（电力系统及其自动化专业论文）多电平技术及其在动态电压恢复器中的应用研究.pdf

a b s t r a c t m u l t i l e v e lt e c h n o l o g yh a sb e t t e r l ys o l v e dt h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h es w i t c h i n g f r e q u e n c ya n dt h ec a p a c i t yo ft h ep o w e rd e v i c e s b yi n c r e a s i n gt h en u m b e ro ft h eo u t p u t v o l t a g el e v e l s ，t h edu dto ft h ep o w e rd e v i c e sa n dt h et o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ( t h d ) a n dt h e s w i t c h i n gl o s s e sc a nb er e d u c e d ，a tt h es a m et i m e ，t h ee q u i v a l e n ts w i t c h i n gf r e q u e n c yo ft h e p o w e rd e v i c e & c o n v e r t e ri si n c r e a s e d t h eh i g h v o l t a g e & h i g h - p o w e ro u t p u tv o l t a g ec a nb e g a i n e db yu s i n gt h el o w f r e q u e n c y & l o w v o l t a g e & l o w p o w e rd e v i c e sw h i c ha x ei n e x p e n s i v e a tp r e s e n t ，m u l t i - l e v e lt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h eh i g h v o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ( h v d c ) t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n & d i s t r i b u t i o ns y s t e m ( f a c t s ) ， h i g h v o l t a g e & h i g h p o w e ra cm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e mw i t hf r e q u e n c yc o n v e r s i o n t h e g r i d - c o n n e c t i o no fn e we n e r g yp o w e rg e n e r a t i o na n ds oo n d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ( d v r ) i st h er e c e n te m e r g e n c ea n da n o t h e ri m p o r t a n tm e m b e r o ft h ef a c t s i ti si ns e r i e sw i t ht h es y s t e mv o l t a g ea n dt h es e n s i t i v el o a d b yt h i sw a y , t h e l o a dv o l t a g es a gw h i c hc a u s e db yt h eb u sv o l t a g ed i s t u r b a n c ec a nb ec o m p e n s a t e d s o ，d v r i so n eo ft h em o s te c o n o m i c a la n de f f e c t i v ed e v i c et os o l v et h ep o w e rq u a l i t yp r o b l e mw h i c h c a u s e db yv o l t a g es a g s t h ec a p c i t yo fd v rc a nb ei n c r e a s e da n dt h et h dc a nb ei m p r o v e d s i g n i f i c a n t l yb yc o m b i n i n g t h em u l t i l e v e lt e c h n o l o g ya n dd v r i nt h i sp a p e r m u l t i - l e v e lt e c h n o l o g yh a sb e e nd e e p l yr e s e a r c h e d ，t h en e wm u l t i l e v e l d v ri sd e s i g n e da n dt h es i m u l a t i o na n a l y s i sh a sb e e nd o n e a tl a s t ，ad i o d ec l a m p e dt h r e e l e v e le x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eh a sb e e nr e a l i z e d t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec u r r e n tm u l t i l e v e li n v e r t e r , t h ec a r r i e rs t a c k e dm o d u l a t i o n ， t h ec a r r i e r p h a s e s h i f t e d m o d u l a t i o na n dan e wh y b r i dc a s c a d em u l t i - l e v e lm o d u l a t i o n s t r a t e g yh a v eb e e na n a l y s e da n ds i m u l a t e d ak i n do fs o f t w a r ef o rt h ec a r r i e rp h a s e s h i f t e d m o d u l a t i o nw h i c hb a s e do nt h ea s y m m e t r yr u l es a m p l i n ga l g o r i t h m i ci sd e s i g n e db yu s i n gt h e t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a tt h e a l g o r i t h m i sf a s ta n d a p p r o a c h i n gs i n u s o i d a lb e t t e r i th a sl a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h e m u l t i l e v e lt e c h n o l o g y t h em u l t i l e v e li n v e r t e rs p e c t r u m sa n a l y s i sh a v eb e e nd o n ef o rd i f f e r e n tn u m b e ro f m o d u l o su n d e rd i f f e r e n tf r e q u e n c ys w i t c h t h es i m u l a t i o ns h o w st h a t ，c a s c a d em u l t i l e v e l i n v e r t e r se q u i v a l e n tf r e q u e n c yi si n c r e a s e d s ot h eo u t p u tv o l t a g eh a r m o n i cc o n t e n tc a nb e e n r e d u c e db yr a i s i n gt h en u m b e ro fm o d u l e s a sab a s i so ft h ea n a l y s i s ，ak i n do ff i l t e rh a sb e e n d e s i g n e dw h i c hc o n s i d e r e dt h ef r e q u e n c y ，p o w e rf a c t o ra n df i l t e rp a r a m e t e r sc h o i c e t h e s i m u l a t i o nh a v eb e e n d o n et op r o v et h a ti ti sr e a s o n a b l e t h i s p a p e rd e s i g n e d h e6 k v 5 m v ac a s c a d ee l e v e n l e v e lt r a n s f o r m e r l e s sd v rb y i n t e g r a t i n gt h ec a s c a d em u l t i l e v e la n dt h ec a l t i e rp h a s e - s h i f t e dm o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e s m a i nc i r c u i tt o p o l o g ya n dt h ec l o s e l o o pc o n t r o l l e rw h i c hi n v o l v e dt h es i n g l el o o pa n dd o u b l e l o o pf e e d b a c kh a v eb e e nd e s i g n e di nd e t a i l t h ed o u b l el o o pf e e d b a c ke m p l o yt w of e e d b a c k l o o p sw i t has l o wo u t e rv o l t a l g el o o pa n daf a s ti n n e rc u r r e n tl o o p v o l t a g es a ga tar a n d o m t i m es i m u l a t i o n sh a sb e e nd o n ew h e nm u l t i 1 e v e ld v ru n d e rt h ec o n t r o lo fa n yc o n t r o l s t r a t e g y i ti ss h o wt h a tt h es y s t e md a m p i n gr a t i oa n ds t a b i l i t ya n de r r o rc a nb er e g u l a t e db y a d j u s t i n gr e l e v a n tp a r a m e t e r s o nt h i sb a s i so ft h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns t u d y , an e wt h r e el e v e l8 0 0 v 15 0 k v ae x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eh a sb e e nr e a l i z e d i nt h ep a p e r , t h r e el e v e li n v t e rp r i n c i p l ea n d p a r a m e t e r sc h o i c eh a sb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i l ，t h ec a r d e rs t a c k e dm o d u l a t i o nh a sb e e n i m p r o v e df o rt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h ed r i v e rh a sb e e nd e s i g n e db yu s i n g2 s d 315 a ，a n dt h e e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eh a sb e e ni n s t a l l e da n dd e b u g g e d a f t e rt h a t ，t h ed y n a m i c & s i m u l a t i o n e x p e r i m e n tp l a t f o r m h a sb e e n d e s i g n e d a n dt h en o l o a dt e s t e x p e r i m e n t s ，l o a d t e s t e x p e r i m e n t s ，o v e r - v o l t a g eo fi g b te x p e r i m e n t sa n dg r i d c o n n e c t e de x p e r i m e n t sh a v eb e e n c o m p l e t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e st h a tt h ed e v i c eh a v eag o o dp e r f o r m a n c ea n dc a n b eu s e di nt h em a i nc i r c u i tt o p o l o g yo f3 8 0 v - 1 0 0 0 vs y s t e mi nf a c t s k e yw o r d s ：m u l t i l e v e li n v e r t e r , c a r r i e rs t a c k e dm o d u l a t i o n ，c a r r i e rp h a s e s h i f t e dm o d u l a t i o n ， c a s c a d em u l t i - l e v e li n v e r t e r d i o d ec l a m p e dt h r e e l e v e li n v e r t e r , d o u b l ec l o o pc o n t r o ls t r a t e g y 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和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天盗理工大学或 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了谢意。 - j 学位论文作者签名：夕纠乏b 签字日期：么g 年胆月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 叁盗墨墨盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权叁盗墨墨盘堂 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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：名百乏垒导师签名：阅谚萨名 签字日期：沙穷年，2 月列一日签字日期：2 嘶2 月2 f 日 第一章引言 1 1 本文研究的目的和意义 第一章引言 多电平逆变器的出现是以2 0 世纪7 0 年代以来两次世界性的能源危机和目前全世界 对节能和环保技术的广泛关注为背景的。随着国民经济的高速发展，在电力系统发展、 高压大功率交流电动机变频调速和节能环保等领域对电能质量、系统控制性能和节能要 求的不断提高，开发高压大功率多电平逆变器已经成为必然的趋势n 一。 多电平逆变器的基本思路是为了利用低耐压开关器件实现高电压输出，通常由几个 电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。多电平变流器作为一种新型的高压大容量功 率变流器，从电路拓扑结构进行改进，在得到高质量输出波形的同时，克服了传统两电 平变流器的诸多缺点，具有控制灵活、等效开关频率高、并有丌关器件应力小、系统效 率高、输出电压谐波特性好、适合高压大功率电压输出等一系列优点，多电平变流器的 思想提出至今，出现了许多优秀的电路拓扑。在许多领域都已经得到应用，主要应用于 高压大功率领域中的a c d c 变换，d c d c 变换和d c a c 变换，如高压大功率交流电 机的变频调速、高压直流输电、柔性交流输配电和电能质量综合治理等。，同时在清洁 能源的利用上也得到充分利用，如风力发电和太阳能发电可以通过多电平逆变器并网。 在柔性交流输电系统中，多电平逆变器已经作为治理无功和谐波污染的静止无功发 生器h 1 和有源滤波器的主电路得到了应用，对改善电网中功率因数低、谐波含量高，三 相不对称、c i j 变等电能质量问题起到了非常重要的作用。而对于抑制电网中由于电压跌 落对敏感电力用户的干扰成为急需解决的问题，而电压跌落已被认为是影响许多用电设 备正常、安全运行的最严重的动态电能质量问题之一，越来越多的用户选择动态电压恢 复器( d v r ) 来解决这一电能质量问题。它与无功补偿装置和有源滤波装置最大的区别在 于它是一种串联型补偿器，由于d v r 起步较晚，技术还不够完善，目前投入运行的d v r 大 多为容量较小的装置。 目前电力电子发展水平限制了大容量d v r 不可能采用简单的h 桥逆变器结构，必 须综合采用如大功率开关管串联技术、多电平技术等提高装置容量的措施，由于器件杂 散特性的存在，使得器件串联均压比较困难，而且串联器件个数增大以后，直流侧电容 电压会升的很高，这大幅提高了装置的d u d t ，对于装置的保护、绝缘、驱动技术等都 提出了更高的要求，也不能很好的改善输出波形的谐波特性，所以不能完全依靠器件串 联来提高装置容量；多电平技术通过提高输出电压的电平数实现了用低压小功率开关器 件来完成大容量结构的设计，通过采用合理的调制策略，一方面降低了装置的成本，另 一方面提高了装置的性能。将多电平技术应用于动态电压恢复器可以很好的解决其装置 容量小、电压特性差等问题旧刮，选择合理的多电平拓扑结构可以在提高d v r 容量的一j 时 改善其输出电压的谐波特性，从而提高系统的稳定性。 第一章引言 1 2 多电平逆变器开关器件和拓扑结构的发展 1 2 1 核心开关器件技术的发展 自从1 9 5 7 年，美国通用电气公司第一个普通晶闸管问世以来，以晶闸管为代表的第 一代电力电子器件在电力系统中的应用得到了飞速发展，形成了电力电子技术。它是以 半控型器件诸如后期派生的快速晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器件为主 的，2 0 世纪7 0 年代，半控型器件的技术同趋完善，功率越来越大，性能也得到极大改进。 在直流输电、滤波等方面，第一代电力电子器件都获得了广泛的应用旧1 。但是由于半控 型器件本身没有关断能力，为了关断器件，必须采用体积庞大的强迫换流电路，使得装 置结构变的复杂，能耗增加，增大了装置的成本、体积等，并且工作频率和效率都难以 提高，使得其进一步应用受到了限制，离真正的工业应用装置还有较大的距离。虽然半 控型器件有以上一些缺点，但由于它的高电压、大电流特性，使它在高压直流输电 ( h v d c ) 、静止无功补偿( s v c ) 、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速等方面的应 用仍占有十分重要的地位。 2 0 世纪7 0 年代后期以来，可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶闸管( g t r ) 、功率场控晶体管 ( m o s f e t ) 、绝缘栅极型晶体管( i g b t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、m o s 晶闸管( m c t ) 等全控 型器件不断问世，代表着第二代电力电子器件的诞生n 引，并得到迅速发展，随着关键技 术的不断突破，各种高速、全控型的器件也不断问世，大大提高了开关控制的灵活性， 在功率、频率等方面得到不断的飞跃。全控型电力电子器件的出现，使电力电子技术在 电力拖动等领域的应用范围大大拓展。也推动了新型电力电子拓扑结构的发展，使得各 种新型的、大容量的、低谐波含量的拓扑结构出现成为可能，与此同时，一系列优秀的 控制策略也应运而生，近一步丰富和完善了电力电子技术。 随着半导体技术的飞速发展，现代电力电子器件家族出现了一大批更加优秀、适合 现代工业应用的电力电子器件，现代电力电子器件在向大功率、易驱动、高功率密度、 高频化和模块化方向发展，如大功率g t o 、i g b t 、集成门极换流晶闸管( i g c t ) 、电子注 入增强门极晶体管( i e g t ) 等，目前已经得到广泛应用。 g t o 的基本结构与普通晶闸管一样，它几乎具有晶闸管的全部优点，它的门极不仅 具有普通晶闸管控制阴阳极主回路导通的能力，而且当在门极上施加负电压时，能使处 于导通状态的晶闸管转变为关断状态，重新恢复阻断能力，实现门极关断，目前，g t o 的研究水平为9 k v l o k a 以及更大功率的模块，并且为了更大容量的工业装置研制，g t o 串联技术也成为研究热点。大功率g t o 技术的发展推动了大功率模块的研制，自从柔性 交流输配电技术出现以来，多数大功率静止无功发生器( s t a t c o m ) 都采用g t o 作为开关 器件。但是传统g t o 器件存在固有的缺陷，如g t o 的开关频率很低( 约5 0 0 h z ) ，输出电压 谐波特性较差，大功率g t o 器件的杂散特性较差，在g t o 关断过程中，各子器件关断不均 匀，很可能造成个别器件关断过程拖尾时间长，导致器件局部热点的产生，严重时会使 g t o 器件被烧毁，所以在g t o 的使用中，需要采用成本较高的缓冲电路限$ i j d v d t 和d i d t ， g t o 本身在丌关过程中的损耗也比较大。这些都限制了g t o 的应用。 瑞士a b b 公司为了改善传统g t o 的开关性能，将l 、j 极驱动电路与芯片集成在一起，结 第一章引言 合了晶闸管的低通态损耗和晶体管均匀关断能力两种优点，开发了集成门极换流晶闸管 ( i g c t ) 。它具有开关频率高、损耗小、易用于串联等优点。它保证了器件具有快速的 关断能力，理想驱动和门极换流能力，通常适用于电压源p l t l ，同传统的g t o 相比，i g c t 中的电流分布更均匀，同时安全工作区增大了。目前，最大阻断电压为l o k v 的i g c t 也已 应用于工业现场，但是，由于i g c t 的开通过程与传统的g t o 相似，仍必须限制其开通时 刻的电流上升率，同时，为减缓关断时i g c t 的关断过电压，需要采用电压缓冲吸收电路。 可以预见，在拖动、变频调速等应用中，i g c t 将逐步取代g t o ，也是将来大容量d v r 首选 的开关器件。 i g b t 是由m o s f e t 和晶体管技术结合而成的复合型器件，是种n 沟道增强型场控复 合器件，它将单极型和双极型器件的各自优点集于一身，扬长避短，使其特性更加优越。 由于其门极驱动简单、开关速度快、频率高和损耗少等优点，发展非常迅速，目前已经 应用于工业现场的i g b t 单管最大工作电压已达到6 5 k v ，最大电流为3 6 k a ，因此在中等 功率变流器中得到广泛应用。i g b t 将是促进高频电力电子技术发展的一种比较理想的基 础元件，也正是i g b t 的问世，推动了一系列大功率的功率拓扑结构出现( 如多电平技术) ， 改变了一直以来以g t o 作为大功率开关器件的霸主地位。i g b t 封装技术的飞跃式发展， 使得对功率拓扑结构的研究成为电力电子技术研究的热点。目前，基于i g b t 开关器件的 各种电路拓扑结构已经陆续在柔性交流输配电系统设备、高压直流输电系统、高压大功 率变频器等场合得到实际应用，由于其等效开关频率高，通态损耗小，模块容量大，输 出电压的谐波特性好等优点，取得了很好的现场效果。 在i g b t 基础上，日本东芝公司在1 9 9 3 年提出发展了一种新的大功率器件一电子注入 增强门极晶体管( i e g t ) ，i e g t 目前已进入实用阶段。它继承了i g b t 的许多优点，如开 关损耗小、速度快，通态压降低，门极驱动功率低等。i e g t 在将来的大功率变流器等应 用领域中也将会获得广泛的应用1 。 电力电子器件的应用已深入到工业生产和社会生活的各个方面，带动传统工业革命 性变革的同时，也出现了一些新的研究领域，实际的需要与推动器件不断创新是相辅相 成的。电力电子智能化模块集成技术是目前电力电子技术领域最为重要的研究方向，必 将成为未来该领域的研究热点，并在某种程度上决定电力电子技术未来的兴衰命运。 1 2 2 多电平逆变器常用拓扑结构的研究现状 1 箝位式多电平逆变器 箝位式多电平逆变器由基本逆变单元通过串、并联组合而成的一种单一直流电源、 半桥式结构形式的多电平逆变器。目前，箝位型多电平逆变器主要包括二极管箝位型多 电平变流器( d i o d e - c l a m p e d m u l t i 1 e v e l i n v e r t e r ) n 引、电容箝位型多电平变流器 ( f l y i n g c a p a c i t o rm u l t i 1 e v e li n v e r t e r ) n 以及混合箝位型多电平逆变器n 引。 二极管箝位多电平逆变器是德国学者h o l t z 于1 9 7 7 年提出的，主要包括二极管串联 箝位( 图1 1 a ) 和二极管自箝位型( 图2 1 b ) 多电平逆变器，工作原理是采用多个二极 管对相应的开关管进行箝位，同时利用不同的丌关状态组合得到不同的输出电平数。其 中，一个m 电平的二极管箱位型变流器每相桥臂需要2 ( m 1 ) 个丌关器件，( m 1 ) ( m 一2 ) 个 第一章引言 箝位二级管，在直流侧f l ：l ( m 1 ) 个电容串联产生m 电平的相电压。直流侧分压电容的端 电压均为e ( m 1 ) 。图1 1 给出了二极管箝位五电平的多电平拓扑电路，电平数m = 5 ， 每相电路需要8 个开关器件，1 2 个箝位二极管和4 个直流侧分压电容且每个电容承担的 电压为e 4 。对于二极管串联箝位多电平逆变器来说，它利用二极管串联进行箝位，开 关管被筘位在e ( m 1 ) 电压上，解决了功率开关管串联均压问题，提高了输出电压的电 平数，可使得输出电压和电流的总谐波含量大大降低，但是这种结构由于二极管的电压 应力不均匀，需要不同倍数的e ( m 1 ) 反向耐压，这种结构有一个较大的缺点，就是当 开关状态改变时，电流回路会发生改变，会出现箝位二极管电压突变的情况，由于二极 管杂散特性的存在，如果特性不一致会导致某个二极管承受超过额定值的反向电压而被 击穿。而二极管自箝位型多电平逆变器解决了箝位二极管受压不均的问题，它的控制方 法和器件个数与二极管串联箝位型逆变器完全相同，只是改变了箝位二极管的连接方 式，它不但可以将功率开关管的电位箝位在单个直流分压电容上，而且二极管也被箝位 在单个直流分压电容电压上，避免了二极管直接串联存在的安全隐患。由于二极管箝位 型多电平逆变器每相需要( m 一1 ) ( m 2 ) 个箝位二极管，这个数量随着电平数的增大快速增 加，大大提高了成本，降低了系统的可靠性，所以一般限定在m = 5 。 ( a ) 二极管串联箝位( b ) 二极管自箝位 图1 1 二极管箝位五电平逆变器 电容箝位式多电平逆变器是法国学者t a m e y n a r d 和h f o c h 于1 9 9 2 年首先提出的， 它是用多个飞跨电容取代二极管对功率开关进行直接箝位，同时利用不同的开关组合得 到不同电平的输出电压，不存在二极管箝位式多电平逆变器中功率开关阻断电压不均衡 和箝位二极管反向电压难以快速回复的问题，假定电压的电平数为m ，则直流分压电容个 数为m 一1 ，主功率开关器件串联个数为2 ( m 1 ) ，筘位电容个数为( m 1 ) ( m 2 ) 2 ，图 1 2 给出了电容箝位五电平拓扑电路，电平数m = 5 ，每相电路需要8 个开关器件，6 个 箝位电容和4 个直流侧分压电容且每个电容承担的电压为e 4 。它的显著优点就是电平 数容易扩展，控制比较灵活；而最大缺点是需要大量的筘位电容，而且运行过程中必须 严格控制箝位电容的电压平衡，以保证逆变器的运行安全，控制难度也比较大，如何选 择合理的，f ：关组合非常复杂。 第一章引言 而混合箝位式多电平逆变器是指采用箝位二极管和箝位电容共同组合而成的多电 平逆变器，它互补了二极管筘位逆变器和电容箝位逆变器的一些优缺点，这种电路较好 的解决了二极管筘位式多电平逆变电路的内侧开关管的耐压问题以及直流侧电容电压 的平衡问题，提高了逆变器的运行特性，但是它是以牺牲更多的筘位电容和筘位二极管 为代价的，限制了电平数的扩展，图卜3 为二极管电容混合箝位五电平逆变器。 图1 2 电容箝位五电平逆变器图1 3 二极管电容混合箝位逆变器 筘位型多电平逆变器用直流侧各个由容值相等的电容器串联分压，得到多个直流电 源，实现了用低压开关器件实现多电平、高电压、大功率的电压输出，与传统的两电平 逆变器相比，改善了输出电压的谐波特性，提高了装置的容量，但是箝位式多电平结构 需要大量的箝位二极管或箝位电容，这大大提高了装置的体积和成本，而且结构设计和 安装也造成相当的困难，因此在实际应用中一般限于7 电平以下的变流器，在逆变器进 行有功功率传送的时候，直流侧各电容的充放电时间各不相同，造成电容电压不平衡， 这就需要设计合理的开关组合，增加了系统动态控制的难度。 2 级联式多电平逆变器 级联多电平逆变器很好的解决了箝位多电平逆变器中直流电容均压问题，它采用具 有独立直流源的h 桥作为基本功率单元级联而成的一种串联结构形式，每个级联单元由 于采用独立直流电源，所以基本单元的主开关器件耐压就限定在各自的直流侧电压上， 不会因为开关状态的转换使得主开关管受压不均，从而造成器件损坏，每个h 桥逆变器 单元可以产生一个三电平输出电压，这样避免了大量箱位二极管或电容的使用：交流侧 的端电压通过多个独立的功率单元的输出电压串联叠加，从而得到多电平电压。由m 个 变流器单元级联而成的多电平变流器，输出相电压的电平数为( 2 m + 1 ) ，线电压电平数为 ( 4 m + 1 ) ”1 8 1 ，图1 - 4 为级联五电平逆变器。级联型多电平变流器有以下优点： ( 1 ) 由于采用了单h 桥串联的模式，使得模块化比较容易，很容易扩展，安装灵活， 并且低压小容量的单模块技术也比较成熟； ( 2 ) 电平数容易提高，适合更高电平数的结构设计，并且电平数越多，输出电压的 谐波含量越少； ( 3 ) 器件的等效开关频率高，可以使得单模块丌关器件工作在较低的歼关频率下， 第一章引言 损耗小，效率高； ( 4 ) 与筘位式多电平逆变器相比较，不需要箝位二极管和电容，节约了装置成本， 输出相同的电平数时，需要的元器件最少，且不存在直流侧电压均压的问题； ( 5 ) 每个模块可以独立控制，控制算法相对简单。 这种拓扑结构也存在一定的缺点：对于有功功率变换场合，需要独立的直流源，h 桥逆变器的每个基本单元都要用一个独立的直流电源来实现钳位功能，这就需要多路整 流装置或直流电压储能装置，随着输出波形电平数增加，串级单元使用的直流电源数也 将增加。 而混合级联多电平逆变器的出现从某种程度上解决了直流电压源多的问题，它采用 低频高耐压的大功率器件( 如g t o ) 的h 桥和高频低耐压的中功率开关器件( 如i g b t ) 的h 桥混合串联，低频高耐压器件的h 桥主要用于提高系统容量和系统的输出电压，而 高频低耐压器件的h 桥通过提高输出电压的电平数来改善输出电压的波形和调节电压。 这样就兼顾了提高功率单元容量和改善输出电压波形的优点，是一种比较有前途的多电 平逆变器n 和2 1 1 。图卜5 为混合级联七电平逆变器，它由一个g t o 组成的h 桥单元和一个 由i g b t 组成的h 桥单元级联而成，g t o 单元桥的直流侧承担的直流电压为i g b t 单元桥 的两倍且工作在基频状态，主要用于提高输出电压和模块的容量，而i g b t 单元主要用 于提高电平，改善输出波形的谐波含量。 e e 2 e e 图1 4 级联五电平逆变器图1 - 5 混合级联七电平逆变器 1 3 动态电压恢复器的研究现状和进展 1 3 1 动态电压恢复器产生的背景和研究现状 随着现代科学技术的发展，自动化生产线、精密加工工业、计算机系统、机器人等 先进技术在现代企业中得到了广泛使用，这些负荷对现代工业进步做出了不可估量的贡 献，是工业文明发展的标志。但是这些敏感负荷对电能质量要求也非常高，有时半个周 波( 1 0 m s ) 的电压跌落或供电中断都会导致他们的工作中断或紊乱，在生产自动化程度 日益完善和普及的今天，即使是连续生产过程中的某一台设备的故障也可能致使整个生 产线停运，导致生产出次品或废品，造成巨大的经济损失。所以，供电系统故障或电能 质量恶化可能会给现代工业生产带来灾难性和毁火性的影响。 第一章引言 动态电能质量问题也就逐渐成为了人们关心的热点。提高电能的使用效率，建设“绿 色电网”也就逐渐成为全社会的共识；2 0 世纪8 0 年代提出的柔性交流输电系统( f l e x i b l e a ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，f a c t s ) 概念就是应用现代电力电子技术和控制技术，针对解 决动态电能质量问题的。它主要通过电力电子器件构成控制装置，利用控制技术对电力 系统进行调节，从而起到提高配电网电能质量、保护敏感负荷的作用。柔性交流输电系 统开辟了电力电子技术在电力系统中应用的新方向，带动了电力电子产业的发展，从而 推动了整个电力产业的革新与进步。 国内近年来对无功功率的补偿和高次谐波的滤波研究较多，静止无功发生器( s v g ) 和有源滤波器( a p f ) 都进入了实用阶段，而对电压跌落的研究及解决方案则研究的较 少。电压跌落( 也可将其称为电压凹陷) ，指电压幅值下降至额定电压幅值的1 0 - 9 0 ， 持续时间为半个周期到几秒的一种现象。欧美电力部门及用户对电压跌落的关注较多， 主要原因是在影响电能质量的诸多因素中，由电压跌落引起的电能质量问题占6 0 以上， 目前采取的减少电压跌落的预防措施有：降低线路发生故障的可能性、采用动作迅速的 继电保护装置和断路器加快故障清除时间、架设双回输电线路等。采用一些技术措施如 装配不问断电源u p s 来防止电压跌落带来的影响，u p s 对单相小容量负荷来说是一个较 好的选择，但是造价高、损耗大，对于较大的电力用户，常采用的措施是装配动态电压 恢复器( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ，d v r ) ，d v r 是解决电压质量最有效的工具之一n 2 吨钔。 d v r 是f a c t s 技术的代表之一，主要用于治理电压跌落、瞬时供电中断等电压质 量问题。其核心部分是基于全控器件的电压源型变流器，w e s t i n g h o u s e 公司为美国电科 院( e p r i ) 研制的世界上第一台d v r ，已于1 9 9 6 年投入工业运行并带来巨大的经济效 益。随后a b b 公司研制的2 2 k v 4 m v ad v r 也成功地应用于半导体生产厂的故障电压恢复。 目前由a b b 公司生产的d v r 容量已达到i o o m v a ，响应时间小于5 m s 。国外著名电气公司 如a b b 、西门子、西屋电气、三菱电气、美国超导等公司都已经拥有自己的d v r 产品； 国内很多高等院校和研究机构也已经在几年前开展了这方面的研究工作，并且已实现了 d v r 的市场化，如清华大学、华北电力大学、中国电力科学研究院等。其中清华大学柔 性输配电研究所和思源清能公司( 原四方清能公司) 合作研制的5 台3 8 0 v 系统中的d v r 已经在现场运行数年，取得了良好的现场效果，为企业创造了可观的经济效益。 随着新型电力电子器件和电路拓扑结构容量的不断提高，以及新型控制芯片的不断 涌现，d v r 的研究也逐步从低压小容量向中高压大容量方向发展。无论在补偿深度，补 偿速度和补偿精度方面都取得了突破性进展，这也逐步满足了电力用户不断提出的高电 压、大容量d v r 的要求。 1 3 2 目前动态电压恢复器主电路拓扑研究现状 d v r 主要是用来解决用户侧因系统电压跌落引起的电能质量问题，它串联于系统电 压和敏感负荷之间，核心部分是一个同步电压源变换器，可以根据系统当前的需要输出 特定相位和幅值的电压，当系统侧电压发生突变( 电压跌落、电压突升) 时，d v r 根据 系统变化电压的大小将对直流侧直流电源逆变产生相应的三相交流电压与系统电压串 连，以补偿由于电压变化造成的电压差，并调整三相负荷电压的对称性，从而保证敏感 第一章引言 负荷的正常运行。d v r 具有响应速度快、运行效率高、负荷适应性强等特点。 可等效为一个受控电压源即1 ，其单相等效电路如图卜6 所示，可以得知： 髓= 一k 图1 - 6d v r 等效电路图 z l o 口d 它工作时， 其中：垤一d v r 输出电压；矿一系统电压；吃。一负载电压； z 舶，一线路阻抗；圪，咖v r 等效电压源输出电压； z 一d v r 等效阻抗；，。一负载电流。 传统的d v r 结构主要包括储能装置、变流器、滤波电路和变压器四个部分乜钉( 如图 卜7 ) 。系统电压正常时，d v r 通过旁路开关短路，退出电压补偿，但是其检测机构时刻 在检测系统侧电压状况，当检测系统发现系统电压发生电压跌落且超过一定的阀值时， 旁路开关断歼，d v r 投入补偿，控制系统根据电压跌落深度生成指令信号，对变流器进行 控制，产生需要的补偿电压，再经过滤波电路和变压器，叠加到负载电路中，与系统电压i 一起确保负载的电压质量。直流侧电压常通过蓄电池、超级电容、飞轮等瞬间可提供较 大能量的储能装置提供，对电能质量问题的补偿深度和补偿时间取决于储能单元的容 量，这就使得d v r 的造价和成本受制于昂贵的储能单元，并且储能单元容量是有限的， 如果电源电压跌落时i 日j 较长，则无法满足系统的要求。 目前采用较多的是可连续运行动态电压恢复器1 ( u n i n t e r r u p t e dd y n a m i cv o lt a g e r e s t o r e r ，u d v r ) ( 如图卜8 ) ，它与上面介绍的结构最大的区别在于直流电压的取能方 式不同，主要通过与电网相连的整流器提供，它可以在系统发生较长时间的电压跌落时， 持续对负载电压进行补偿心引。因此，u d v r 不但可以解决电压跌落、突升、不对称、波动、 谐波等动态电压质量问题，还可以解决过电压和欠电压等稳态电压质量问题汹1 。 图l - 7d v r 结构图 第一章引言 图1 - 8u d v r 的主电路结构 为了提高d v r 的功率单元的容量，最好的方式是提高单管的容量，提高i g b t 的工作 电压和电流的等级，但是目前电力电子的研究水平，单i g b t 最大工作电压为6 5 k v 水平， 如果想应用于更高电压等级的电力系统，一种较好的方式就是采用i g b t 串联技术。目i j f ， i g b t 串联技术已经被a b b 等国外大电气公司掌握，我国的吴加林先生近年也申请了i g b t 串联技术的发明专利，但是国内一直没有成熟的产品应用。目前，清华大学柔性交流输 配电研究所也已经展开了i g b t 串联技术的研究，预期在不远的将来i g b t 串联技术将会在 大容量功率模块应用中得到广泛应用。图卜9 是一种基于i g b t 串联技术的两电平动态电 压恢复器结构，这种结构相当于单相h 桥中的每支i g b t 用一列串联多个的i g b t 的结构来 代替，可大大提高系统容量。 图1 - 9 基于开关器件串联的d t 结构图 随着电力电子技术和变频调制技术的发展，大容量的高压多电平变频调速技术得到 了广泛应用，它主要针对提高d v r 的容量和输出电压特性等方面，箝位型多电平结构可 以提高功率模块的容量和输出电压的谐波特性，是最早提出的多电平结构，目前的实际 工业现场已有应用，基于二极管箝位的三电平d v r 如图卜l o 。 级联h 桥型结构( 如图1 - 1 1 ) 不需要箝位电路所需的大量箝位二极管和箝位电容， 各个模块的直流电压独立，不存在相应的静、动态均压等问题，结构简单，技术成熟， 易于封