（电力电子与电力传动专业论文）串联型级联h桥多电平电压调节器的研究.pdf

华北电力大学形! l 学位论文 摘要 论文首先阐述了复合电压质量调节装置的重要性和发展背景，介绍了目前国内 外流行的一些补偿技术及其优缺点。然后提出了一种串联型的可多目标控制的调节 器，给出了1 0 k v 2 m v a 、0 4 k v 0 1 m v a 三相电压质量复合控制装置的主电路拓扑， 详细说明了它的工作原理，在能补偿电压暂降、暂升、抑制谐波的同时能有效控制 短路电流。并在此拓扑基础上进行了p s c a d 的建模仿真，给出了理想的仿真波形。 继而对o 4 k v 0 1 m v a 物理实验平台的开发研制以及物理实验进行了工作分析，总 结试验中遇到的问题和解决方法，并用图表给出了试验结果。最后对复合电压调节 装置在电网中实际应用需要考虑的一些问题进行了讨论，并对以后的发展前景进行 了积极的展望。 关键词：电能质量，电压暂降，电压暂升，谐波，闪变，短路电流限制器 a b s t r a c t t h i s p a p e rs u m m a r i z e s s o m ee x i s t i n g t e c h n o l o g i e s a n dt h ei m p o r t a n c eo f m u l t i v o l t a g eq u a l i t y d e v i c e f i r s t l y , a n di n t r o d u c e d s o m ep o p u l a rc o m p e n s a t i o n t e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d an e wt y p es e r i e sc o n n e c t e dv o l t a g eq u a l i t yr e g u l a t o r f o rt h em u l t i p l eo b j e c t i v ec o n t r o lb a s i n go nt h ec a s c a d e dm u l t i l e v e lh - b r i d g em e t h o di s d e s i g n e d i nt h i s p a p e r , a n dt h e m a i nc i r c u i t t o p o l o g y o f10 k v 2 m v aa n d 0 4 k w 0 1m v a m u l t i v o l t a g eq u a l i t yd e v i c ei sg i v e nw i t ht h et h r e e - p h a s e w h a t sm o r e ， t h ew o r k i n gp r i n c i p l ei sa n a l y s i si nd e t a i las h o r t - c i r c u i tc u r r e n tl i m i t e ri sd e s i g n e di n t h i sp a p e r ，t h ec o n t r o ls t r a t e g ym u l t i p l eo b je c t i v ec o n t r o li sp r o p o s e da sw e l l t h e s i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db yp s c a d e m t d c f i n a l l y , t h er a t i o n a l i t yo ft h e d e s i g no ft h em a i nc i r c u i tt o p o l o g yi st e s t e dt h r o u g hl o w v o l t a g ee x p e r i m e n t a tl a s t ， t h e r ei sas u m m a r i z a t i o no ft h ep a p e ra n dt h et r e n do ft h em u l t i - v o l t a g eq u a l i t yr e g u l a t o r f o rt h em u l t i p l eo b j e c t i v ec o n t r o lb a s i n go nt h ec a s c a d e dm u l t i l e v e l h b r i d g ei s p r e d i c t e d d iy a j i n g ( p o w e re l e c t r i ca n de l e c t r o n i cd r i v e s ) d i r e c t e db yp r o f x i a ox i a n g n i n g k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y , v o l t a g ed i p ，v o l t a g es w e l lh a r m o n i c ，f l i c k e df a u l tc u r r e n t l i m i t e r i眵。li _一 华北电力人学硕i ：学位论文 目录 摘要i 第一章绪论1 1 1 课题背景l 1 1 1 研究目标1 1 1 2 研究内容1 1 2 现有电压质量调节装置情况2 1 2 1 动态电压恢复器( d v r ) 2 1 2 2 有源滤波器( a p f ) 4 1 3 故障电流限制器( f c l ) 5 1 4 本文的研究内容及研究意义8 第二章电压质量调节装置拓扑及参数设计9 2 1i o k v 电压质量调节装置拓扑及参数设计9 2 1 1 主电路拓扑的研究设计9 2 1 2h 桥级联数设计1 2 2 1 3l c 低通滤波器设计1 4 2 1 4 限流电抗器设计1 5 2 1 5p w m 整流单元设计1 6 2 20 4 k v 电压质量调节装置拓扑及参数设计1 8 2 2 1h 桥级联数设计1 8 2 2 2l c 低通滤波器设计1 9 2 2 3 限流电抗器设计1 9 2 2 4p w m 整流单元设计2 0 第三章电压质量调节装置控制策略研究2 1 3 1 瞬时无功功率理论2 l 3 2 补偿控制策略2 3 3 3 底层控制策略2 5 第四章电压质量调节装置的建模与仿真分析2 6 4 1 仿真模型及其功能2 6 4 2 短路电流限制仿真分析2 7 4 3 补偿仿真分析2 8 4 3 10 4 k v 对称仿真分析2 8 4 3 10 4 k v 不对称仿真分析3 6 第五章控制系统及实验分析4 5 5 1 控制系统硬件部分介绍4 5 5 1 1d s p 和f p g a 数字控制芯片介绍4 5 5 1 2 基于d s p 和f p g a 的全数字控制器设计4 6 5 1 3 基于c p l d 的底层功率单元控制器设计4 8 5 2 控制系统软件部分介绍4 8 i i 华北电力大学硕：t ：学位论文 5 2 1f p g a 软件设计原则4 8 5 2 2 控制系统实现方案5 0 5 3 装置实验分析5 2 第六章结论与展望5 5 5 1 结论5 5 5 2 展望5 5 参考文献5 6 致谢5 9 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 0 1 i i 华：i i ： i z 力大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 1 1 研究目标 第一章绪论 本课题以十一五国家支撑项目为背景，从变流器主电路、可关断阀及换流模块 设计、控制保护技术、试验技术等方面对电能质量复合控制装置进行研究和开发， 以掌握大容量变流器为核心，解决大功率变流器及其构成的电能质量复合控制装置 应用过程中所面临的系统设计、装置开发、工程设计等一系列关键性技术问题，并 最终研制出用于电力系统的1 0 0 k v 复合电压质量调节装置样机并进行示范应用为最 终目标。 电力系统的规模的不断扩大和结构的日益复杂化，一方面使短路电流水平不断 提高，增加了系统设备如主变压器、断路器等容量的配置难度，同时大大增加了变 电所的设备投资，对原有变电所设备的通信线路和管线都将产生很大影响，甚至需 要花费大量投资进行改造和改建。 目前，我国大型电弧炉有1 7 0 0 座以上，电气化铁路已达2 4 万公里，牵引变电站 超过4 8 0 个。这些场合都需要大容量的电能质量调节装置。由于国内在这些技术上 还没有自己的知识产权，都需要进口。从目前进口的设备看，这种装置的进口价格 达n 2 0 0 0 元k v a 以上有的甚至达n 5 0 0 0 元k v a 。 复合型电能质量控制装置涉及领域广，产业带动力强，在本研究课题形成的自 有技术支撑下，课题形成的试验平台将具有极强的适应性和针对性，且其在今后试 验平台的改进和升级将具有极大的灵活性和可扩充性。 1 1 2 研究内容 针对不同功能要求的电能质量复合控制装置及电能质量扰动发生装置，从提高 电力电子器件容量利用率、降低自身损耗、简化控制等角度对主电路拓扑结构进行 综合对比分析；对电压源型换流器的短路电流限制技术以及动态有功支撑技术进行 专题研究；设计出适用于模块级联构成的大容量逆变器主电路结构，提出适用于可 控电压质量扰动发生装置及其对应的复合电压质量调节装置、可控负荷用电品质扰 l 乍北电力人学硕上学位论文 动发生装置及其对应的复合f 乜流质量调节装置主电路拓扑结构；对提出的拓扑结构 进行详细的理论和仿真分析；研究谐波和无功功率的检测算法；研究电压闪变检测 算法；研究电压暂降、暂升的快速、可靠检测算法；结合系统分析和运行要求，确 定主电路各个元件的参数范围和优化选择方案，并通过1 0 0 k v a 4 0 0 v 实验室样机， 对研究成果进行充分的试验验证。 其中，复合电压质量调节装置的技术指标为： 装置电压等级：l o k v ；最大容量：2 m v a ； 装置电压等级：0 4 k v ；最大容量：0 1m v a ； 装置负荷侧总电压畸变率t h d d x 于4 ；当电源侧发生电压降( 升) 幅5 0 以下 的电压暂降( 暂升) 故障时，在规定的故障持续时间内将负荷电压补偿到额定电压 4 - 5 范围内；负荷侧发生短路故障时，在0 5 - 1 - 频周期内将短路电流限制到短路保护 可靠动作的最低限值。 1 2现有电压质量调节装置情况 1 2 1 动态电压恢复器( d v r ) 动态电压恢复器d v r ( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ) 是串联接入配电线路的一种用 户电力调节装置。它通过向配电线路注入一定量幅值、相位及谐波的电压来使负载 电压保持稳定。这使得系统电压发生扰动时，负载侧电压幅值保持理想状态。 目前，国内外对d v r 的研究非常热门。它的主要功能是为电力用户提供了将 自己与系统电压暂降( s a g ) 、瞬时过电压( s w e l l ) 、谐波畸变( h a r m o n i c s ) 、暂态过程和 产生于互连线路或配电系统负载突变等电力缺陷隔离开的手段。 1 2 1 1d v r 的工作原理 d v r 的工作原理可用如下过程描述：首先利用传感器、检测电路检测出电压或 电流量；随后通过控制电路产生在给定补偿策略下确定的补偿信号；再经过p w m 电 路形成p w m 驱动信号；然后由驱动电路去控制逆变器功率器件的开通和关断：最后 经l c 滤波器滤除高次谐波，从而在串联变压器上产生与补偿指令相同的补偿电压来 消除电网电压中的各种畸变量，达到给负荷提供高质量电能的目标。 根据应用场合不同，d v r 可分为中压d v r 和低压d v r 。中压d v r 应用于三相 三线电力系统，而低压d v r 应用于三相四线电力系统。对于不平衡电压暂降，中压 d v r 只需补偿正序和负序电压，而低压d v r 还需要额外补偿零序电压。 2 。仁北电力人学硕：l ：学位论文 当d v r 装置检测到电网电压有偏差时，通过和标准正弦电压比较产生补偿电压 指令，逆变器所产生补偿量，应该实时的跟踪指令信号的变化。常用的跟踪型p w m 控制方法有两种：瞬时值滞环比较方式和三角波比较方式。 采用滞环比较方式时，把补偿量的指令信号与实际的补偿量信号进行比较，用 两者的差值作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生出控制开关通断的p w m 信 号，从而控制逆变器输出的补偿量跟踪指令信号的变化。采用三角波比较的方式， 可以直接采用三角波做载波对指令信号调制实现正弦脉宽调制( s p w m ) 控制。根据输 出滤波器前端s p w m 波的极性，正弦脉宽调制又可以分为单极性调制和双极性调制。 1 2 1 2d v r 主要组成部分 典型的d v r 装置主电路包括储能装置、逆变器、控制单元、滤波器、串联变压 器和旁路保护系统这几个部分，如图1 1 所示。 旁路系统 图卜l 单相d v r 结构 与u p s 电源一样，在系统电压出现偏差时，d v r 和系统之间必然会进行能量交换， 储能装置就是给d v r 提供能量的部分，主要有利用大电容储能、利用不可控整流由 电网提供能量、超导储能以及一些其他的储能方式；逆变器通过对储能装置提供的 直流电压的逆变产生系统所需补偿电压，实践证明不同结构的逆变器具有各自的优 缺点，如桥式逆变器普遍存在桥臂直通的问题，而推挽式的逆变器不存在桥臂直通 的问题，且于低输入电压时，在输出功率相同的情况下开关损耗较小，适用于低压输 入的大功率变换器。另外，目前研究热点之一的三相四桥臂逆变器，是在三相桥式逆 变器的基础上增加一个桥臂，用以形成输出中点，减小不平衡负载时三相输出的不 对称度。但是，对这种逆变器的控制相对比较复杂；滤波器的作用是消除由逆变器 产生的高次谐波，所以滤波器的位置选择在滤波器性能的考虑范围之内。不同位置 安装会出现不同效果，如在逆变器的输出侧，这时最接近谐波源，使其能更有效地改 3 i 华北l u j j 大学顾二l 学位论文 善谐波问题；也可以选择利用串联变压器的电感线圈与滤波电容一起构成滤波器， 此时可以节省元器件。但是，同时会增加串联变压器的容量；输出端的串联变压器 是d v r 与系统的耦合部分，一般采用串联的形式。由此可知，当d v r 的检测控制电路 检测到系统电压发生畸变( 主要是电压凹陷和电压上升) 时，就会控制储能装置提供 所需补偿的直流电压，经过逆变器获得所需的补偿电压波形，再通过串联变压器补 偿系统电压，使负载稳定运行。d v r 输出的电压受电压跌落的深度、持续的时间、 负载的性质、功率因数以及d v r 本身容量的影响。输出电压的最大值和储能单元的 容量是决定了的。 目前d v r 的主电路结构不尽相同，不同的主电路结构会有不同的补偿效果和性 价比。可用在高压大容量领域的实用拓扑结构有：多重化电压型逆变器和链式多电 平电压型逆变器( - - 电平结构和多电平结构变压器) 。 1 2 2 有源滤波器( a p f ) 1 2 2 1a p f 的基本工作原理 有源电力滤波器，是由全控电力电子器件构成的采用p w m 控制的变流器，提 供与补偿电流( 或电压) 大小相等，极性相反的电流( 或电压) ，以抑制负载所产 生的有害电流( 或电压) 在电力系统中传播的主动式综合补偿装置。 图1 2 中e s 表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力 滤波器由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路( 由电流跟踪控 制电路、驱动电路和主电路三个部分构成) 。其中，指令电流运算电路的核心是检 测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据指 令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主电路目前均 采用p w m 变流器。作为主电路的p w m 变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆 变器工作。 图1 - 2 有源电力滤波器的系统构成 有源电力滤波器的基本工作原理是：检测补偿对象的电压和电流，经指令电流 运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补 4 华北i 乜力人学硕上学位论文 偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流抵消，最终得到期望的电 源电流。当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出对象负载电 流i l 的谐波分量i l h ，将其反极性后作为补偿电流的指令信号i x ，由补偿电流发生电 路产生的补偿电流i 。即与负载电流中谐波分量i l h 大小相等、方向相反，因而两者 相互抵消，使得电源电流i 。中只含基波，不含谐波。这样就达到了抑制电源电流中 谐波的目的。如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率， 则只要求在补偿电流的指令信号中增加与负载电流基波无功分量反极性的成分即 可。这样，补偿电流与负载电流中的谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电 流的基波有功分量。 1 2 2 2a p f 的主要控制策略 单独使用的并联有源电力滤波器的单相图如图1 3 所示，这种装置相当于一个 谐波电流发生器，跟踪负载电流中的谐波分量，产生与之相反的谐波电流，从而抵 消线路中的谐波电流。通过不同的控制作用，可以对谐波、无功、不平衡分量等进 行补偿。 图1 - 3 单独使用的并联有源电力滤波器 电力有源电力滤波器要动态补偿负载中的谐波电流，其电流波形可能复杂、变 化速度快且有很大的随机性。因此当电力有源电力滤波器的主电路及控制对象确定 后，其补偿电流的控制方法将成为决定其性能和效率的关键性环节。 关于对有源滤波器的控制主要有滞环控制、最小差拍控制等，近年来，加州大 学k e y u es m e d l e y 等将单周控制引入a p f 中。通过控制a p f 直流侧电压，达到补 偿负载的谐波和无功的目的。采用单周控制不需要谐波和无功电流的检测，不需要 乘法器，控制电路简单。当然，一些问题如动态响应等仍在研究之中。其它一些控 制方法如滑模控制、鲁棒控制在a p f 中的应用也有报道。 由于各种方法都有其优缺点，因此，在有源电力滤波器谐波电流控制方法设计 中必须针对具体电网和负载的特点采取相应措施来进行电流补偿。 1 3 故障电流限制器( f c l ) 由于电力电子技术以及大容量电力电子器件如普通晶闸管s c r 、f - j 极可关断晶 5 华北i 乜力人学坝i ：学位论文 闸管g t o 、大功率双极型晶体管g t r 、绝缘栅双极晶体管i g b t 等的迅速发展和在 实际系统中的应用以及高温超导技术的发展，超导型f c l 和电力电子型f c l 成为 目前研究比较多的两种。总的来说，材料型短路限流器的突出优点是简单、可靠、 但目前材料型f c l 受限制于超导等新材料的发展，超导技术在电工领域的应用还受 许多条件的限制，特别在大功率场合的应用技术尚不成熟，在工业化实用方面尚有 一定的距离，其实用化、商品化还远远不能满足作为新产品开发的要求；而电力电 子型短路限流器的突出优点是可控性强，并且现在g t o 等产品价格日益下降，从 工程技术上而言，这种方案己具备了可行性；而其他一些方案诸如采用非线性阻抗 等，应用于大功率场所还尚未成熟。 传统的限流措施如采用高阻抗设备、加装限流电抗器、母线分段运行等，都是 以增加设备成本和降低系统稳定性为代价换取短路电流水平的降低。限制低压和中 压系统故障电流已有比较成功的经验，一般是采用电力电子器件或限流熔断器。自 2 0 世纪7 0 年代提出故障限流器( f c l ) ，各种新型限流装置不断涌现，随着大功率半 导体器件、微电子控制技术、高温超导技术和新材料等的发展，其应用与研究已经 成为各国重点培育的技术热点之一。 近1 0 年来，电力电子技术蓬勃发展，水平提高很快，其各种设备已可直接应 用于电力系统中。美国e p r i 曾组织专家对配电网络的各种限流技术进行调研，认 为应用电力电子技术发展限流器是较现实的技术途径。该类型f c l 主要有以下几 种： ( 1 )电抗器型f c l 。 一般由一组反并联的g t o 与限流电抗器并联组成。正常运行时g t o 常通，将 限流电抗器短接，一旦发生短路，在短路电流达到第1 个峰值前迅速将g t o 断开， 使电抗器插入短路回路以限制短路电流。g t o 快速截断会引起过大的d i d t 及d v d t ， 从而产生瞬间过电压及附加振荡，必须配合辅助设施使用。 ( 2 ) 谐振型f c l 利用电力电子器件使正常工作时处于串联谐振( 阻抗z o ) 状态下的电路在短路 故障时脱谐，或使正常工作下处于非谐振状态下的电路在短路故障时进入并联谐振 ( 导纳y o ) ，使线路阻抗增大而限制短路电流。 ( 3 ) 可变阻抗型f c l 6 华北电力人学硕l ：位论文 图1 - 4 可变阻抗式限流器 可变阻抗型f c l 是在串联谐振f c l 的基础上发展起来的。如图1 4 所示，正 常情况下l 2 与c 串联谐振，s c r 关断；故障时，通过s c r 控制使l l 与c 并联谐 振，从而起到限流作用。改变s c r 的触发角，等效于改变电感l 1 的大小，即可控 制装置阻抗大小。由于s c r 触发角a 与阻抗关系复杂，控制较难操作。 超导限流器是利用超导体的超导正常( s n ) 态的转变来限流，一旦电网发生 短路，超导体“失超( q u e n c h ) 由零阻抗表现为非线性高电阻，从而限制短路电 流。s f c l 同时集检测、转换和限流于一身，能在较高电压下运行，可在极短时间 内有效地限制故障电流，是f c l 发展的重要方向。 该限流器也是利用谐振和非谐振两种状态下阻抗值的变化达到限制短路电流 的目的。正常工作时，由c 和l 组成串联谐振状态；当发生短路故障时，则在几个 毫秒内点火电路使得间隙s w 击穿成为导电状态，这时l 便投入限流工作。 发射控制型f c l 通过冷却阴极发射或等离子装置的热离子控制电流，当电流达 到故障整定值时，发射立即被限制。这样，在阴极与阳极之间便形成一个依赖于设 备实际电压的饱和电流，最终限制故障电流。电流饱和或发射极限由热离子发射器 内阴极的温度而定。此类装置整定电流一般较易调控。 p t c ( p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e m c i e n t ) 热敏电阻是一种非线性电阻。室温时电 阻值非常低，当温度升高到一定值时，电阻阻值可在微秒时间内增加为高阻值，从 而起到限制故障电流的作用。利用这种特性研制的故障限流器在国内外低压领域已 有商业应用。由于p t c 电阻固有的电压和电流额定值不高，必须串并联使用，这限 制了其在高压系统中的应用。此外，在限制感性电网电流时p t c 型f c l 会产生很 大的过电压，两端必须并联限过电压保护设备，这也是其不足之一。 限流熔断器( c l f s ，c u r r e n tl i m i t i n g f u s e s ) 与断路器相比有两个显著的优点， 即限流性和快速性。利用熔断器的快速性可将短路电流在到达第一个峰值前强行限 制。由于限流熔断器分断能力有限，只能用于3 5 k v 以下电压等级，输电系统还没 有应用的可能。而且，熔断器熔断时会产生操作过电压，需配合氧化锌电阻、负荷 7 华北电力人学硕：i ：学位论文 开关共同使用。 1 4本文的研究内容及研究意义 针对电能质量问题通常采用a p f 、d v r 等方法，在谐波抑制、电压恢复等反 面均有较好的成效，但他们只能进行单一控制，有的控制相对复杂造价不菲，且没 有实现电压扰动治理和短路电流限制的复合控制。而对于近年来研究的短路电流限 制器，如超导故障限流器、p t c 电阻限流器等，这几种短路限流器虽然都能在一定 程度上限制短路电流，但是在实用化的过程中它们各自有其局限性。 本文针对常见的电压质量问题，提出了基于h 桥级联多电平复合电压质量调节 装置主电路拓扑，运用p s c a d e m t d c 仿真软件分析说明，既可以实现暂降、暂 升补偿、谐波抑制和闪变的多目标控制，又能根据具体的短路类型快速有效的限制 短路电流，在半个工频周期内将短路电流限制到短路保护可靠动作的最低限值，起 到短路电流限制( f c l ) 的作用，可以大幅度改善敏感负荷的电压质量，满足高新 技术开发区精密加工及自动化程度高的流水线生产企业对电能质量的高标准要求， 因而具有较大的灵活性和实用性。 对4 0 0 w 1 0 0 k v a 物理实验平台的开发研制以及物理实验进行了工作分析，总结 试验中遇到的问题和解决方法，用图表给出了试验结果，并对以后的发展前景作出 了积极的展望。 8 华北l 乜力火学顾1 ：学位论文 第二章电压质量调节装置拓扑及参数设计 2 11 0 k v 电压质量调节装置拓扑及参数设计 2 1 1 主电路拓扑的研究设计 电能质量装置在电力系统中的应用很大程度上取决功率器件的电压和电流等 级，在中高压系统中要应用电力电子装置进行电能质量调节，必须采用器件的串联 以提高其耐压水平或者采用升压变压器方式接入系统，因此电能质量装置拓扑大多 可以分为两类，一类无变压器结构采用h 桥级联直接接入系统的链式结构，另一类 是采用升压变压器低压侧为常规的两电平或者三电平拓扑接入系统的结构。这两类 装置在器件数量、可靠性、动态性能、控制的复杂性等方面有一定的差异。针对h 桥级联链式和共用直流母线采用变压器接入的两类电能质量装置，其控制器以及控 制策略上有很大的差异。链式结构所需要的器件数量都要比共用直流母线采用变压 器接入的结构多，同时其对应的控制电路也要复杂很多。 下面这两类拓扑之间的一些经济性和装置特性方面进行分析和对比。下面以 1 0 k v ，i m v a 同等电压等级和同等功率等级的并联型装置为例进行对比分析其在控 制上的差异。 2 1 1 1 两拓扑整流侧器件对比分析 图2 1 拓扑一共用直流母线型 9 二北l i l 力大学硕l 学位论文 图2 2 拓扑二独立直流母线链式级联型 拓扑一共用直流母线电压，三相系统只需要三个p w m 整流电路。 拓扑二采用的是h 桥级联的链式结构，因此每个h 桥模块都必须要有一个独 立的直流电源供电，因此其需要的器件和相应的驱动控制电路相对于拓扑一也要增 加很多。按照1 m v a 容量的可控电压质量扰动发生装置进行设计，对拓扑一和拓扑 二进行主电路器件数量和成本进行对比分析。 目前常用的i g b t 模块的电压和电流等级有：1 7 0 0 v 、4 0 0 a ，2 4 0 0 v 、3 0 0 a 、 4 0 0 a 、6 0 0 a 都选用1 7 0 0 v 电压等级的i g b t 模块来构成h 桥模块。 ( 1 ) 拓扑一整流侧器件分析： a 整流侧i g b t 功率单元 直流母线电压选取工作在1 0 0 0 v 条件下，根据额定容量1 m v a ，按照全有功进 行设计则可以得到装置a 相p w m 整流侧的输入功率为3 3 0 k v a ，按照整流侧输入 线电压为3 8 0 v ，则可以得到整流侧输入交流电流的有效值为： i 觚，= 南2 丽3 3 0 - s o 认 亿。， 考虑不采用器件的并联使用，直接用单管的i g b t 模块则需要1 7 0 0 v 、1 0 0 0 a 的i g b t 模块完成本装置的三相p w m 整流功能。总共需要1 8 个i g b t 单管( 1 7 0 0 v 、 1 0 0 0 a ) b 整流变压器 本拓扑采用三相桥式整流，需要三台三相变压器，其电压等级是1 0 k w 4 0 0 v ， 容量3 3 0 k v a c 整流侧输入电抗器 拓扑一只需要9 个电抗器，电压等级4 0 0 v ，额定电流5 0 0 a 。 l o 1一 华北i i l 力火学硕：匕学位论义 ( 2 ) 拓扑二整流侧器件分析： a 整流侧i g b t 功率单元 直流母线电压选取工作在1 0 0 0 v 条件下，根据额定容量1 m v a ，按照全有功进 行设计则可以得到装置a 相p w m 整流侧的输入功率为3 3 0 k v a ，单个p w m 整流 器的输入功率为3 7 k w 按照整流侧输入线电压为3 8 0 v ，则可以得到整流侧输入交 流电流的有效值为： 1 a c l2 万p2 丽6 6 = 1 7 弘 ( 2 2 ) 考虑不采用器件的并联使用，直接用单管的i g b t 模块则需要1 7 0 0 v 、4 0 0 a 的 i g b t 模块完成本装置的三相p w m 整流功能。总共需要6 0 个i g b t 单管( 1 7 0 0 v 、 4 0 0 a ) b 整流变压器 本拓扑采用单相p w m 桥式整流，需要三台单相多绕组变压器，其电压等级是 1 0 k v 4 0 0 v ，容量3 3 0 k v a c 整流侧输入电抗器 拓扑一只需要1 5 个电抗器，电压等级4 0 0 v ，额定电流2 0 0 a 2 1 1 2 两拓扑逆变侧器件对比分析 ( 1 ) 拓扑一逆变侧器件分析： a i g b t 功率单元 考虑后级采用l ：3 的升压变压器，则需要2 个h 桥逆变单元，采用1 7 0 0 v 的 i g b t 模块，前级直流母线电压为1 0 0 0 v ，根据容量可以确定后级i g b t 模块的电 流为： i a c = 号= 怒瑚o a ( 2 3 ， 考虑裕量取i g b t 模块的电流等级为6 0 0 a 。需要i g b t 电压电流等级为( 1 7 0 0 v 、 6 0 0 a ) 的单管2 4 个 b 滤波电抗器 后级通过变压器接入与系统电压相串联，因此每个h 桥输出电压都需要经l c 滤波得到正弦电压波形，则需要6 个逆变器输出滤波电抗器，2 0 0 0 v 、3 5 0 a ( 2 ) 拓扑二逆变侧器件分析： a 整流侧i g b t 功率单元 利用拓- 链式结构则需要5 个h 桥，直流母线电压都工作在1 0 0 0 v 条件下， 整流侧输入交流电压为单相3 8 0 v ，则可以得到整流侧输入交流电流的有效之为： 【l 力大学硕：i ：学位论文 i a c 2 寺盖州弧 协4 ， 考虑裕量则需要采用( 1 7 0 0 v 、4 0 0 a ) 。总共需要6 0 个i g b t 单管0 7 0 0 v 、4 0 0 a ) b 整流变压器 采用拓扑二则需要单相多绕组变压器，电压等级1 0 k v 4 0 0 v ，容量为3 3 0 k v a ， 由于其结构特殊因此需要特殊制造，其价格肯定比常规变压器要高1 - 2 倍左右 c 整流侧输入电抗器 拓扑二只需要1 5 个电抗器，电压等级1 0 0 0 v ，额定电流2 0 0 a 拓扑二逆变侧器件分析： 拓c b - 后级直流链式i g b t 模块并直接接入系统，则需要5 个h 桥级联，电压 等级1 7 0 0 v ，同样直流母线电压为1 0 0 0 v ，其电流为： i a c - = 号= 翥= n o a 亿5 ， 考虑裕量取i g b t 模块的电流等级为2 0 0 a 。需要i g b t 电压电流等级为( 1 7 0 0 v 、 2 0 0 a ) 的单管6 0 个 表2 1 拓扑一主电路器件成器件分析 器件整流l g b t整流电抗器整流变压器逆变i g b t逆变输出滤升压变压器 波电抗器单相 电压电流1 7 0 0 v1 0 0 0 vl0 k v 4 0 0 v1 7 0 0 v2 0 0 0 v1 k v 3 k v 等级1 0 0 0 al m h 、5 0 0 a3 3 0 k v a6 0 0 ai m h 、3 5 0 a1 7 0 k v a 数量( 单管)1 8 ( 9 ) 93 2 4 ( 1 2 ) 66 单价 6 4 0 0 0 02 5 0 0 0 0l0 0 0 0 o o2 0 0 0 0 02 0 0 0 o o5 0 0 0 0 0 表2 2 拓扑二主电路器件成本分析 器件 整流i g b t 整流电抗器 整流变压器逆变i g b t 逆变器输出 单相多绕组 滤波电抗器 电压电流 1 7 0 0 v1 0 0 0 vlo k v 4 0 0 v1 7 0 0 v3 k v 等级4 0 0 al m h 、2 0 0 a 3 3 0 k 溺2 0 0 a l m h 、2 0 0 a 数量( 对管)6 0 ( 3 0 ) 1 53 6 0 ( 3 0 ) 3 单价1 2 0 0 o o 2 0 0 0 0 03 0 0 0 0 o o1 0 0 0 0 0 2 0 0 0 o o 2 1 2h 桥级联数设计 1 2 华北电力人学硕上学位论文 图2 31 0 k v 复合电压质量调节装置主电路拓扑 通过上节综合分析考虑，复合电压质量调节装置主电路拓扑采用h 桥级联的链 式多电平结构。 如图2 3 所示在系统正常时，两个反串联晶闸管均为断开状态，d v r 工作。d v r 装置输出电压包含两部分，电压扰动( 电压咱升、暂降、谐波、闪变) 补偿分量和限 流电抗分压补偿分量。 ( a ) 工业样机 按目前常用的i g b t 模块电压等级为1 7 0 0 v 进行设计，取单个h 桥的直流母线 电压设计在u a e = 1 0 0 0 v ，直流电压利用率选取为k d 。= o 8 5 ，则可以得到级联h 桥的 个数为： 怍虹u dh 患 + l = 5弘6，ex k d e l x 0 lj【8 5 j 、。 h 桥模块的电流选取：装置的最大输出容量为1 m v a ，过载系数口= 1 2 ，则可以得 到： i ：a 雨xpn_：黑：138a(2-7)n 1 一向n 2 了荪2 考虑h 桥模块的设计裕量为( 2 3 ) i n ，实际则应选取i n = 3 0 0 a 。 选取i g b t 模块：( 1 7 0 0 v ，3 0 0 a ) ( b ) 实验样机 i g b t 电压等级1 2 0 0 v 进行设计 n = 2 6 6 ( 取4 ) - n = 舞= 而1 2 x 0 1 州3 a 1 3 华北电力火学硕上学位论文 选取i g b t 模块：( 1 2 0 0 v ，4 0 0 a ) 2 1 3l c 低通滤波器设计 级联h 桥单元采用载波移相控制策略。 初步确定基波调制的载波频率为a = 1 0 0 0 h z ，基波模块采用5 个h 桥载波移相 控制，过载波移相使得等效开关频率大大提高，可以大大降低低通滤波器的体积和 重量。 其等效开关频率为：厶q u = 1 0 0 0 0 h z 选取基波模块的低通滤波器的截止频率为： a c - - - - 睁去) 岛= ( 1 0 0 0 - 2 0 0 0 ) h z 石c = 1 5 0 0 h z( 2 8 ) 图2 - 4 系统简图 输出电压对输入电压的传递函数为： 竺盟= s l s + r s 疋 “加s 3 l s c l + s 2 c l & + s ( 三+ 厶) + b ( 2 9 ) 其中，墨分别为系统等值电感值和电阻值 根据传递函数和期望的开关谐波含量( 这里设为3 ) ，可以得到l 和c 的表达式： 丽面而嚣杀而妈 陋埘 ( _ ，缈) j 厶c l + ( 弘) z c z 足+ 缈似+ 厶) + 足 m 吖w 低通滤波器的高频特性受负载影响不大，故可利用空载传递函数和期望开关谐波的 含量确定不等式拟和上式，从而简化计算，并得到不等式： 3 ( 2 - 1 1 ) 取滤波电感基波压降不大于补偿电压的5 ( 1 5 0 v ) ，已知输出电流为1 3 8 a ，则 得到电感值为：3 m h 。 c 值越大，则流入电容的无功电流也越大，对逆变器和l 的容量要求也越大， 1 4 从而降低了系统的效率；c 值越小，l p f 的输出阻抗越大，则其特性受负载的影响 就越大。因此，在设计中，取电容的无功容量为逆变器容量的1 5 来确定c 值： c 2 或e m ! 竺q ( 2 - 2 5 ) 2 a u m r k 取u 二= o i u d c ，则 电容器下限值取： c m i n = i 1 而0 0 0 历= 1 850001tf(2-26) 2 2 0 4 k v 电压质量调节装置拓扑及参数设计 2 2 1 h 桥级联数设计 图2 - 7 主电路拓扑 如图2 7 所示在系统正常时，两个反串联晶闸管均为断开状态，d v r 工作。 d v r 装置输出电压包含两部分，电压扰动( 电压咱升、暂降、谐波、闪变) 补偿分量 和限流电抗分压补偿分量。 ( a ) 工业样机 根据可控电压质量扰动装置的电压暂降指标：9 0 5 0 u n ，可以得到串联部 分需要输出的最大电压是：u o = 9 0 u n 。 三相o 4 k v 系统，单相相电压u p = o 2 3 k v 取单个h 桥的直流母线电压设计在 u a 。- - 0 2 5 k v ，直流电压利用率选取为k d c = 0 8 5 ，则可以得到级联h 桥的个数为： 1 8 华北l l l 力人学坝卜学位论文 n - f 鱼一1 + l _ r 亟塑型1 + l _ 2 【_ u d c x k d cj【0 2 5 x 0 8 5j( 2 2 7 ) 为了尽可能接近高压系统，试验样机采用4 个h 桥级联。 n 桥模块的电流选取：装置的额定输出容量为o 1 m v a ，考虑1 2 倍过载3 0 分 钟要求，可以得到装置输出电流： - n 2 嚣2 丽1 2 x 0 1 划3 a ( 2 - 2 8 ， 考虑一定的裕量，选取电流为3 0 0 a 。串联装置流过几乎全部负载电流，因此所有 串联模块的额定电流选取都必须按照最大负载电流进行选取。可以选取的i g b t 型 号为g 4 9 0 n 1 0 0 ( 额定电压1 2 0 0 v ，电流4 5 0 a ) ( b ) 实验样机 i g b t 电压等级1 2 0 0 v 进行设计 n = 2 6 6 ( 取4 ) i n2 啦, - j u n2 丽1 2 x 0 1 = 1 7 弘 ( 2 2 9 ) 选取i g b t 模块： 1 2 0 0 v ，4 5 0 a 2 2 2l c 低通滤波器设计 级联h 桥单元采用载波移相控制策略。 初步确定基波调制的载波频率为j i = 3 0 0 0 h z ，基波模块采用4 个h 桥载波移相 控制，等效开关频率为： 局u = 1 2 0 0 0 h z 选取基波模块的低通滤波器的截止频率为： 肛( 三“去) 岛= ( 1 2 0 0 2 4 0 0 ) h z p 3 。， 石c = 1 5 0 0 h z 2 2 3 限流电抗器设计 设计原理与1 0 k v 系统一样初步取口：5 设短路电流比口：纽= 兰蟹羔：5 ， l s 2x s 1 9 i _ i 华北电j 人学硕：i ：学位论文 得出限流电抗娩= 0 1 ，z 。 - - 釜2 0 3 肌日 短路电流由交流分量和直流分量组成，当a 相短路时，其短路的全电流为： 乞= 厶蚴+ 口一谚+ q 乏 ( 2 - 3 1 ) 其中伊为稳态短路电流和电源电压间的相角，在一般短路回路中，感抗值 要比电阻值大得多，即c o l i - ir ，因此认为伊为9 0 。乃为微分方程式，t , = l r 。 一生 c e 兀为直流分量，它是不断减小的直流电流，其减小速度与电路中的l r 有 关。所以仿真出的短路电流波形不对称。 2 2 4p w m 整流单元设计 与高压系统设计原理相同，整流单元的h 桥模块电流定额应选取：1 2 0 0 v 、 1 0 0 a ，p w m 整流器的输出电感的取值范围应在：1 3 7 m h 到1 2 m h 之间，综合考虑 取l = 0 4m h 2 0 华北电力大学硕 ：学位论文 第三章电压质量调节装置控制策略研究 3 1瞬时无功功率理论 三相电路瞬时无功功率理论，首先在谐波和无功电流的实时检测方面得到了成 功的应用。目前，有源滤波器中，基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方 法应用最多。 最早的谐波电流检测方法是采用模拟滤波器来实现的，即采用陷波器将基波分 量铲除，得到谐波分量。这种方法存在许多缺点，如难于设计、误差大、对电力系 统波动和电路元件参数十分敏感等，因此极少被采用。 随着计算机和微电子技术的发展，人们开始采用傅立叶分