（电力系统及其自动化专业论文）变频驱动控制及其相关电能质量问题的研究.pdf

华 北电 力大学 ( 北京 ) 硕士 学位论 文摘 要 摘要 论文基于单元串联多电平电压源型高压变频器 s i g a模型机，系统地阐述了模 型机控制器和各个组成部分工作原理。完成了模型机的主电路、控制电路的设计工 作及测量单元的设计与实现， 并在测量单元中完成了变频器输出电压电流的自适应 滤波。 论文从线电压入手系统分析谐波注入法， 提出一种将电压利用率提高到最大 值的最优移相p wm控制策略，并给出其f p g a实现过程。论文仿真研究了各种电 压质量问题对变频器的影响，基于最优移相p wm控制策略，提出一种变频器抵御 电压质量问题的控制策略， 并通过仿真与模型机实际运用验证其正确性。 论文从时 域的角度出发， 论证单元串联多电平变频器的完美无谐波， 并通过仿真对比不同结 构高压变频器对电网的谐波污染情况。文中论证了变频器对电网的冲击电流，并给 出仿真波形。 关键词:高压变频器，单元串联多电平，电能质量，p wm，仿真 abs tract b a s e d o n t h e m u l t i l e v e l v o l t a g e s o u r c e i n v e r t e r s i g a p r o t o t y p e v a r i a b l e f r e q u e n c y d r i v e m a c h i n e , t h e p r e s e n t e d p a p e r e x p a t i a t e s t h e p r i n c i p l e s o f t h e c e n t e r c o n t r o l l e r a n d e a c h p a r t o f t h e p r o t o t y p e m a c h i n e . a n o v e l o p t i m a l p h a s e - s h i f t i n g m u l t i l e v e l v s i p wm a l g o r i t h m h a s b e e n d e v e l o p e d , w h i c h c a n r e a c h t h e m a x i m u m v a l u e o f d c v o l t a g e u t i l i z a t i o n . t h e p a p e r a l s o d i s c u s s e s t h e p o w e r q u a l i t y i s s u e s b e t w e e n v a r i a b l e f r e q u e n c y d r i v e ( v f d ) a n d p o w e r l i n e s u p p l y a n d p r o p o s e s a s t r a t e g y b a s e d o n t h e n o v e l o p t i m a l p h a s e - s h i f t i n g m u l t i l e v e l v s i p wm a l g o r i t h m t o mi t i g a t e v o l t a g e d e v i a t i o n a n d v o l t a g e s a g p r o b l e m s , w h i c h h a s b e e n p r o v e d b y ma t l a b s i m u l a t i o n a n d s i g a p r o t o t y p e m a c h i n e e x p e r i m e n t . y a n i wu ( e l e c t r i c e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f . mi n x i a o h a n k e ywo r d s : v a r i a b l e f r e q u e n c y d r i v e , m u lt i le v e l, p o w e r q u a l i t y , p wm, s i m u l a t i o n .目匕.a口 尸明 本人郑重声明:所呈交的学位论文 变频驱动控制及其相关电能质量问 题的研究 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本 学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的 研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示致 谢。 特此申明。 签名: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、使用学位沦文的规定，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:导师签名: 日期:日期: 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 1 变频调速技术概论 1 . 1 . 1 交流调速技术的发展 上世纪 5 0年代末开始，电气传动领域中进行着一场重要的技术变革一一将原 来只用于恒速的交流电动机实现速度控制，以取代制造复杂、价格昂贵、维护麻烦 的直流电动机。随着电力电子器件及微电子器件 ( 微机及中、大规模集成电路)的 迅速发展，以及现代控制理沦向交流电气传动领域的渗透，现在从几百瓦的伺服系 统到数千千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、 快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调 速传动。交流调速传动的客观发展趋势己表明，它完全可以和直流传动相媲美、相 抗衡，并有取代的趋势“ 。 在交流异步电 动机中， 从定子传入转子的电 磁功率p m 可以 分为两部分:一部 分几= (l - s )= ( i 凡是 拖 动负 载的 有 效 功 率; 另一 部 分 是 转 差 功 率只= 汽 ， 与转差: 成 正比， 它的去向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的去向而言，异步电动机 调速系统可以分成三大类:转差功率消耗型调速、转差功率回馈型调速及转差功率 不 可 变 型 调 速 u 12 1 1 )转差功率消耗型调速系统 这种调速系统全部转差功率都被消耗， 用增加转差功率的消耗来换取转速的降 低，因而效率也随之降低。降电压调速、电磁转差离合器调速及绕线转子异步电动 机转子串电阻调速这三种方法都属于这一类。 降电压调速就是通过改变电动机的定子电压来改变其机械特性的函数关系， 从 而改变电动机在一定输出转矩下的转速。这种调速的方法线路简单、调压装置体积 小、价格低廉、使用维修方便，但是由于它属于不改变电动机同步转速方式，所以 形成一定的转差功率而消耗在电动机转子中， 变为热量。 这个转差功率与负载大小、 转速高低有关，它限制了系统的负载能力与调速范围。另外，应用晶闸管调压装置 对电动机调速，电动机定子绕组上所加的是非正弦波电压， 对电动机的出力也有影 响。所以这种调速方法只适用于一些属短时与重复短时作深调运行的负载。 所谓电磁转差离合器调速系统，是由笼型异步电动机、电磁转差离合器以及控 制装置组合而成的。笼型电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动，通 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 1 变频调速技术概论 1 . 1 . 1 交流调速技术的发展 上世纪 5 0年代末开始，电气传动领域中进行着一场重要的技术变革一一将原 来只用于恒速的交流电动机实现速度控制，以取代制造复杂、价格昂贵、维护麻烦 的直流电动机。随着电力电子器件及微电子器件 ( 微机及中、大规模集成电路)的 迅速发展，以及现代控制理沦向交流电气传动领域的渗透，现在从几百瓦的伺服系 统到数千千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、 快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调 速传动。交流调速传动的客观发展趋势己表明，它完全可以和直流传动相媲美、相 抗衡，并有取代的趋势“ 。 在交流异步电 动机中， 从定子传入转子的电 磁功率p m 可以 分为两部分:一部 分几= (l - s )= ( i 凡是 拖 动负 载的 有 效 功 率; 另一 部 分 是 转 差 功 率只= 汽 ， 与转差: 成 正比， 它的去向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的去向而言，异步电动机 调速系统可以分成三大类:转差功率消耗型调速、转差功率回馈型调速及转差功率 不 可 变 型 调 速 u 12 1 1 )转差功率消耗型调速系统 这种调速系统全部转差功率都被消耗， 用增加转差功率的消耗来换取转速的降 低，因而效率也随之降低。降电压调速、电磁转差离合器调速及绕线转子异步电动 机转子串电阻调速这三种方法都属于这一类。 降电压调速就是通过改变电动机的定子电压来改变其机械特性的函数关系， 从 而改变电动机在一定输出转矩下的转速。这种调速的方法线路简单、调压装置体积 小、价格低廉、使用维修方便，但是由于它属于不改变电动机同步转速方式，所以 形成一定的转差功率而消耗在电动机转子中， 变为热量。 这个转差功率与负载大小、 转速高低有关，它限制了系统的负载能力与调速范围。另外，应用晶闸管调压装置 对电动机调速，电动机定子绕组上所加的是非正弦波电压， 对电动机的出力也有影 响。所以这种调速方法只适用于一些属短时与重复短时作深调运行的负载。 所谓电磁转差离合器调速系统，是由笼型异步电动机、电磁转差离合器以及控 制装置组合而成的。笼型电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动，通 华北电力大学 北京)硕士学位论文 过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节。 在不加反馈控制时， 调 速系统的机械特性就是电磁转差离合器的机械特性。这种系统的机械特性很软，所 以调速性能很差，加上测速反馈形成反馈控制后，可获得 1 0 : 1 的调速范围。这种 调速系统控制很简单、价格低廉，但是在低速运行时损耗较大、效率较低，高速时 效率有所提高， 也仅为8 0 y 6 -8 5 %， 仅适用于有一定调速范围又经常运行在高速的 装置中。 对于交流绕线转子异步电动机可以通过在转子回路中串电阻来进行调速， 通过 改变电阻的大小来达到调速的目的。这种调速是有级的，不平滑;而且当串入较大 附加电阻后，电动机的机械特性很软，低速运转时负载稍有变化就会导致转速的很 大波动:由于这种方法实质上是靠能量消耗到电阻上来改变转速的，所以当电动机 低速运行时，效率很低，电能损耗很大。 2 )转差功率回馈型调速系统 这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用， 转速 越低回馈的功率越多，但是 动机串极调速即属于这一种 ，增设的装置也要多消耗一部分功率。绕线转子异步电 目前国内外广泛使用的串极调速系统是采用转子回路中串入直流附加电动势 的方法， 通过改变附加电动势幅值和相位的大小实现调速。 这种调速方法可以实现 无极调速， 调速装置的总效率可以达到9 0 %左右， 调速范围不大时， 装置容量较大、 耐压较低。串极调速系统的主要缺点就是功率因数低。 3 )转差功率不可变型调速系统 这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但不论转速高低，转差功率基 本不变。如变极对数调速、变频调速两种方法就属于这一种。 变极调速是通过改变交流电动机的极对数来改变电动机的转速。 这种控制方式 较简单，但是电动机的转速变化是有级的，不是连续的，适用于自动化程度要求不 高，且只需有级调速的场合。 1 . 1 . 2 变频调速技术的实现 变频调速是通过改变异步电动机的供电频率， 从而改变其同步转速，达到调速 运行的目的的。 在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速 范围大，静态性能好，运行效率高。采用通用变频器对笼型电动机进行调速控制， 由于使用方便，可靠性高并且经济、效宜显著，所以逐步得到推广。随着电力电子 器件( 包括半控型和全控型器件) 的制造技术、 基于电力电子电路的电力变换技术、 交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、p wm ( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n )技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术 一 2 一 华北电力大学 北京)硕士学位论文 过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节。 在不加反馈控制时， 调 速系统的机械特性就是电磁转差离合器的机械特性。这种系统的机械特性很软，所 以调速性能很差，加上测速反馈形成反馈控制后，可获得 1 0 : 1 的调速范围。这种 调速系统控制很简单、价格低廉，但是在低速运行时损耗较大、效率较低，高速时 效率有所提高， 也仅为8 0 y 6 -8 5 %， 仅适用于有一定调速范围又经常运行在高速的 装置中。 对于交流绕线转子异步电动机可以通过在转子回路中串电阻来进行调速， 通过 改变电阻的大小来达到调速的目的。这种调速是有级的，不平滑;而且当串入较大 附加电阻后，电动机的机械特性很软，低速运转时负载稍有变化就会导致转速的很 大波动:由于这种方法实质上是靠能量消耗到电阻上来改变转速的，所以当电动机 低速运行时，效率很低，电能损耗很大。 2 )转差功率回馈型调速系统 这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用， 转速 越低回馈的功率越多，但是 动机串极调速即属于这一种 ，增设的装置也要多消耗一部分功率。绕线转子异步电 目前国内外广泛使用的串极调速系统是采用转子回路中串入直流附加电动势 的方法， 通过改变附加电动势幅值和相位的大小实现调速。 这种调速方法可以实现 无极调速， 调速装置的总效率可以达到9 0 %左右， 调速范围不大时， 装置容量较大、 耐压较低。串极调速系统的主要缺点就是功率因数低。 3 )转差功率不可变型调速系统 这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但不论转速高低，转差功率基 本不变。如变极对数调速、变频调速两种方法就属于这一种。 变极调速是通过改变交流电动机的极对数来改变电动机的转速。 这种控制方式 较简单，但是电动机的转速变化是有级的，不是连续的，适用于自动化程度要求不 高，且只需有级调速的场合。 1 . 1 . 2 变频调速技术的实现 变频调速是通过改变异步电动机的供电频率， 从而改变其同步转速，达到调速 运行的目的的。 在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速 范围大，静态性能好，运行效率高。采用通用变频器对笼型电动机进行调速控制， 由于使用方便，可靠性高并且经济、效宜显著，所以逐步得到推广。随着电力电子 器件( 包括半控型和全控型器件) 的制造技术、 基于电力电子电路的电力变换技术、 交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、p wm ( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n )技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术 一 2 一 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 的突破性发展和趋于完善， 变频调速传动控制得以迅速发展，目前人们所说的交流 调速传动，已经主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速系统 3 。 2 0 世纪6 0 年代中期，普通晶闸管、小功率晶体管的实用化，使交流电机变频 调速也进入了实用化。采用晶闸管的同步电动机自 控式变频调速系统、 采用电压型 或电流型晶闸管变频器的笼型异步电动机调速系统 ( 包括不属于变频方案的绕线转 子异步电动机的串极调速系统)等先后实现了实用化，使变频调速开始成为交流调 速的主流。 此后的2 0 多年中，电力电子技术和微电子技术以 惊人的速度向前发展， 变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。 这种进步突出表现在变频装置的 大容量化、主开关器件的自关断化、开关模式的p wm化及控制方式的全数字化等 方面。 自关断器件的发展和不断完善为p wm技术铺平了道路。目前几乎所有的变频 调速装置都采用这一技术。 p wm用于变频器的控制，可以改善变频器的输出波形、 降低电动机的谐波损耗、并减少转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调 节速度， 提高了系统的动态响应特性 3 1 。目 前应用在变频驱动控制的p w m控制方 法主要有以 下几种 4 1 1 5 1 1 6 1 1 7 1消谐波p w m ( s u b h a r m o n i c s p w m-s h p w m) , 这种方法直接利用输出电压波形的数学模型，并在方波电压波形上设置一些槽臼， 通过计算求出决定这些槽口的开关角，从而形成p wm波形，同时达到利用有限的 开关角就能有效地抑制某些低次谐波的目的:开关频率优化 p wm ( s w i t c h i n g f r e q u e n c y o p t i m a l p w m-s f o p w m) ，它是以开关损耗最小作为目 标函数得出 p wm波形的:谐波注入 s p wm ( h i s p wm)技术，利用三相系统中线电压具有 自动消除线电压中 3 k次谐波的能力，人为地在三相调制基准正弦波中掺入一定分 量的z k次谐波，以实现降低合成调制波的峰值，避免过调制，从而达到提高电压 利用率的目 的;准优化 p w m ( s u b o p t i m a l s p w m) 技术， 是在正弦调制波中叠 加了一定比例的三次谐波。 加入三次谐波之后， 调制比和输出电压之间的关系仍为 线性， 但由于三次谐波将基波的峰值削平， 当调制比达到1 . 1 5 时， 才可能出现过调 制，电压利用率得到了较大提高; 空间矢量p wm法 ( s v p wm) ，是一种建立在 空间矢量合成概念上的p wm法， 它的最大优点在于: 概念清晰， 反映了s p wm的 本质，电压利用率高，易于数字实现等，不足之处在于当电平数超过 5时，算法过 于复杂。 p wm技术除了用于逆变器的控制， 还用于整流器的控制。 p wm整流器现在己 经开发成功，利用它可以实现输入电流正弦和电网功率因数为 1 。人们称 p wm整 流器是对电网无污染的 “ 绿色”变流器。当然整流侧采用 p wm控制的变频器，其 控制复杂程度和造价也将大大增加 a l 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 3 高压变频器 . 3 . 1 高压变频技术的发展 随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压变频 器调速技术也得到了广泛的应用。国内高压变频器的电压等级一般为 2 .3 - i o k v , 主要为3 . 6 和 l o k v 。高压电动机利用高压变频器可以实现无极调速，满足生产工 艺过程对电动机调速控制的要求，以提高产品的产量和质量，又可大幅度地节约能 源，降低生产成本。近年来，各种高压变频器不断出现，高压变频器到目前为止还 没有像低压变频器那样的近乎统一的拓扑结构。 根据高压组成方式，可以分为直接 高压型和高一低一高型; 根据有无中间直流环节， 可以分为交一交变频器和交一直 一交变频器。在交一直一交变频器中，按照中间直流滤波环节的不同，可分为电压 源型 ( 也称电压型)和电流源型 ( 也称电流型) 。高一低一高型变频器采用变压器 实行输入降压、输出升压的方式，其实质上还是低压变频器，只不过从电网和电动 机两端来看是高压的，是受到功率器件电压等技术条件的限制而采取的变通办法， 需要输入、输出变压器，存在中间低压环节电流大、效率低下、可靠性下降、占地 面积大等缺点，只用于一些小容量高压电动机的简单调速。常规的交一交变频器由 于受到输出最高频率的限制，只用在一些低速、大容量的特殊场合。直接高压交一 直一交变频器直接输出高压，无需输出变压器、效率高，输出频率范围宽，应用较 为广泛。 高压变频器因具有显著的节能效果， 且能够实现电机的软启动、软停机及电气 制动等功能，在当今的生产中得到广泛的应用。目前，各厂商己生产的高压变频器 土要结构有:功率器件串联的二电平电流源型变频器、 单元串联多电平电压源型变 频器、中性点钳位三电平p wm变频器、多电平高压变频器、变压器祸合输出高压 变频器等等，各种结构各有其优缺点。电流源型变频器技术成熟，且可以四象限运 行，但由于高压时器件串联的均压问题、输入谐波对电网的影响和输出谐波对电动 机的影响等问题，使其应用受到限制。 对风机和泵类等一般不要求四象限运行的设 备，单元串联多电平p wm电压源型变频器在输入输出谐波、效率和输入功率因数 等方面有明显的优势，具用较大的应用前景。对轧机、卷扬机等要求四象限运行和 动态性能较高的场合，双p wm结构的三电平电压源型变频器会得到广泛应用。目 前，高压变频器正向着高可靠性、低成本、高输入功率因数、高效率、低输入输出 谐 波、 低共模电 压、 低d u l d t 等方向 发展 3 1 1 9 1 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 1 . 1 . 3 . 2 节能分析 目 前， 大功率高压变频器的使用范围基本上覆盖了我国各主要行业3 l 9 l 1 0 1 ， 如: 电 力、 市 政供水、 冶金、 石油、 化工、 采矿、 煤炭、 造纸、 建材等。 产品电 压等级 包括rv , 6 k v和 l o k v以 及油田专用潜油电泵使用的1 , 6 0 0 v - 2 ,4 0 0 v产品。其中， 风机和泵类为其拖动的主要负载。 风机、泵用调节转速来调节风量( 或流量) 后，可以节约大量的电能。据统计， 风机、泵类电动机节电率一般为3 0 %-6 0 %，其直接经济效益很大，宏观经济效益 及社会效益则更大。因而， 无论是在新建项目中， 还是在技改项目中，高压变频系 统的投入和使用，是非常有效的节能手段川 。下面是某电 厂锅炉引送风机变频改 造项目的数据比较，从中可以看到高压变频器的节能效果是非常明显的。 目 前2 0 o mw 以下的火电机组的引送风机最常用的调节方式是阀门或挡板截流 调节，这种调节方式虽然简单，但却耗能大。 据测试，当风机的流量由1 0 0 %降至 5 0 %时， 电机功率则为额定功率的6 4 ， 而此时风机电动机的轴功率理论计算只有 额定的 1 2 .5 %，大部分的功率损失在截流调节中。表 1 - 1 为三种调节方式下风机电 动机的耗电特性表。 从表中可知， 在风机负荷低于8 0 %时，节能效果非常明显。由 于电网峰谷差不断增大，2 0 o mw 以下火电机组的引送风机常年运行在7 0 额定负 荷左右，电厂锅炉引送风机应用变频调速可以达到很明显的节能效果 1 2 1 表 1 - 1某电厂锅炉引送风机的耗电特性 风量 ( %) 轴 功 率 ( k w ) 出口拦 3 板入口挡板变频v oll 速 电机输入 ( k w) 总 损 失 ( k w ) 电机输入 ( k w) 总 损失 ( k w) 电机输入 ( k w ) 总 损失 ( k w ) 1 0 01 0 01 0 771 0 661 0 88 9 07 2 . 91 0 3 . 53 0 . 68 41 1 . 17 96 8 051 . 29 9 . 548 . 37 2 . 52 1 . 35 53 . 8 7 03 4. 39 56 0 . 76 83 3. 73 83 . 7 6 021 . 68 9 . 56 7 . 96 44 2 . 42 53 . 4 5 01 2 . 58 471 . 56 04 7 . 51 52 . 5 4 06 . 47 7 . 571 . 15 64 9 . 692 . 6 3 02 . 7716 8 . 35 04 7 . 352 . 3 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 1 . 2 变频驱动控制与电网电能质量问题 随着现代社会科技的不断发展，电力负荷的组成也日 益复杂。2 0 世纪8 0 年代 以来，随着电力电子技术的发展，非线性电力电子器件和装置在现代工业中得到了 广泛应用;同时，为了解决电力系统自身发展存在的问题，直流输电和 f a c t s技 术不断投入实际工程应用，调速电机以及无功功率补偿电容器也大量投入运营。这 些设备的运行使得电网中电压和电流波形畸变愈来愈严重， 谐波水平不断上升。 另 外，冲击性、波动性负荷，例如电弧炉、大型车 l 钢厂、电力机车等，运行中不仅会 产生大量的高次谐波，还会产生电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题。另 一方面，随着各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对 电能质量的要求越来越高;而且，电力市场机制的引入也对电力系统电能质量提出 了新的挑战，电能质量问题必然地成为目 前的研究热点。 虽然包括电力电子技术和信息技术在内的现代科技的发展和应用， 对供电质量 提出了更高的要求，但同时也为电能质量控制技术提供了保证和技术支持。电能质 量控制技术的核心就是，能够对所供应的电力进行控制、变换，为用户或负荷提供 满足要求、 质量合格、 效能最佳的电力。 以其为核心的用户电力技术( c u s t o m p o w e r ) 或称柔性化供电技术， 可以根据不同用户及负荷的需求提供不同质量和形式的电力 供应，具有高度灵活性、可靠性，是一种新型的信息化和智能化供电技术，是目前 解决电能质量问题、提高供电品质的一种切实可行的方案。 如何尽可能地减轻电力负荷本身对电网的污染是解决电能质量问题的重要手 段之一。另外，除了为用户提供更可靠、优质、灵活的电能之外，如何提高负荷对 电能质量问题的抵御能力，也是解决电能质量问题的一种有效措施。日益复杂的电 网结构和繁多的负荷种类及电网的故障发生和负荷投切具有不可预测性， 使得配网 电能质量控制技术变得越来越困难。 用电设备自身具有的抵抗电能质量问题的能力 也就成为了一种必然的要求。 作为现代社会中日益广泛应用的重要的电源设备一一高压变频器， 也应力图从 这两个方面同时入手解决电能质量问题。 一方面应尽量采用合理的主结构和控制方 式减少变频器对电网的谐波污染和电流冲击作用，另一方面应优化控制方式、选取 合适的控制策略努力提高变频器自身抵御电能质量问题的能力。 1 . 3国内外研究现状 目 前，交流调速传动己经上升为电气调速的主流。2 0 世纪8 0 年代以来，变频 器主要以显著的节能效果进入实际应用。进入 9 0年代后，随着计算机技术和电力 一 s 一 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 1 . 2 变频驱动控制与电网电能质量问题 随着现代社会科技的不断发展，电力负荷的组成也日 益复杂。2 0 世纪8 0 年代 以来，随着电力电子技术的发展，非线性电力电子器件和装置在现代工业中得到了 广泛应用;同时，为了解决电力系统自身发展存在的问题，直流输电和 f a c t s技 术不断投入实际工程应用，调速电机以及无功功率补偿电容器也大量投入运营。这 些设备的运行使得电网中电压和电流波形畸变愈来愈严重， 谐波水平不断上升。 另 外，冲击性、波动性负荷，例如电弧炉、大型车 l 钢厂、电力机车等，运行中不仅会 产生大量的高次谐波，还会产生电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题。另 一方面，随着各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对 电能质量的要求越来越高;而且，电力市场机制的引入也对电力系统电能质量提出 了新的挑战，电能质量问题必然地成为目 前的研究热点。 虽然包括电力电子技术和信息技术在内的现代科技的发展和应用， 对供电质量 提出了更高的要求，但同时也为电能质量控制技术提供了保证和技术支持。电能质 量控制技术的核心就是，能够对所供应的电力进行控制、变换，为用户或负荷提供 满足要求、 质量合格、 效能最佳的电力。 以其为核心的用户电力技术( c u s t o m p o w e r ) 或称柔性化供电技术， 可以根据不同用户及负荷的需求提供不同质量和形式的电力 供应，具有高度灵活性、可靠性，是一种新型的信息化和智能化供电技术，是目前 解决电能质量问题、提高供电品质的一种切实可行的方案。 如何尽可能地减轻电力负荷本身对电网的污染是解决电能质量问题的重要手 段之一。另外，除了为用户提供更可靠、优质、灵活的电能之外，如何提高负荷对 电能质量问题的抵御能力，也是解决电能质量问题的一种有效措施。日益复杂的电 网结构和繁多的负荷种类及电网的故障发生和负荷投切具有不可预测性， 使得配网 电能质量控制技术变得越来越困难。 用电设备自身具有的抵抗电能质量问题的能力 也就成为了一种必然的要求。 作为现代社会中日益广泛应用的重要的电源设备一一高压变频器， 也应力图从 这两个方面同时入手解决电能质量问题。 一方面应尽量采用合理的主结构和控制方 式减少变频器对电网的谐波污染和电流冲击作用，另一方面应优化控制方式、选取 合适的控制策略努力提高变频器自身抵御电能质量问题的能力。 1 . 3国内外研究现状 目 前，交流调速传动己经上升为电气调速的主流。2 0 世纪8 0 年代以来，变频 器主要以显著的节能效果进入实际应用。进入 9 0年代后，随着计算机技术和电力 一 s 一 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 电子技术的发展， 变频调速得到了迅猛发展， 由于交流电动机结构简单、 坚固耐用、 无需换向装置， 可适用于各种工作环境， 所以以通用变频器为核心的交流调速系统 得到 广 泛 应用。 而 且， 越 来越多 的 现 代工 业生 产 线 对 调 速的 要 求 也向 着 更 精确的 方 向发展， 对调速的性能要求也更多样化了。 同时， 变频调速可以实现电机的软启动， 减小了对系统的冲击电流，为电网电能质量问题的解决也提出了一个好的策略。随 着研究的不断深入和完善， 低压变频器已经在理论领域的研究和实际生产中的应用 中 趋于通用化， 具有r a s 三性( r e l i a b i l i t y . a v a i l a b i l i t y . s e r v i c e a b i l i t y ， 即可靠性、 可使用性、可维修性) 。与此同时，社会生产的飞速发展，高压电动机在不同行业 中的应用日益广泛和重要，高压变频器的研究也顺应着时代的要求不断深入。 高压变频器的实现所面临的必须要解决的问题有三个: 一是开关器件的串联问 题，目 前由于开关器件耐压能力的不足，一般都采用串联的办法满足，由于各器件 的动态电阻和极间电容的不同，串联开关器件在工作时存在着动态和静态均压问 题。由于采用电阻均压又会使串联的开关器件同时开通、同时关断。否则就会由于 各器件承压不均， 或开、 关时间不一致而被击穿烧坏 3 。 二是输入电流畸变大的问 题，大功率电容滤波三相桥式整流器引起的输入电流畸变比较严重，尤其是在低负 载时更加严重【 8 1 ， 它不仅仅使输入功率因数降低， 而且还对电网造成污染， 影响其 它设备的正常工作。同时还能引起设备或电动机的附加发热， 严重时， 必须 “ 降额” 使用。三是效率问题，效率是电 源设备的核心问题，容量越大效率问题越关键，为 了提高高压大功率变频调速器的效率， 就必须设法减少输入电流的谐波和使逆变器 的开关损耗减少，例如通过减少开关次数来减少开关损耗等。这三个问题中，除了 第一个与电网电能质量问题没有直接联系外，其它两个都是与电能质量密切相关 的。 基于以上三方面的考虑，国外采用了 “ i g b t功率单元”串联的结构型式。它 是由 三相桥式整流器输入和若干个由i g b t ( i n s u l a t e d g a t e b i p o l a r t r a n s i s t o r ) 组成 单相桥式逆变器输出的低压p wm电压源型逆变器构成，我们一般称之为单元串联 多电平 p wm 电压源型变频器 ( 或级联型变频器) ，这种结构的变频器自入世以来 就被誉为 “ 完美无谐波变频器” 。关于这类变频器的主结构、控制技术、p wm控制 方式以及生产应用的研究越来越受到很多学者和变频器生产者的关注， 是目前高压 变频器的一个研究热点。 1 . 4 本论文的研究内容 本课题基于华北电 力大学( 北京) 电能 质量实验室 研发的s i g a ( s y s t e m i n g a t e a r r a y ) 单元串联多电平p wm高压变频器模型机， 研究变频驱动控制及其相关电能 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 电子技术的发展， 变频调速得到了迅猛发展， 由于交流电动机结构简单、 坚固耐用、 无需换向装置， 可适用于各种工作环境， 所以以通用变频器为核心的交流调速系统 得到 广 泛 应用。 而 且， 越 来越多 的 现 代工 业生 产 线 对 调 速的 要 求 也向 着 更 精确的 方 向发展， 对调速的性能要求也更多样化了。 同时， 变频调速可以实现电机的软启动， 减小了对系统的冲击电流，为电网电能质量问题的解决也提出了一个好的策略。随 着研究的不断深入和完善， 低压变频器已经在理论领域的研究和实际生产中的应用 中 趋于通用化， 具有r a s 三性( r e l i a b i l i t y . a v a i l a b i l i t y . s e r v i c e a b i l i t y ， 即可靠性、 可使用性、可维修性) 。与此同时，社会生产的飞速发展，高压电动机在不同行业 中的应用日益广泛和重要，高压变频器的研究也顺应着时代的要求不断深入。 高压变频器的实现所面临的必须要解决的问题有三个: 一是开关器件的串联问 题，目 前由于开关器件耐压能力的不足，一般都采用串联的办法满足，由于各器件 的动态电阻和极间电容的不同，串联开关器件在工作时存在着动态和静态均压问 题。由于采用电阻均压又会使串联的开关器件同时开通、同时关断。否则就会由于 各器件承压不均， 或开、 关时间不一致而被击穿烧坏 3 。 二是输入电流畸变大的问 题，大功率电容滤波三相桥式整流器引起的输入电流畸变比较严重，尤其是在低负 载时更加严重【 8 1 ， 它不仅仅使输入功率因数降低， 而且还对电网造成污染， 影响其 它设备的正常工作。同时还能引起设备或电动机的附加发热， 严重时， 必须 “ 降额” 使用。三是效率问题，效率是电 源设备的核心问题，容量越大效率问题越关键，为 了提高高压大功率变频调速器的效率， 就必须设法减少输入电流的谐波和使逆变器 的开关损耗减少，例如通过减少开关次数来减少开关损耗等。这三个问题中，除了 第一个与电网电能质量问题没有直接联系外，其它两个都是与电能质量密切相关 的。 基于以上三方面的考虑，国外采用了 “ i g b t功率单元”串联的结构型式。它 是由 三相桥式整流器输入和若干个由i g b t ( i n s u l a t e d g a t e b i p o l a r t r a n s i s t o r ) 组成 单相桥式逆变器输出的低压p wm电压源型逆变器构成，我们一般称之为单元串联 多电平 p wm 电压源型变频器 ( 或级联型变频器) ，这种结构的变频器自入世以来 就被誉为 “ 完美无谐波变频器” 。关于这类变频器的主结构、控制技术、p wm控制 方式以及生产应用的研究越来越受到很多学者和变频器生产者的关注， 是目前高压 变频器的一个研究热点。 1 . 4 本论文的研究内容 本课题基于华北电 力大学( 北京) 电能 质量实验室 研发的s i g a ( s y s t e m i n g a t e a r r a y ) 单元串联多电平p wm高压变频器模型机， 研究变频驱动控制及其相关电能 华北电力大学 北京)硕士学位论文 质量的问题。一方面使用电设备不危害电力系统电能质量，另一方面提高变频器抵 御系统电能质量问题的能力。具体内容如下: 1 )了解高压变频调速技术的应用和最新发展。 2 )研究单元串联高压变频器的拓扑结构、控制方式、性能特点及应用。 3 ) s i g a高压变频器模型机的研发工作。 完成包括主回路及外围电路的设计和 实现、控制系统的设计和功能的完善、功率单元模块控制器的设计实现及 单片机编程工作，以及上述几方面的m a t l a b仿真工作。 4 ) s i g a高压变频器模型机测量回路的实现和保护配合。 完成测量方法的调研 和ma t l a b仿真研究， 确定适用于变频变幅系统的测量方法， 并在测量单 元实现变频器的分级过流保护。 5 ) m a t l a b仿真搭建多电平高压变频器电路， 研究不同电能质量问题对高压 变频器的影响。 6 )提出一种用于泵类和风机负荷高压变频器抵御电压质量问题的控制策略， 并通过m a t l a b仿真及s i g a模型机的实际应用验证其正确性。 7 )从谐波污染和对电网的冲击电流两个方面， m a t l a b仿真研究高压变频器 对电网电能质量的影响。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章 s i g a 单元串联多电平p w m 高压变频器模型机的实现 2 . 1 高压变频器拓扑结构 直接高压交一直一交变频器直接输出高压、 无需输出变压器，效率高，输出频 率范围宽， 应用较为广泛。 下文是目 前使用较为广泛的几种直接高压变频器输出交 一直一交变频器及其派生方案对比分析。 2 . 1 . 1 电流源型变频器 电流源型变频器 ( c u r r e n t s o u r c e i n v e r t e 一 一c s i ) 采用大电感作为中1a直流滤 波环节。 整流电路一般采用晶闸管作为功率器件， 也有采用可关断晶闸管( g a t e t u r n o f f t h y r i s t o r 一一g t o ) 的， 主要目 的 是 采取电 流p w m控制， 以 改 善输入电 流波形。 逆变部分一般采用晶闸管或g t o作为功率器件。 电流源型变频器种类较多，主要有串联二极管式、输出滤波换相式、负载换相 式和g t o -p wm式等。其中，前三种电流源型变频器的逆变功率器件都采用晶闸 管， 输出采用 1 2 0 0 导通方式。 g t o -p wm式电流源型变频器采用 g t o作为功率器 件，逆变器一般采用电流p wm控制方式。 对于电流源型变频器，存在着大的平波电抗器 ( 电流不突变) 和快速电流调节 器 ( 响应迅速) ，所以过流保护易于实现。当整流电路工作在有源逆变状态时，整 流电压可以反向，能量能够回馈电网，实现四象限运行，这是电流源型变频器的一 大优点。当电网电压较高时，为了满足器件的耐压要求，一般采取晶闸管或 g t o 串联来实现，这就涉及到器件的静态、动态均压问题。均压电路的固定损耗大 均 压电阻会消耗一部分能量) ，以及输入功率因数较低 ( 且会随着转速的下降而降低， 通常要附加功率因数补偿装置) ，导致无功电流大等原因，影响系统的效率。 由于电源侧采用三相桥式晶闸管整流电路，输入电流的谐波成分较大，为了降 低谐波，可采取多重化，有的还必须加输入滤波装置。另外，电流源型变频器会产 生较大的共模电压，当没有输入变压器时， 共模电压会施加到电动机定子绕组中心 点和地之间，影响电动机的绝缘。同时，电流源型变频器的输出电流谐波较高，会 引起电动机的额外发热和转矩脉动，必要时需要采取 1 2脉动方式或设置输出滤波 器，这就必然地增加了系统的复杂性和成本。电流源型变频器对电网电压的波动较 为敏感，一般当电网电压下降巧%时，变频器就会跳闸停机 “ ， 。 一 9 一 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 2 . 1 .2 三电平电压源型变频器及其派生 在p wm电压源型变频器中，当输出电压较高时，为了避免器件串联引起的动 态均压问题，同时降低输出谐波和d u l d t ，逆变器部分可以采用三电平方式，也称 为中心点钳位 ( n e t u r a l p o i n t c l a m p e d 一一n p c ) 方式。 与普通的二电 平p w m变频 器相比，由于输出相电压电平数由2 个增加到3 个，线电压电平数由3 个增加到5 个，每个电平的幅值相对降低，由整个直流母线电压变为一半的直流母线电压，在 同等开关频率的前提下， 可使输出波形质量有较大的改善， 输出d u l d t 也相应下降。 与二电平变频器相比， 在相同输出电压条件下，这种结构还可使功率器件所需耐压 降低一半。输出侧一般也需设置滤波器，亦可采用特殊电动机或将普通电动机降额 使用。 三电平变频器的中点电位是通过两组容量较大且相等的滤波电容分压得到的， 在实际运行过程中，两组电容电压很难保证绝对相等，导致中心点电位偏移，这样 会影响输出电压的对称性，且提高对功率器件耐压的要求，为此，在控制上要求采 取措施抑制中心点电位的偏移。 三电平变频器除了采用二极管钳位结构，还可以采用电容飞跨钳位式，在概念 还可以扩展到多电平，如采用二极管钳位结构的五电平变频器，其原理与三电平变 频器大同小异，输出电压的台阶数更多、波形更好，在相同器件耐压下，可输出更 高的交流电压，适合更高电压等级的变频器， 但器件的数量、均压问题和系统的复 杂性也大大增加了。 2 . 1 .3 单元串联多电平电压源型变频器 单元串联多电平电压源型变频器采用若干个低压p wm变频功率单元串联的万 式实现直接高压输出。单元电压等级和串联数量决定变频器输出电压，单元的电流 决定变频器输出电流。由于不是采用传统的器件串联的方式实现高压输出，而是采 用整个功率单元串联， 所以不存在器件串联引起的均压问题。该变频器具有对电网 谐波污染小、输入功率因数高、不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置，输 出波形好，不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动、