几个阶段。 电容器的优点是原理简单，安装、运行和维护都很方便。但是，它只能补偿感性无 功，且不能连续调节，并且具有负电压效应，在系统电压下降时，+ 电容器上的补偿电流 相应下降，使得补偿的无功量急速下降，系统电压下降更大。在系统电压有谐波时，还 可能会发生并联谐振，放大谐波电流，严重时甚至会造成电容器的烧毁。 同步调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r - s c ) 是一种专门用来产生无功功率的同步电 机，可以在过励磁或欠励磁状态下运行。在系统电压偏低时，过励磁运行供给无功功率 而将系统电压抬高；在系统电压偏高时，欠励磁运行吸收系统多余的无功功率而将系统 电压调低。它可以双向、连续地调节，能独立用调节励磁来调节无功的大小，有较大的 1 1 绪论 硕士论文 过负荷能力，缺点是设备投资高，启动、运行、维护复杂，并且响应速度较慢口一1 。 随着电力电子技术的发展，使用晶闸管的静止无功补偿装置( s v c ) 逐渐得到了广 泛应用。s v c 包括晶闸管投切电容器( t s c 型s v c ) 、固定电容一晶闸管控制电抗器 ( f c t c r 型s v c ) 、机械投切电容器一晶闸管控制电抗器( m s c t c r 型s v c ) 以及晶闸 管投切电容器一晶闸管控制电抗器( t s c t c r 型s v c ) 等。由于s v c 具有控制速度快、 维护简单、成本较低等优点，所以近2 0 年来在电力系统中得到了大量的应用，它的不 足之处在于谐波成分大，需要大电感、大电容等元件，而且只有在感性工况下才连续可 调，因而需要发展新的无功补偿方式来对上述缺陷进行改进瞪1 。 电力电子技术的进一步发展带动了无功功率补偿装置的发展，逐步出现了应用变流 技术进行动态无功功率补偿的静止同步补偿器( s t a t c o m ) 。s t a t c o m 是柔性交流输 电系统( f a c t s ) 的核心部分之一，可以对电力系统进行无功补偿，维持系统给定点电 压值，改善电力系统的稳态性能和动态性能n 习。s t a t c o m 是基于瞬时无功功率的概 念和补偿原理，采用全控型开关器件组成自换相变流器，辅之以小容量储能元件所构成 的瞬时无功功率补偿装置。其基本原理是将变流器直接或通过电抗器与电网并联，通过 改变变流器交流测输出电压相对电网电压的相位和幅值或者直接控制其输出电流，让 s t a t c o m 发出或吸收所需的无功功率。因为s t a t c o m 比s v c 的调节速度更快、运 行范围更宽，所用电抗器的容量也大为降低，所以s t a t c o m 是动态无功补偿装置发展 的重要方向u h 。 1 3s t a t c o m 的研究现状 从1 9 8 0 年日本研制出第一台2 0 m v a r 的强迫自换相的s t a t c o m 以来，经过2 0 多年 的发展，s t a t c o m 的容量不断增大，日本和美国相继研制出8 0 m v a r 和1 0 0 m v a r 的s t a t c o m 。 1 9 9 5 年，清华大学和河南省电力局共同研制了我国第一台s t a t c o m ，容量为3 0 k v a r ， 开创了我国研制s t a t c o m 的先河。2 0 0 6 年2 月2 8 日，由上海电力公司、清华大学、许 继集团公司等单位共同研制的5 0 m v a rs t a t c o m 在上海黄渡分区西郊变电站并网试运 行，这标志着我国在s t a t c o m 的工程应用研究方面已经迈入了世界先进水平。 目前，在世界上已经投运的s t a t c o m ，基本都采用了变压器多重化的主电路方案。 变压器多重化主电路结构具有可以提供大功率输出、运行效率高、可改善单台装置输出 谐波等优点。然而，由于引入了多重化变压器，增加了系统的损耗和占地面积，使系统 成本增大，并且容易引发装置故障陇，。 近年来，在s t a t c o m 的工程研究中，由于多电平逆变器可以降低开关元件的耐压和 开关过程中的d r d r ，省去多重化变压器，改善输出波形，得到了越来越多的关注瞳3 1 。 硕士论文 基于混合级联多电平逆变技术的静止同步补偿器( s t a t c o m ) 的研究 1 4 多电平逆变技术的发展概况 1 9 7 7 年，德国学者h o l l z 首次提出了三电平逆变器的主电路拓扑结构，如图1 1 ( a ) 所示。这种拓扑结构利用开关管辅助中点钳位的方式在两电平的基础上增加了一个零电 平，可以有效降低输出电压的谐波含量眦2 射。1 9 8 0 年日本学者a n a b a e 等人对其进行改 进，用功率二极管代替反并联的两个开关管晦田，如图1 1 ( b ) 所示。该电路用两个串联 的电容将直流母线电压分为三个电平，电路的每个桥臂有四个开关管串联，并且通过一 对串联钳位二极管与开关管并联，形成中点箝位变换器( n p c - - n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ) 。 在该电路中，平均每个开关管承受的电压仅为直流侧电压的一半，所以适用于工作电压 较高的场合。 易 2 岛 2 a ) h o l t z 提出的三电平逆变器b ) a n a b a e 提出的三电平逆变器 图1 1 三电平逆变器原理图 8 0 年代末以来，随着g t 0 、i g b t 等功率开关器件电压等级的不断提高，以及以d s p 和a r m 为代表的控制芯片的迅速发展，有关多电平变换器的研究和应用发展迅速，研究 范围和应用领域均不断扩大，基于多电平逆变技术的电力系统无功补偿装置 ( s t a t c o m ) 的研究就是其中十分重要的一个部分。 研究表明，多电平变换器在应用中，尤其在应用于高压大功率场合时，具有以下突 出优点心7 。3 5 1 ： 1 ) 每个功率开关承受的母线电压大大降低，这就可以用低耐压的器件实现高压大 功率输出； 2 ) 电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形畸变； 3 ) 可以用较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变换器相同的输出电压波 3 1 绪论 硕士论文 形，减小了开关损耗，提高了系统效率； 4 ) 在相同的直流母线电压条件下，和两电平变换器相比，功率开关器件所承受的 d v d t 应力大为减少； 5 ) 应用于无功补偿时，和变压器多重化主电路拓扑结构相比，无需输出变压器， 大大地减小了系统的体积和损耗，提高了装置的可靠性并节约了成本。 传统的多电平逆变器主电路拓扑结构，主要有二极管钳位型多电平逆变器 ( d i o d e c l a m p e dm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 彻、飞跨电容型多电平逆变器( f l y i n g c a p a c i t o r m u l t i l e v e li n v e r t e r ) 汹- 3 町以及级联型多电平逆变器( c a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 们2 1 等， 在输出电平数较多时，传统的多电平逆变器普遍存在使用器件多、控制复杂的缺点。 9 0 年代末，印度学者m a d h a v 首先提出了混合级联多电平逆变器的概念h 3 | ，和传统 多电平逆变器相比，混合级联多电平逆变器由于将由不同电压等级的功率开关器件组成 的不同结构的功率单元串联，可以在各个功率单元设置不同的母线电压，这样，在输出 电平数较多时，可以有效减少所使用的元件数，提高了电路的工作稳定性，简化了电路 的控制方法并有效降低了成本，这一优势使得混合级联逆变电路非常适合作为s t a t c o m 的主电路拓扑。目前，常见的混合级联逆变器主电路拓扑结构主要有2 h 桥混合级联、 3 h 桥( 中点钳位多电平逆变器) 混合级联( 图1 2 ) 以及2 h 桥一3 h 桥混合级联( 图1 3 ) 等。 4 e 1 _l zl q t z 髓，2 = _i jz2i ) d 口 6 a = ： _l ， _izi ， _i 厨，2 ，f、i 3 h 桥l 2ll q e 2 ，2 = 【 ，_i z i j l ) 口 q = 三 jl i zi2 l j 2 1 2 _i 3 h 桥2 图1 23 h 桥混合级联逆变器 硕士论文 基于混合级联多电平逆变技术的静止同步补偿器( s t a t c o m ) 的研究 e 1 图1 32 h 3 h 桥混合级联逆变器 1 5 本文的主要内容 本文着眼于混合级联多电平逆变技术在s t a t c o m 中的应用，将主要在以下几个方面 进行研究： 1 ) s t a t c o m 基础理论的研究，包括s t a t c o m 的工作原理、无功电流检测以及控制 方法等； 3 ) 提出将2 h 桥- 3 h 桥混合级联逆变器用作s t a t c o m 的主电路拓扑，对基于这一拓 扑结构的混合级联s t a t c o m 的工作原理进行深入研究； 3 ) 在对2 h 桥- 3 h 桥混合级联逆变器的工作原理进行研究的基础上，进行适用于这 种主电路拓扑的，以无功补偿为工程应用背景的p w m 调制方法的研究； 4 ) 使用仿真软件s i m p l o m r 对2 h 桥- 3 h 桥混合级联逆变器以及基于它的s t a t c o m 进行仿真研究； 4 ) 在理论研究和仿真分析的基础上，进行基于2 h 桥- 3 h 桥混合级联逆变器的 s t a t c o m 的软硬件设计，制作单相s t a t c o m 的工程样机，并通过实验对其性能进行分析 研究。 2s t a t c o m 的理论基础 硕士论文 2s t a t c o m 的理论基础 本章将主要对s t a t c o m 的工作原理、控制方法以及无功电流检测方法进行研究。 2 1s t a t c o m 的基本原理 s t a t c o m 主要分为两种，一种是电压型桥式电路，另一种是电流型桥式电路。在实 际工程应用中，考虑到运行效率，大多采用的都是电压型桥式电路( 图2 1 ) 。 abc l i 弋 ，l 本 、r 乙丰弋乙t 本 开关器件 1 _ j 一 l n r 、w r v 7 1 - 、 7 l 2【弋lj【弋l2i c 图2 1 电压型桥式电路 2 1 1 不考虑损耗时的s t a t c o m 的工作原理 s t a t c o m 在正常工作时是通过开关器件将直流侧电压转换为与交流侧电网电压同频 率的输出电压，就像一个逆变器，只不过它的交流侧负载是电网。在只考虑基波频率时， 可以将s t a t c o m 看作一个幅值与相位都可调，并且输出电压频率与电网电压同频率的电 压源。因此，在忽略其损耗时，s t a t c o m 的工作原理就可以用如图2 2 ( a ) 所示的单相 等效电路图来表示。 x ：t o l 6 - - - - - - - - - - - - - - - - 一 u ， i 堕1 旦! 三兰1 _ a ) 单相等效电路 b )电流超前 c ) 电流滞后 图2 2s t a t c o m 等效电路及工作相量图( 忽略损耗) 硕士论文 基于混合级联多电平逆变技术的静止同步补偿器( s 1 a r c o m ) 的研究 图2 2 ( a ) 中u s 和u ，分别表示电网电压和s t a t c o m 输出的交流电压，u 工为电抗器三 上的电压，而s t a t c o m 从电网侧吸收的电流就是连接电抗器的电流j 。根据基尔霍夫 电压定律可知，u s = u ，+ u 工，由此可得 ，：堡垫( 2 1 ) j c a l 由式( 2 1 ) 可以看出，通过改变s t a t c o m 交流侧输出电压【，j 的幅值及其相对于u s 的相位，就可以控制s t a t c o m 从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了s t a t c o m 吸收 无功功率的性质和大小。 在图2 2 的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，不考虑其损耗和变换器的损耗。 在这种情况下，只需使【，s 和u ，同相位，仅改变u ，的幅值即可控制s t a t c o m 从电网侧吸 收电流，的方向和大小。当u f u s 时，电流超前电压9 0 0 ，s t a t c o m 吸收容性的无功功 率，如图2 2 ( b ) 所示；而当u ， n = 2 式( 2 9 ) 右侧由直流分量l 和交流分量组成，同理，使用低通滤波器就可以得到基波 无功电流幅值l 。在得到基波有功和无功电流后，再与电网电流相减就可以得到总的谐 波电流含量。 图2 5 所示为这种电流检测方法的原理框图。图中，同步信号发生电路用于跟踪电 网频率，控制输出2 s i n c o t 和2 c o s c o t 。l p f 代表低通滤波器。由此可以看出，这种电流 检测方法的延迟时间仅取决于低通滤波器，如果采用数字滤波器，则可以大大减小延迟 时间。因此，这一电流检测方法的关键就是数字滤波器的设计。 1 0 硕士论文 基于混合级联多电平逆变技术的静止同步补偿器( s t a t c o m ) 的研究 图2 5 电流检测示意图 由式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 可以看出，数字滤波器的输入信号中的交流分量的最小频率 为1 0 0 h z ，而要求得到的是直流分量，所以设定数字滤波器的通带频率为0 1 5 h z ，阻 带频率为9 0 h z 0 0 ，1 5 h z 9 0 h z 为过渡带。因为需要检测的是直流分量，对相位没有 严格要求，所以选用i i r 数字滤波器隋引。综合考虑了系统对电流检测实时性的要求以及 检测精度的需要，选用2 阶巴特沃兹数字滤波器，在设定采样频率为1 6 0 0 h z 时( 每个 工频周期采样3 2 个点) ，利用m a 耵，a b 的滤波器设计工具，可得式( 2 1 0 ) 所示的数 字滤波器系统函数 日( z ) ：0 0 0 0 7 5 0 4 + 0 0 _ 0 1 5 z - 1 + 0 0 0 _ 0 7 - 5 0 4 z - 2 ( 2 1 0 ) 爿izl = _ ：- = 一 0z 上uj 。 l 1 9 2 l z l + 0 9 2 4 0 3 4 z 。 为了验证检测方法的正确性，使用m a t l a b 编程实现了算法，用于检测滞后于电 压4 5 0 ，幅值为3 a 的电流中的有功分量和无功分量，检测结果如图2 6 所示。图2 6 中 上方为有功电流检测波形，下方为无功电流检测波形，无功电流为负说明电流滞后于电 压，图2 6 表明，本文所采用的无功电流枪测方法动态响应速度快，检测结果准确。 图2 6 无功电流检测仿真结果 2s t a t c 伽的理论基础 硕士论文 这种电流检测方法，只需经过一次乘法运算和数字滤波就可以检测出基波无功电 流，具有实现简单，计算量小的优点，适用于s t a t c o m 装置的无功补偿参考电流的检 测。 2 4 本章小结 本章分析了s t a t c o m 的工作原理、对它的控制方法和无功电流检测方法进行了研 究，选定了适合本文的控制方法和无功电流检测方法，为后续各章提供了理论依据。 1 2 硕士论文 基于混合级联多电平逆变技术的静止同步补偿器( s t a t c o m ) 的研究 3 混合级联s t a t c o m 主电路拓扑结构及p 聊调制技术的研究 应用于无功补偿的逆变电路，要求其具有较高的耐压等级以及输出功率，要实现这 一目标，除了在电力电子器件制造技术上作进一步的研究，还需研究适用于无功补偿的 逆变器主电路拓扑结构。 混合级联逆变器，由于可以将不同的功率单元以及不同电压等级的功率开关串联使 用，降低装置成本，并且在使用高压器件承受高压的同时，可以利用低压器件开关速度 快的优点，获得较高的电压波形输出质量，这使其适合作为s t a t c o m 的主电路拓扑。 在混合级联逆变器中，2 h 桥3 h 桥混合级联通过将不同的功率单元串联，在根据最 大扩展原则确定功率单元的直流侧电压的情况下，最多可以获得1 5 电平的输出。而研究 表明，在能够输出1 5 个电平的多电平逆变器主电路拓扑结构中，2 h 桥3 h 桥混合级联结 构所用器件数量是最少的。因此，这种拓扑结构在工作可靠性上和成本上具有较大的优 势，尤其在高压大功率应用场合。因此，本文对基于这种拓扑结构的s 吼盯c o m 进行研 究。 3 1 级联多电平逆变器的直流侧电压最大扩展原则3 “幻 在级联多电平逆变器中，可以通过调整各个功率单元的直流电源电压，来得到最多 的电平数输出，调整的原则就是最大扩展原则。 最大扩展原则，是指当多电平逆变器是由n 个功率单元串联叠加组成时，如果每一 个功率单元能输出的最多电平数为( f = 1 , 2 ，3 ，n ) ，那么当各个功率单元的直流侧 电压按式( 3 1 ) 设置时 粤；车l ，f - 1 ，2 ，3 ，n ( 3 1 ) 一= 一1 = 1 三 l j ij e 1( 嘲一l - 1 ) 7 一7 可以得到最多的输出电平数 = m ( 3 2 ) 3 22 h 桥一3 h 桥混合级联逆变器的工作原理 图3 1 所示为2 h 桥3 h 桥混合级联逆变器的主电路拓扑结构，在该电路中，2 h 桥 总共可以输出3 个电平，3 h 桥最多可以输出5 个电平，即m l = 3 ，= 5 ，电路输出电 压可以达到的最大电平数眦= 3 x5 = 1 5 ，此时要求巨岛= 1 6 ，因此2 h 桥和3 h 桥的 直流侧电压分别为1 e 和6 e 。2 h 桥可以输出e 、0 、一e 这3 个电平，3 h 桥能够输出6 e 、 3 e 、o 、一3 e 、“e 这5 个电平，通过将这两个功率单元的输出叠加，可以得到7 e 、6 e 、 3s t a t c o m 的主电路拓扑结构及p 删调制技术的研究硕士论文 5 e 、4 e 、3 e 、2 e 、e 、0 、一e 、- 2 e 、一3 e 、一4 e 、一5 e 、一6 e 以及一7 e 这1 5 个 电平( 图3 2 ) 。 e 1 阶梯波 3 h 桥工 作波形 2 h 桥工 作波形 图3 12 h 桥3 h 桥混合级联逆变器 h h _ 厂 区口呜吼 嘞a t ,嘞石，2 ，rt o 埘 一 击 图3 22 h 桥和3 h 桥的工作波形 由于是串联结构，为了保证电路的正常输出，混合级联电路中的各个功率单元在输 出0 电平时，应该工作在旁路状态，而不是将所有的开关器件关断，如表3 1 所示。表 1 4 硕士论文 基于混合级联多电平逆变技术的静止同步补偿器( s t a t c o m ) 的研究 中，e 代表2 h 桥直流侧母线电压，y 代表3 h 桥直流侧母线电压，v = 6 e 。 表3 12 1 1 桥- 3 h 桥混合级联逆变器备功率单元工作状态 e 1 e 1 s ， zs s 2 ， 一- 2、 s ， 一 i z 。 z i i a ) 正向导通 e 1 e 1 一- 墨 zi 墨 z i ) i - s s 上5 。： z iz i i _* 墨一 一 s i t 2zl ) 一 1 _ s 1 ， zi s ， 一_ z l 峰 i i 1 2 a ) 正向旁路b ) 反向旁路 图3 32 h 桥工作状态 在图3 1 所示的2 h 桥与3 h 桥混合级联逆变器中，对于2 h 桥功率单元来说，当瓯 和s ：导通，s 。和墨：关断时，2 h 桥工作在正向旁路状态；s 。和s ：导通，墨：和s ：。关断 时2 h 桥工作在正向导通状态；墨和墨：导通，s ：。和s ：关断时2 h 桥工作在反向旁路状 1 5 3s t a t c o m 的主电路拓扑结构及p 删调制技术的研究 硕士论文 态；s ：* n s l 。导通，s ，和关断时2 h 桥工作在反向导通状态( 图3 3 ) 。 3 h 桥功率单元的输出电压实际上是它的左右桥臂输出电压的电势差，它的工作状态 与功率开关通断的关系如表3 2 所示。 表3 23 h 桥t 作状态 开关状态 输出电平 s 2 ls ns 珏s hs 2 ：s 二s 0s 一y o01l11oo y 200011110 001011010 矿211o10010 矿 11o00011 3 22 h 桥- 3 h 桥混合级联逆变器的阶梯波e p w t 控制法 2 h 桥与3 h 桥混合级联s t a t c o m 的p w m 控制方法主要有两种：一种是基于基频的控制 法，通过选择合适的器件开关角，使逆变器输出的多电平阶梯波逼近正弦波；另一种则 是比较流行的混合调制法，对3 h 单元在低频下采用相移p w m ，对2 h 单元则在高频下采 用单极性p w m 。其中2 h 桥的调制信号由3 h 桥的参考信号减去其输出所得，载波信号为 高频三角波m 1 。混合调制法具有控制简单、易于扩展的优势，然而这种方法只能实现1 1 个电平的p w m 控制，有4 个电平( 正半周两个，负半周两个) 不能实现p w m 控制，这4 个 电平中含有较多的低次谐波，如果在2 h 桥3 h 桥混合级联s t a t c o m 中采用这种调制方 法，将会影响补偿效果，给电力系统带入新的谐波污染。因此，选用基于基频的阶梯波 e p w m 控制方法对混合级联s t a t c o m 进行控制。 阶梯波e p w m 控制法的原理是：首先根据逆变器的输出电平数按照波形逼近法或消 除特定谐波法得到谐波含量最小的阶梯波，然后再用e p w m 法对波形进行斩波调压，以 得到谐波含量小又能进行调压的输出电压。在阶梯波计算的两种方法中，相较于消除特 定谐波法，波形逼近法的谐波含量最小，并且离线计算简单剐，在电平数较多的情况下， 低次谐波也可以得到有效的抑制，因此采用波形逼近法获取阶梯波。 波形逼近法的原理如图3 4 所示，图中阶梯波的梯高相等，阶梯波与正弦波的交点 即为触发角，触发角的位置根据阶梯波面积与正弦波面积相等的原则求取，具体的计算 过程如图3 5 所示。只要使得图3 5 中所示的两个阴影区域的面积相等，就可以使得阶 梯波面积与正弦波面积相等。根据对称原则，只要求出前1 4 周期的开关角，就可以确 定整个周期的开关角。 1 6 硕士论文 基于混合级联多电平逆变技术的静止同步补偿器( s 1 a r c 0 旧的研究 图3 5 波形逼近法开关角计算原理 根据图3 5 ，可得 e ( s i n 口一a ) d a = e ( 曰“n a ) d a ( 3 3 ) 式( 3 3 ) 中，a 、召为阶梯波的电平值，鲰为所求开关角，吼= s i n a ，= s i n q 召。 根据上式，可得= 4 0 9 9 6 0 ，吃= 1 2 3 8 4 9 0 ，= 2 0 9 4 6 3 0 ，= 3 0 0 3 7 7 0 ， = 4 0 0 7 5 5 0 ，= 5 1 9 5 2 3 。，= 6 9 4 3 3 4 0 。在求出触发角后，再结合2 h 桥和3 h 桥 各自的工作波形，就可以得出逆变器的p 删控制信号。 对图3 4 所示的阶梯波波形进行傅立叶分析，可得输出电压基波和各次谐波幅值的 表示式为 以= 昙了e s t n 删耐c w d + 昙至2 e s ；n ，删埘c w 。+ 昙了3 e s ；n 删耐c w ，+ 昙了4 e s ；n 删耐c w 。+ 昙了5 e s i i l 删掰c w 力+ 昙虿6 e s i n 删埘c w 。+ 。3 4 ， 1 2 f 7 es i nn w 掰( w f 万z ：竺( c o s 蚴+ c o s + c o s 鸭+ c o s 畅+ c o s ，磁+ c o s 慨+ c 。s n a 7 ) 将前文所求的开关角代入式( 3 4 ) ，可得基波幅值u = 7 0 11 2 e ，基波幅值与设定 3s t a t c o m 的主电路拓扑结构及p 删调制技术的研究 硕士论文 对阶梯波进行进一步的分析，可得1 5 电平阶梯波直到9 9 次谐波的总谐波畸变因数 t h d 为5 0 5 ，而如果使用载波调制法控制2 h 一3 h 混合级联逆变器时，输出电压的t h d 值为1 5 0 2 ，若使用传统的2 h 桥级联电路实现1 5 电平输出，在采用相移s p w m 控制 时，电压的t h d 值更是高达2 1 8 5 ，由此可见，采用阶梯波e p w m 控制法的2 h - 3 h 桥 混合级联逆变器具有控制简单、输出电压谐波含量小的优点。 根据波形逼近法获得的阶梯波自身并不具备调压能力，一般还需依靠前级的直流变 换器调压或采用移相调压技术。前者增加了直流环节，限制了功率容量，并且降低了效 率；后者则需要增加变换器和变压器的容量，即增加了系统的体积重量和成本，特别是 在功率较大和输入电压变化范围大的场合，这一缺点更加突出。为了对s t a t c o m 的输 出电压幅值进行调节，以形成有效的电压闭环控制，系统采用e p w m 法对输出波形进 行斩波控制，对阶梯波的电压基波幅值进行调节。 图3 6 所示为e p w m 斩波控制的原理。首先产生一个频率为波形逼近法输出电压频 率整数倍的三角载波“。，再使用直流电压控制信号蚴与虬进行比较，在蚴大于的部 分产生e p w m 正脉冲控制信号u 。 直流信号“ 三角载波” 上泸矿m 脉冲材 图3 6e p 删脉冲控制信号的产生 在得到e p w m 正脉冲控制信号后，将此信号与根据波形逼近法所得的2 h 桥与3 h 桥的 控制信号作为逻辑门“与 的输入，则逻辑门的输出就是可以进行调压的s t a t c o m 的 控制信号( 图3 7 ) 。通过改变直流电压控制信号的大小就可以实现s t a t c o m 输出电 压幅值的控制。结合前文所进行的2 h 桥和3 h 桥的工作状态的分析，为了保证逆变器工作 1 8 硕士论文 基于混合级联多电平逆变技术的静止同步补偿器( s t a t c o m ) 的研究 的可靠性，在e p w m 脉冲控制信号的低电平期间，不是将逆变器中的全部功率开关关断， 而是将功率开关、：、爰。、，、鼢的p 硼控制信号置1 ，使逆变器工作在旁 路状态。 删ml r l l - l r w l r w l 01 i 嗣 叫圳 l u u删 r a ) 3 h 桥控制信号( 正半周)b ) 2 h 桥控制信号 图3 7s t a t c o m 控制信号 现以三角载波频率为2 2 k h z ，直流控制信号与三角载波幅值比为0 7 为例进行斩波 控制，假设直流侧电压为7 e ，则设定的逆变器输出电压基波幅值为4 9 e 。图3 8 所示即 为逆变器输出电压( 图中所示为半个周期) 。 图3 8 直流斩波控制后的2 h 桥一3 h 桥混合级联逆变器输出电压 对调幅后的逆变器输出电压进行分析可得 1 9 3s t a t c o m 的主电路拓扑结构及p w m 调制技术的研究 硕士论文 玑= 昙e 心n n a ，t d ( 硼+ 昙r 心n n a ，t d ( + 4 ，。e ， 2 e s i n n c o t d ( , , r o t 3 + 筇电l行，。 ， ! e 2 e s i n 胛国t d ( c o t ) + ! e 3 es i nn c o t d ( c o t ) + 4r ，, o3 es i nm otel(7171tl 国f ) + 峨畅， 。 导厂1 14 心nn a ，t d ( c o t ) + 4e 1 ) 4 e s i n 刀国t d ( 国f ) + 4e ? 5 es i nn cotd(+di 万t t o 万w7 w 。 ， 昙e5 e s i n 肋耐( 国f ) + 昙e 6 e s i n 删耐( 国f ) + 4f20，6esinncotd(71 缈f ) + 。 万6，rq7 ， 。 4 ，r ”6 es i m 删( 硼+ 昙e7 麟n 刀彩t d ( c o t ) d a t 2 1+ ! y e7 心n 刀彩帅卅，万蚝嘞 。 ! r 7 e s i nn c o t d ( 国f ) 万一” 式( 3 5 ) 中的触枯角取信电口轰34 所呆 3 42 h 桥一3 h 桥混合级联逆变器幅值控制触发角 根据式( 3 5 ) 和表3 4 ，可得输出电压基波幅值为4 8 2 e ，与设定值基本相符，对 输出电压的低次谐波进行分析，可得表3 5 ，从表中数据可以看出，对逆变器的输出电 压进行直流斩波调幅后，输出电压的低次谐波依然得到了很好的抑制。 表3 52 h 桥一3 h 桥混合级联逆变器调幅输出谐波冈数 3 3 本章小结 本章在对2 h 桥一3 h 桥混合级联逆变器的工作原理进行深入分析的基础上，研究了 阶梯波p w m 调制与直流斩波控制相结合的阶梯波e p w m 控制方案，并对逆变器的输 出电压波形进行了理论分析，分析结果表明，采用阶梯波e p w m 控制方案的2 h 桥3 h 桥混合级联逆变器在较低的开关频率下，实现了质量较高的电压输出。 硕士论文 基于混合级联多电平逆变技术的静止同步补偿器( s t a t c o m ) 的研究 4 系统仿真实验 仿真软件选用的是美国a n s o f t 公司的s i m p l o r e r 7 0 。s i m p l o r e r 是一个功能强大 的跨学科多领域的系统仿真软件，可以应用于电机、机电、电力电子和电力传动等领域。 它不是局限于某一个技术领域问题，而是提供了一个多工程领域的一体化解决方案，具 有操作简单、建模方便、计算快速准确、后处理功能强大以及接口丰富等优点嘞1 。 4 12 h 桥- 3 h 桥混合级联逆变器的仿真研究 在s i m l p o r e r 中建立了图4 1 所示的仿真模型，图中，选用i g b t 作为功率开关，3 h 桥直流侧电容c l = c = 2 2 0 9 f ，2 h 桥直流侧电压为3 1 4 3 v ，3 h 桥直流侧电压为 1 8 8 5 8 v ，逆变器输出电压基波幅值的最大值为2 2 0 v 。在仿真模型中，功率开关的p w m 控制信号由s i m p l o r e r 中的模块2 dl o o k u pt a b l e 产生，该模块可以在设定时间产生设定 幅值的驱动信号，方便产生阶梯波p w m 信号。在使用直流控制信号对阶梯波p w m 信 号进行斩波控制前，电路的1 2 路驱动信号如图4 2 所示。由图4 2 可以看出，3 h 桥的 驱动信号开关频率明显小于2 h 桥，这体现了混