（电气工程专业论文）新型电压型换流电路及其在高压直流输电中的应用研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 摘要 摘要 由于采用半控型电力电子器件一一晶闸管的相控换流( p c c ) 的传统直流输电存 在诸多不足，随着全控型功率器件的发展及其性能的不断改善，基于电压源换流 ( v s c ) 技术的高压直流输电( h v d c ) ( 轻型直流输电) 的应用越来越多。从原理上讲， 个多端的轻型直流输电网络适合于将海上再生能源发电系统接入电网，然而，虽 然目前的电压源换流器具有交流侧有功无功四象限运行的能力，但它过多的使用了 高频开关器件，而且高频开关器件需要同时处理基波和谐波功率，若要减小谐波功 率应使开关频率足够高，这样就增大了开关损耗，导致系统的成本增高f 换流器成本 的3 0 以上用于解决开关损耗) ，限制了它在此领域中的应用。 本文针对此首次提出了一种新型的b u c k 型电压源换流器饵v s c ) ，该b v s c 由 组双b u c k 变换器和一个工频逆变桥组成，仅用两个高频开关器件，即可取得较 好的输出波形。为了进一步解决大功率应用时的高频开关的局限性，文中还提出 种新型的双频控制b u c k 型电压源换流器( d b v s c ) ，d b v s c 是在b v s c 的基础上附 加了一个双b u c k 变换器，使原b v s c 工作在高频，仅处理谐波功率，而附加的b v s c 工作在低频，处理基波功率。d b v s c 既可以改善换流器输出电流波形质量，又可 以减小系统损耗，提高功率等级，特别适合于大功率应用。两种结构的开关器件的 数量都比现有结构的开关器件数量少得多。论文的主要成果如下： 1 1 对新型的b v s c 的工作原理进行了比较详尽的分析，根据换流电抗器置于不 同的位置而得出相应的等效电路，并推出了不同开关状态下的电路结构。首次将单 周控制的方法应用于此新型的b v s c ，并详细推导在实现交流侧功率因数为i ，以 及交流侧可独立调节有功功率和无功功率这两种情况之下，基于单周控制思想的控 制方程。 2 ) 分析了新型豹d b v s c 的工作原理，并且对此电路进行解耦分析，通过控制 附加的b u c k 型变换器的开关器件，使得绝大部分的相电流流过附加的低频开关器 件，而流过高频开关器件的电流取决于流过主电感与辅助电感的电流的变化，即仅 处理谐波电流。推导出d b v s c 高频开关器件和低频开关器件在一个低频开关周期 内流过电流的平均值的公式。推导附加的双b u c k 变换器在实现交流侧功率因数为l ， 以及交流侧可独立调节有功功率和无功功率这两种情况下的基于单周控制思想的控 制方程。 3 】针对直流侧电容电压平衡的问题，通过详细的公式推导，建立了直流侧电容 电压偏移量与直流侧中线电流的数学关系，从而揭示了造成直流侧电容电压不平衡 重庆大学硕士学位论文摘要 的原因，提出了一种简单、有效的解决方法。 4 ) 运用简单的控制电路实现控制要求，对新型的b v s c 以及d b v s c 电路结构 进行了仿真研究，并且针对b v s ch v d c 逆变电路，设计并制作了一台实验样机， 通过仿真与实验研究证实了理论分析的正确性。 关键词：轻型直流输电，电压源换流器，开关频率，双频控制，单周控制 i i 重庆大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h e f u l l y c o n t r o l l a b l e p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s ，t h e t e c h n o l o g yo fh v d c b a s e do n v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ( v s c ) ( h v d cl i g h t ) i m p r o v e s t h e a b i l i t yo f t r a d i t i o n a ll i n e c o m m u t a t e dh v d c i nt h e o r yam u l t i t e r m i n a lc o n n e c t i o ni s p r o p i t i o u s t ob e a p p l i e di n 鲥d c o n n e c t i o no fo f f s h o r e r e n e w a b l e e n e r g y s y s t e m s h o w e v e r ，t h ea p p l i c a t i o ni sl i m i t e di np r o j e c t v s ch a st h ea b i l i t yo ff o u r q u a d r a n to p e r a t i o na n dr e v e r s i b l ep o w e rf l o wo nt h ea c s i d e ，a n dt h u ss om a n yf u l l y c o n t r o l l a b l ep o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sa r eu s e d w h a t sm o r e ，t h e s es w i t c h e sn e e dt od e a l t h ep o w e ro ff u n d a m e n t a la n dh a r m o n i ca tt h es a m et i m e t h e s w i t c h i n gf r e q u e n c yn e e d s t ob eh i g he n o u g ht or e d u c eh a r m o n i cp o w e r ，w h i c hi n c r e a s e st h es w i t c h i n gl o s s e s t h a t i n c r e a s e st h ec o s to f t h e s y s t e ma n d l i m i t st h e t e c h n o l o g y sa p p l i c a t i o n ， t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dan e wm o d e lo fb u c kv o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ( b v s c ) a t f i r s tt i m e ，w h i c hc o n s i s t so fad u a lb u c kt y p ec o n v e r t e ra n dat h y r i s t o rb r i d g ei n v e r t e r o p e r a t e da tt h el i n ef r e q u e n c y an e w m o d e ln e e d so n l yt w oh i g hf r e q u e n c yd e v i c e sa n d c a ng e tag o o do u t p u tw a v e f o r m t h e nan e wm o d e lo fd u a l f r e q u e n c y c o n t r o lb u c k v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ( d b v s c ) i si n t r o d u c e da tf i r s tt i m e ，w h i c ha d d sad u a lb u c k t y p ec o n v e r t e ro nt h eb v s c i nt h ed u a lb u c kc o n v e r t e r s ，t h ef o r m e rb v s cw o r k so n h i g hf r e q u e n c ya n d d e a lw i t hh a r m o n i c p o w e ro n l y ，a n d t h ea d d e db v s ci so p e r a t e da ta m u c hl o w e rs w i t c h i n g f r e q u e n c y a n dd e a l sw i t hf u n d a m e n t a lp o w e r d b v s cc a n i m p r o v et h eo u t p u tw a v e f o r mo fc o n v e r t e r sa n dr e d u c et h el o s s e so fs y s t e m ，s ot h e s y s t e mc a l li m p r o v e t h el e v e lo f p o w e r a n dt h u si sf i tf o rt h ea p p l i c a t i o no fb u l k p o w e r m u c hl e s s s w i t c h i n gd e v i c e sa r eu s e di nt h et w on e ws t r u c t u r e sc o m p a r e dw i t l lt h e e x i s t e n ts t r u c t u r e s t h i sa r t i c l em a i n l yd i s c u s s e sf o l l o w i n gt o p i c s ： 1 ) a n a l y z i n g t h e p r i n c i p l eo f t h e n e wm o d e l o f b v s c ，d e d u c i n g c i r c u i ts t r u c t u r e si n d i f f e r e n ts w i t c h i n gs t a t e sf r o me q u i v a l e n tc i r c u i t si nt h ec o n d i t i o nt h a tt h ei n d u c t o r sa r e p l a c e di nd i f f e r e n tl o c a t i o n s a p p l y i n go n e - c y c l e c o n t r o li nt h en e w m o d e lo fb v s ca t f i r s tt i m e ，a n dc o n c l u d i n gt h ec o n t r o lf u n c t i o nb a s e do no n e - c y c l e - c o n t r o lu n d e rt h e f o l l o w i n gc o n d i t i o n sf o ru n i t yp o w e r f a c t o ra n df o rc o n t r o l l a b l ea c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v e p o w e r o nt h eo u p u ta c s i d e 2 ) a n a l y z i n g t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f t h ed b v s ca n d g e t t i n gt h ec i r c u i tm o d e l s o f d e v i d e dc o u p l i n g t h ea d d e ds w i t c h e sa r ec o n t r o l l e ds ot h a tt h em a j o r i t yo ft h ep h a s e c u r r e n t sw i l lb ed e v e r t e dt ot h ea d d e dd u a lb u c ks t a g ew h i c hi so p e r a t e da tam u c h l o w e r i i i 重庆大学硕士学位论文 a b s t r a c t s w i t c h i n gf r e q u e n c y ，t h ec u r r e n tt h r o u g ht h eh i g hf r e q u e n c yd e v i c ed e p e n d so nt h e v a r i a t i o no ft h ei n d u c t o rc u r r e n t si nt h et w os t a g e s t h ef o r m u l a sf o rt h ec u r r e n ta v e r a g e s t h r o u g h t h e h i g hf r e q u e n c y d e v i c e sa n dl o w e r f r e q u e n c y d e v i c e sa r ec o n c l u d e d e m p l o y i n gt h em e t h o do fo n e c y c l e c o n t r o li nd b v s c ，a n dg e t t i n ga c o n t r o lf u n c t i o n u n d e rt h ef o l l o w i n gt w oc o n d i t i o n s ：t h ea d d e dd u a lb u c kc o n v e r t e ma r ea b l et or e a l i z e u n i t yp o w e r f a c t o ra n dc o n t r o l l a b l ea c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e ro nt h e o u p u ta c s i d e 3 ) a n a l y z i n gt h er e a s o n o fc a p a c i t o r v o l t a g eu n b a l a n c ea t t h e i n p u td c s i d e ， p r e s e n t i n g m a t h e m a t i cr e l a t i o nb e t w e e nt h e c a p a c i t o rv o l t a g e o f f s e ta n dm i d l i n ec u r r e n ta t t h ei n p u td e s i d e ，a n di n t r o d u c i n ga s i m p l eb u tv e r y e f f e c t i v es o l u t i o nt ok e 印t h e v o l t a g e o f b o t h c a p a c i t o r sb a l a n c e d 4 ) r e a l i z i n gt h ec l a i mo f c o n t r o lw i t hs i m p l et h ec o n t r o lc i r c u i t ，a n dv e r i f y i n gt h e v a l i d i t yo f t h et h e o r ya n a l y z i n gb y s i m u l a t i o na n d e x p e r i e n c e k e y w o r d s ：h v d cl i g h t ，v o l t a g e s o u r c e c o n v e r t e r ，s w i t c h i n gf r e q u e n c y ， d u a l f r e q u e n c y c o n t r o l ，o l f l e c y c l e c o n t r o l 重庆丈学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 当今使用的高压直流输电技术h v d c ( h i 曲v o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ) 发展始于本世 纪二十年代，但直到1 9 5 4 年，当联接哥特兰岛与瑞典大陆之间的世界上第一条 h v d c 输电线路建成时，才算进入了商业化时代【l 一。这种适用于远距离，大功率的 高压直流输电以线路造价低，损耗小，运行费用少，运行可靠等优点，主要应用于 长距离大容量架空输电、电网互联、长距离海底电缆输电、配合新能源的输电等场 合，有着交流输电无可比拟的优点，越来越受到世界各国电力系统的重视。h v d c 的主要环节是换流器，它包括整流器和逆变器。传统的h v d c 的核心是采用了半控 型电力电子器件晶闸管的相控换流( p c c ) ( p h a s ec o m m u t a t e dc o n v e n e 0 技术f 输 电原理图如图1 1 所示) ，采用三相桥式接线方式，每桥由六个桥臂组成，接于三相 交流电源，6 个桥阀以l 6 基波周期的等相位间隔依次轮流触发p 5 1 。这种传统的p c c h v d c 存在一些固有的缺陷，主要表现在以下几个方面： 1 ) 这种传统的直流输电要吸收大量的无功功率，这就需要大量的无功补偿及滤 波设备。 2 ) 传统的直流输电需要交流电网提供换相电流，这个电流实际上是相间短路电 流，因此要保证换相的可靠，受端交流系统必须具有足够的容量，即必须有足够的 短路l k ( s h o r t c i r c u i t r a t i o ) ，当受端电网比较弱时便容易发生换相失败。 3 ) 因为传统的直流输电需要交流电网提供换相电流，这就要求受端系统必须是 有源网络。因此，传统的直流输电不能向无源网络( 如孤立负荷) 输送电能。 4 ) 仅在远距离、大容量的功率传输场合，传统的直流输电才具有经济上的优势。 传统的直流输电的上述缺点，从根本上说是由于相控换流器采用的是半控型器 件，只有用全控型器件代替半控型器件使换流器工作在无源逆变方式，并能够同时 且独立地控制有功功率和无功功率，才能彻底克服上述缺点。 随着全控型功率器件的发展和性能的不断改善，基于电压源换流( v o l t a g e s o o r c e c o n v e r t e r ) 技术的h v d c ( 轻型直流输电) ( v s ch v d c ) ，改善了基于半控型电力电子 器件一一晶闸管的相控换流( p c c ) 的传统直流输电的不足 6 , 7 1 。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 一换流电抗器：2 一平波电抗器；3 一交流滤波器 4 直流滤波器；5 一三相全波桥式换流电路 图1 1 基于p c c 技术的h v d c 输电原理图 f i g 1 1t h e b a s i cp c c t r a n s m i s s i o n 1 2 v s c h v d c 的特点 所谓v s c h v d c 就是基于v s c 的直流输电( 基本的结构图如图1 2 所示) ，送端， 受端换流器均采用v s c ，两个换流器具有相同的结构，每个桥臂都由多个i g b t 或 g t o 串联而成。直流侧电容器的作用是为逆变器提供电压支撑，缓冲桥臂关断时的 冲击，减小直流侧谐波；换流电抗器是v s c 与交流侧能量交换的纽带，同时也起到 滤波的作用：交流滤波器的作用是滤除交流谐波1 5 0 研。 ；葑一p 上上 叫l = 圣啐啐 i l i 砖砖一| = 导 tt 一 一占一毋a 器 图1 2v s ch v d c 输电技术的基本主电路结构 f i g 1 2t h e b a s i cv s ct r a n s m i s s i o n v s c 输出母线电压 图1 3v s ch v d c 交流侧等效模型 f i g 13t h ee q u i v a l e n tm o d e li na c 图1 4v s c 稳态运行的相量图 f i g 1 4t h ep h a s o rd i a g r a m 图1 3 和图1 4 分别为简化的等效交流侧模型以及换流器稳态运行的相量图，设 交流母线电压基波分量为k ，v s c 输出电压基波分量为k ，k 滞后于k 的角j ， 2 重庆大学硕士学位论文t 绪论 换流电抗器电抗为皿忽略谐波分量时换流器所吸收的有功功率为： v v p = 警s i n 8 ( 1 1 ) 所吸收的无功功率为： q ：盟掣型( 1 | 2 ) v 、 由此可见，有功功率的传输主要取决于j ，当占 0 时v s c 吸收有功功率，相 当于传统h v d c 中的整流器运行；当占 西的情况下，电感电压以及直流侧b u c k 型变换器的输出 电压的变化情况，从图中可以看出s p ，s q 具有三种状态，目l j ( 1 ) s p = 1 ，s q = 1 ；( 2 ) s p = 1 ，s q = 0r ( 3 ) s p = o ，s q = o 。如果d 2 d l ，那么s p ，s q 的状态为：( 1 ) s p = l ，s q = 1 ； ( 2 ) s p = 0 ，s q = 1 ：( 3 ) s p = 0 ，s q = o 。 由于开关频率比输入电压频率大得多，可以假设三相输出电压k b ，三相 电流0 、k0 和直流侧电容电压在一个开关周期内均不变，于是根据表2 1 以及图 2 7 ，由伏秒平衡可得： 一v ； d ：+ ( 2 v + - v p 。一吐) + 卜叱) - 吐= 。 一v ，) d ：+ ( 一j 1v 。+ 一v ，) 。，一d ：) + ( _ v ，) d ：= 。( 2 ) 一v z 卜+ ( 丢+ 叱 她训+ h ) 鸣= 。 由于v 。+ + v 。= 0 ，将式( 2 7 ) 简化可得： 阱 ( 2 8 ) h 厶 似 伽 啦 印 勘 缈 缈 矿 “ 日。一，：叫o ，一、，j 叱 匕 2 o + q t 。一，一k 重庆大学硕士学位论文2 b u c k 型电压源换流器逆变电路 2 4 换流电抗器置于直流侧的b v s ch v d c 等效模型 图2 8b v s c 的等效电路图 f i g2 ，8t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f b v s c 换流电抗器置于直流侧的b v s ch v d c 等效电路如图2 , 8 所示。流过电感l l ， l 2 的电流0 ，分别为，一之。由于开关器件s l ，s 2 的频率比电压峋，的频率 高得多， 如分别为 整理公式( 2 9 ) 可得 c 2 上的电压在一个开关周期内保持不变。d 比，由伏秒平衡可得： 辚二劣； 口$ 由于= v ；一v ，= v ，一v ：，v 。十v ，+ v ：= 0 ，则由公式( 2 1 0 ) 可得 鼢 f 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 如果电路工作于稳态，且不考虑直流侧电容电压的波动情况，即v d c + = - f d c - = v d c ， 那么由式( 2 8 ) 或式( 2 1 1 ) 可得： 阡出墟 由于两种电路结构所得到的占空比与电压的关系是相同的， 的控制方法也基本相同。 ( 2 1 2 ) 那么两种电路结构 爨州 和的w w 筠雌 压件电器设关暇开 吐d童 也 。一，一k 重庆大学硕士学位论文2b u c k 型电压源换流器逆变电路 2 5 控制方程的推导 2 5 1 实现单位功率因数的控制方程的推导 如果要实现单位功率因数，那么该电路的控制目标就是通过控制电流，如， 使其跟踪电压v 口，v 6 ，v c 。因此可以通过控制相电流& ，之跟踪对应的相电压h ，v z ， 这样就可将换流器看成是交流侧的三相输出等效电阻r 。，即可得： 卧地 令去2 蜀一世z ，可以将公式( 2 - 1 3 ) 改为： 皓即 ： ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 只要确定了k i ，就口 以限制最大输出电流，从而确定最3 v 输出功率，而改变 k 2 的大小则可调节输出功率的大小。 由公式( 2 1 4 ) 可得( & 为测量电阻) ： 只隆 = r - k - 瞪 一r - 吃( 去瞪 c z t s ， 由公式( 2 1 2 ) ，( 2 1 5 ) 可得： r 三： 瞪 = 足蜀 二二： - ： 一疋- 瞄 c z “， 令： fk ：r k 1 v m o d ：r ：蜀i ( 2 1 7 并且由于= 匕一b ，v ，= v ，一匕，则： 即巴蝌恐：黝 亿 从而可得： f 2 1 9 ) f 2 2 0 ) 丝r 吲 ，一 一 k 肛一，弋 重庆大学硕士学位论文 2b u c k 型电压源换流器逆变电路 又由于= i x ，i e = i ：，为了便于控制，可检测直流侧b u c k 变换器的输出电流 b ，于是由公式( 2 1 7 ) 可得到最终的控制方程： 即 二。滩z ：糍 亿z ， 从式( 2 1 7 ) 、( 2 1 9 ) 和( 2 2 0 ) 可以看出只要确定了参数k ，即参数k 1 就可以限 制最大输出电流，改变础即调节参数就可改变输出电流的大小，从而控制 输出功率等级。 表2 2 列出了在一个工频周期内的不同时间段控制量的变化情况。 表2 2 控制参数及输出逻辑的参照 t a b l e2 2t h ec r o s s - r e f e r e n c eo f t h ec o n t r o lp a r a m e t e r sa sw e l la st h eo u t p u tl o g i c 时间段 叱叱0z p s ye i 屹k1 d一屯s ：乙瓦 i i 峙v 6k z 口一z f咒乙l i i i v dk 1 6 一f cs ，乙 v 6v cv d1 6一l ds 。乙 v v c屹v i cl d&已乙 v cv 口l cbs 。乙k 2 5 。2 实现有功功率和无功功率独立可调的控制方程的推导 令三相电网电压为： v 。= s i n a j t 圹哪n 卜；，r r 啊n ( 耐+ 纠 假设换流器输出交流侧电流基波为： i 。= ，。s i n 陋一庐) f 2 2 2 a ) ( 2 2 2 b ) ( 2 2 3 a ) 重庆大学硕士学位论文 2b u c k 型电压源换流器逆变电路 = ，。s i n ( 耐一；石一 c z z ，e ， = ，。s t n 耐+ ；万一 c ：z ，c ， 矽角，如果 0 表示换流器发出无功功率，庐 o 表示换流器吸收无功功率。 讣野矧 亿功 刚引 阡野目 r 2 2 5 ) 则为有功电流，从而可得到 阱地 令去= k ，一k ：，可以将公式( 2 2 7 ) 改为： 阱即计强嘲 即m l i ：= j 旭一l v v = “j - r 。k 2 心 v , f 2 2 6 ) f 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) f 2 2 9 ) 重庆大学硕十学位论文2b u c k 型电压源换流器逆变电路 r 二，二： 乏 = rr k 二一1 ： - 一r 五： 艺 c ：， 令： 世2 r k i1 1 【“2 心k 2 则： r 。- 二，2 t 笔 ：世 二。 麓 一。 茏 c z 3 z ， 所以从以上的公式可以看出，只要调节一，即改变有功电流的大小就可以实 现对有功功率的调节，而改变无功电流的大小就可以实现无功功率的调节，因而可 以实现控制目标。 2 6 直流侧电容电压平衡问题分析 对于该新型的v s c 由于利用了两个电容器串联跨接在直流侧两端，如果电容器 上输出不相等的功率将导致两个电容器上的电压平均值不相等，即吃+ 一，从 而导致直流侧电容电压不平衡。只有在电容电压保持平衡的情况下，才能保证系统 可靠而稳定的运行。如果电容电压不平衡，不仅会导致交流侧电流正负不对称，增 大其谐波含量，而且换流器中某些开关器件所承受的电压会上升，降低装置的寿命， 严重时会损坏开关器件和直流电容。所以平衡直流侧电容电压也是控制策略中的重 要组成部分。 以输出侧实现单位功率因数的控制方程为例进行分析。假设在某段时间，+ 与v d c 的平均值p 么+ 与一不相等，则： 舷妾z a 矿v b ， i 一= 一+ 、 7 那么： 雠裂辎 仁竭 1 9 均 墓： 重盎奎堂堡圭堂垡笙茎 一三璺生兰塑塑翌壁堕塑墅! ! ! 旦堕 妻一别也+ 莉o d a v 协z 4 v z k ( 一簧+ 燕) 也+ 摘卜4 q 。_ 出于矿： 0 表示c 1 向负载提供的能量小于c 2 向负载提供的能量，使得p 缸增大而p z 减小，如 果a v 0 ，那么a i r ：0 时，表示c l 向负载提供的能量大于c 2 向负载提供的能量，使得 + 减小而一p z 增大，通过分析可以看出如果电容电压没有在基准值上下波动，将会 导致a v 不等于零，从而影响换流器的正常工作，本文采用将a v 与零参考电压相比 较，然后经过p i d 调节器得到础使耐有一个可调节的分量，从而保证工作 过程中c l 和c 2 上电压的平均值相等，通过这个简单的方法有效的抑制了直流侧电 容电压的不平衡( 具体电路设计见第四章) 。 2 7 小结 本章提出了一种新型的b u c k 型电压源换流器逆变电路拓扑结构，详尽的分析 了其工作原理，针对输出交流侧实现单位功率因数，以及实现有功和无功独立可调 这两种情况，分别推导了换流电抗器置于交流侧和直流侧的控制方程。定性的分析 了直流侧电容电压的平衡问题，通过详细的公式推导，建立了直流侧电容电压偏移 量与直流侧中线电流的数学关系，从而揭示了造成直流侧电容电压不平衡的原因， 提出了一种简单、有效的解决方法，为以下几章的分析打下了基础。 重庆人学硕士学位论文3 双频控制的b u c k 型电压源换流器逆变电路 3 双频控制的b u c k 型电压源换流器逆变电路 3 1 引言 对于b v s ch v d c ，其输出交流侧电流除了正弦基波外，还包括高次谐波。 要想减小此类谐波，就要求直流侧b u c k 变换器的开关频率足够高，对于传统的两 电平或三电平p w m 换流器而言会导致开关损耗的增加。为了减小开关损耗，本课 题提出如图3 1 所示的采用双频控制的b u c k 型电压源换流器电路结构( d b v s c ) ， 所增加的虚线部分组成了该电路的辅助电路部分，其开关频率远远小于主变换器 电路的开关频率，但比工频又高得多，通过控制附加的低频开关器件使得绝大部 分的电流转移到虚线电路，使电路中的低频开关器件处理基波功率，从而使高频 开关器件的容量大大降低即只处理谐波功率，尽管流过低频开关器件的电流比较 高，但由于其开关频率比较低，不会产生大的开关损耗，从而使得交流侧输出电 流波形质量良好的情况下总的开关损耗也降低了。高频开关器件的电压应力均为 直流侧电网电压一半，类似于二极管筘位的三电平换流器，但是开关器件的数量 从1 2 组降为4 组，这样。运用该拓扑结构的换流器与运用现有拓扑结构的换流器 相比，如果开关损耗相同甚至更低的情况下，换流器的成本将大大降低。 3 2 双频控制的b u c k 型电压源换流器的工作原理 i j ，；l 。 陪弩p 丁飞- 。蕊陆l t l 量ij ：j幸d “； 墙一，s 。 恤+ 一s 。 ，3 。 b 鏖延 ： 降3阿 。倒 s 2 卫2 卫兄 ( a ) 换流电抗器置于直流侧 ( a ) t h ei n d u c t o r si nd c ( b ) 换流电抗器置于交流侧 ( b ) t h e i n d u c t o r si na c 图3 1 新型d b v s ch v d c 逆变电路拓扑结构 f i g 3 1t h ei n v e r t e rt o p o l o g yo f d b v s ch v d c 图3 1 为所提出的新型的d b v s ch v d c ，以换流电抗器置于直流侧，输出实 现单位功率因数为例进行分析。由于低频开关频率远远小于高频开关频率，但比 工频又高得多，这样，在一个低频开关周期内，假设电流，t 的值近似不变，则 可忽略其压降，那么在图2 2 所示的时间段i 内，v a oz v 。，v mz t 。，这就可得 出流过主电感与辅助电感的电流几乎是相同的，只是由于低频开关频率比较低， 重庆大学硕士学位论文3 双频控制的b u c k 型电压源换流器逆变电路 使得流过辅助电感的电流谐波含量比较大。由于上下两组b u c k 型电路原理相同， 假设时间段i 内上组b u c k 型电路在一个高频开关周期内或者一个低频开关周期内 直流侧电容电压值与输出交流电压值不变，分析可知流过高频开关器件的电流由 流过辅助电感，主电感电流决定，在一个低频开关周期内，主开关器件与低频开 关器件的开通关断可分为四个时间段： 1 ) 高频开关器件与低频开关器件均导通，= i 。+ i 。( 低频开关器件开通时 辅助电感电流等于低频开关器件电流) ； 2 ) 低频开关器件导通，高频开关器件关断，f ，= i 。+ 。： 3 ) 低频开关器件关断，高频开关器件导通，i 。1 = + i 。( 低频开关器件关断 时辅助电感电流等于辅助续流二极管电流) ： 4 ) 低频开关器件关断，高频开关器件关断，j 。= i v 。+ 如，。 由于在一个低频开关周期内，假设主电感电流的值近似不变，那么高频开关 器件所承受的最大电流为i 。= a i 。，a i 。为辅助电感电流的峰峰值，其它时间段 分析相同，即流过高频开关器件的电流只有谐波电流，只需处理谐波功率，低频 开关器件处理基波功率。因此，即使高频开关器件s l ，s 2 工作在比较高的频率下， 也不至于产生太大的开关损耗，虽然低频开关器件s 1 。，s 2 a 承受较大的电流，但由 于低频开关频率比高频开关频率低得多。从而减小了开关损耗，提高了效率。 3 3 流过开关器件的电流分析 图3 2 主电路等效电路图 f i g 3 2t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f d b v s c 图3 1 ( a ) 可以等效为图3 2 所示的电路结构，由于上下两组电路的工作原理相 同，均类似于单相双频b u c k 型换流器等效电路，所以为了简单起见，针对单相双 频b u c k 型等效电路进行分析，电路图如图3 3 所示。由于双频控制的换流器的高 重庆大学硕士学位论文3 双频控制的b u c k 型电压源换流器逆变电路 频开关器件和低频开关器件都是恒频工作，那么开关器件s l 和s l 。具有四种工作状 念，这四神状态的等效电路如图3 4 ( a ) ，( b ) ，( c ) ，( d ) 所示。首先假设在一个工频 周期内，流过主电感与辅助电感的电流是连续的，并且由于高频开关器件的频率 比较高，可以忽略电感电流的谐波。从图3 3 可以看出电流0 等于输出电流的绝对 值，所以假设在一个高频开关或者低频开关周期内直流侧电容电压值以及交流侧 电压不变，那么： 开关s l 导通时，电感上l 上所承受的电压为：v c l = 屹一kj ； 开关s i 关断时，电感工l 上所承受的电压为：v 1 = 一心l ； i vi 根据伏秒平衡的原理可得：d 。= 笋； ，d c 开关s l 。导通时，电感l 。上所承受的电压为：v m = 吃一v o ； 开关s i 。关断对，电感三l 。上所承受的电压为：v m = - - - t x o 根据伏秒平衡的原理可得：d ，。= 警。 y d c 虽然低频开关频率远远小于高频开关频率，但l l i 频又高得多。这样，在一 个低频开关周期内，就可以假设主电流屯的值近似不变，而且r ；的值很小，则可 忽略两者的压降，那么可认为，v _ dz v ，i ，即d ，。* 笋，v 一。为一个低频开关周 一 l vl 一 7d c 期内主续流二极管d l 两端所承受的反向电压平均值，由此可以近似认为主电路和 辅助电路的输入，输出电压分别是相同的，从而得出流过主电感与辅助电感的电 流变化情况几乎是相同的，只是由于低频开关频率比较低，使得流过辅助电感的 电流谐波含量比较大。这样就可得出高频开关器件s l 。低频开关器件s l 。的占空比 所需满足的控制方程分别为( 由于推导方法与第二章相似，在此不荐详述) ： 足屯= k h 卜o d 矾 ( 3 1 a ) r ，i 。= 彪- h 一心。- 啊。 ( 3 1 b ) 由于高频开关器件的频率比较高，可以忽略其电感电流上的谐波。那么由公 式( 3 1 ) 可以看出在一个低频开关周期内流过辅助电感的最大峰值电流等于主电感 电流。下面将分析开关器件在一个低频开关周期内不同的开关状态下所流过的电 流情况。从图中3 4 可以看出当开关器件开通时电感电流等于开关电流，当开关器 件关断时电感电流等于续流二极管电流。 重庆大学硕士学位论文3 取频控制的b u c k 型电压源换流器逆变电路 图3 3 单相d b v s c 主电路等效电路图 f i g 3 3t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f s i n g l e p h e l s ed b v s c ( a ) 状态1 ：s 】导通，s t 。导通 ( a ) s t a t e l ：s to n ，s l a o n ( c ) 状态3 ：s l 导通，s 1 。关断 ( c ) s t a t e 3 ：s 1o n ，s i 。o f f ( b ) 状态2 ：s 1 关断，s l 。导通 ( b ) s t a t e 2 ：s lo f f ，s i 。o n ( d ) 状态4 ：s 1 关断，s l 。关断 ( d ) s t a t e 4 ：s to n ，s l 。o f f 图3 4 开关状态图 f i g 3 4t h es t a t ed i a g r a m sf o rs w i t c h e s 图3 4 ( a ) s l 和s l 。均导通，即i ；= f 。- i 。，在这种情况下，由于辅助电感上所 承受的电压为零，在此时间段流过它的电流不变，在不考虑主电感谐波的情况下， 可得到高频开关器件电流也近似不变；( b ) 为s i 关断，s l 。导通，i d l = i l ，一i 。， 由于辅助电感上所承受的电压为k 。，辅助电感电流上升，所增大的值为： z x i l 。= v ，d e ( 1 一d i ) ，t ( 3 2 ) 厶l 。 ( c ) 为s l 导通，s l 。关断，i s l = i l l l 。d l 。，辅助电感上所承受的电压为确。，辅 助电感电流下降，所减小的值为； 重庆大学硕士学位论文3 双频控制的b u c k 型电压源换流器逆变电路 o 矿：争d ；c ( 3 3 ) l , l a ( d ) 为s i 和s 1 。均关断，i 。= l i ，辅助电感上所承受的电压为零，所以 在此时间段流过它的电流也不变。由于假设主电感电流在一个低频开关周期内不 皇e 并且由于频率比较高，可以忽略电感电流的谐波，所以结合上面的理论分析 可得出如图3 5 所示的在一个低频开关周期内流过电感和开关器件的电流情况，假 设在低频开关器件导通期间，高频开关器件导通了 1 个周期，则： 强，瓦“d 。l( 3 4 ) 低频开关器件关断期间，高频开关器件导通了甩2 个周期，则： ”：瓦“( 1 一d l o ) - 乙( 3 5 ) g 。+ 行：) ez 乙( 3 6 ) 图3 5 一个低频开关周期内流过电感和开关器件的电流情况 f i g 3 5t h e c u l t e r t so f i n d u c t o r sa n ds w i t c h e si no n el o w e r s w i t c h i n gc y c l e 由于假设在一个高频开关或者低频开关周期内直流侧电容电压值以及交流侧 电压不变，主电感电流不变，主电路和辅助电路均满足伏秽平衡，从而可近似认 为在一个低频开关周期内高频开关占空比相等，均为d i ，并且流过辅助电感电流 增大值约等于其减少值，那么： l a i l h f 2 a i j 巧a i m( 3 7 ) 重庆大学硕士学位论文 3 双频控制的b u c k 型电压源换流器逆变电路 其中a i 。为辅助电感在一个低频开关周期内的峰峰值电流，乙。为某一个高 频开关周期内辅助电感增加的电流峰峰值，t 。为某一个高频开关周期内辅助电 感减小的电流峰峰值。 由于d ，= i v 。i ，那么由公式( 3 2 ) ，( 3 3 ) ，( 3 4 ) ，( 3 5 ) ，( 3 7 ) 可得：