（电力电子与电力传动专业论文）三电平背靠背变流器系统的关键技术研究.pdf

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。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金妲- 王业丕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。 学位做储擗召溅】f 签字隗加1 1 斟月y , o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金蟹王些盔 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，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) 学位论文者签名召陵耳 导师签名： 潍琴 签字日期：z0 1 1 年斗月弓d 日 签字日期：2 0 1 年午月匆e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 目录 第一章绪论。1 1 1 三电平背靠背变流器的研究背景1 1 2 三电平变流器拓扑的研究现状1 1 2 1 二极管箝位式三电平变流器1 1 2 2 飞跨电容式三电平变流器2 1 2 3 级联三电平变流器。3 1 2 4t 型结构三电平变流器4 1 3 三电平背靠背变流器的应用现状5 1 3 1 三电平背靠背变流器在风力发电系统中的应用5 1 3 2 三电平背靠背变流器在电动机变频调速中的应用6 1 3 3 三电平背靠背变流器在轻型直流输电系统中的应用6 1 4 三电平背靠背变流器的p w m 控制技术7 1 5 本文的主要研究内容8 第二章三电平背靠背变流器的建模1 0 2 1 三电平背靠背变流器的工作原理1 0 2 1 1 三电平背靠背变流器的基本结构l o 2 1 2 单个三电平变流器的工作原理1 1 2 1 3 三电平背靠背变流器的能量循环过程1 2 2 2 三电平背靠背变流器的建模1 3 2 2 1 三电平背靠背三相静止坐标系模型1 3 2 2 2 三电平背靠背两相旋转坐标系模型1 4 第三章控制系统设计1 7 3 1 三电平变流器l 控制系统的建模1 7 3 1 1 三电平变流器1 的内环控制1 7 3 1 2 三电平变流器1 的外环控制1 9 3 2 三电平变流器2 控制系统的建模2 l 3 3 锁相环2 2 3 3 1 锁相环的基本原理2 2 3 3 2 三相静止垂直坐标系到两相静止坐标系变换2 2 3 3 3 两相静止垂直坐标系到两相旋转坐标系变换2 3 3 3 4 锁相环的实用范围2 5 第4 章p w m 调制算法2 6 4 1 三电平变流器s p w m 控制2 6 4 1 1 同向载波s p w m 控制2 6 4 1 2 反向载波s p w m 控制2 7 4 2 三电平变流器s v p w m 控制2 8 4 2 1 三电平变流器三电平空间电压矢量的分布2 8 4 2 2 三电平空间矢量调制法的概述2 9 4 2 3 统一电压矢量调制法3 l 4 3 三电平变流器十三矢量控制3 4 4 3 1 十三矢量调制的原理3 4 4 3 2 十三矢量调制的由来3 6 第五章平衡控制研究3 9 5 1 三电平变流器中点电位不平衡的原因3 9 5 1 1 矢量对中点电位的影响3 9 5 1 2 其他因素对中点电位的影响4 1 5 2 中点电位平衡控制策略4 l 5 2 1 平衡因子法4 2 5 2 2 十三矢量调制法中点电位的平衡4 4 第六章系统设计。4 6 6 1 主电路设计一4 6 6 1 1 半导体全控型器件的设计4 6 6 1 2 输出滤波电感的设计4 6 6 1 3 直流电容的设计4 9 6 2d s p + c p l d 的控制电路5 0 6 2 1 硬件电路的构成5 0 6 2 2 程序流程设计5 2 第七章实验5 4 7 1 仿真平台介绍5 4 7 2 实验平台介绍5 6 7 3 仿真和实验5 6 7 3 1 三电平背靠背系统跟随性的验证5 6 7 3 2 十三矢量调制法的验证5 7 7 3 3 中点平衡控制的验证5 8 第八章总结和展望6 0 8 1 总结6 0 8 2 展望6 1 插图清单 图1 1 半桥结构的二极管箝位式三电平变流器2 图1 2 飞跨电容多电平逆变器主电路拓扑结构3 图1 3 级联三电平变流器拓扑图4 图l - 4t 形结构三电平变流器拓扑图4 图1 5 双馈式异步发电系统的结构示意图6 图1 - 6 电动机变频调速系统结构示意图6 图1 7 轻型直流输电系统结构示意图7 图2 1 三电平背靠背变流器主电路图1 0 图2 2 三电平变流器四象限运行等效图1 2 图2 3 三电平背靠背变流器能量循环图1 2 图3 1 三电平变流器1 电流内环控制框图l7 图3 2 三电平变流器1 电流内环d 轴的等值框图1 8 图3 3 三电平交流器1 电压外环的等值框图2 0 图3 4 三电平变流器1 双环控制框图2 0 图3 5 三电平变流器2 电流环的控制框图2 1 图3 6 三电平变流器2 双环控制框图2 2 图3 7 锁相环基本结构图2 2 图3 8 三相静止到两相垂直静止坐标系转换示意图2 3 图3 - 9 两相垂直静止到两相同步旋转坐标系转化示意图2 4 图3 1 0 两相垂直静止到两相同步旋转坐标系转化示意图2 4 图4 1 同向载波s p w m 控制的原理图2 6 图4 2 反向载波s p w m 控制的原理图2 7 图4 3 三电平变流器的空间电压图2 8 图4 4 参考电压矢量在空间矢量图中的轨迹3 0 图4 5a 1 区开关状态输出顺序一3 1 图4 6 三电平空间矢量简化图3 2 图4 7h 1 扇区参考电压矢量的修正3 2 图4 8 两电平下某一时刻的输出状态图3 4 图4 9 十三矢量调制法调制波图3 5 图4 1 0 十三矢量调制法p w m 波的生成图3 6 图4 1 1 十三矢量调制法三相调制波波形图3 6 图4 1 2 十三矢量调制法空间矢量分区图3 7 图4 13 十三矢量调制法调制波和载波示意图。3 7 图4 1 4 十三矢量调制法第4 区矢量合成图3 8 图4 1 5 十三矢量调制法第5 区矢量合成图3 8 图5 。1 大矢量作用时三电平变流器1 的等效电路3 9 图5 2 中矢量作用时三电平变流器1 的等效电路4 0 图5 3 小矢量作用时三电平变流器1 的等效电路4 0 图5 4 零矢量作用时三电平变流器1 的等效电路4 l 图5 5 直流侧电容小信号模型4 2 图5 - 6 统一电压矢量调制法某一时刻输出波形图4 3 图5 7 第四扇区矢量合成图4 5 图5 8 第四扇区矢量合成图4 5 图6 1 一个开关周期的电流瞬态过程4 7 图6 2 三电平变流器l 单位功率因数下稳态矢量关系图4 8 图6 3d s p + c p l d 模式的构成图5 0 图6 4 采样的外围电路图5 1 图6 5 过流保护和过压保护的外围电路图5 2 图6 6 主函数的流程图5 2 图6 7 中断函数的流程图5 3 图7 1 三电平背靠背系统主电路的仿真图5 4 图7 2 三电平变流器1 闭环控制仿真图5 4 图7 3 三电平变流器2 闭环控制仿真图5 5 图7 - 4 统一电压矢量调制法的仿真图5 5 图7 5 十三矢量调制法的仿真图5 6 图7 6 三电平背靠背变流器实验平台5 6 图7 7 三电平变流器l 交流侧电压仿真图5 7 图7 8 三电平变流器1 交流侧电压实验图5 7 图7 - 9 三电平变流器2 网侧电流仿真图5 7 图7 - 9 三电平变流器2 网侧电流实验图5 7 图7 1 1 十三矢量调制线电压仿真图5 8 图7 1 2 十三矢量调制线电压实验图5 8 图7 1 3 十三矢量调制网侧电流仿真图5 8 图7 1 4 十三矢量调制网侧电流实验。5 8 图7 1 5 平衡因子法直流电压仿真图5 8 图7 1 6 平衡因子法直流电压实验图5 8 图7 1 7 十三矢量调制直流电压仿真图：5 9 图7 1 8 十三矢量调制直流电压实验图5 9 表格清单 表1 1t 形结构三电平开关动作表5 表4 1 矢量分配表一2 8 表4 2 中心矢量表3 3 三电平背靠背变流器系统的关键技术研究 摘要 三电平背靠背变流器是高压大功率调速场合的理想选择之一，而二极管嵌 位式三电平变流器拓扑结构输出电压谐波含量少，耐压等级高，开关损耗小， 应用最为广泛，所以成为目前研究热点之一。 论文首先介绍了三电平背靠背变流器的研究背景、三电平变流器拓扑的发 展现状、三电平背靠背变流器的应用领域、常见的控制算法；然后以二极管箝 位式三电平背靠背变流器系统为研究对象，介绍三电平背靠背变流器的开关动 作过程和功率传输过程，建立数学模型，并通过坐标变换转换到两相旋转坐标 系下，为后序建立控制系统和进行p w m 调制奠定基础；根据整流器和逆变器的 不同，分别建立了直流电压外环网侧电流内环的双环模型和网侧电流环的单环 模型，设计调制器的参数，使得系统具有最优的性能；介绍同向载波s p w m 调制 法和反向s p w m 调制法的基本原理和输出电压谐波含量的特点；介绍传统的三电 平空间矢量调制法的基本原理、优点和缺点，引出了一种具有空间矢量算法输 出效果、但是更加简单的算法一一统一电压矢量调制法；引出了一种具有直流 侧中点自平衡能力的调制算法一一十三矢量调制法，介绍了十三矢量调制法调 制波的产生和载波的特点，并详细分析了该调制算法所使用的矢量类型；介绍 三电平变流器存在的一个固有问题一一直流侧中点不平衡的问题，介绍中点不 平衡的危害以及产生的原因，总结了目前常见的几种控制方法，并介绍了适用 于统一电压矢量调制法的平衡因子控制法，以及分析了十三矢量调制法直流侧 中点自平衡的原因。 在理论分析的基础上，搭建了三电平背靠背变流器的基于m a t l a b 的仿真 平台和基于d s p 和c p l d 的实验平台，详细介绍了仿真平台和实验平台的构造， 并在此基础上，验证了三电平背靠背系统的动态性能、十三矢量调制法的正确 性以及中点平衡算法的有效性。仿真和实验的结果验证了系统结构和控制算法 的科学性和有效性。 关键词：三电平背靠背变流器，中点箝位式，统一电压矢量调制，十三矢量调 制，中点电位平衡 r e s e a r c ho i lt h ek e yi s s u e sf o rt h r e e l e v e l a c d c a cc o n v e r t e rs y s t e m a b s t r a c t t h r e e 1 e v e la c d c a cc o n v e r t e ri st h ei d e a lc h o i c ef o rh i g hv o l t a g ea n dh i g h p o w e rs p e e dc o n t r o la p p l i c a t i o n s b e c a u s eo fl o w e rh a r m o n i c ，h i g h e rv o l t a g el e v e l a n dl e s ss w i t c h i n g1 0 s s ，t h en e u t r a lp o i n tc l a m pt h r e e l e v e lc o n v e r t e rh a sb e e nu s e d w i d e l ya n db e c a m ean e wr e s e a r c hh o t s p o t i nt h i sp a p e r , t h eb a c k g r o u n d ，d e v e l o p m e n ts t a t u s ，a p p l i c a t i o n sa n dc o m m o n a l g o r i t h mo ft h r e e 1 e v e l a c d c a cc o n v e r t e ra r ei n t r o d u c e df i r s t l y s e c o n d l y ， t a k i n gt h en e u t r a lp o i n tc l a m pt h r e e l e v e la c - d c a cc o n v e r t e rf o re x a m p l e ，t h e s w i t c ha n dp o w e rt r a n s m i s s i o np r o c e s si si n t r o d u c e d ，a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i se s t a b l i s h e da n dc o n v e r t e dt ot h es y n c h r o n o u sr e f e r e n c ef r a m e c o n s i d e r i n gt h e d i f f e r e n c eb e t w e e nr e c t i f i e ra n di n v e r t e r ，t h ed o u b l el o o pm o d e lc o n t a i n i n gv o l t a g e l o o pa n dc u r r e n tl o o pa n dt h es i n g l ec u r r e n tl o o pm o d e la r ee s t a b l i s h e d ，a n d t h e p a r a m e t e r so ft h em o d u l a t o r a r ed e s i g n e dw h i c hm a k et h es y s t e ms t a b l ea n dr a p i d t h e n ，t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dt h eh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo u t p u tv o l t a g eo f t h ep h a s ed i s p o s i t i o nm e t h o da n dt h ep h a s eo p p o s i t i o nd i s p o s i t i o nm e t h o da r e i n t r o d u c e d m e a n w h i l e ，t h eb a s i cp r i n c i p l e ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e t r a d i t i o n a lt h r e el e v e ls p a c ev e c t o rp w ma l g o r i t h ma r ei n t r o d u c e d ，a n da n e wk i n d o fa l g o r i t h mn a m e du n i f i e dv o l t a g em o d u l a t i o ni sp r o p o s e d ，w h i c hi st h es a m e o u t p u te f f e c tw i t hs v p w m ，b u tm o r es i m p l e an e wa l g o r i t h m - - t h i r t e e nv e c t o r m o d u l a t i o ni sp u tf o r w a r dt om a k et h ed cv o l t a g e ss e l f - b a l a n c i n g ，a n dt h e nt h e g e n e r a t i o no ft h em o d u l a t i o nw a v e ，c h a r a c t e r i s t i c so f t h ec a r r i e r sa n dt h es e l e c t e d v e c t o r sa r ea n a l y z e di nd e t a i l t h e r ei sa ni n h e r e n tp r o b l e mi nt h r e el e v e lc o n v e r t e r - - n e u t r a l p o i n tv o l t a g eb a l a n c i n gp r o b l e m ，i n t h i sp a p e rt h eh a z a r d sa n dt h e r e a s o n so fn e u t r a l p o i n tv o l t a g eb a l a n c i n gp r o b l e ma r ei n t r o d u c e d ，a n ds e v e r a l r e c e n tc o n t r o lm e t h o d sa r es u m m a r i z e d ，t h e n ，b a l a n c ef a c t o rc o n t r o lm e t h o dm a d e f o ru n i f i e dv o l t a g em o d u l a t i o na n dt h er e a s o nf o rt h ed cv o l t a g e ss e l f - b a l a n c i n g a b i l i t yo ft h i r t e e nv e c t o rm o d u l a t i o na r ep r o p o s e d b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，m a t l a bs i m u l a t i o np l a t f o r ma n dd s p + c p l de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mh a v eb e e nb u i l t ，a n ds e v e r a lk e yp r o b l e m ss u c ha st h e s y s t e md y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h ec o r r e c t n e s so ft h i r t e e nv e c t o rm o d u l a t i o na n d t h ee f f e c t i v e n e s so ft h en e u t r a lp o i n tv o l t a g ec o n t r o la l g o r i t h m sh a v eb e e nv e r i f i e d t h er e s u l t sv e r i f yt h a tt h ef e a s i b i l i t yo ft h es t r a t e g i e sa n dt h ev a l i d i t yo fn e u t r a l p o i n tv o l t a g ec o n t r o lm e t h o d s k e y w o r d s ：t h r e e l e v e la c - d c a cc o n v e r t e r ，t h en e u t r a lp o i n tc l a m pt h r e e - l e v e l c o n v e r t e r ，u n i f i e dv o l t a g em o d u l a t i o n ，t h i r t e e nv e c t o rm o d u l a t i o n ，n e u t r a lp o i n t v o l t a g ec o n t r 0 1 v i i i 致谢 本文是在导师张兴教授的悉心指导下完成的。论文从立题、选向、方案确 定到论文的撰写和定稿都凝聚着导师的心血，文章一次又一次的修改直至最后 成型，导师给予了大量的意见、建议和细心的指导。在学习和生活中，导师的 亲切关怀和热情指导，使我受益非浅。同时导师高尚的品格、渊博的学识、敏 锐的思维、严谨的治学态度、对学生的严格要求及豁达的人生观都给我留下了 深刻印象，并将受益终生。在论文完成之际，谨向导师致以最崇高的敬意和最 衷心的感谢! 在研究过程中，得到了王付胜老师对我的帮助和关心，本文的完成，离不 开各位老师平时对我的悉心指导。在此，表示衷心感谢! 在我学习期间，得到了项目组同学的热情帮助，他们是：江涛师兄、文家 燕师弟、刘萍师妹和张长信师弟等，这里我特别感谢他们给我的帮助和支持， 在此感谢他们。 在我学习期间，还得到了实验室同学的热情帮助，他们是：陈武、丁杰、 王莹、查乐、张虎、刘震、胡超、董文杰等，大家在学习上互相勉励，在科研 上互相支持，在生活上互相帮助，此情此景历历在目，令人难忘，在此感谢他 们。 在研究生的三年中，我的家人和朋友都给与了我无私的关心和支持，论文 的完成与他们的关怀和鼓励密不可分，在此，一并向他们表示最诚挚的谢意! 最后，对在百忙之中抽时间对该论文进行评审的各位专家与学者表示深深 的敬意和谢意。 作者：邵章平 2 0 1 1 年3 月 第一章绪论 1 1 三电平背靠背交流器的研究背景 进入二十一世纪以来，我国国民经济的快速发展，带动了电力电子技术事 业的长足进步，作为能量转换核心的变流器广泛应用于工业和生活方方面面。 其中，电压源型背靠背变流器，既能进行有功和无功的独立控制，又能实现能 量的双向流动，而且谐波小、直流电压可控，在清洁能源和节能减排备受重视 的当今，得到了广泛的关注瞄1 。 电力电子技术的快速发展对背靠背变流器的容量及电压等级的要求也越来 越高，但是，传统的两电平背靠背变流器却很难满足要求，具体体现在以下三 个方面：l 、开关器件的电压应力变大；2 、开关损耗增加，系统的效率降低；3 、 电磁干扰。 在这种现状下，三电平背靠背变流器应运而生。相对于传统的两电平背靠 背变流器，三电平背靠背变流器具有以下优点：1 、耐压等级提高了一倍；2 、 增加了一个输出电平，从而减少了d u d t ；3 、谐波畸变更低，t h d 更小1 。所以 三电平取代两电平作为背靠背变流器的拓扑将是大势所趋。 背靠背变流器两端都接在电网中，实现能量的双向循环，如何进行四象限 功率控制是现如今的研究热点。另外，三电平拓扑并不是完美无缺的，它也存 在一些不足，比如直流侧中点电位的偏移、控制算法复杂等等亟待解决的问题， 而且解决这些问题的技术还不是非常完善，所以将会成为国内外专家学者研究 的热点话题之一。 1 2 三电平变流器拓扑的研究现状 三电平背靠背变流器由三电平整流器和三电平逆变器两个部分组成，整流 器和逆变器仅仅在能量的流动方向和控制策略上存在不同，主电路结构完全一 致，故本文统称三电平变流器h 3 。变流器的拓扑结构决定了背靠背装置的性能， 常见的三电平变流器的拓扑结构有以下几种：二极管箝位式三电平变流器、飞 跨电容式三电平变流器、级联三电平变流器和t 型结构三电平变流器。下面将对 这几种类型的三电平变流器拓扑做详细介绍。 1 2 1 二极管箝位式三电平变流器 二极管箝位式三电平变流器( n e u t r a l p o i n t c l a m p e d ，n p c ) 是三电平变流器 中最早提出的一种拓扑，是日本长冈科技大学的a n a b a e 等人于1 9 8 0 年在i e e e 工业应用( i a s ) 年会上首次提出的。图1 - 1 是半桥结构的二极管箝位式三电平 变流器的结构图。 c 2 图卜1 半桥结构的二极管箝位式三电平变流器 如图卜1 所示，电容c 1 、g 起了缓冲无功能量和平滑滤波的作用，二极管 q 、d 2 用于将输出电平筘位到零。其工作原理如下：当开通昂乃、关断乐五 时，在变流器输出端可以获得一个正电平；开通墨五、关断z 、t 4 时，输出电 压为o ；开通弓互、关断巧、乏时，可在输出端得到一个负电平，通过对四个 开关器件的控制，可以在输出端合成三电平的波形。 与两电平变流器相比，二极管箝位式三电平变流器主要有以下优点： ( 1 )输出电压的电平数增多，输出电压谐波含量减少； ( 2 )无论哪种工作模式，都有两个功率开关器件同时导通，耐压等级提 高了一倍； ( 3 )开关损耗较小，系统的效率得到了提高。 二极管箝位式三电平变流器也存在着较明显的缺点，主要表现在以下几个 方面： ( 1 ) 需要较多的功率开关器件和箝位二极管，增加了成本； ( 2 ) 每相桥臂的功率器件导通时间存在不一致； ( 3 ) 由于直流侧中性点的引出，中点电流对上下电容充电的不平衡会造 成直流侧电容电压不平衡。 1 2 2 飞跨电容式三电平变流器 用飞跨电容取代钳位二极管便得到飞跨电容式三电平变流器，其结构图如 图卜2 所示。开关五和互工作状态互补，开关互和互工作状态互补，正常工作 时，飞跨电容上必须保持在k 2 的电压。 飞跨电容式三电平变流器的工作原理简述如下：以0 点为参考点，当开关互 和互开通时，输出电压为k 2 ；当开关五和五开通时，直流母线对飞跨电容 充电，输出电压为0 ；当开关疋和五开通时，飞跨电容通过负载放电，此时输 出电压也为o ；当开关互和五开通时，输出电压为v k 2 。为了维持飞跨电容 的电压平衡，必须使飞跨电容的充电过程和放电过程所持续的时间相等。 c 2 图卜2 飞跨电容多电平逆变器主电路拓扑结构 飞跨电容式三电平变流器的优点主要有以下几点： ( 1 ) 输出电压的电平数增多，输出电压谐波含量减少： ( 2 ) 开关损耗较小，系统的效率得到了提高； ( 3 ) 可以控制无功功率流，适用于高压直流输电； ( 4 ) 通过不同的开关组合，可使得直流侧电容电压均衡。 飞跨电容式三电平变流器的缺点主要有以下几点： ( 1 ) 需要使用较多的飞跨电容，增加了硬件成本； ( 2 ) 用于有功功率传输时控制复杂、开关频率高、开关损耗大。 1 2 3 级联三电平变流器 图卜3 为级联三电平变流器的拓扑结构图。如图1 - 3 所示，级联三电平变流 器是由两个单相全桥电路串联而成，总输出电压为两个串联单元输出电压的叠 加。 c c 图卜3 级联三电平变流器拓扑图 级联三电平变流器拓扑的主要优点有以下几点： ( 1 ) 输出电压的电平数增多，输出电压谐波含量减少； ( 2 ) 开关损耗较小，系统的效率得到了提高； ( 3 ) 级联的基本单元容量小、电压低，技术比较成熟，易于模块化； ( 4 ) 无需要使用箝位二极管或飞跨电容，易于封装和扩展； ( 5 ) 可采用软开关技术，减小开关损耗，提高了效率； 级联三电平变流器拓扑的主要缺点包括： ( 1 ) 器件数目庞大； ( 2 ) 需较多的独立电源。 1 2 4t 型结构三电平变流器 t 形结构三电平变流器是近年提出的一种新拓扑结构，其主电路拓扑如图 卜4 所示： 图1 - 4t 形结构三电平变流器拓扑图 4 从图1 4 上可以看出，t 形结构三电平变流器不需要钳位二极管，而是将 一对功率开关器件反串联在中母线上。定义电流流出桥臂为正，t 形结构三电 平变流器工作时开关状态、输出电压和流通回路如表所示，从表1 1 中我们可 以看出，二极管钳位式三电平变流器的调制策略可以移植到t 形结构上。 表1 - 1t n 结构三电平开关动作表 输出电压t lt 2t 3t 4电流方向流通回路 正c l + ，t 1 ，l ，c l 一 。2 1 1o0 负c l 一，l ，d 1 ，c l + 正 c 2 + ，t 2 ，d 3 ，l ，c 2 + o01 lo 负c 2 + ，l ，t 3 ，d 2 ，c 2 + 正c 2 一，d 4 ，l ，c 2 + 式k | 2 ool 1 负c 2 + ，l ，t 4 ，c 2 一 与二极管钳位式三电平变流器相比，t 形结构三电平变流器每相要少两个钳 位二极管，因此硬件成本降低，系统结构也更加简单；t 形结构三电平变流器在 输出非0 电平时，电流路径要少一个功率管( 电流方向和输出电压同极性时少一 个i g b t ，反之则少一个二极管) ，因此，t 形结构三电平变流器的导通损耗小， 而且调制度越高( 0 电平作用时间越短) ，效果越明显。但是t 形结构三电平变 流器的耐压等级只有二极管钳位式三电平变流器的一半，不太适用于高电压场 合。 1 3 三电平背靠背变流器的应用现状 1 3 1 三电平背靠背变流器在风力发电系统中的应用 风电是目前技术最成熟、最具竞争力的新能源发电技术，开发利用凤能资 源已成为有效应对能源和环境问题的重要措施。2 0 1 0 年，我国的风电累计装机 容量将超过4 0 0 0 万千瓦，比上年增长约5 5 ，跃居世界第一。随着风电机组装 机容量的日益扩大，如何提高发电效率就成为了制约风电发展的关键技术难题。 基于三电平背靠背变流器的双馈式异步发电系统便是一种提高效率行之有效的 技术方案晦1 。 三电平背靠背变流器可以实现能量的双向流动，功率因数任意可调，容量 大、耐压等级高，能够满足大功率风力发电的应用要求，具有很高的工程价值。 双馈式异步发电系统的结构示意图如图1 - 5 所示。 电 网 网侧三电 平变流器 图卜5 双馈式异步发电系统的结构示意图 从图中可以看出，根据所处位置的不同，三电平变流器可以分为转子侧变 流器和网侧变流器。转子侧三电平变流器的作用是：( 1 ) 为双馈式异步发电机 提供励磁电流，调节定子发出的无功；( 2 ) 控制双馈式异步发电机转子转矩， 实现最大功率点跟踪。网侧三电平变流器的作用是：( 1 ) 保证电流波形具有较 高的正弦度，谐波含量尽可能低，功率因数任意可调；( 2 ) 稳定直流侧的电压。 1 3 2 三电平背靠背变流器在电动机变频调速中的应用 在电动机变频调速系统中，三电平背靠背变流器的应用越来越广泛。与传 统的二极管不可控整流系统相比，三电平背靠背变流器既可以实现网侧电流的 单位功率因数控制，又能实现电动机的四象限运行，完成能量回馈。所以，三 电平背靠背变流器己成为了电动机变频调速系统的首选哺1 。当采用三电平背靠 背变流器时，电动机变频调速系统如图卜6 所示。 三电平变流器1三电平变流器2 文萝 1 l d c 迄卜 a c a cd cl 迄卜 - - r - 图卜6 电动机变频调速系统结构示意图 电动机运行的工况分为两种：拖动运行状态和减速运行状态。当电动机处 于拖动运行时，三电平变流器1 处于整流状态，三电平变流器2 处于逆变状态， 可以实现电流的单位功率因数控制和电机的变频调速控制；当电动机处于减速 运行时，三电平变流器2 处于整流状态，三电平变流器l 处于逆变状态。电动机 的再生能量先经过三电平变流器2 对直流侧电容进行充电，再经过三电平变流器 1 馈送到电网，实现了再生能量的回收利用。 1 3 3 三电平背靠背变流器在轻型直流输电系统中的应用 现代高压直流输电普遍采用晶闸管和移相换流技术，这种方案具有开关频 率较低、体积庞大、换相损耗大、谐波含量高等缺点。针对当前高压直流输电 的不足，a b b 公司研发了轻型直流输电系统。轻型直流输电技术采用i g b t 和背 靠背变流器进行换流，开关速度快，频率高，损耗小，控制和运行简单，输出 电压波形好，功率因数高，具有良好的发展前景盯1 。轻型直流输电系统结构如 图卜7 所示。 三电平变流器传输电缆三电平变流器 器换流电感 j j 1 a g ttd c 土r d e i 1 a c tt 图卜7 轻型直流输电系统结构示意图 在轻型直流输电系统中，三电平背靠背变流器有4 种常见的控制，即定直流 电压控制、定直流电流控制、定交流电压控制和变频控制。其中定直流电压控 制和定直流电流控制应用于与有源网络相联的场合，定交流电压控制应用于对 无源网络供电的场合，变频控制应用于与风电厂相连的场合或者应用于黑启动。 1 4 三电平背靠背变流器的p w m 控制技术 p w m 控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的 宽度进行调制，来等效地获得所需要波形。p w m 技术在变流器应用最为广泛， 对变流器影响也最为深远。常见三电平变流器p w m 控制技术有以下几种：载波 层叠法h 引、特定谐波消除法( s h e p w m ) n 叫1 1 3 、开关频率优化法( s f o p w m ) n 2 3 和空间矢量调制法( s v p w m ) n 3 1 。 1 、载波层叠法 载波层叠法是由两电平s p w m 法演变而来的，采用2 组同频、等幅的三角载 波，分成上下两层，与正弦波进行比较，根据调制波与载波比较的结果输出高 低电平，控制功率开关器件的通断。载波层叠法又分为同向载波层叠法和反向 载波层叠法。 载波层叠法的调制波为正弦波，简单易行，但电压利用率比较低，且对中 点电位的波动没有特别行之有效的控制方案。 2 、特定谐波消除法 特定谐波消除法的基本原理是，通过开关时刻的优化选择，恰当地控制逆 变器的脉宽调制电压波形，使变流器的输出电压中不存在某些特定的谐波。 特定谐波消除法输出电压波形的质量得到了较明显的改善，电流纹波得到 了衰减，有利于降低滤波器的尺寸，而且有效地降低了开关损耗，提高系统的 效率。特定谐波消除法的不足之处在于需要求解一组非线性超越方程组，国内 外的专家学者们提出了很多解决该问题的办法，但这些办法都是基于牛顿迭代 法之上的。用牛顿迭代法求解非线性方程组时，需要一组初始值，初值的选取 尚没有有效的办法，较普遍采用的是试凑法，这种方法效率非常低、花费的时 间长；采用查表法查取开关切换时刻，又需要大量的存储空间。所以特定谐波 消除法的应用范围非常有限。 3 、开关频率优化法 开关频率优化法所采用的三角波与载波层叠法相同，不同之处在于调制波： 开关频率优化法的调制波是在正弦波的基础上注入零序分量。 开关频率优化法既可以提高背靠背系统的直流侧电压利用率，又可以减少 一个周期的开关次数，减少了开关损耗。但是由于调制波中叠加了零序分量， 使得输出相电压的基波分量成鞍形波，线电压的基波分量不受影响，所以开关 频率优化法只适用于三相三线制系统中。 4 、空间矢量调制法 三电平空间矢量调制法的核心思想是：用一个旋转的通用电压矢量，取代 三相正弦参考电压，当旋转的通用电压矢量落到某个扇区时，利用组成该扇区 的三个矢量和伏秒平衡原理，形成p w m 波。 空间矢量调制法直流电压利用率高，输出电压谐波含量少，但是三电平变 流器共有2 7 个电压矢量、3 6 个扇区，其运算量较两电平空间矢量算法要复杂 的多。所以寻求一种简单易行却有着空间矢量调制效果的算法变成了当务之急。 1 5 本文的主要研究内容 本文以二极管箝位式三电平背靠背变流器系统为研究对象，建立背靠背变 流器的数学模型，设计主电路参数和控制系统参数，介绍了目前常见的s p w m 调 制法和空间矢量调制法，并介绍了一种输出效果与空间矢量调制法相当的统一 电压矢量调制法，以及具有中点自平衡能力的十三矢量调制法。这些工作，既 有较强的理论研究价值，也有较强的工程实践意义。具体的研究内容包括以下 几个方面： ( 1 )介绍了三电平背靠背变流器的研究背景、三电平变流器拓扑的发展现 状、三电平背靠背变流器的应用领域、常见的控制算法。 ( 2 )介绍三电平背靠背变流器的开关动作过程和功率传输过程，建立数学 模型，并通过坐标变换转换到两相旋转坐标系下，为后序建立控制系 统和进行p w m 调制奠定基础。 ( 3 )根据整流器和逆变器的不同，分别建立了直流电压外环网侧电流内环 的双环模型和网侧电流环的单环模型，设计调制器的参数，使得系统 具有最优的性能。 ( 4 )介绍一种速度快、精度高的获取电网相位的方法一锁相环法，介绍了 8 锁相环获取电网相位的基本原理、工作过程以及适用的范围 ( 5 )介绍同向载波s p w m 调制法和反向s p w m 调制法的基本原理和输出电压 谐波含量的特点。 ( 6 )介绍传统的三电平空间矢量调制法的基本原理、优点和缺点，引出了 一种具有空间矢量算法