（电力电子与电力传动专业论文）组合变流器相移spwm技术及其在有源电力滤波器中的应用研究.pdf

浙江人学博i 学位论文摘要 检测系统的优化设计方法。将统一模型的思想拓展到单相电路的检测，得到电 路简单、实时性较强的检测方法。 本文提出了两种基于相移s p w m 技术的并联型有源电力滤波器( 简称a p f ) 的拓扑结构：基于相移s p w m 级联型变流器的电压源型a p f ，基于电流型相移 s p w m 组合变流器的电流源型a p f 。二者都不需要变压器的联结。本文对前者 - 做了仿真分析。后者是本文的主要研究对象。本文详细讨论了电流源型a p f 的 数学模型，分析了暂态下产生振荡的本质原因。在a p f 中提出了基于极点配置 的状态反馈的控制方法，研究了极点位置对系统特性的影响，提出了优化的设 计方案。提出了变流器直流侧p i 控制的数学模型，分析了直流侧控制与交流侧 控制的相互影响。上述分析通过了仿真和实验的验证。 本文由四个电流型变流器单元构成了相移s p w m 组合变流器装置，以带电 感性负载的三相可控整流为补偿对象，构造了并联型a p f 。由数字信号处理器 t m s 3 2 0 c 2 0 3 作为交流侧控制系统的微处理器，完成了极点配置的状态反馈控 制。在控制系统的 熨计中，提出了硬件移位、矢量差求微分等实现方法。最后， 实验装置取得了较好的补偿效果兮 、 ? 4 关键词组合变流器胡移s p w m 技术；有源电力滤波器：频域模型；谮波破无 功电流检测；极点配置；数字信号处理 ? 塑鲨叁堂堕主堂垡堡壅一2 塑塑! l m u i t i m o d u l a rc o n v e r t e r w i t hp h a s e s h i f t e ds p w mt e c h n i q u e a n di t sa p p l i c a t i o nt oa c t i v ep o w e r f i l t e r a b s t r a e t i nl a r g e p o w e re q u i p m e n t ，t h es w i t c h i n gf r e q u e n c yo fp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e si ss u c hl o w t h a t g o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c ec a n t b eo b t a i n e dw i t has i n g l ec o n v e r t e li no r d e rt oo v e r c o m et h i s p r o b l e m ，m u l t i m o d u l a rc o n v e n e rw i t hp h a s e s h i f t e ds p w m t e c h n i q u eh a sb e e nd e v e l o p e d - o n b a s i so fi t ，i t sa p p l i c a t i o nt oa c t i v ep o w e rf i l t e ri np o w e rs y s t e mh a sb e e ni n v e s t i g a t e di nt h i s p a p e r m a t h e m a t i c a lm o d e lo f3 - p h a s es p w m c o n v e r t e r sh a sb e e na n a l y z e d t h el o w f r e q u e n c ym o d e l s h a v eb e e ne s t a b l i s h e di na b es t a t i o n a r yc o o r d i n a t e ，a bc o o r d i n a t ea n d d qc o o r d i n a t e t h em o d e l i nf r e q u e n c ys p a c eh a sb e e np r o p o s e di nv i e wo fm o d u l a t i o n ，w h i c hi s an o v e lc o n c e p t s u c h c h a r a c t e r sa st r a n s f o r m a t i o nl i n e a r i t y , b a n d w i d t h ，f r e q u e n c ys p e c t r u mc a nb ed i s c l o s e dd i r e c t l y a l lo ft h ep r o b l e m so fc o n v e r t e rc a l lb ee x p l a i n e dw i t ht h i sm o d e l ，s u c ha sc o u p l i n g ，f r e q u e n c y m o d u l a t i o nr a t i o ，a s y n c h r o n o u sm o d u l a t i o na n ds oo n t h e o p e r a t i o np r i n c i p a lo f m u l t i - m o d u l a rc o n v e r t e rw i t hp h a s e - s h i f t e ds p w m t e c h n i q u eh a sb e e n a n a l y z e di nt h i sp a p e r m a t h e m a t i c a lm o d e l s o f 2 - l o g i cp h a s e - s h i f t e ds p w m a n d 3 - l o g i cp h a s e 。 s h i f t e ds p w mh a v eb e e np r e s e n t e d t h ek e yi d e ao ft h i sa p p r o a c hi st h ec o m b i n a t i o no fm u l t i - m o d u l a rt e c h n i q u ea n ds p w mt e c h n i q u e t h eh i g he q u i v a l e n ts w i t c h i n gf r e q u e n c yc a nb e o b t a i n e dw i t hl o ws w i t c h i n gf r e q u e n c yd e v i c e s i ti s o b t a i n e dt h r o u g hc a n c e l l a t i o no fl o w h a r m o n i c s ，n o tb yr e m o v i n gt h eo r i g i n a lh a r m o n i c s s o m ev a l u a b l ec o n c l u s i o n sa b o u tt h en e w t e c h n i q u eh a v ed e d u c e d c o m p a r i s o n b e t w e e nm u l t i - m o d u l a rc o n v e r t e rw i t hp h a s e - s h i f t e ds p w m t e c h n i q u ea n dd i o d ec l a m p e dm u l t i l e v e l c o o v e r t e rh a sb e e nc a r r i e do u ti nt h i sp a p e ran o v e l a p p r o a c h c a s c a d ec o n v e g e rw i t hp h a s e - s h i f t e ds p w mt e c h n i q u eh a sb e e np r o p o s e d ，w h i c hi s t h ec o m b i n a t i o no fc a s c a d es t r u c t u r ea n dp h a s e - s h i f t e ds p w mt e c h n i q u e i tc a nb er e g a r d e da sa t o p o l o g yo fp h a s e - s h i f t e ds p w mt e c h n i q u ei ns i n g l e p h a s ec i r c u i t s i ti sv e r yp r o m i s i n g n o to n l y i nl a r g ep o w e ra p p l i c a t i o n sb u ta l s oi nm e d i u mo rs m a l lp o w e r e q u i p m e n t p h a s e s h i f t e ds v m h a s b e e np r o p o s e di nt h i sp a p e r b o t ha d v a n t a g e so fm o d u l a t i o no fs v ma n dm e r i t so ft o p o l o g yi n p h a s e - s h i f t e ds p w mt e c h n i q u e c a nb eo b t a i n e di nt h i sn o v e la p p r o a c h t h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o nt od e t e c t i o no f h a r m o n i c sa n dr e a c t i v e l i t 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t sh a v eb e e np r e s e n t e d o nb a s i so fi t ，c l o s e df o r mo fd e t e c t i o nh a sb e e np r o p o s e d u n i t y m o d e lo fo p e n f o r ma n dc l o s e d f o r mc a nb ed r a w ni nv i e wo fd e s c r i p t i o n o fi n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e rt h e o r yi nd qc o o r d i n a t e a l lo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fd e t e c t i o ns y s t e md e p e n d0 1 1 t h ee q u i v a l e n tl o wp a s sf i l t e re x c l u s i v e l y t h eo p t i m i z e dd e s i g nm e t h o do ft h ek e yf i l t e rh a sb e e n p r o p o s e d m o r e o v e r , t h ei d e ao fu n i t ym o d e lc a r l b ei m p l e m e n t e di nd e t e c t i o no fs i n g l e 。p h a s e 。 c i r c u i t s t h i s a p p r o a c h h a st h e a d v a n t a g e s o f s i m p l ec i r c u i t ，a c c u r a t e d e t e c t i o na n dg o o d r o b u s t n e s s t w ok i n d so ft o p o l o g i e si na c t i v ep o w e rf i l t e rh a v eb e e np r o p o s e d ，i n c l u d i n ga p fb a s e do b c a s c a d ec o n v e r t e rw i t hp h a s e s h i f t e ds p w m t e c h n i q u ea n da p f b a s e do nc u r r e n ts o u r c em u l t i - m o d u l a rc o n v e r t e rw i t hp h a s e * s h i f t e ds p w m t e c h n i q u e a sav o l t a g es o u r c ea p f , t h e f o r m e rh a s b e e nt e s t e dt h r o u g l ls i m u l a t i o n ；w h i l et h el a t t e ri sc u r r e n ts o u r c ea p f , w h i c hi st h em a i nt o p i co f t h i sp a p e r m a t h e m a t i c a lm o d e lo fc u r r e n ts o u r c ea p fh a sb e e na n a l y z e d o nb a s i so ft h i s ，t h e o r i g i no f t r a n s i e n to s c i l l a t i o nc a nb ed i s c l o s e d p o l e - p l a c e m e n tc o n t r o lh a sb e e np r o p o s e di nt h e a p p l i c a t i o no fa p f ，i no r d e rt os u p p r e s st h eu n e x p e c t e do s c i l l a t i o na n d t oi n c r e a s et h et r a n s i e n t r e s p o n s eo f t h ea p fs y s t e m t h eo p t i m i z e dd e s i g nh a sb e e np r o p o s e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f p ic o n t r o lo nt h ed cs i d eo fa p fh a sb e e np r o p o s e d t h em u t u a li n t e r f e r e n c eb e t w e e nb o t h c o n t r o ls y s t e m so na cs i d ea n dd cs i d eh a sb e e ni n v o l v e d a b o v ea n a l y s e sh a v eb e e nv e r i f i e d t h r o u g hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s t h em u l t i - m o d u l a rc o n v e r t e rw i t hp h a s e s h i f t e ds p w m t e c h n i q u e h a sb e e nb u i l tw i t hf o u rc u r r e n t s o u r c em o d u l e s a sa p a r a l l e la p f , i ti s c o n n e c t e dw i t h p o w e rl i n e t h es c rr e c t i f i e rw i t h i n d u c t i v el o a dh a sb e e nu s e da sh a r m o n i c so r i g i n t h ed s p ( t m s 3 2 0 c 2 0 3 ) i sa d o p t e di nt h e c o n t r o ls y s t e mo na cs i d eo fa p es u c hn o v e la p p r o a c h e sa sb i ts h i f t i n gw i t hh a r d w a r ea n d s u b t r a c t i o no f v e c t o r sf o rd i f f e r e n t i a t i o nh a sb e e ni m p l e m e n t e d t h e s a t i s f a c t o r yc o m p e n s a t i o nh a s b e e no b t a i n e d k e y w o r d s ：m u l t i m o d u l a rc o n v e r t e rw i t hp h a s e s h i f t e ds p w m t e c h n i q u e ；a c t i v ep o w e rf i l t e r ； m o d e li n f r e q u e n c ys p a c e ；d e t e c t i o n o fh a r m o n i c sa n dr e a c t i v e c u r r e n t s ；p o l e p l a c e m e n tc o n t r o l ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 塑鲨叁堂堕主堂垡堡壅一2 塑塑! l m u i t i m o d u l a rc o n v e r t e rw i t hp h a s e s h i f t e ds p w mt e c h n i q u e a n di t sa p p l i c a t i o nt oa c t i v ep o w e rf i l t e r a b s t r a e t i nl a r g e p o w e re q u i p m e n t ，t h es w i t c h i n gf r e q u e n c yo fp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e si ss u c hl o wt h a t g o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c ec a n tb eo b t a i n e dw i t has i n g l e c o n v e r t e li no r d e rt oo v e r c o m et h i s p r o b l e m ，m u l t i m o d u l a rc o n v e n e rw i t hp h a s e s h i f t e ds p w mt e c h n i q u eh a sb e e nd e v e l o p e d - 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s h i f t e ds p w mt e c h n i q u eh a sb e e np r o p o s e d ，w h i c hi s t h ec o m b i n a t i o no fc a s c a d es t r u c t u r ea n dp h a s e - s h i f t e ds p w mt e c h n i q u e i tc a nb er e g a r d e da sa t o p o l o g yo fp h a s e - s h i f t e ds p w mt e c h n i q u ei ns i n g l e p h a s ec i r c u i t s i ti sv e r yp r o m i s i n gn o to n l y i nl a r g ep o w e ra p p l i c a t i o n sb u ta l s oi nm e d i u mo rs m a l lp o w e re q u i p m e n t p h a s e s h i f t e ds v mh a s b e e np r o p o s e di nt h i sp a p e r b o t ha d v a n t a g e so fm o d u l a t i o no fs v ma n dm e r i t so ft o p o l o g yi n p h a s e - s h i f t e ds p w mt e c h n i q u ec a nb eo b t a i n e di nt h i sn o v e la p p r o a c h t h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o nt od e t e c t i o no f h a r m o n i c sa n dr e a c t i v e l i t 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t sh a v eb e e np r e s e n t e d o nb a s i so fi t ，c l o s e df o r mo fd e t e c t i o nh a sb e e np r o p o s e d u n i t y m o d e lo fo p e n f o r ma n dc l o s e d f o r mc a nb ed r a w ni nv i e wo fd e s c r i p t i o no fi n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e rt h e o r yi nd qc o o r d i n a t e a l lo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fd e t e c t i o ns y s t e md e p e n d0 1 1 t h ee q u i v a l e n tl o wp a s sf i l t e re x c l u s i v e l y t h eo p t i m i z e dd e s i g nm e t h o do ft h ek e yf i l t e rh a sb e e n p r o p o s e d m o r e o v e r , t h ei d e a o fu n i t ym o d e lc a r l b ei m p l e m e n t e di nd e t e c t i o no fs i n g l e 。p h a s e 。 c i r c u i t s t h i sa p p r o a c hh a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l ec i r c u i t ，a c c u r a t ed e t e c t i o na n dg o o d r o b u s t n e s s t w ok i n d so ft o p o l o g i e si na c t i v ep o w e rf i l t e rh a v eb e e np r o p o s e d ，i n c l u d i n ga p fb a s e do b c a s c a d ec o n v e r t e rw i t hp h a s e s h i f t e ds p w mt e c h n i q u ea n da p fb a s e do nc u r r e n ts o u r c em u l t i - m o d u l a rc o n v e r t e rw i t hp h a s e * s h i f t e ds p w mt e c h n i q u e a sav o l t a g es o u r c ea p f , t h ef o r m e rh a s b e e nt e s t e dt h r o u g l ls i m u l a t i o n ；w h i l et h el a t t e ri sc u r r e n ts o u r c ea p f , w h i c hi st h em a i nt o p i co f t h i sp a p e r m a t h e m a t i c a lm o d e lo fc u r r e n ts o u r c ea p fh a sb e e na n a l y z e d o nb a s i so ft h i s ，t h e o r i g i no ft r a n s i e n to s c i l l a t i o nc a nb ed i s c l o s e d p o l e - p l a c e m e n tc o n t r o lh a sb e e np r o p o s e di nt h e a p p l i c a t i o no fa p f ，i no r d e rt os u p p r e s st h eu n e x p e c t e do s c i l l a t i o na n dt oi n c r e a s et h et r a n s i e n t r e s p o n s eo f t h ea p fs y s t e m t h eo p t i m i z e dd e s i g nh a sb e e np r o p o s e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f p ic o n t r o lo nt h ed cs i d eo fa p fh a sb e e np r o p o s e d t h em u t u a li n t e r f e r e n c eb e t w e e nb o t h c o n t r o ls y s t e m so na cs i d ea n dd cs i d eh a sb e e ni n v o l v e d a b o v ea n a l y s e sh a v eb e e nv e r i f i e d t h r o u g hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s t h em u l t i - m o d u l a rc o n v e r t e rw i t hp h a s e s h i f t e ds p w m t e c h n i q u eh a sb e e nb u i l tw i t hf o u rc u r r e n t s o u r c em o d u l e s a sap a r a l l e la p f , i ti sc o n n e c t e dw i t hp o w e rl i n e t h es c rr e c t i f i e rw i t h i n d u c t i v el o a dh a sb e e nu s e da sh a r m o n i c so r i g i n t h ed s p ( t m s 3 2 0 c 2 0 3 ) i sa d o p t e di nt h e c o n t r o ls y s t e mo na cs i d eo fa p es u c hn o v e la p p r o a c h e sa sb i ts h i f t i n gw i t hh a r d w a r ea n d s u b t r a c t i o no f v e c t o r sf o rd i f f e r e n t i a t i o nh a sb e e ni m p l e m e n t e d t h es a t i s f a c t o r yc o m p e n s a t i o nh a s b e e no b t a i n e d k e y w o r d s ：m u l t i m o d u l a rc o n v e r t e rw i t hp h a s e s h i f t e ds p w mt e c h n i q u e ；a c t i v ep o w e rf i l t e r ； m o d e li nf r e q u e n c ys p a c e ；d e t e c t i o no f h a r m o n i c sa n dr e a c t i v ec u r r e n t s ；p o l e p l a c e m e n tc o n t r o l ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 塑鲨盔堂竖堂! 兰堕苎塑! 墅一 致谢 本文是在导师张仲超教授的悉心指导下完成的。三年来，导师渊博深厚的 学识，严谨求是的治学态度，虚怀若谷的博大胸襟，平易近人的学者之风使我 耳濡目染，如沐春风。自己的一招一式都浸透着导师的心血。导师手把手地教 授我调试电路，带我亲临现场调试，逐字逐句地修改每一篇论文，给我争取尽 可能多的学习和锻炼机会。从电路设计到理论分析，学业上每一点进步都是在 导师的指点下取得的。回想自己的成长过程，深深感受到导师的人格魅力，使 我受益终身。值此论文完成之际，向导师深深鞠躬致谢。我的另一位导师，燕 山大学的邬伟扬教授把我引入电力电子技术的大门，并且一直关心我的学习和 生活，教授我实事求是的科研精神和做人的道理。向导师致以崇高的谢意! 本文得到了m c g i l l 大学b o o n t e c ko o i 教授的指点，交谈中领略了一代名 师深厚的学术造诣，使我受益非浅，在此表示衷心感谢。实验装置的调试是在 师弟金陶涛的帮助下完成的，在调试中我们共同分析问题，讨论解决方案，我 们合作的很愉快，实验样机的成功凝结了我们的汗水和喜悦。 在开关电源方面，得到了e p o w e r 公司华桂潮博士、翟宁经理、徐华清老 师、黄敏超博士的支持和帮助，感谢他们给我提供这样一个很好的学习机会。 在e p o w e r 电源公司的学习中，和姜熠、熊代富、韩冰、陈仪、徐群等接下了 深厚的友谊，在此一并表示感谢。 在感应加热电源的学习中，得到了潘锡堂老师、陈为群老师、张贵民老师 的热情帮助和大力支持，使我在实际动手方面有较大提高，在此表示衷心感谢! 感谢实验室的胡长生、林平、王立乔、黄玉水、张寅孩、鲍建宇、胡晓巨、 吕红等师兄弟的帮助和关心。特别要感谢毛鸿博士，我们在一起从三相变流器、 感应加热电源到开关电源进行了长时问的探讨，彼此互相启发，互相促进。 在即将结束2 0 年的学校生活之际，以论文的完成感谢我的父母多年来对我 的培养、教导。感谢我的妻子燕山大学的孙连越女士，感谢她对我的关爱、理 解、支持、鼓励。 感谢本文的评阅老师，答辩委员会的老师从百忙中对本文给与审阅、指点。 王长永 2 0 0 0 年1 1 月于求是园 浙江人学博士学位论文 本文常用的符号表 y l ( t ) y ，( t ) 巾b 。 巾。 b t r l ，t r 2 l p f g 。口( s ) g ( s ) k i ，k 2 k d l ，k d 2 k d ，k 本文常用的符号表 正弦脉宽调制 高压直流输电 柔性交流输电系统 空间矢量调制 有源电力滤波器 总的谐波畸变率 单位功率因数变换器 静止无功补偿器 数字信号处理器 在第三章中表示二逻辑p w m 输出的幅值 组合变流器中单元变流器的个数 变流器直流侧电压 幅度调制比 三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换 两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换 调制波幅值 第l 个单元变流器的调制波幅值 频域模型中第k 次谐波的幅值 特指三逻辑p w m 输出中第k 次谐波的幅值 调制波的谐波次数 三角载波的频率( 调制波基波频率为1 ) 第l 个单元变流器的p w m 输出中第k 次谐 波的幅值 第l 个三逻辑s p w m 单元变流器的输出 三逻辑相移s p w m 组合变流器的输出 调制波的初始相位 三角载波的初始相位 相对传输带宽 相移s p w m 级联型变流器中两个相位相反 的三角载波 低通滤波器 等效低通滤波器的传递函数 泛指传递函数 极点配置控制中连续系统下反馈系数 极点配置控制中离散系统下反馈系数 直流侧控制中p i 调节器的比例、积分系数 v 一一洲脚咖一言|卿e k u巩qk k 塑! ! 叁堂! 皇堂堡丝塞 笙二童 堑堑! 一 第一章绪论 八十年代以来，电力电子学已经成为一门新兴的交叉边缘学科。与此相应 的现代电力电子技术得到了迅速发展。以计算机技术和功率半导体制造技术为 基础和先导，开关器件的功率处理能力和开关速度有了显著提高，电力电子装 置的工业市场和应用领域正在不断扩大，越来越多的电器设备对取用的电能形 态和功率流动的控制和处理提出了新的要求。世界各国学者对电力电予技术进 行了广泛的研究，取得了大量科研成果。 在发达国家，一方面对输送电能的需求不断增长，另一方面，由于环境、 行政、公共政策等原因，致使获得新的输电走廊、建造新的输电线路越来越困 难。电力电子技术在大功率场合的应用为解决这些困难创造了条件。自二十世 纪七十年代，高压直流输电技术( h v d c ) 得到了广泛关注。目前，采用自关 断电力电子器件的h v d c 已经达到实用化阶段。在八十年代末，美国电力科学 研究院( e p r i ) 提出了柔性交流输电系统( f a c t s ) 的概念。f a c t s 元件在电 力系统的应用得到各国学者的深入研究。其中，在加拿大，由b t o o i 、 e d g a l i a n a 、g j o o s 等成立研究小组对静止无功补偿器、移相器、统一潮流控 制器等f a c t s 元件进行了长达三年的基础研究【1 1 。电力电子技术在大功率场合 的应用还有大功率电机调速、大功率供电电源等等。以上装置都具有功率大、 控制要求高、系统复杂等特点。为了在特大功率电力电子装置中得到较好的控 制性能，降低装置成本、体积，提高装置的工作效率。组合变流器相移s p w m 技术是理想的选择。本文在国家自然科学基金的资助下对组合变流器相移s p w m 技术及其在电力系统有源滤波中的应用进行了深入的研究。 本章首先从拓扑结构和调制方法两方面介绍了组合变流器相移s p w m 技术 的研究背景。对谐波及无功的危害和治理进行了回顾，总结了有源电力滤波器 的拓扑。为了提高有源电力滤波器的补偿性能，一些优秀的控制理论被吸纳到 有源电力滤波器中，本章对此做了概述。最后，介绍了本文的研究内容和主要 的研究成果。 1 1 组合交流器相移s p w m 技术的研究背景 电力电子装置是通过电力电子器件如晶闸管、i b t 、g t o 、s i t h 等进行 能量处理的。电力电子器件的功率与工作频率是相互矛盾的。一般来说功率 越大，器件的开关频率越低【2 l 。为了提高电力电子装置处理较大功率的能力， 人们进行了大量的探索，其中最具有代表性的科研成果是多重化技术、二极 塑些盔堂堕主堂垡堕塞 丝二童一皇l 望：一 管钳位型多电平变流器阻9 i 、电容钳位