（电气工程专业论文）电流型多电平变流器的一些相关理论以及应用技术研究.pdf

浙江人学博l ：学位论文摘要 摘要 多电平变流器具有功率容量大、开关频率低、输出谐波小以及电磁兼容性好 等特点，使得变流器装置在增大容量的同时改善其输出性能成为可能。随着超导 储能技术的不断发展以及高反向电压阻断能力半导体器件( 如m c t 、i g c t 等) 的相继出现，电流型变流器的效率问题将得以解决，这为电流型多电平变流器在 某些大电流高功率场合的应用提供了优势。本文首先研究了电流型多电平变流器 的一些相关理论，如拓扑构造方法、p w m 调制技术等；在此基础上，本文以三 相电流型多电平整流器的应用研究为目标，对三相电流型多电平整流器的工作特 性，参数设计以及控制方法等进行了深入研究，并取得了以下一些成果。 本文提出了基于基本电路单元的电流型多电平变流器拓扑的构造方法。采用 本文所提出的拓扑构造方法不仅推导出了已有的一些电流型多电平变流器拓扑， 还构造出了一些新型拓扑结构。在此基础上，本文分析了电压型多电平变流器与 电流型多电平变流器的“内在”对偶关系，揭示了通过借鉴电压型多电平变流器 的研究成果来研究电流型多电平变流器的一些方法。 本文提出了三相电流型变流器的间接调制技术和直接调制技术。间接调制技 术是将二逻辑信号到三逻辑信号的变换关系作为通过三相电压型变流器调制策 略来构造三相电流型变流器调制策略的一种通用实现手段。直接调制技术是基于 三相电流型变流器本身的开关工作机理而提出的。与间接调制技术相比，直接调 制技术具有线性传输特性、开关次数少、直流电流利用率高等优点。另外，本文 还提出了一种低电压应力直接调制技术，实现了变流器的非零矢量所在相之间的 自然换相。 本文建立了三相电流型多电平整流器的低频数学模型和高频数学模型，详细 分析了三相电流型多电平整流器的频域特性。在此基础上，从整流器的工作性能、 电路参数以及系统成本等方面对三相电流型多电平整流器和三相多重化相控整 流器进行了比较。分析结果表明，三相电流型多电平整流器的多项性能指标要优 于多重化相控整流器，因此本文提出了在今后工业应用领域中，采用三相电流型 多电平整流器来取代多重化相控整流器的设想。 基于频域特性分析结果，本文提出了一种三相电流型多电平整流器直流侧滤 波参数的设计方法。该方法将多模块并联整流器的直流侧等效电路等效为多个单 1 浙江人学博l ? 学位论文 摘要 模块整流器直流侧等效电路的并联，因此当三相电流型多电平整流器恒流输出 时，直流侧体现为一阶系统，可以根据直流电流纹波指标要求和系统动态响应要 求对分流电感参数进行设计。当三相电流型多电平整流器恒压输出时，可以参照 b u c k 电路原理来设计其直流侧分流电感参数和滤波电容参数。 本文研究了三相电流型多电平整流器的控制方法。首先研究了基于直接电流 控制的双闭环控制方法在三相电流型多电平整流器中的应用。然后，针对三相电 流型多电平整流器恒压输出情况，提出了采用负载电流前馈控制的双闭环控制策 略，解决了开环幅值增益尖峰和系统快速性之间的矛盾，使得系统即便采用较小 的回路增益，仍可具有较快的动态响应和较好的稳态性能。 最后，基于d s p 和f p g a 硬件平台，设计了三相电流型多电平整流器的全 数字化控制系统。在此基础上，分别对三相电流型多电平整流器在恒流输出和恒 压输出时的工作情况进行了实验，验证了本文所述理论的正确性。 关键词：电流型多电平变流器，拓扑，p w m 调制，多电平整流器，频域特性， 前馈控制 浙江人学博l ：学位论义a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i l e v e lc o n v e r t e r sc a no f f e rm a n yb e n e f i t ss u c ha si n c r e a s e dp o w e rr a t i n g s ， l o ws w i t c h i n gf r e q u e n c y , r e d u c e do u t p u th a r m o n i c sa n dg o o de l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ( e m c ) ，w h i c hw i l lm a k ei tp o s s i b l et oe n l a r g et h ep o w e rr a t i n ga n d i m p r o v e t h e o u t p u tp e r f o r m a n c es i m u l t a n e o u s l y w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e ( s m e s ) a n dt h es e m i c o n d u c t o rd e v i c e s w i t hh i g hb l o c k i n gv o l t a g e s ( s u c ha sm c ta n di g c t ) ，t h ee f f i c i e n c yo fc u r r e n t s o u r c ec o n v e r t e r s ( c s c s ) w i l lb eo v e r c o m e ，a n dh e n c et h e i ru s ei s b e c o m i n g a t t r a c t i v ei nh i g hp o w e ra p p l i c a t i o n s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s o m et h e o r i e sa b o u tt h e t o p o l o g yc o n f o r m a t i o na n dp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) m e t h o d so fm u l t i l e v e l c u r r e n ts o u r c ec o n v e r t e r s ( m c s c s ) h a v eb e e ns t u d i e d a sa na p p l i c a t i o ne x a m p l eo f m c s c ，o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，p a r a m e t e r sd e s i g na n dc o n t r o ls t r a t e g i e so fa t h r e e p h a s em u l t i l e v e lc u r r e n ts o u r c er e c t i f i e r ( m c s r ) h a v ea l s ob e e nd e v e l o p e d t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k sh a v eb e e na c h i e v e d t h i sd i s s e r t a t i o ne x p l o r e st h ei s s u eo fc o n s t r u c t i n gm c s c t o p o l o g i e su s i n gt h e d u a l i t yp r i n c i p l e t h r e ec i r c u i tc e l l sf o rm c s c sa r ed e r i v e df r o mt h ea p p l i c a t i o n so f t h ed u a l i t yo nt h et h r e ec o i n n o nl e gc i r c u i tc e l l so fm u l t i l e v e lv o l t a g es o u r c e c o n v e r t e r s ( m v s c s ) b a s e do nt h ep r e s e n t e dt h r e ec e l l s ，s o m en e wo rg i v e nm c s c t o p o l o g i e sa r ec o n s t r u c t e d a n a l y t i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e s ed e r i v e dm c s c sa n d t h e i rc o r r e s p o n d i n gm v s c sp r e s e n ta n a l o g o u sf e a t u r e ss u c ha st h ea cs i d ec u r r e n t s v o l t a g e sa n di n d u c t o r c a p a c i t o rc u r r e n t s v o l t a g e s ，t h o u g h t h e y a r en o td i r e c td u a l s t r u c t u r e s b a s e do nt h i su n d e r s t a n d i n g ，t h er e s e a r c ho nm c s c sa n dm v s c sc a nr e f e r t oe a c ho t h e r t h ep w mm e t h o d sf o rt h r e e - p h a s ec s c sa r ea l s oi n v e s t i g a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ei n d i r e c tp w mm e t h o di sp r o p o s e d ，w h i c hs t a t e st h a ts o m em o d u l a t i o ns t r a t e g i e s o ft h r e e p h a s em c s c sc a nb eg o tf r o mt h o s eu s e df o rt h r e e - p h a s em v s c sb y t r a n s f o r m i n gt h eb i l o g i cs i g n a l st ot h et r i - l o g i cs i g n a l s b e s i d e s ，b a s e do nt h eb u i l t i n m e c h a n i s mo ft h r e e - p h a s ec s c s ，t h ed i r e c tp w mm e t h o di sa l s op r o p o s e d c o m p a r e d t ot h ei n d i r e c tm o d u l a t i o n ，t h ed i r e c tp w mm e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha st h e 1 1 1 浙江人学博f j 学位论文 a b s t r a c t l i n e a rt r a n s m i s s i o n ，l e s ss w i t c ht i m e sa n dh i g h e r - u s a g eo ft h ed ec u r r e n t ，e t c i n a d d i t i o n ，an o v e ll o wv o l t a g e - s t r e s sd i r e c tp w mm e t h o di sd e v e l o p e dt ol o w e rt h e v o l t a g es t r e s so nt h es w i t c h e so ft h r e e p h a s ec s c s l o wf r e q u e n c ya n dh i g h f r e q u e n c y t i m e s p a c e m a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h r e e - p h a s em c s rh a v eb e e nf o u n d e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et h r e e p h a s e m c s ri nf r e q u e n c ys p a c eh a v eb e e na n a l y z e di nd e t a i l b a s e do na n a l y t i c a lr e s u l t s ， s o m ec o m p a r i s o n sb e t w e e nt h et h r e e p h a s em c s ra n dt h em u l t i - p u l s e st h y r i s t o r p h a s e - c o n t r o l l e dr e c t i f i e ra r ec a r r i e do u tf r o mt h ec h a r a c t e r i s t i c s ，c i r c u i tp a r a m e t e r s a n dc o s t ，e t c t h e n ，i ti sp r o p o s e dt os u b s t i t u t et h et h r e e - p h a s em c s rf o rt h e m u l t i - p u l s e st h y r i s t o rp h a s e - c o n t r o l l e dr e c t i f i e rb e c a u s eo fm a n ys u p e r i o rf e a t u r e so f t h et h r e e p h a s em c s r a c c o r d i n gt ot h ea n a l y t i c a lr e s u l t so fc h a r a c t e r i s t i c so ft h et h r e e - p h a s em c s r ac i r c u i tp a r a m e t e rd e s i g nm e t h o df o rt h ed e s i d ef i l t e ri n d u c t o r c a p a c i t o ri sp r o p o s e d t h ed c s i d ee q u i v a l e n tc i r c u i to fm c s rc a nb el o o k e do na st h ep a r a l l e lc o n n e c t i o n s o fm u l t i p l ed c - s i d ee q u i v a l e n tc i r c u i t so fat h r e e - p h a s ec u r r e n ts o u r c er e c t i f i e r ( c s r ) ，s of o rt h ec o n s t a n td cc u r r e n to u t p u t ，t h ed c s i d ec i r c u i ti saf i r s t o r d e rs y s t e m a n dt h ed ei n d u c t o rc a nb ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ed cc u r r e n tr i p p l ei n d e xa n dt h e d y n a m i cr e s p o n s ei n d e x f o rt h ec o n s t a n td cv o l t a g eo u t p u t ，t h ed c s i d ec i r c u i ti sa s e c o n d - o r d e rs y s t e ma n dt h ed e s i g no f d cf i l t e ri n d u c t o r c a p a c i t o rc a nr e f e rt ot h o s eo f t h eb u c kc o n v e r t e r a f t e rd e s i g n i n gt h em c s rp a r a m e t e r s ，i nt h i sd i s s e r t a t i o nw ei n v e s t i g a t et h e d i r e c tc u r r e n td o u b l e - l o o pc o n t r o lf o rt h et h r e e - p h a s em c s r f o rt h ec o n s t a n td e v o l t a g eo u t p u t ，t h ep r o b l e mo fl o wb a n d w i d t ha n dg a i n ，r e s u l t e df r o mt h el c f i l t e r r e s o n a n c ef r e q u e n c yb yt h ed i r e c tc u r r e n td o u b l e l o o pc o n t r o l ，m a k e st h ed c s i d e d y n a m i cr e s p o n s eb a d t h el o a dc u r r e n tf o r w a r df e e d b a c kc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e d t os o l v et h ec o n f l i c tb e t w e e nt h ef a s td y n a m i cr e s p o n s ea n dt h el c - f i l t e rr e s o n a n c e p e a k ，a n de v e na d o p t i n gt h el e s sl o o pg a i n ，t h es y s t e mc a nh a v eaf a s td y n a m i c r e s p o n s ea n dg o o ds t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c e f i n a l l y , af u l l yd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mu s i n gc a r r i e rp h a s e - s h i f t e ds p w m i sb u i l t i v 浙江人学博i ：学位论文 a b s t r a c t u pb a s e do nd s pa n df p g ah a r d w a r ep l a t f o r m t h ee x p e r i m e n to nat h r e e m o d u l e t h r e e p h a s em c s ri sc a r d e do u tt ot e s tt h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c ew h e no u t p u t t i n g t h ec o n s t a n td cv o l t a g e c u r r e n ta n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h ea b o v e p r o p o s i t i o n k e y w o r d s ：m u l t i l e v e lc u r r e n ts o u r c ec o n v e r t e r ( m c s c ) ，t o p o l o g y , p w m m o d u l a t i o n ，m u l t i l e v e lc u r r e n ts o u r c er e c t i f i e r ( m c s r ) ，c h a r a c t e r i s t i c si n f r e q u e n c ys p a c e ，f o r w a r df e e d b a c k v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂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谢意。 学位论文作者躲昂乏亏2 签字嗍 ) d d 护年j 1 月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 逝婆盘鲎 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 斗 丢勉 导师签名猥，、十毪 签字同期：沙d 牌1 月p 日签字日期：2 w 譬年iz ，月髟日 浙江人学博l j 学位论文致谢 致谢 本文是在导师张仲超教授的悉心指导下完成的。在论文即将完稿之际，我心 潮起伏，心中充满了无限的感激和留恋。 首先感谢导师张仲超教授在我攻读博士学位期间所给予的谆谆教诲和悉心 关怀。在这几年里，我学到的不仅是电力电子领域的专业知识，更是对待科学研 究的认真态度和严谨作风，以及宽厚待人、乐观豁达的人生理念，这些都将使我 受益终生。在我课题的研究过程中，导师不仅给我指明了研究的方向，而且还为 我提供充足的科研经费以及创造宽松的科研环境，为我学位论文得以顺利完成提 供了必要的前提和保障。导师严谨求学的科研态度，虚怀若谷的博大胸襟将深深 影响我今后的学习和工作，并将时刻激励着我。在此，向导师致以衷心的感谢和 崇高的敬意! 感谢本实验室的林平老师、胡长生老师、李玉玲老师，已毕业的鲍建宇博士、 曾雨竹博士、李淳硕士、谭成硕士、王青松硕士等，以及刘军、王山山等同学在 我博士期间给予的关心和帮助。感谢实验大厅张贵民老师、系办陈为群老师给予 的日常关心和热心帮助。感谢舍友刘亚纳、张梅同学给予的生活中的帮助和关心。 论文的完成离不开家人的理解和支持，在此要特别感谢我的父亲和母亲，感 谢他们多年的养育之恩! 此时此刻，我为还不曾尽孝心而深感愧疚! 感谢我的姐 姐、弟弟对我学业的支持和理解! 你们是我努力完成学业的强大精神动力。 最后，感谢周玉虎先生自始至终对我的支持和鼓励! 浙江人学博l ：学位论史l 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 多电平变流器的产生背景 近些年来，随着功率半导体器件工艺水平的不断提高，一些新型半导体功率 器件如m c t 、i g c t 等相继出现【1 , 2 , 3 , 4 l ，使得越来越多的电力电子装置用于大功 率场合成为可能。与此同时，人们也对电力电子装置本身提出了更高的要求，一 方面，希望电力电子装置能够处理更高的电压，电流等级。例如，电力系统中的 高压直流输电( h v d c ) 、静止同步补偿器( s t a t o m ) 和有源电力滤波器( a p f ) 等为代表的柔性交流输电技术( f a c t s ) ；另一方面，又希望这些电力电子装置 能够工作在高开关频率下，以满足交流侧具有良好的谐波特性。显然，对于这样 一些高压、大电流应用场合，传统的两电平变流器已经不能满足人们的需求；而 且，以现有的电力电子器件的工艺水平，其功率处理能力和开关频率之间是矛盾 的，往往功率越大，开关频率越低，而多电平变流器技术的出现则可有效解决这 两者之间的矛盾【5 , 6 1 。 多电平变流器是在不改变器件电压、电流应力和开关频率的前提下，通过改 进自身的拓扑结构来实现大功率输出的变流技术。在器件承受应力和开关频率一 定的情况下，变流器电平数越多，则变流器输出容量越大，交流侧波形越接近正 弦，谐波特性越好。或者说，采用多电平变流器技术可以实现在较低的开关频率 和较低的开关应力下，既提高变流器的功率处理能力，又可获得好的交流侧谐波 特性。 1 1 2 多电平变流器的发展状况 根据直流侧储能元件的不同，多电平交流器可分为电压型多电平变流器和电 流型多电平变流器。从多电平变流器概念的提出至今，在不到3 0 年的时间里， 相关领域已经取得了丰硕的研究成果，而其中的绝大多数成果还仅限于对电压型 多电平变流器的研究。就拓扑而言，电压型多电平变流器已经形成了三大类基本 ：$ 1 - , t r s 1 ：二极管箝位型多电平变流器【9 1 、飞跨电容型多电平变流器1 0 】以及级联 型多电平变流器【1 1 1 ；除此以外，还有一系列在三大类拓扑的基础上产生的衍生拓 扑和改进拓扑1 2 - 1 s 。与此相对应，多种有关电压型多电平变流器的调制方法也被 浙江人学博i j 学位论义i 绪论 提出和研究，如阶梯波脉宽调制技术1 6 l 、多载波垂直分布s p w m 技术1 1 9 - 2 2 、载 波相移s p w m 技术【2 3 2 4 1 、空间矢量s v p w m 技术1 2 5 , 2 7 。此外，基于已有的丰 富的研究成果，电压型多电平变流器在应用方面也占据着主导位置 2 8 , 2 9 1 。 然而，作为多电平变流器的另一种基本结构，电流型多电平变流器的相关研 究成果却非常少。不论在研究的深度、广度以及实际应用等方面，电流型多电平 变流器都远远不及电压型多电平变流器。这主要是因为通常的电力能源例如发电 机、电网、电池等均属电压源，而且电压型变流器中的储能元件电容器与电流型 变流器中的储能元件电感器相比，储能效率和储能器件的体积、价格等都具有明 显的优势，从而制约了电流型多电平变流器的研究和应用。但是，随着高温超导 技术的发展并进入实用化1 3 引，电流型多电平变流器中的储能效率问题将得到解 决；同时电力超导系统中储能线圈具有电流源特性，可直接作为电流型多电平变 流器直流侧储能电感，因此与电压型多电平变流器相比，电流型多电平变流器更 为适合【3 4 l 。 在一些应用场合，电流型多电平变流器和电压型多电平变流器各具自己的特 点。在整流状态下，电压型多电平变流器的直流侧电压只能高于电源电压，呈现 为b o o s t 电路特性【3 5 那1 ；而电流型多电平变流器直流侧电压可调，且低于电源电 压，呈现b u c k 电路特陛 3 7 , 3 8 1 。另外，电流型多电平变流器用于电机驱动场合具 有动态响应快，可以实现再生制动和四象限运行，短路保护可靠性高等优点【3 9 4 1 】。 在感应加热电源应用场合，电流型多电平变流器工作更稳定，应用更加普遍1 4 2 1 等。正因为具备这些优点，电流型多电平变流器已经越来越引起人们的重视，尤 其是在某些特定的大功率应用场合，可以直接控制输出电流，电路本身限流能力 强等特点，也使其逐渐成为一种非常有竞争性的变流器类型，因此本文对其进行 了深入的研究。 本章首先介绍了本论文的研究背景，然后回顾了近几年电流型多电平变流器 的相关研究成果以及一些关键问题，接着概述了电流型多电平变流器的一些应用 前景，最后对本文的研究内容以及主要的研究成果作了概括介绍。 1 2 电流型多电平交流器的研究现状 虽然，直接针对电流型多电平变流器本身而进行的研究工作远不如关于电压 型多电平变流器的研究活跃，但是经过数年的研究，电流型多电平变流器的研究 浙江人学博i j 学位论文l 绪论 也取得了一些显著的研究成果，主要包括以下几个方面。 1 2 1 拓扑结构的研究 拓扑结构是多电平变流器研究的基础和出发点。 1 2 1 1 组合式变流器结构 早期，人们参照电压型组合变流器的构造方法，构造出了单相组合式电流型 多电平变流器 4 3 , 4 4 1 和三相组合式电流型多电平变流器【4 5 4 7 】，如图l l 所示。 ( a ) 单相结构( b ) 三相结构 图1 1 电流型组合式多电平变流器结构 由图l l 可知，电流型组合式多电平变流器是将多个单相全桥变流器单元 或者多个三相半桥变流器单元的交流侧直接并联，每个变流器单元的直流侧采用 独立电流源。显然，组合式变流器的优点是各个变流器单元的控制相对独立，控 制简单，可以采用多种p w m 调制策略，而且不存在电感电流的均衡问题。但是， 由于电流型组合式变流器需要多个独立直流电流源，实际中直流电流源的产生并 不像直流电压源那么简单，因此该类变流器在实际应用中受到了较大的限制。 1 2 1 2 直接式变流器结构 为了克服上述组合式变流器多电流源的缺点，一些学者借鉴电压型多电平变 3 浙江人学博 j 学位论文 l 绪论 流器拓扑的构造思想，在构造电流型多电平变流器拓扑方面进行了一些有益的尝 试并取得了一定的研究成果 4 8 - 5 4 1 ，其中以一种单相电流型多电平变流器通用拓扑 类型【4 8 1 ( 如图1 2 所示) 以及一种多模块并联的三相电流型多电平变流器拓扑 1 4 9 1 ( 如图1 3 所示) 为研究核心。由图可知，直接式变流器结构也是由多个单 相全桥变流器单元或者多个三相半桥变流器单元构成，但是各变流器单元的直流 侧是通过电感l l 1 2 l n 2 ( 称为分流电感) 并联而成。其中，分流电感用来 保证每个变流器单元的直流侧电流连续，为每个变流器单元能够参与工作提供了 前提。 上 土 j i飞 图1 2 单相电流型直接式多电平变流器结构 图1 3 三相电流型直接式多电平变流器结构 浙江人学博i ：学位论文i 绪论 1 2 1 3 简化变流器结构 从减少变流器电路元器件的角度出发，在文献【4 8 1 ( 如图1 2 ) 的基础上， 文献【5 0 弓2 1 适当采取了一些电路简化方法，提出了一些简化交流器拓扑类型。比较 图l 一2 与图l 一4 可知，在输出同等电平数的情况下，简化变流器拓扑类型分别 减少了开关器件数和分流电感数，开关损耗也减少了。但是，不难发现，图1 4 中电路元件数的减少是以开关器件负荷不均和减少开关状态组合数目为代价 的；而且随着变流器电平数的增加，这种开关器件负荷的不均匀程度表现更加明 显。因此，对于简化变流器拓扑，还应结合实际的应用场合进行评价。 ( a ) 简化拓扑1 ( b ) 简化拓扑2 图1 4 单相电流型多电平变流器的简化拓扑 总而言之，虽然关于电流型多电平变流器拓扑的研究取得了一些成果，但是 这些研究成果都集中在一种或两种拓扑的孤立研究上，研究成果较为分散，没有 像电压型多电平变流器一样形成一个比较完整的拓扑体系，这对电流型多电平变 5 流器拓扑的进一步研究和推广应用是不利的。拓扑研究的不规范性已成为电流型 多电平变流器其他各方面研究发展的重要制约因素之一，因此电流型多电平变流 器的研究工作必须以拓扑系统化和规范性为首要目标。 1 2 2 调制技术的研究 调制技术是多电平变流器研究中一个相当关键的技术，它是多电平变流器的 “神经中枢”。目前，关于电流型多电平交流器调制技术的研究还没有形成一个独 立的分支。文献中给出的电流型多电平变流器的调制策略多是从已有的电压型多 电平变流器的调制策略“移植”而来，主要包括：阶梯波脉宽调制技术【5 3 1 、载波垂 直分布p w m 技术、载波相移p w m 技术( c a r r i e rp h a s e s h i f t i n gs p w m ， c p s - s p w m ) 以及空间矢量p w m 技术等。 1 2 2 1 载波垂直分布p w m 技术 根据载波在垂直方向上的不同相位关系，载波垂直分布p w m 技术可以 载波同相分布方式( p d p w m 技术) 、载波反相分布方式( p o d p w m 技术 分为 ) 以 及载波交替反相分布方式f 5 4 - 5 7 1 ( a p o d p w m 技术) ，具体调制原理如图l 一5 所 示。 蠢谬型治搬l ( a ) p d p w m 技术 6 一 浙江人学博i ：学位论文l 绪论 ( c ) a p o d - p w m 技术 图l 一5 多载波垂直分布p w m 技术原理示意图 研究表明，多载波垂直分布p w m 技术适用于多数单相电流型多电平变流器 拓扑。采用载波垂直分布p w m 技术，变流器的输出特性良好，单个器件的开关 频率较低而输出等效开关频率较高，输入与输出成线性关系，能够输出一定的带 宽；但开关器件的导通负荷不一致，尤其在深度调制的情况下，处于变流器外围 的功率器件几乎不会开通，而变流器内部的器件则切换频繁，工作频率较高。 1 2 2 2 载波相移s p w m 技术 载波相移s p w m 技术( c a r d e rp h a s e s h i f t e ds p w m ，c p s s p w m ) 最初是基 于电压型组合式变流器【5 8 ，5 9 1 而提出的，后来又被拓展应用到级联型多电平变流器 中单相多电平变流器的载波相移s p w m 技术的基本思想是：在一个由个变 流器单元组成的系统中，所有变流器单元均采用相同的调制波，幅度调制比m 和频率调制比如也相同，但相邻变流器单元的载波相位相差刀( 包) ，具体原 理如图l 一6 所示。目前，载波相移s p w m 技术在电压型多电平变流器中的应用 技术已相对比较成熟，应用也比较广泛。近几年随着电流型多电平交流器研究的 兴起以及一些新型拓扑的出现，载波相移s p w m 技术也逐步被应用到电流型多 电平交流器中。 采用载波相移s p w m 技术，单个变流器单元中的器件开关频率低，变流器 输出等效开关频率高；在任何调制度情况下，各变流器单元的开关器件的负荷均 保持一致，电路结构和系统参数完全相同。但载波相移s p w m 技术的局限性是 该技术一般仅适用于由多个相同单元组成的变流器结构，而对于一些简化电路 ( 如图l 一4 ) ，则很难采用载波相移s p w m 技术进行调制。 7 浙江人学博i j 学位论文 i 绪论 0 0 l 。o u t 2 io u t 图i 一6 单相电流型多电平变流器的载波相移s p w m 技术 1 2 2 3 空间矢量p w m 技术 空间矢量p w m 技术最初是应用在三相电压型变流器中1 6 0 1 。当用- - y - - 相电流 型变流器时，空间矢量p w m 技术将具有直流电流利用率高、减小输出电流谐波、 降低开关损耗和易于数字化实现等优点。目前，电流空间矢量p w m 技术已经在 三相三电平电流型变流器中获得了成功应用1 6n 6 5 】，其电流矢量分布情况如图1 7 所示。由于对于五电平及其以上电平数的三相电流型多电平变流器而言，其电 流空间矢量较多，直接采用电流空间矢量来实现三相电流型多电平变流器的 s v p w m 将有很大的难度。文献【6 6 羽1 在实现三相电流型多电平变流器的s v p w m 技术时，每个变流器单元采用常规三电平s v p w m 技术，而将各单元的采样时 间均匀错开，即错时采样，从而实现多电平的s v p w m 技术。 1 3 ( - 1 i , ( - i 穆1 l ，l ( 1 0 1 0 ) o f d 1 ) ，7 l ( 1 0 0 ) 0 0 ) 0 0 ) 图1 7 三相电流型变流器的电流空间矢量分布 当然；除了上述介绍的常见的p w m 调制技术，还有一些其它的调制策略， 如滞环电流控制【6 9 1 、单周控制【7 0 1 、滑模变结构控制【7 1 1 等。总之，目前关于电流 8 浙江入学博l ：学位论文1 绪论 型多电平变流器调制技术的研究还不够系统化，拓扑和调制技术之间还基本上是 一种一对一的研究关系，即针对一种电流型多电平变流器拓扑，从现有的调制策 略中寻找与其相适用的。 1 2 3 控制方法的研究 变流器工作性能的优良与否，其决定因素之一要归于其控制系统设计的好 坏。由于电流型变流器发展起步较晚，因此其控制策略的研究还远不及电压型变 流器成熟。即便如此，目前给出的电流型变流器的相关控制方法也多是针对三相 电流型三电平交流器的应用场合【7 2 洲。在电流型变流器的交流侧电流控制方面， 人们先后提出了基于交流侧电容电压滞环控制的间接电流控制和基于交流侧电 流指令的间接电流控制，前者又称为d e l t 调制。d e l t 调制在单相电流型变流器中 得到了成功应用，但却不能直接应用到三相电流型变流器1 7 4 1 。而基于交流侧电流 指令的间接电流控制【7 5 1 ，其依据是变流器的稳态方程或者空间矢量图，其控制算 法简单，容易实现；但是，由于其本质上只是对网侧电流的一种开环控制策略， 因此该方法存在动态性能差、响应慢以及易受主电路参数变化影响等缺点，一般 适用于对变流器控制性能要求不高的场合。 另外，由于三相电流型变流器交流侧电流强耦合的特性f 7 8 1 ，有些文献采用基 于状态反馈的解耦控制1 7 9 ，8 0 1 以及极点配置方法1 4 7 1 。这些控制策略能够实现较好的 控制性能，但它们的共同特点是需要对控制变量解耦，计算量大，实现困难，需 要传感器数目较多，成本较高。 1 2 4 对偶原理的应用 从理论上来讲，电压型多电平变流器和电流型多电平交流器是一对对偶电路 【引】。而且，电路拓扑的对偶性理论表明，具有对偶关系的两种电路不论在拓扑结 构、调制技术以及控制方法等方面都具有对偶性 8 2 - 8 3 1 。因此如果能利用对偶原理， 结合当前电压型多电平变流器已有的研究成果来研究电流型多电平变流器【洲，将 不失为一种非常方便快捷的方法。 从图论的观点看，电路拓扑的对偶关系只能应用在平面图形范围【8 5 8 6 】。因此， 对于现有的电压型多电平变流器，只要具有平面结构的特点，例如单相飞跨电容 型多电平变流器，就可以直接对其采用对偶变换得到相应的电流型多电平变流 器，本文把这种获取电流型多电平变流器的方法称之为“直接对偶变换”。显然， 9 浙江人学博 j 学位论文 i 绪论 具有直接对偶关系的两种拓扑，其调制技术以及控制方法等也具有“直接对偶” 关系。然而，并非所有的电压型多电平变流器都具有平面结构的特点。比如，二 极管箝位型多电平变流器、级联型多电平变流器以及三相飞跨电容型多电平变流 器等均为非平面结构，因此企图对这些电压型多电平变流器进行直接对偶变换是 不可行的。但是，我们可以利用对偶的思想，例如在电压型多电平变流器中利用 电容进行“均压、分压”，对应于电流型多电平变流器中就是利用电感进行“均流、 分流”。此外，我们知道，每种三相电压型多电平变流器都是由三个相同的单臂 电路组合而成的，因此我们可以试图从研究单臂电路来代替研究三相电压型多电 平变流器结构；与此类似，我们也可以通过研究某种基本电路单元来试图代替研 究电流型多电平变流器，这样研究内容将变得更加灵活。与“直接对偶变换”方法 相对照，本文把这种研究电流型多电平变流器的方法称为“间接对偶变换”。 采用“直接对偶变换”或者“间接对偶变换”方法得到的电流型多电平变流器， 本文分别称其与原来的电压型多电平变流器是“直接对偶”关系或者“间接对偶” 关系。具有“直接对偶”关系或者“间接对偶”关系的电流型多电平变流器与电压型 多电平变流器，它们的调制技术以及控制策略也具有相应的关系。因此从理论上 来说，现有的电压型多电平变流器的调制策略、控制方法等都可以通过“直接对 偶变换”或者“间接对偶变换”应用到相应的电流型多电平变流器中，反之亦然。 可见，研究电流型多电平变流器的突破口之一在于探讨其与电压型多电平变 流器的这种“内在对偶”关系。这里所谓的“内在对偶”不是仅仅停留在平面变流器 的概念上，也包含了非平面变流器，而研究非平面变流器的“间接对偶”变流器 一直是研究电流型多电平变流器中的一个重点，同时也是一个难点。 1 3 电流型多电平变流器的应用前景 1 3 1 超导储能系统 随着超导技术发展，超导储能( s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e ， 简称s m e s ) 系统在电力工业领域将有着广泛的商业应用前景。大型超导储能系 统可以用来平衡电网日高峰负载和夜低谷负载；超导储能系统容量大，可以用于 电力系统大块能量的管理；超导储能可以用来消除电力系统中低频振荡，用于稳 定系统的频率和电压以及电网无功功率控制、谐波电流3 1 、偿和功率因数的调节 等。此外，超导储能可以用于太阳能发电，风力发电系统中用于平衡脉动的输出 1 0 浙江人学博i ：学位论文l 绪论 功率，可以用于补偿高速磁悬浮列车，大型电动机，大型轧机，电弧炉等波动负 载，所有这些超导技术的应用都需要用电力电子变流器实现超导储能线圈和电网 以及负载之间的连接。 s m e s 系统用变流装置有电压型变流器和电流型变流器两种结构 8 7 - 9 0 】。超导 储能线圈实质上是一个电流源，与采用电压型交流器的s m e s 系统相比，采用电 流型变流器的s m e s 系统具有更简洁的主电路，更快的功率传输响