（电力电子与电力传动专业论文）基于级联型多电平变流器的有源滤波装置研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于级联型多电平变流器的有源滤波 装置研究，是本人在华j b 电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：隆查砬日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：! 垒垒盘 日期：塑! ! 1 导师签名： 日期： 石奶采 矽多 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的意义与背景 第一章引言 理想公用电网所提供的电压应该是工频基波电压。谐波电压和谐波电流的出 现，对公用电网是一种污染，它们使用电设备所处的工作环境恶化，也给周围的通 信系统和公用电网以外的设备带来危害咱3 。人们对电力系统谐波的研究可以追溯到 上世纪二三十年代，但那时的谐波污染并不严重，因此并没有引起人们足够的重视。 近三四十年以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子设备广泛应用于电 力、电信、交通等行业中；同时家用电器、工业电弧炉、电气化铁道等大量非线性 设备的出现，使得公用电网的谐波污染问题日趋严重，由谐波引起的各种故障和事 故也频频发生。谐波问题不仅已经成为电力系统安全稳定运行的一大威胁，而且大 大降低了用电设备的工作性能。因此，谐波治理已经刻不容缓，7 l 。 解决谐波污染和低功率因数问题的方法主要有两种：一是装设补偿装置，以补 偿其谐波和无功功率，使系统的电压或电流的波形为正弦；二是对电力电子装置本 身进行改进，使其不产生谐波，且不消耗无功功率，或者根据需要对其无功功率进 行控制。本文只讨论前一种方法。 谐波补偿的传统方法是采用l c 无源滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补 偿无功，且结构简单，一直被广泛使用。但是使用无源滤波装置来解决无功和谐波 问题也存在许多缺点。如无源滤波器的设计大多针对特定频率的谐波，只能滤除特 定次谐波，存在着与电网发生谐振的可能性；并且对电网阻抗和频率变化十分敏感； 体积大、损耗大等等。为解决这一问题，人们做了许多研究与探讨，其中具有代表 意义的是有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r 一a p f ) 姆。引。 采用有源电力滤波器是当前谐波抑制的一个重要趋势。有源电力滤波器也是 一种电力电子装置，它利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值 相等、相位相反的电流，使电源总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。 大功率可关断电力电子器件制造工艺的不断进步和瞬时无功理论的提出，为有源电 力滤波器走向实用化提供了必要的条件。目前，有源电力滤波器在许多国家已经获 得了广泛的应用。国内已有较多研究，清华大学已经研制成功1o k v a 有源滤波装置。 但由于受造价、容量等因素的限制，未见在工业领域实际应用的报道。 以与补偿对象的连接方式分类1 ，有源电力滤波器可分为并联型和串联型。串 联型有源电力滤波器构成的系统具有有源装置容量小、运行效率高以及对谐波电压 源类型的负荷有较好补偿特性等优点。但却存在绝缘强度高、难以适应线路故障条 华北电力大学硕士学位论文 件以及不能进行无功功率动态补偿等缺点。因此，其工程实用性受到限制。并联型 有源电力滤波器能对谐波和无功功率进行动态补偿，其补偿特性不受电网阻抗的影 响，是种较好的补偿装置。本文主要讨论并联型有源电力滤波器。 高电压大容量是有源电力滤波器今后发展的趋势。把多电平逆变器应用于有源 电力滤波器是使其走向高电压、大功率场合的一条途径。在已经提出的多种多电平 逆变器的拓扑结构中，最为典型的有：二极管钳位型、飞跨电容型、级联型。其中 级联型逆变器具有不需要前两种电路所需的大量钳位二极管和钳位电容、结构简 单、易于模块化、不存在电容电压不平衡问题且易于采用软开关技术，已被广泛地 应用于灵活交流电力系统和用户电力技术等领域，目前这种结构的高压变频器主要 应用于风机、水泵等大功率调速场合。 有源滤波器与无源滤波器相比具有巨大的技术优势，因此在许多国家尤其是日 本、美国、德国等发达国家得到了广泛的应用引。随着电力电子器件制造工艺的提 高和新的控制策略及拓扑结构的提出，有源滤波技术将会更加普及。把基于级联型 逆变器的有源滤波装置作为本课题研究的主要内容，具有一定的理论价值和实际意 义。 1 2 课题的发展现状 级联型变流器和有源滤波器都是近年来电力电子及其相关领域研究的热点，关 于二者的研究方兴未艾。而把级联型变流器应用于有源滤波装置的相关研究也已经 逐渐展开。在这种背景下，本文将研究如何把级联型变流器应用于有源滤波装置， 并对其拓扑结构和控制方法进行深入分析，这些研究和分析都将建立在课题发展现 状的基础上。 1 2 1 级联型变流器的发展现状 多电平功率变换技术是一种可满足高电压大功率要求的新兴技术。它可应用在 如交流电源、静止无功补偿、传动系统等多方面。其基本原理是将几个电平台阶合 成阶梯波以逼近正弦波电压。一般来说，电平数越多，其分辨率越高，那么输出的 电压波形越接近正弦波。 级联型逆变器作为多电平逆变器是出现得最早的一种。1 9 7 5 年p h a m m o n d 提 出了多个h 桥采用隔离的直流电源作输入，输出端串联的结构，申请了美国专利。 直到1 9 8 0 年二极管钳位多电平结构也称为中性点钳位结构( n p c ) 才出现3 1 ，二极管 钳位结构在出现后得到迅猛的发展。后来p w h a m m o n d ，f z p e n g 等人发现级联 型逆变器在电动机驱动应用中的优越性乱惦1 ，由于中等电压、高功率的需要，级联 型逆变器在2 0 世纪9 0 年代后期7 j 一得到广泛流行。现在级联型逆变器广泛应用于 华北电力大学硕士学位论文 高电压的电动机驱动、大功率电源、大功率有源电力滤波等场合引。在有源滤波器 的应用中，级联型逆变器可以显著提高其电压等级，从而使大功率应用场合的有源 滤波器其电流得到显著降低，能够限制在器件的承受范围内，这在有源滤波器的实 用化进程中具有重要的意义。 本文所讨论的级联多电平电压型逆变器是将多个两电平电压型逆变器串联起 来，组成一个功率模块。通过这种串联不仅可使通过功率器件上的电压应力有显著 的减小，而且由于引入了模块化的概念，器件的维护也变得容易。不难看出，级联型 逆变器具以下特点： ( 1 ) 无需均衡电容电压，无需特别的均压控制。 ( 2 ) 结构上易于模块化和扩展，高压大功率是其发展的方向之一。 ( 3 ) 级联型逆变器除具有多电平逆变器共同的线电压冗余特性外，还具有相电 压冗余特性，可用于均衡各单元的利用率。 ( 4 ) 便于实现软开关技术。通过对h 桥加入谐振电感、电容，采用适当的控制 策略比较容易实现软开关。 ( 5 ) 级联型逆变器是多电平逆变器中输出同样数量电平而所需器件最少的一 种。在采用了差补技术或混联技术后，器件效能比进一步增大。 级联型逆变器的缺点在于需要大量的隔离直流电源。在蓄电池供电场合这个问 题得到了部分解决，但又带来蓄电池组充放电不平衡问题。由于具有多个直流电源 和器件，级联型逆变器需要均衡各单元的利用率。在级联单元较多的情况下，故障 检测和诊断变得比较困难。如何克服这些困难，成为近年来国内外研究的热点。 1 2 2 有源滤波器的发展现状 2 0 世纪7 0 年代初，日本学者就提出了有源滤波的概念，即利用可控的功率半导 体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电 流为零，达到实时补偿谐波的目的。1 9 7 6 年美国西屋电气公司的l g y u g y i 提出利 用大功率晶体管组成的p w m 逆变器构成有源电力滤波器消除电网谐波。由于受当时 功率半导体器件水平的限制，有源电力滤波器的研制一直处于试验研究阶段。进入 八十年代以后，随着电力电子技术的飞速发展，大功率可关断器件( 如g t o ，g t r ， i g b t 等) 的不断进步，以及对非正弦条件下无功功率补偿理论的深入研究，特别是 瞬时无功理论的提出，为有源电力滤波器的实用化提供了必要的条件，其原理也逐 步完善。 尽管有源电力滤波器有着无源滤波器所不具有的巨大技术优势，但目前想要在 电力系统中完全取代无源滤波器还不太现实，这是由于其成本太高所致。随着电力 华北电力大学硕士学位论文 电子工业的发展，器件的性价比将不断提高，有源电力滤波器会得到广泛应用。目 前，世界上有源电力滤波器的主要生产厂家有日本三菱电机公司，美国西屋电气公 司等。据介绍，自1 9 81 年以来，仅在日本就有5 0 0 多台a p f 投入运行引，容量范 围由5 0 k v a 到6 0 m v a 。有源滤波的补偿范围包括谐波、无功、负序以及电压调整等， 补偿对象有工业整流负载、电弧炉以及电气化铁道等。从近年来的发展和应用可以 看出a p e 具有以下发展趋势： ( 1 ) 采用p w m 调制和可提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实现对高次 谐波的有效补偿。当有源电力滤波器容量小于2 m v a 时，通常采用i g b t 及p w m 技术 进行谐波补偿；当容量大于5 m v a 时，通常采用g t o 及多重化技术进行补偿。 ( 2 ) 从经济上考虑，可以采用a p f 与l c 无源滤波器并联使用的混合型有源滤 波系统以减小有源电力滤波器容量，达到降低成本、提高效率的目的。其中l c 无 源滤波器用来消除高次谐波分量，有源电力滤波器用来消除低次谐波分量。 ( 3 ) 从长远角度看，随着大量变流器用于变频调速系统，其价格必然下降；同 时，随着半导体制造技术的不断发展，尤其是i g b t 的广泛使用，混合型有源滤波 系统低成本的优势将会逐渐消失，而串、并联系统由于其功能强大、性价比高，将 是一种很有前途的有源滤波装置。， ( 4 ) 可通过单节点单装置的装设，达到多节点谐波电压综合治理的有源电路调 节器( a p l c ) 的出现，表明电力系统谐波治理正朝着动态、智能、经济效益好的方 向发展。 与国外已经广泛应用的有源电力滤波器相比，我国的有源电力滤波器还处在实 验研究和工业化试验阶段，工业领域只有少数几台样机投入运行。这与我国目前谐 波污染日益严重的状况很不适应。随着我国电能质量治理工作的开展，a p f 具有很 大的市场应用潜力。因此，有必要对有源电力滤波器的实用化进行深入研究。可以 看出，目前，有源电力滤波器技术近期的研究主要集中在这几个方面： 1 谐波理 论的进步研究； 2 进一步降低补偿装置的容量； 3 控制系统的简化与数字化； 4 补偿装置的多功能化。 本文把级联型变流器应用于有源滤波装置，也是有源滤波技术向着高压、大功 率方向发展的趋势所使然。 1 3 本文的主要工作 本文以级联型逆变器及其构成的有源滤波装置为研究对象，根据其发展现状和 存在的问题，将展开以下几方面的工作： ( 1 ) 级联型逆变器主电路拓扑结构及其参数设计的研究 4 华北电力大学硕士学位论文 级联型逆变器广泛应用于调速、电气传动等场合，在有源滤波方面的研究和实 用化报道的文献较少。因此，确定一种合理而实用的拓扑结构及合理的参数是本文 首先要解决的问题。 目前，混合七电平单元级联型电路是多电平电路的热点，但实际应用中以三电 平为主。考虑到这种电路在有源滤波装置中的应用经验较少，本文仍以实用的三电 平作为研究的重点，将对其进行深入研究，采用m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具对系统进 行仿真分析，找出其控制规律，为以后应用多电平进行有益探索。 ( 2 ) 有源滤波器的控制算法 目前所采用的控制方法主要有三角载波线性控制，滞环比较控制和无差拍控 制。本文对不同的控制方法进行了讨论，最终确定一种误差小、动态响应好、运算 量适中的实用控制算法。 ( 3 ) 有源滤波器脉冲的发生 有源滤波器的最终目的是输出补偿电流，与负载谐波电流相抵消，从而达到滤 波的目的。负载是时时变化的，相应地，谐波也是时时变化的，有时可能变化还很 剧烈。要做到快速准确地跟踪负载谐波电流，必须选择可靠的触发脉冲发生方法。 有源滤波器脉冲发生方法很多，本文主要研究载波调制p w m 方法和空间矢量 法。由于主电路共有1 2 只功率器件，首先要确定它们在各种负载情况下的开关状 态，然后根据负载的变化情况来确定相应器件的状态。同时还应注意产生死区时间， 以防止同一桥臂直通而短路。 ( 4 ) 研制实验系统，实现谐波补偿的功能 实验是本文的主要组成部分之一。实验系统主要由控制电路、主电路、模拟负 载三部分组成。控制电路包括采样、运算、输出、故障报警等部分。其中运算部分 主要是谐波检测，输出部分主要用来控制驱动脉冲，c p u 采用t i 公司的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片。 ( 5 ) 实验结果分析 本文所研究的装置主要是面向应用领域，因此在论文的最后阶段还应对实验数 据进行分析，找出一般性的规律，同时发现更多的问题，为应用多电平进行有益的 探索。 华北电力大学硕士学位论文 第二章级联型变流器的拓扑结构和数学模型分析 2 1多电平变流器概述 目前已提出若干种多电平路结构，根据主开关器件的电压钳位方式，可将其分 为二极管钳位型( d i o d ec l a m p e d ，又称中性a 车- i 于位型一n p c ) 、电容钳位型( c a p a c i t o r c l a m p e d ) 和单元级联型( c a s c a d e dm u l t i c e l l ) 三类。 2 1 1 二极管钳位型变流器 自日本学者a n a b a e 、h a k a g i 等人在1 9 8 3 年提出中点钳位型变流器以来，二 极管钳位型多电平变流器得到了广泛的研究8 。一个m 电平的二极管钳位型变流器 在直流侧由( m 1 ) 个电容串联产生m 电平的相电压。图2 1 所示为二极管钳位 型七电平电路的拓扑结构。 图2 - 1n p c 式七电平逆变器 二极管钳位型变流器同时具有多重化和脉宽诃制的优点：输出功率大；器件开 关损耗低，等效开关频率高；交流侧在级联输出时不需要变压器：动态响应好；传 输带宽较宽等优点。同时，二极管钳位型变流器也存在以下不足： ( 1 ) 钳位二极管的耐压要求较高， 二极管的反向耐压等级却不相同。 ( 2 ) 开关器件的导通负荷不一致， 尽管开关管的耐压均为( m 一1 ) ，钳位 开通时间不平衡要求开关器件的电流等级不 6 华北电力大学硕士学位论文目录 相等。 ( 3 ) 在变流器有功功率从交流侧向直流侧传送或反向传送时，二极管钳位型变 流器的直流侧各个电容的充电时间不相同，使得动态下的均压控制较复杂。 2 1 2 电容钳位型变流器 电容钳位型多电平变流器如图2 2 所示m 3 。 图2 2 电容嵌位式五电平变流器 电容钳位型变流器每一相有统一的结构，便于控制和实现模块化。假设每个电 容有相同的电压等级，图2 2 所示的电容的串联联结表明了钳位点的电压电平， 那么m 电平变流器的相电压有m 电平，线电压有( 2 m 一1 ) 电平。若电容的电压等级 相同，直流侧需要( 朋一1 ) 个电容。 电容钳位型变流器的电压合成l p , - - 极管钳位型变流器更加灵活。在五电平电容 钳位型变流器中，相电压圪与开关组合的关系如表2 一l 所示。 电容钳位型变流器具有开关方式灵活、对开关器件保护能力强等优点，同时也 存在若干不足。 ( 1 ) 需要大量的储能电容。假设每个电容的电压等级与开关器件相同，则m 电 平的变流器每一相需要( m 一1 ) ( 聊一2 ) 2 个辅助电容，直流侧需要( m 1 ) 个电容。 ( 2 ) 为了使电容充、放电平衡，中间电平在一个周期内需要多种开关组合方 式，这样增加了开关频率，控制也较为复杂。 ( 3 ) 和二极管钳位型变流器类似，电容钳位型变流器的开关器件的导通时间 不同，负荷不一致。 7 华北电力大学硕士学位论文目录 表2 1 五电平电容嵌位型变流器相电压圪与开关组合的关系 呢v配，咒：疋3s n 4s 。ls 。2 瓯，。 1lll o000 lll0lo00 三 01llo00l l 0 l1 00 10 ll0l0l0o l100l100 0ol l 00 l l 10lolo10 三 z l 0 0l 0 llo 0l0l0l0l oll010o1 l0001l1o 0001o1ll 去 0ol0loll 0l001lol 0o000l1ll 2 1 3 级联型变流器 级联型变流器是最近出现的变流器结构，图2 3 所示为三单元级联的七电平变 流器电路，图2 4 是单相级联变流器的统一拓扑结构心0 1 。级联型变流器的每个变流 器模块都是普通的单相全桥电路。相电压的输出是n 个变流器模块输出的叠加。目 前，级联型变流器的调制方式为基波频率控制，不同变流器模块采用不同的开关角 控制，由于每个变流器模块的输出都是三电平，m 个变流器模块的级联型变流器的 华北电力大学硕士学位论文 输出为( 2 m 一1 ) 电平。l t - , 女n ，一个七电平的级联型逆变器，需要三个独立的直流电 源和三个全桥单元。通常情况下，其直流侧的电容可以由一个独立的电源代替，这 个电源可能是电池、燃料电池、或太阳能电池。这种拓扑结构在交流电源与可调速 驱动方面应用比较广泛，其中每个独立直流电源和一个单相的全桥逆变器相连，通 过四个开关器件的开关组合可以产生三电平的输出电压。每个全桥逆变器的输出串 联在一起，从而合成了逆变器的输出电压波形。如果把级联型逆变器应用于有源滤 波场合，根据瞬时无功理论显然可以得出其直流侧不需要单独的电源，而是从电网 吸收无功和有功能量。 n 图2 3 三单元级联的七电平变流器电路 图2 4 单相级联变流器的统一拓扑结构 c 级联型变流器有其独到的优点： ( 1 ) 电容电压无需均衡。二极管钳位型变流器的多电平是由多个电容分压得到 华北电力大学硕士学位论文 的，工作时需要保证电容电压稳定。而级联型变流器中，各隔离直流电源在充放电 上是完全解耦的，只要各直流电源容量足够，无需特别的均衡控制。 ( 2 ) 结构上易于模块化和扩展。级联型变流器是一种松散的串联结构，每个h 桥臂结构相同，易于模块化产生。功率单元拆卸和扩展都很方便，这是其他多电平 变流器所不具备的。 ( 3 ) 级联型变流器除具有多电平变流器共同的线电压冗余特性外，还具有相电 压冗余特性。对于每相某一输出电压，存在多种级联单元的状态组合。各级联单元 的工作是完全独立的，其输出只影响输出总电压，不会对其他级联单元造成影响， 相电压冗余可用于均衡各单元的利用率。 ( 4 ) 便于实现软开关技术。通过对h 桥加入谐振电感、电容，采用适当的控制 策略比较容易实现软开关，从而可以去处缓冲电路，减少散热装置的体积。 ( 5 ) 级联型逆变器是多电平逆变器中输出同样数量电平而所需器件最少的一 种。另外，其直流侧电压利用率也是最高的。 级联型变流器的缺点在于需要大量的隔离直流电源。在蓄电池供电场合这个问 题得到了部分解决，但又带来了蓄电池组充放电不平衡问题。应用于有源滤波场合， 根据瞬时无功理论很容易得出直流侧不需要隔离的直流电源的结论，这为其应用于 有源滤波场合带来了很大的方便，但同时也会带来直流侧电压难以控制的问题。另 外，如果级联单元比较多的话，其故障的检测以及控制都将变得比较复杂。这些难 点都将首先通过仿真来找到合适的解决方法，之后通过试验进一步验证。 2 2 三电平级联型变流器的拓扑和数学模型分析 传统单元级联型多电平变流电路是由相同电压等级的三电平h 桥功率单元级联 而成，在高压变频领域有所应用。在实用化进程中，三电平级联型变流器是构成更 多电平电路的基础。 2 2 1h 桥逆变器模型分析 功率单元的h 逆变桥电路如图2 5 所示。h 逆变桥是级联式逆变器的最基本单 元。欲建立级联式逆变器的数学模型，首先要实现对基本功率单元的数学描述他。 在任意时刻，一方面功率单元属于电压源型逆变器，同一桥臂的上下两个开关要严 格避免同时导通，以免造成直流侧电源或者功率器件的损坏；另一方面为了维持功 率的连续传输，同一桥臂的上下两个开关总要有一个保持开通状态。可以定义h 逆 变桥的桥臂状态变量s 如下： c 或& ，= 三 纂鬈圭霁羹翼嚣；霁羹霁要；( 2 - 1 ， 华北电力大学硕士学位论文 式中的和& 用来表示左桥臂和右桥臂的开关状态。 图2 - 5h 桥逆变单元 左桥臂中点l 对直流参考地n 点的电压叽为 u l = v d c s l 左桥臂电流t 为 i i ，= i o u l s l 右桥臂中点r 点对n 点的输出电压u 凡为 u r = y d c s r 右桥臂电流，r 为 ir = 一i o u | s r 由基尔霍夫电压定律和电流定律求出输出电压u o 。，和输入电流l 的表达式， 了功率单元的数学模型如下： g o 埘= u l u r = ( 乳一s 月) 吃 i | n = i | + ir = ( s l s o i o u l 具体的对应关系可见表2 2 所示： 表2 2 输出电压电流对应关系s 墨墨 丝型! 血 o o00 0 1 1 l o 1 一吃 o i i o 、，、，、，、，hu、=、 n ， 2 3 4 5 至 l 、 国 司 哪 哪 倒 旧 2 2 2 2 隔 2、 2、 亿 p p q 得 q q 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 一重逆变器模型 三相一重逆变器如图2 - 6 所示，为中性点不接地三相系统，驱动三相对称负载。 三相一重逆变器是级联式逆变器中结构最为简单的一种，下面来推导三相一重逆变 器的数学模型和系统的状态方程。 2 2 2 1 一重逆变器数学模型 三相一重逆变器由三个h 逆变桥组成，由式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 可建立数学 模型如下： a u u = ( s c ，一s r u ) i u i n = ( s u i sr u ) i u u 矿= ( s p s r y ) l m = 峪w s w 、) lp u w = ( s 。缈一& ) 吃 1 w 1 = ( s l 一s r 渺) 1 w o 图2 - 6 三相一重逆变器 ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) 瓯u 、置u 、矿、矿、& 、s r 是逆变器各桥臂的开关状态，其下标u 、v 、 w 表示各桥臂所在相，下标l 和r 表示桥臂是左桥臂还是右桥臂；、u r 、u w 为 逆变器输出的u 、v 、w 三相交流电压：厶，、l 、0 为逆变器输出的u 、v 、w 三 1 2 华北电力大学硕士学位论文目录 相父流电流；、是u 、v 、w 三相所含h 逆变器的直流电源侧的输入 电流；而表示各h 逆变桥的直流侧电压。 2 2 2 2 一重逆变器状态方程 参照图2 - 6 利用基尔霍夫电压定律列写u 、v 、w - - k n 回路电压方程，可得 三粤：+ u o n u a ( 2 - 1 4 ) d l u 三譬：u v + 一u 口( 2 - 1 5 ) d t u ” “ 譬：u w + u o n 一( 2 - 1 6 ) 比 。 对中性点不接地三相系统，有 ，+ ，+ 1 w = 0( 2 17 ) 由3 1 2 1 节所得数学模型方程组和以上各方程可推导出一重逆变器的状态方程如 下： td i u l d f td i y l d t td l w l d t i 一1 12slc，一slysl一(2品u一&矿一&)11 = l 一l + i l2 既矿一s 。一s 删一( 2 s 凡矿一s r 一，) | 吃 ( 2 1 9 ) l u o j j i 2 孓一s 。u s 。y 一( 2 一s 门。，一s 凡，) i 2 2 3 多重逆变器模型 将三相重逆变器( 如图2 6 所示) 的数学模型和状态方程推广到三相m 重逆 变器中，得到更一般化的级联式逆变器的数学描述。 趵q 啃 0 + q 、上 埘 q 一3 一 卜 = m 回q 式由载负称对相 三 对 华北电力大学硕士学位论文 a 囝圈困 0 图2 7 三相m 重逆变器 2 2 3 1 通用h 桥模型 由上面的推导即可抽象出i 相第个h 桥的数学模型如下： u j = 嫡l 。一s r u v 赴 = 蝤啊一sr i i ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 式中下标f 表示u 、v 、w 三相；，表示某相第，个h 桥，对于m 重逆变器， j = 1 ，2 ，3 k m ；s l ，和s 脚分别表示舛日第个h 桥的左桥臂开关状态和右桥臂开 关状鸯；u o 和i i f r 表示f 相第j 个h 桥的交流侧输出电压和直流侧输入电流：表示 系统i 相的电流；圪表示h 逆变桥直流侧的电源电压。 2 2 3 2 多重逆变器状态方程 三相m 重逆变器第舛目输出的电压为： m = u 口 ( 2 - 2 2 ) 式中u o 表示f 相第j 个h 桥的输出电压，为f 相总电压，i 为u 、v 或者w ，表示 u 、v 、w 三相。 与一重逆变器状态方程求解方法类似，首先建立u 、v 、w 三相回路电压方程， 再考虑中性点不接地三相系统以及三相对称负载的条件，可推导出三相m 重逆变器 1 4 华北电力大学硕士学位论文e l 录 的状态方程如下： 式中： b = l i = a + b e i = l i ui ，1 w 弋 j ：- 盟盟盟 7 1 班 以 出l 彳= 【】7 e = 。l ，l 】r + 詈( u ，一s r ) 一丢( 咒矿一& 矿) i 。( s l 。一s r 。) l jjj 一丢( 咒u 一s r u ) + 罢( 矿。一s r y ，) 一丢( 乳一s r ) l 333 一三( - 咒川一u ，) 一三( - 曼矿一& 矿。) + 詈( - 班渺。一- 。) l + 罢( 既u s r 埘) 一i 1 ( 配肼一s r n ) 一丢( 晰一& 肌) l 33 3 一言( 一) + j 2 ( 曼所一砩) 一i ( s l w , - s r w , ) l 一三( m 一& ) 一s l 所一& ) + 詈( 晰一& 晰) l + ；( 。删一& 。删) 一- ；( s l 一& ) 一三( 邑删一& 删) 一吉( w 一& w ) + 詈( 一& ) 一i ( s l m 一& w ) 一三( 一& w ) 一i ( s l 一& ) + 詈( 脚一& 聊) ( 2 - 2 3 ) 式( 3 2 3 ) 适用于任何具有相同拓扑结构的级联式逆变器，不论是普通级联式逆变器 还是混联式逆变器。 2 3 小结 1 5 华北电力大学硕士学位论文目录 本章首先对多电平变流器进行了整体概述，在此基础上重点研究了级联型多电平变 流器。其中，对h 桥变流单元和一重变流器的分析是研究级联型多电平变流器的基础， 本章推导了它们的数学模型和状态方程，以此归纳推导出了多重变流器的状态方程。这 些数学模型和状态方程的建立对于研究级联型多电平变流器的工作原理提供了理论支 持，同时为下一章研究其在有源滤波装置中的应用提供了基础。 华北电力大学硕士学位论文 第三章级联型有源滤波器的控制方法及仿真研究 2 0 世纪9 0 年代后期，级联型逆变器在电动机驱动应中的优越性引起了人们的 重视，作为具有独特结构的多电平逆变器而具有广泛的应用前景。随着电力电子器 件制造工艺的发展，高性能器件的不断出现，单个级联单元容量更大、体积更小。 级联单元正朝着智能化、模块化的方向发展。现在级联型逆变器广泛应用于高电压 的电动机驱动、大功率电源等场合。在有源滤波场合，随着电力电子器件和瞬时无 功理论等的发展，有源滤波器的实用化进程大大加速，把级联型逆变器用于有源滤 波器逐渐成为近年来研究的热点。 3 1两电平有源滤波器 3 1 1 谐波补偿原理 有源滤波器可以按照逆变器结构、主电路拓扑结构、相数、补偿容量和反应速 度分类。逆变器结构可以是电压源型逆变器( v s i ) 或是电流源型逆变器( c s i ) ； 主电路的拓扑结构可分为并联型、串联型或是串并联混合型；按照相数来分可分为 单相、三相三线和三相四线三种结构；按照补偿系统的容量和反应速度可分为小 容量、中容量和大容量三种补偿系统。本文主要对并联型有源电力滤波器进行研究。 图3 - i 并联型有源滤波器的原理图 图3 1 所示为并联型有源滤波器的原理图。有源滤波器滤除谐波及补偿无功功 率的原理如下： 假设非线性负荷产生的电流为t ，供电系统提供的电流为而有源滤波器产生 的电流为f ，根据基尔霍夫电流定律有 022 一o f 而非线性负荷电流中分别含有谐波电流分量f 肭，基波无功电流分量0 ，基波有 1 7 华北电力大学硕士学位论文目录 功电流分量乙，即 t 2 2 肪+ 2 幻+ 2 助 为防止谐波电流流入系统，只要控制i f l l 。，则0 = k + t 。，即谐波全部被补偿， 只有负荷基波有功电流及无功电流注入电网，从而防止谐波污染电网。同样，如果 控制i l ? = l 。l 。+ i l 。，即有源滤波器同时补偿了谐波电流及无功电流，则i s = l l p ，即只有 负荷的基波有功电流注入电网，从而不但防止了谐波污染电网，还做到从系统侧看 负荷的功率因数为1 。 图3 2 并联型有源滤波器基本结构 并联型有源滤波器主要由两部分组成，即有源滤波器主电路和有源滤波器控制 系统。如图3 2 所示。其中主电路由变流器与连接电抗或变压器构成，而控制系 统由信号采集、控制算法处理、脉冲发生与脉冲驱动四部分组成。 3 1 2 拓扑结构与工作原理 在各种形式有源滤波器中，单独使用的并联型有源电力滤波由于其集中体现了 有源电力滤波器的特点，因此得到了最为广泛的研究和应用。实际应用中，以三相 三线制较为常见。其中，采用单个p w m 变流器的电压源型有源滤波器是其他拓扑结 构的有源滤波器的基础。 对于没有中线的三相负荷，采用三相三线制结构的有源滤波器可以补偿非线性 负荷的谐波电流。三相三线制结构的变流器由于在变频等领域有广泛的应用，因此 这种结构的变流器已经做成工业模块，许多i g b t 模块都是采用三相三线制结构， 华北电力大学硕士学位论文 买来后可以很方便地应用，因此造价很低，器件可以充分利用，因此基于三相三线 制结构的有源滤波器也是目前应用最为普遍的。 a b c 图3 - 3 三相电压型p 1 】i m 变流器 图3 3 所示为三相电压型p w m 变流器。图中，a ，b ，c 接至三相电源，k ，k ，以， 和圪，k ，k 为各组开关器件的代号。图中所使用的电力电子开关器件为i g b t ，实际 中可用g t o 晶闸管、b j t 、i g b t 、电力m o s f e t 等器件中选择。 ， 主电路补偿原理前一节已经介绍了，而对于开关器件和参数的选择又会显著影 响补偿的效果和应用的范围。一般来说，对于开关器件的选择应考虑以下几方面因 素：首先，应根据装置的容量和直流侧电压的大小选择器件的耐压水平和最大工作 电流。一般情况下为了保证器件的可靠工作，器件的耐压水平应选择为其工作中可 能承受的最大电压的两倍。而开关器件的电流有多个值( 如允许的长期工作电流、 最大可关断电流等) ，选择开关器件时应根据器件工作电流的有效值、峰值来确定， 通常也留有一倍的裕量，如器件工作最大峰值电流为l o o a ，则器件最大可关断电流 应该选择2 1 0 0 = 2 0 0 a 。其次，根据补偿谐波频率的高低来选择器件的工作频率。器 件工作频率的选择应根据实际要滤除负荷电流最高次谐波的次数来确定，根据采样 定理，开关频率必须为最高次谐波频率的2 倍以上。从理论上，器件的开关频率越 高，有源滤波器对谐波的补偿能力越强，补偿谐波的效果越好，但随着开关器件开 关频率的增高，同时器件的价格也会越高。最后，应根据器件的耐压水平、电流水 平、开关频率及散热要求，综合考虑主电路的成本，选择合适的丌关器件。 目前普遍应用的电力电子开关器件主要有三类：m o s f e t 器件、i g b t 器件和 g t o i g c t 器件。其中m o s f e t 器件具有很高的开关频率，但容量较小，i g b t 器件具 有较高的开关频率，容量也较大，而g t o i g c t 器件工作频率在1 0 0 0 h z 以下，在有 源滤波器中不适用。因此，在有源滤波器中主要采用的开关器件为i g b t 。 有源滤波器直流侧电压大小的选择主要考虑两个方面，即器件的耐压水平和有 缘滤波器的补偿能力。开关器件的耐压水平是离散的，因此考虑直流侧电压的大小 时应结合器件的耐压水平一起考虑，使器件的耐压水平得到充分利用。另外，应根 华北电力大学硕士学位论文目录 据有源电力滤波器的补偿能力选择直流电压的大小，直流电压越高有源滤波器的补 偿能力越强。 图3 4 有源滤波器接入系统等值电路 对于有源滤波器，其等值电路如图3 4 所示，而电压型变流器产生的谐波电流 的大小为： 上掣+ 尺：( f ) - 强( f ) a l 根据负荷谐波的大小、上升率及与系统电压u ( ，) 的相位关系，可以确定要s a p f 产生的补偿电流( ，) 的大小、上升率及与系统电压l l s ( f ) 的相位关系，从而利用上式 及所选电感l 及电阻r 的大小确定扰。( ，) 的最大值，再根据所选择的脉冲调制方法， 确定直流侧电压的最低下限。如果对补偿电流i h ( t ) 上升率没有特别要求，通常选直 流侧电压为l l s ( f ) 峰值电压的1 5 倍以上，否则补偿能力较差。 3 2级联型多电平有源滤波器 n 图3 5 七电平h 桥级联型有源滤波器结构图 2 0 华北电力大学硕士学位论文 图3 5 所示为七电平h 桥级联型有源滤波器结构图，该拓扑结构中共有9 个h 桥单元模块。在实际的控制中，既需要对各个单元分别进行控制使其正常工作，又 要对9 个单元综合控制，使其整体输出的波形相位、频率保持一致，所以其控制较 为复杂【2 4 1 。而且各个单元直流侧电压的控制变得异常困难，在这种情况下，本文主 要从最基本的三电平做起，对于三电平的控制原理同样适用于五电平和七电平的拓 扑。 三电平级联型有源滤波器其结构图如图3 - 6 所示，其中，l 、厶、三。为整流侧 负荷的进线电抗。相对于七电平的结构，三电平的控制系统大大简化，本文采用 m a t l a b 6 1 对其进行了仿真分析。本文第二章对拓扑进行了详细介绍，本章重点介绍 其控制方法。 图3 - 6 三电平级联型有源滤波器拓扑 3 2 1 空制系统原理 图3 7 为有源滤波器装置控制系统框图，由图可见其控制系统共分为五个部分： 保护 谐波 计算 生成 + 输出 + 驱动 容错 检测 ic l 流 脉冲 图3 7 有源滤波器控制系统结构图 1 数据采集：为了进行谐波检测和实现保护功能，有源滤波控制系统需要得到 所接入系统的电压电流信息；为了进行闭环控制和自我容错，控制系统需要得到有 华北电力大学硕士学位论文 源滤波器自身的电压电流信息：为了发出高精度控制脉冲，控制系统还需要精确测 量系统频率和同步信息。 2 保护和容错：根据数据采集系统所得到的系统和装置信息，判断系统和装置 是否处于正常状态，当发现有源滤波器出现过流或者过电压时，控制模块发出封锁 信号使装置处于整流状态，而没有开关动作，直到系统正常再进行补偿谐波和无功。 3 谐波检测：谐波检测是有源滤波器控制系统的核心部分之一，这一部分通过 对采集得到的系统电压电流信息的运算把谐波电流信息从负荷电流中分离出来，同 时还可以把无功分量也分离出来，共同作为补偿的对象，分离所用的工具就是著名 的瞬时无功理论。 4 计算输出电压波形；由于采用了电压型并联有源滤波装置，所以检测得到的 谐波电流波形不能直接作为有源滤波装置的输出控制信号，而是通过控制装置的输 出电压来控制产生的补偿电流。输出电压波形的产生是采用适当的控制算法，根据 系统参数对目标补偿电流进行运算得到的。 5 控制脉冲发生器：根据计算得到的输出电压波形通过p w m 或其他算法，产生 对应的控制逆变器开关器件的脉冲信号，使电压型逆变器输出需要的电压波形。 由于有源滤波器控制算法较复杂，脉冲发生程序对计算速度要求高，因此有源 滤波器的控制系统通常是基于数字信号处理芯片( d s p ) 和现场可编程门阵列( f p g a ) 的硬件结构，如图3 - 8 所示。其中，d s p 用于数据采集、进行谐波检测、计算有源 滤波器的参考电流及电压，而f p g a 主要用于产生脉冲，它根据d s p 给出的参考电 压，采用p w m 或其它的脉冲生成方法( 如空间矢量控制方法) 产生驱动脉冲。 d s p 算 f p g a 脉冲 i g b t 法处 发生 驱动 理器 板 器 图3 - 8 有源滤波器控制系统硬件基本结构 3 2 2 控制方法研究 有源滤波器的控制策略是建立在瞬时无功理论基础上的，而其脉宽调制技术 ( p w m ) 与电机驱动领域的方法大致相同。调制技术是变流器的“神经中枢”，因 此必须合理地选择有源滤波器的调制方法。一般情况下，衡量调制方式的标准有： 变流器输出的谐波、开关器件的开关频率、动态传输特性、传输带宽等。有源滤波 器补偿谐波的最高频率决定了其输出的谐波和相应的开关频率，由于p w m 技术具 华北电力大学硕士学位论文 有优良的动态特性而广泛应用于有源滤波技术中。目前，在p w m 中具有代表性的 有：三角载波线性控制、滞环比较控制、空间矢量控制等乜卜圳。 1 三角载波线性控制 这是最简单的一种控制方法凹8 f ，它的基本原理为将检测环节得到的电流实际值 与参考值之间的偏差与高频三角载波相比较，所得到的p w m 脉冲作为逆变电路各开 关器件的控制信号，从而在逆变器输出端获得所需波形的电流，其原理如图3 9 所示。其优点是动态相应好，开关频率固定，电路简单，对高频的系统具有较好的 控制特性，且输出波形中含有载波频率固定，容易滤除，容易实现有源滤波器的全 数字控制。但另一方面，高频三角波将使逆变器始终工作在高频状态，开关损耗较 大，不利于应用于高压大功率场合。 图3 - 9三角载波调制法原理图 m 信号 2 滞环比较控制他训 这种方法是将补偿电流参考值与逆变器实际电流输出值之差输入到具有滞环 特性的比较器，通过比较器的输出来控制开关的开合，从而达到逆变器输出值实时 跟踪补偿电流参考值的目的，其原理如图3 1 0 所示。由于有源滤波装置是通过变 压器与系统相连，则有源滤波器与系统电压之间是感性电抗，此时有源滤波装置输 出电流变化率与电抗上的电压差存在线性关系，因此在需要增大补偿电流的时候可 以控制开关器件使直流侧电压正串在系统电压之上，从而增大向系统注入的电流； 需要减小补偿电流的时候开关器件使直流侧电压反串在系统电压之上，从而减小向 系统注入的电流。由于这种线性关系的存在，使得采用滞环比较控制方法时，无需 得到有源滤波器输出电压电流之间具体的比例和相位关系，因此实现起来也比较简 单。该方法开关损耗小，动态响应快。但是很明显，系统的开关频率、响应速度和 电流的跟踪精度均受带宽影响，当带宽窄时，响应速度快，精确度较高。其缺点是， 由于逆变器开关频率在滞环带内变化不定，容易引起脉冲电流和开关噪声。后来， 为限定开关频率的最大值而提出了变滞环带宽改进算法，这必将影响响应速度和补 偿电流跟踪精度。 2 3 华北电力火学硕士学位论文 图3 一1 0 滞环比较控制原理图 3 空间矢量法 空间矢量p w m 法( 亦称做s v p w m 或s v m ) 以- - * h 瞬时电压合成的空间电压 矢量为控制对象，根据系统控制要求选择的电压矢量由所在区实际存在的电压矢量 和零矢量相互切换来合成，输出电压为正弦p w m 波形。其特点是算法的自由度较 大，易于实现实时响应，适应于通过d s p 实现。 图3 一1 1 三电平空间电压矢量分布图 空间适量的基本思想是通过实际存在的电压矢量来合成所需要的矢量，实际的矢量 由其开关状态决定，多电平电路的开关状态数量为电平数的三次方( m 3 ) 。例如，三电 平电路有2 7 个开关状态，其空间电压矢量分布如图3 1 1 所示。此时，s v p w m 的控 制将变得比较复杂。因此，s v p w m 更适用于两电平或三电平逆变器场合。本文的仿真 和试验将以两电平和三电平为主，因此，空间矢量法的应用是本文的重点之一，但是有 关空间矢量法在有源滤波器中的应用的实用算法的报道却较少，本文第三章将详细讨论 这一问题。 对于前两种方法，已经有若干文献阐述了其在有源滤波器中的应用及实现算 法，而对于空间矢量法普遍认为按照电机驱动领域的驱动策略可以实现对有源滤波 器的控制，但具体算法尚未见报道。本文对空间矢量法进行了深入的研究，找到了 把空间矢量法应用于有源滤波器的一种实用算法。 3 3 空间矢量算法及系统仿真结果分析 3 3 1 空间矢量法的基本原理 2 4 华北电力大学硕士学位论文 空间电压矢量技术( s v p