（电力电子与电力传动专业论文）基于空间电压矢量法的三电平静止无功发生器设计.pdf

硕士论文基于空间电压矢量法的三电平静止无功发生器设计 a b s t r a c t at h r e e - l e v e ls t r u c t u r es t a t i cv a rg e n e r a t o r ( s v g ) b a s e do ns p a c e v e c t o r p u l s ew i d t hm o d u l a t i o ni sd e s i g n e di nt h i sp a p e r ，t h et h e o r yo fs v ga n d s v p w mi ss t u d i e da n da n a l y z e dd e e p l y i nt l i e o r y p a r t , t h r o u g ha n a l y z i n g t h ec o n t r o l l i n gp r i n c i p l eo f c o n v e n t i o n a ls p a c e v e c t o rp w ma n di t sd i s a d v a n t a g e s ，t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t sa ni m p r o v e dt w o l e v e ls v p w mm e t h o d c o m b i n e dw i t ht h r e e l e v e l s v g ，i nt h i sp a p e r ，t h eu s a g eo ft h r e e l e v e ls v p 矾ic o n t r o ls t r a t e g yo n s v gisp r o p o s e d t h r e e 。l e v e ls v gb a s e do ns p a c e 。v e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o ni sg i v e n t ot h eo v e r a l ld e s i g np r o c e s s ，o nt h ev a r i o u sa s p e c t so fd e t a i l ： t h es o f t w a r es i m u l a t i o nh a sb e e nd o n ew i t hs i m p l o r e r7 0 ，a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h eu s eo ft h i sc o n t r o lm e t h o do fs v gb e t t e r r e a l i z et h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o np u r p o s e s ： c o m p l e t e dt h eh a r d w a r ep a r to fs v go nt h ew h o l e ，g i v e nt h ev a r i o u s p a r t so ft h ed e t a i l e dc i r c u i td i a g r a m s ；d e s i g n e dt h es o f t w a r ep a r to ft h e w h o l e ，b a s e do nt i st m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s pp r o g r a m m i n g ，g i v e nad e t a i l e d s o f t w a r ed e s i g nf l o w ，a n ds h o u l dp a ya t t e n t i o nt ot h ei s s u e s ：t h ev a r i o u s m o d u l e sh a v ec o n d u c t e de x p e r i m e n t sa n dt h es y s t e mt e s t s k e y w o r d s ：t h r e e l e v e l ，s t a t i cv a rg e n e r a t o r ，s p a c e v e c t o rp u l s e w i d t h m o d u l a t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 殛翌 黟年7 月咱 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文。按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 丛虽哪年7 月y 日 硕士论文基于空间电压矢量法的三电平静止无功发生器设计 1绪论 1 1 研究背景 1 1 1 无功功率补偿的意义 工业和生活用电负载中，感性负载占有很大比例。异步电动机、变压器、荧 光灯等都是典型的感性负载。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功 率。感性负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。 电力电子等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种糨控装置在工作时 基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。另外这些装置产生的大量谐 波电流也要消耗无功功率。无功功率对电网的影响包括：增加设备容量；设备及 线路损耗增加；使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载还会 使电压产生剧烈波动。使供电质量严重降低。 无功功率对公用电网的影响主要有以下几个方面： a ) 增加设备容量。 b ) 设备及线路损耗增加。 c ) 使线路及变压器的电压降增大。 为了输送无功功率，要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围里实现， 而网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中的某个地方获得。显然，这些 无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能 的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，使电网只需输送 电流相位与电压相位同相的电能，即只输送有功电能。这就是通常说的无功补偿。 简单说来，无功补偿的作用有如下几点： a ) 提高供用电系统和负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。 b ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离的输电线中合适的 地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。 c ) 在三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及 无功负载。 所以，对电力系统进行无功补偿是必要的。 1 1 2 无功补偿设备的发展 早期的无功补偿设备包括并联电容器、调相机等。但是并联电容器的阻抗固 定，无法动态的跟踪负荷无功功率的变化，而调相机等设备则属于旋转设备，损 耗及噪声很大。且对于太大或太小的无功补偿都不适用，因而上述这些设备已越 来越不适应电力系统以后的发展趋势。目前广泛应用的是结合了电力电子技术的 硕士论文基于空间电压矢量法的三电平静止无功发生嚣设计 静止无功补偿技术。 其实，采用了电力电子器件的无功补偿装置中的大部分，如s v c ( s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r ) 、s v g ( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) 、a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 等， 都属于f a f i r s ( f l e x i b l ea 1 t e r n a t i n gc u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 设备范 围内。f a c t s 是美国电力研究所的n g h i n g o r a n i 博士在1 9 8 6 年提出的概念。 它结合了电力电子技术、微处理器技术和控制技术等高新技术，不仅可应用于高 压、超高压长距离交流输变电系统，还可用于城市输配电网络，以提高其功率传 输能力、电能利用率及改善电压质量。 a ) 传统的静止无功补偿装置 s v c 是二十年前就出现的无功补偿装置，它是由固定电容器组、晶闸管控制 的电容器组( t s c - t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ) 和电抗器组( t c i 卜- t h y r i s t o r c o n t r o l l e dr e a c t o r ) 组合而成。通过调节t c r 和t s c ，使整个装置无功输出呈 连续变化，静态和动态的使电压保持在一定范围内提高系统的稳定性。其中的 t s c 和t c r 也可单独使用，并已得到了广泛的应用。 b ) 现代静止无功补偿装置 1 ) 静止无功发生器s v g ( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) s v g 是电力系统主要的可控设备之一，也是f a c t s 家族中的重要一员。它不 仅可调节无功，还可用来改善电力系统稳定性。在配电网中，作为“用户电力” 的一个重要设备，应用前景广泛。它可以在电网连接点提供快速的电压和无功控 制，以改善配电网供电质量，也可提高线路的功率因数，以减少线损。此外，静 止无功发生器用在配电网中还可保护电网不受谐波、电压闪烁、电压不对称之类 的电网污染。其主回路是由大功率电力电子器件组成的逆变器和电容器构成的。 它是与传统的s v c 原理完全不同的无功补偿系统。不采用常规的电容器和电 抗器，而是通过逆变器并联到电网上来实现无功补偿。在恒电压控制方式下，它 通过控制输出的三相交流电压来调节无功功率，当输出的三相交流电压大于电网 电压时，输出容性无功：当电网电压大于输出的三相交流电压时，则输出感性无 功。必要时静止无功发生器可以工作在恒无功方式下，此时静止无功发生器输出 所需要的任意无功，而与电网电压情况无关。 现在s v g 已成为静止无功补偿技术的发展方向是今后柔性交流输电系统的 一个重要元件。像日本于1 9 9 1 年就开发出8 0 w v a r 的s v g 装置并投入使用，美 国电力研究所与西屋公司则开发了1 0 0 m v a r 的s v g 装置。在国内，河南电力局 和清华大学共同研制了+ 2 0 m v a r 的s v g ，并与1 9 9 9 年夏在河南省电网试运行。 2 ) 有源滤波器a p f 有源滤波器是一种可动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。 2 硕士论文基于空间电压矢量往的三电平静止无功发生器设计 它对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率可同时进行补偿；响应速 度快：调节连续；不会出现谐振问题；能跟踪电网频率的变化：既可以对单个谐 波和无功源补偿，也可以对多个谐波和无功源集中补偿。如1 9 8 6 年日本研制的 1 5 k v a r 两重型有源滤波器，可补偿1 9 次以下的高次谐波，补偿率达9 0 。 3 ) 统一潮流控制器u p f c u p f c ，全称u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r 。这是一个综合效果良好的新 型f a c t s 控制器，由并联补偿的s v 6 和串联补偿的s s s c ( s t a t i cs y n c h r o n o u s s e r i e sc o m p e n s a t o r ) 组合而成，具有一个共同统一的控制系统，结合了多种 f a c t s 技术的灵活控制手段。 它借由变流器改变叠加在输电线相电压上的电势，从而使得其幅值和相角均 可连续变化，进而控制线路等效阻抗、电压大小和相位，同时调节输电线路的有 功和无功功率，提高线路输送能力并且阻尼系统振荡。其注入系统的无功是本身 装置控锻和产生的。德国研究表明u p f c 可能会成为f a c t s 控制器中功能最强 大的控制器因为它可以独立地控制三个变量，即纵向电压的幅值、相角以及线 对地电压的并联无功功率。 上述补偿设备中，s v c 和s v g 是目前应用最为广泛的补偿器，且其造价也基 本可以为电力公司所接受。但是s v c 需要大容量的电容器等储能元件，造价高且 设备占地面积较大，并且其对电网电压的波动表现出恒阻抗特性，从而在电网电 压波动时不能充分发挥其作用。与其相比，s v g 只需要维持直流侧电压的较小容 量的电容器，大大减小了装置的体积和成本：此外，启动无冲击调节连续，范 围大，响应速度快，损耗小；而且在使用了多重化技术和p 啊技术后，还可大大 减少补偿电流中的谐波含量。加之s v c 采用的是传统的材料，其价格随时间推移 增加，并且响应时间也较长。而s v g 等采用的是大功率电力电子器件，如g t o ， 其价格在过去几年以每年1 0 的速度递减。另外，i g b t 等新的电力电子器件也已 经出现并投入使用，其性能更优，但价格更便宜。而且随着使用规模的扩大，会 比传统材料有更大的降价空间。 至于u p f c ，其价格超出了电力公司能接受的范围，若想得到更广泛的使用， 必须进一步降价。而且，u p f c 是按照具体需要个别设计制造的，虽然标准平台 和模块结构等技术可促使其设计的标准化，可近期内还是很难改变现有个别设计 的局面。至于a p f ，虽然己成为谐波抑制和无功补偿的一个研究热点，但是至今 仍存在以下问题：实现复杂、成本较高、单台补偿容量低、不易消除高次谐波、 在实现上仍须l c 滤波器的辅助等问题。 所以，综合技术、经济因素考虑，s v g 是发展前景最好的一个，也是目前最 适合在我国推广应用的无功补偿器”。 硕士论文基于空同电压矢量法的三电平静止无功发生器设计 从以上分析可知，不论是t s c 还是t c r ，其额定补偿容量都与储能元件的容 量相当，而s v g 中所需的储能元件的容量远比s v g 所提供的无功容量要小。而且， 从表中的比较可知，不论是在成本，还是在装置的性能上，s v g 都具有明显的优 势。简单的说，s v g 具有最好的性价比，并且与其它装置相比，具有最好的性能。 因此，对s v g 的研究，无疑具有较好的实际应用价值。 1 3 国内外研究现状 在国外，自日本三菱公司1 9 8 0 年研制成功2 0 m v a r 静止无功发生器起，s v g 作为f a c t s 的重要成员引起各国电力工业界的重视。1 9 8 7 年美国西屋公司研制 成功了1 m v a r 采用g t o 晶闸管的s v g 试验装置，并成功的进行了现场试验。1 9 9 1 年和1 9 9 4 年日本和美国分别研制成功了一套8 0 m v a r 和i o o m v a r 的采用g t o 晶闸 管的s v g 装置，并且成功的投入了商业运行。第一台试验性的容量为1 m v a r 采 用g t o 的s v g ( 用于配电系统) 由美国e p r i 与西屋电气公司开发研制，并于1 9 8 6 年1 0 月在纽约州的o r a n g e r o c kl a n du n i l t i e s 投入示范运行。此后，美国 e p r i 与田纳西电力局和西屋电气公司再次合作，在t v a 电力系统的s u l l i v a n 5 0 0 k v 变电站建造了当时世界上最大容量的一套1 0 m v a r 的s v g ，该工程耗资 1 0 0 0 万美元，单位容量造价约为1 0 0 美元1 k v a r 。自1 9 9 6 年1 0 月投入运行至 今，运行状况一直良好。此外，英国国家电网公司( 简称n g c ) 将在4 0 0 k v 系统 内安装正由法国a l s t o m 输配电公司研制的基于7 5 0 m v a r 的静止无功发生器， 整个系统的容量将是0 2 5 5 m v a r ，从而提高英国北部往南部的电力传输功率。 在国内，1 9 9 5 年8 月，由河南省电力局和清华大学共同研制了一台_ + 3 0 0 k v a r 的s v g ，并在清华大学并网成功。1 9 9 9 年3 月。由河南省电力局和清华大学共同 研制的_ + 2 0 m v a r 的s v g 在河南省朝阳变电局并网成功，1 0 月2 5 日通过河南省电 硕士论文基于空同电压矢量法的三电平静止无功发生器设计 力试验研究所的7 2 h 满载测试，1 1 月1 5 日又通过了由中国电力科学研究院进行 的性能测试。测试结果表明此4 - 2 0 1 d v a r 的s v g 达到了预期的各项指标，2 0 0 0 年 6 月2 7 日在洛阳成功的进行了鉴定。2 0 0 1 年2 月国家电力公司电力自动化研究 院也将5 0 0 k v a r 的静止无功补偿发生器投入了运行“”。 1 4 本文主要研究内容 在学习和研究静止无功发生器以及空间电压矢量脉宽调制s v p 嘲的原理基 础上，提出改进的二电平s v p 蛐i 控制策略，研究基于三电平s v p 哪控制法的静止 无功发生器的详细设计流程。采用t i 公司的高速数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片作为s v g 的核心硬件控制电路，使用大规模可编程逻辑阵列 ( c p l d ) 设计了i g b t 的保护电路。编写基于d s p 的c 语言控制程序。通过仿真 和实验验证了设计的可行性和软件控制方法的效果。 本文包括理论分析、软件仿真、样机实现三部分。 a ) 理论分析：分析s v g 及s v p w m 原理，提出用三相需补偿的电压代替合成空间 电压矢量的改进二电平s v p w m 控制方法，分析三电平s v p w m 调制策略及中 点电压控制方法，并根据s v g 的特点，将其应用到静止无功发生器上。给出 基于三电平s v p w m 控制法的静止无功发生器的详细设计流程。 b ) 软件仿真：对应用s v p 删控制策略的三电平s v g 进行系统级仿真，证明提出 的控制方案的可行性。 c ) 样机实现：包括样机的硬件设计和软件设计。样机的硬件部分包括主电路、 检测电路、控制电路、i g b t 的驱动和保护电路、电源供电电路各部分。软件 平台使用t i 公司的c c s 2 0 ，基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片编程。 硕士论文基于空间电压矢量法的三电平静止无功发生器设计 2 静止无功发生器s v g 理论基础 2 1s v g 装置的工作原理 严格地讲，s v g 应该分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。 对电压型电路，需要串联上连接电抗器才能并入电网；对电流型电路，需要在交 流侧并联上吸收换相产生的过电压的电容器。实际上，由于运行效率的原因，迄 今投入实用的s v g 大都采用电压型桥式电路，本文也将只讨论研究电压型桥式电 路的s v g 。 图2 1 是一个普通s v g 的主电路图。在解释无功发生的过程前，现假定直流 电压已经准备妥当，系统已经处于稳态。 图2 1 电压源s v g 主电路图 o g a ，u g b ，u g c 分别表示静止同步补偿器的相电压的基波分量。u s a ，u s b ，u s e 表示系统的相电压。当s v g 系统相电压大于补偿器端电压的基波分量时，补偿器 相当于可调电抗器，相量图如图2 2 ( a ) 。若s v g 系统相电压小于补偿器端电压的 基波分量时，补偿器相当于可调电容器，相量图如图2 2 ( b ) 所示“”。 坠旦 ( a ) ( b ) 图2 2 理想情况下无功补偿器向量图 由于s v g 正常工作时就是通过电力半导体开关的通断，将直流侧电压转换成 6 硕士论文基于空间电压矢量法的三电平静止无功发生器设计 交流侧与电网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出 接的不是无源负载，而是电网。因此当仅考虑基波频率时，s v g 就可以等效的 被视为幅值和相位可以控制的一个与电网同频率的交流电压源。它通过交流电抗 器接在电网上。所以，s v g 的工作原理可以用图2 2 的相量图来说明。设电网电压 和s v g 输出的交流电压基波分量分别用相量0 s 和o g 表示，则连接电抗器x 上的电 压o 。即为o s 和d g 的相量差，而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这 个电流就是s v g 从电网吸收的电流i 。因此，改变s v g 交流侧输出电压d g 的幅值 及其相对于o s 的相位，就可以改变连接电抗器上的电压，从而控$ ) j s v g 从电网吸 收电流的相位和幅值，也就控制了s v g 吸收无功功率的性质和大小。图2 2 是将连 接电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗以及变流器的损耗。因此不必从电网吸收 有功能量。在这种情况下，只需使魄和d s 同相，仅改变d g 的幅值大小即可以 控制s v g 从电网吸收的电流是超前还是滞后9 0 0 ，并且能控制该电流的大小。当 o g 大于d s 时，电流超前电网电压9 0 。，s v g 吸收容性的无功功率，如图2 2 ( a ) 所示；当( j g 小于o s 时，电流滞后电网电压9 0 。，s v g 吸收感性的无功功率，如图 2 ，2 ( b ) 所示。 考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗( 如管压降、线路电阻等) ，并 将总的损耗作为连接电抗器的电阻考虑，s v g 的等效电路图可用2 ，3 表示。我们来 分析s v g 的相量图及等效电路( 如图2 3 所示) ，而其相量图与直流侧是否外加恒压 源( 或整个s v g 系统是否耗能) 略有差别。图2 2 为直流侧外加恒压源( 或系统内部 不耗能，即为理想情况) 的相量图与等效电路；图2 3 为直流侧不外加恒压源( 或 系统内部耗能) 的相量图与等效电路。在这种情况下，变流器电压0 9 与电流t 仍 相差9 0 0 ，因变流器不需提供有功能量。而电网电压( s 与电流i 的相差则不再是 9 0 0 ，而是比9 0 0 小了占角，因此电网提供了有功功率来补充电爨中的损耗，也就 是说相对于电网电压来讲，电流i 中有一定的有功分量。这个角占是变流器电压 d g 和电网电压d s 的相位差( 后面简称控制角) ，并且改变o g 的幅值，则产生的 电流j 的大小也就随之改变，s v g 从电网吸收的无功功率也就因此得到调节。在 图2 3 中，将变流器本身的损耗也归算到了交流侧，并归入连接电抗器电阻统一 考虑。实际上，这部分损耗发生在变流器的内部，应该由变流器从交流侧吸收一 定有功能量来补充。因此，实际上变流器交流侧电压u 与电流i 的相位差并不是 严格的9 0 ，而是略小于9 0 6 。 7 硕士论文基于空间电压矢量法的三电平静止无功发生器设计 xr 以 电流超前 图2 3s v g 稳态等效电路图 由图2 3 可知： u s = i g ( r + j x ) + u g 设以1 ：s 为相位参考，则 u s = u s + j o u g = u g c o s s - j u g s i n 8 ( 2 1 ) 由式( 2 1 ) ，忽略系统损耗等效电阻r 得： 舻警= 骘堕一j 半 s v g 向电网提供的复功率为： s g - u s 旦譬+ ，t ( u s - u g c o , s ) j l 蚺j q 系统输出的有功功率和感性无功功率可分别表示为： p ：= u s u g s i n 8 x q ：u s ( u s 弋- u g c o s 8 ) 若万( 5 。时，则其有功功率和无功功率可近似表示为： p 。u s u 9 8 ( 2 2 ) q ：u s ( 弋u s - - u g ) ( 2 3 ) 其中： u g 为逆变器的输出电压； i g 为s v g 系统输出的无功电流。 r 为系统内部损耗的等效电阻： x 为系统的接入电抗器； u s 为三相电网相电压基波有效值： 硕士论文基于空间电压矢量法的三电平静止无功发生嚣设计 由式( 2 2 ) ( 2 3 ) 可得出如下结论： ( 1 ) 万 0 时，则p o ：此时，s v g 从电源吸收功率，其中一部分补偿s v g 的 功耗，另一部分用于向电容器充电，升高直流电压： ( 2 ) 万 心。同理分析其他扇区的情况，可以看出、三者之间的相对 大小关系与合成的空间电压矢量v 存在着一一对应关系，见表3 2 。 表3 2v 所在扇区与- l a 、的关系 匕：堕垄叟堕丝：丝：坠三耋奎尘茎墨 i u a 蚝 u b 口 虬 虬 u a 心 心 v 虬 u a “。 传统的s v p w m 控制法在扇区判断时需要先把屹，匕三相坐标变成，两 相坐标，然后，根据y 。、及日= a r c t g l v 。i v p ) ，判断出旷所在的扇区。文章提 出的改进方法t 可以由“一、虬三者相对大小关系，直接判断出所在扇区， 计算量显然要小的多。 3 。2 2 向量作用时闻的计算 以v 在第一扇区为例，v 由k 、巧、，合成。根据伏秒平衡原则，可 得下式： 互e ，；。弓v 出) + 五；= 矿b = 五号( + e 鹰。十k 。叫2 ) l 写+ 正+ 写，= 五 其中t j ，t z ，l ，分别是矢量v l 、v 2 、v o ，在一个开关周期中的持续时间， t 。为p 硼周期。 求解上述方程组，可得公式( 3 1 8 ) ： 五= v a - - v # t s v 出 瓦= b - - v c t $ ( 3 1 8 ) 2 警磊 与公式( 3 1 3 ) 比较可以看出，传统的s v p 州算法需要计算p 的三角函数值， 文章提出的改进s v p w m 控制法只需简单的算术运算。如果使用改进算法，在实际 工程中要少用很多c p u 时间。这对提高系统的工作频率，以及系统的快速响应显 然是很有利的。有比较好的工程实用价值。 硬士论文基于空同电压矢量法的三电平静止无功发生嚣_ i 殳计 旷在其他扇区时各向量的作用时间同理可得。见表3 3 表3 3 矿在各扇区时各基本向量作用时间 芝童兰! 垒匡互互：i! ；2 i v - v 6t s v , e l l v 兰二生7 1 5 丝二生t s 堡二当7 1 5 生二当r 1 5 v c - v b t 一， v b - v c t s v b - - v a t s 1 k 尘兰t 芏丑五 1 ，士 v a - - v b 五 v 出 ：墨瓦 v 出 垒二当蔓t 1 5 鳖监疋 。 丝二当当t 5 塾二丝：堡 。 鳖二生丝_ r v 出 1 5 鳖二当墨r 。5 3 2 3 指令电压矢量的合成 综合图3 3 所示的三种矢量合成方法，折中考虑。采用方法二。表3 。4 所示 为作用于三相桥臂向量的转换顺序和相应的转换时间表。 表3 4 作用于三相桥臂向量的转换顺序和转换时间表 扇区 i v 作用于三相桥臂上的向量的作用时间及转换顺序( $ a s b s c ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 l l o 0 1 0 0 l l 0 0 1 l o l 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 l i 0 0 l x ，t q 。 22 1 0 0 l l o 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 表中s x ( x 为a 、b 、c ) 为单极性二值逻辑开关函数，s 。= 1 说明相应相的上 桥臂导通，s x = o 表明相应相的下桥臂导通。巧，咒。矗对应于表3 3 中求出的各 矢量的作用对问耳，瓦。磊， 3 2 4 指令电压的计算 硬士论文 基于空同电压矢量洁的三电平静止无功发生器设计 为了采用上面的改进s v p w m 算法，得到各相应补偿的电压值k 、，需 要给出相应的算法框图。 间接电流控制时，s v g 从电网中吸收的无功电流为公式( 3 1 9 ) 乇= 争s i n ( 9 0 棚 ( 3 1 9 ) 通常连接电感的电阻值与电感值相比很小，8 2 0 0 ，所以s i n ( 9 0 一艿) * 1 。所 以有乇= u l i x = ( 匕- e ，) x ( x 为a 、b 、c ) ，其中屹为要得到的每相三相桥交 流侧电压，e ，为相应各相的电网电压v j = e ，+ 易x ，所以用于本算法的指令电 压屹、屹的算法框图为图3 4 。 图3 4 匕、v c 算法框图 匕 匕 3 3 三电平s v p 珊! 策略 3 3 1 三电平s v p m 控制算法 与两电平s v p v o d 一样，三电平s v p w m 也是建立在空间电压矢量合成概念上的 p 硼方法。区别于两电平s v p v 哺i 的8 个空间电压矢量，三电平s v p w m 有2 7 个空 间电压矢量参与指令电压的合成，因此，三电平s v p i n i 控制方法有更高的波形质 量。图3 。5 为三相三电平桥式逆变器主电路拓扑 图3 5 三掘三电平桥式逆变器主电路拓扑 与三相桥式二电平逆变器一样，三相三电平逆变器也可以用开关变量s 、s b 、 硕士论文基于空同电压矢量j 丧的三电平静止无功发生器设计 s 。分别表示各桥臂的开关状态，不同的是这时a ，b ，c 桥臂各有三种开关状态。 用s 。变量表示a 相桥臂的开关状态： ( 1 ) 若t 1 ，t 2 关断，t 3 ，t 4 导通，定义这种状态为一1 态，s 一ls 当电流i 。为正值时，电流从电源负端q 点经d 4 ，1 ) 3 流入a 点；当电流i 为 负值时，电流从a 点经t 3 ，t 4 流入电源负端q 点。因此，无论i 为何值a 点 u o ：l l q o = - u d 这时t 4 ( d 4 ) 导通，但d 6 防止了电容c 2 被功率开关t 4 ( 1 1 4 ) 短接。 ( 2 ) 若t 1 ，t 4 关断，t 2 t 3 导通，定义这种状态为0 态，s = o ； 当e g , 流i 。为正值时，电流从0 点经d 5 、t 2 流入a 点；当电流i 。为负值时， 电流从a 点经t 3 、d 6 流入0 点。因此无论i 。为何值。a 点都接到0 点，故 ( 3 ) 若i 3 ，t 4 关断，t 1 1 2 导通，定义这种状态为1 态，s = l ： 当电流i 。为正值时，电流从电源正端p 点经t 1 ，i 2 流入 点；当电流i 。为 负值时，电流从a 点经d 2 ，d 1 流入p 点。因此，无论i 为何值，a 点都接到p u 0 2 u m = 一亡u d 这时t 1 ( d 1 ) 导通，但d 5 防止了电容c 1 被功率开关t 1 ( i ) 1 ) 短接。 因此，a 相输出端a 对电源中点0 的电压u 0 可以用a 相开关变量s 。结合 输入直流电压u 。来表示： u a o = 睾u d u 。= 鲁u 。 u c 0 = 叁u 。 斟扣雕谁 硕士论文基于空间电压矢量法的三电平静止无功发生嚣设计 又 v n ：监掣；趟丝 i 三 = 吉u 。 三三； 三 ( s 。、s 。、s 。) 。三电平逆变器共有2 7 种开关状态对应于1 9 个特定的空间电压矢 u 。，1 , 1 。) 为( o ，0 ，o ) ，称这三个开关状态所对应的电压矢量为零矢量。在 ( 1 0 0 ) 和( 0 1 1 ) 这两种开关状态时，逆变器输出线电压( u ”u 配，u c ) 为 ( 一卜1 0 ) ，( 1 0 1 ) 和( o 一1 0 ) 也分别用一个电压矢量v 2 、v 3 、v ，、v 6 表示。 圈3 6 三电平逆变器空间电压矢量图 定义三电平逆变器空问电压矢量调制比： 。；盟：刿 ；u 。 2 u 。 其中，l v l 是二极管钳位型三电平逆变器的旋转电压矢量v 的模长，其旋转 角速度珊= 2 z f ，2 u d 3 是电压矢量v l ，的模长。 同二电平s v p 帅i 原理，v 由所在扇区的三个电压矢量v 、v y 、v z 合成。 它们的作用时问分别为t x 、t y 、e ，且t l + l + t z = i s ，t s 为开关周期。定义： 硕士论文 基于空间电压矢量法的三电平静止无功发生器谊计 x ：昱、y ；王、z ：三 石 以第一个区间( o o 口 6 0 。) 为例，计算v 处在扇区d i 、d 7 、d 1 3 、d 1 4 时 v i 、v v 、v z 所对应的x 、y 、z 值a 定义m 的边界条件分别为m a r k l 、l a r k 2 、 m a r k 3 。 ma r k l = m a r k 2 = ；幺 z 历i 而葺五万 。，。 ( 3 2 0 ) 瓦，“詈 3 瑚 幺，三班三 s i n 日6 3 m a r k 3 = 瓦熹丽 ( a )( b ) ( c )( d ) 图3 7v 在第一区间各个扇区的矢量图 ( a ) d 1 扇区( b ) 0 7 扇区( c ) d 1 3 扇区( d ) d 1 4 扇区 硬士论文 基于空间电压矢量法的三电平静止无功发生器设计 ( 1 ) 当调制比m m a r k l ，旋转矢量v 处于扇区d 1 中，v 由v o 、v 和v 2 三个电压矢量合成，如图3 7 ( a ) ，根据矢量合成原理，可得下式： 解方程可得： 已知x 、y 、z 的值， 吉x + y e o s 唔) = m 刚 三y s i n ( 3 ) _ m s i n 口 x + y + z = 1 一m i o s i n 占 。，4 s i n 口 y = n l ， 3 z 一一如卜+ 期 即可求出作用时间l 、l 、e ： t = ( z m c o s 口一- i , , ，e j l j l t 。 t y = ( m 百4 s i n o j 、t s z ， t = ( ，一z m c o s 占+ s i n ，o j l j ) t 。, ( 2 ) 当调制比m a r k l m m a r k 2 ，即旋转矢量v 处于扇区d 7 中，v 是 由v 7 、v l 和v 2 三个电压矢量合成。同理，可以计算出作用时间如下： t = ( 卜m 警 卜 t y = ( - 一z m c o s 口一s i n ，o l l t 。, c s z z ， t z = ( 一- 恤 刚+ - 咖- 历卅- j ) l , ( 3 ) 当调制比m a r k 2 m m a r k 3 ，且0 。 e 3 0 0 ，即旋转矢量v 处于扇区 d 1 3 中，v 由v 7 、v j 、v l ，三个电压向量合成，同理求得： 硕士论文基于空间电压矢量法的三电平静止无功发生器设计 l = 卜m 卜一警 e t y = ( m 4 s i n 3 0 、l t 。 ( 3 2 3 ) t z = ( z z m c o s 口+ s i n ，o j ) t 。 ( 4 ) 当调制比m a r k 2 m m a r k 3 ，且3 0 0 9 6 0 。，即旋转矢量v 处于扇 区d 1 4 中，v 由v 7 、v 2 、v 1 三个电压矢量合成，同理，可以求得各矢量的作用 时间： t x = ( 2 m 卜泓s i 3 j n a l l t 。 t y = ( 一h m 4 s i n 3 0 ，) t 。 ( 3 2 4 ) t z = z 珈 刚+ 塑 j j t ： 同理。在计算其它五个区间的t i 、t v 、t z 时，只要将式( 3 2 ) 至式( 3 5 ) 中的 p 值分别用护一6 0 0 、口一1 2 0 。、日一1 8 0 0 、口一2 4 0 0 、口一3 0 0 0 来替代即可。 3 3 2 逆变器直流侧中点电位控制 二极管中点钳位逆变器存在着固有的直流侧分压电容电压不平衡问题。在实 际系统运行过程中，三电平逆变器直流侧中点电位因开关矢量的选择、开关矢量 作用时间、脉冲实际宽度是否对称、开关器件开关特性以及系统工作状态等因素 影响而造成电位浮动。中点电位的浮动超过限值，将会造成上下电容器上电压不 对称。如果对其不加以控制，将会使多电平逆变器转化为二电平逆变器，使部分 开关器件承受过高的电压应力而损坏，还会影响s v p w m 算法的正确性。 目前国内外学者对三电平逆变器中点电位控制问题作了不少的研究，提出了 不少的控制方法。文献 3 5 中注入三次零序分量来平衡中点电位，文献 3 6 中提 出了一种注入零序电压的分析算法。 中点电压不平衡产生的原因是因为电压矢量产生的中点电流会导致中点电 位的振荡。下面以大矢量( 1 - 1 - 1 ) ，中矢量( 10 - 1 ) ，小矢量( 100 ) 和( 0 一l - 1 ) ，零矢量( 00o ) 为例，分析大、中、小矢量对中点电压的影响。 假设f 。，毛，是逆变器输出电流，其方向以流向负荷为正。f 。为中点电流， 以流出电容为正。e 2 为上部电容和下部电容电压值。r 为逆变器交流侧所接的 负载。 a ) 大矢量对中点电压的影响 硕士论文基于空间电压矢量法的三电平静止无功发生器设计 以大矢量( 1 1 - 1 ) 为例，分析其对中点电压的影响。图3 8 是其对应的 等效电路图。 图3 8 大矢量( 1 - 1 - 1 ) 对应的等效电路图 分析大矢量( 1 一l - 1 ) 所对应的等效电路图，可以看出，逆变器输出电流 与电容中点电位没有联系，产生的中点电流为零。所以，大矢量( 1 一l - 1 ) 对 直流侧电容的中点电压没有影响。 同理，分析其他5 个大矢量，可以发现大矢量对直流侧电容的中点电压没有 影响。 b ) 中矢量对中点电压的影响 图3 9 为中矢量( 1o - 1 ) 对应的等效电路图。 图3 9 中矢量( 10 1 ) 对应的等效电路图 由图可见，在矢量( 10 1 ) 作用时，有= 。中点电压的变化取决于负 载电流的流向。当为流出逆变器时，中点电位变低：当为流入逆变器 时，中点电位。变高。 c ) 小矢量对中点电压的影响 图3 1 0 ( a ) 为小矢量( 100 ) 对应的等效电路图，3 1 0 ( b ) 为同对小 矢量( 0 1 一1 ) 对应的等效电路图。 硕士论文基于空问电压矢量法的三电平静止无功发生器设计 l l r l 玉 j - r e p i _“| | r f】r f)r f ( a )( b ) 图3 1 0 小矢量对应的等效电路图 图3 1 0 ( a ) 中，小矢量( 10o ) 作用时，有屯一。同对的小矢量( o 一1 1 ) 作用时，有f 。= f 。所以，同对小矢量对中点电压的作用相反。 d ) 零矢量对中点电压的影响 零矢量( o0o ) 在电路中不构成回路，所以，零矢量对直流侧电容的中点 电位没有影响。 综上所述，三电平s v p 删控制时，六个大矢量和三个零矢量对直流侧电容的 中点电压没有影响，六个中矢量和六对小矢量对中点电位会产生影响。又因为中 矢量是无法控制的矢量，所以它们是中点电压不平衡产生的重要原因。而一对小 矢量对输出电压的作用是等效的，但是正、负模式矢量会产生相反的中点电流， 所以可以通过调节正、负模式小矢量的作用时间来实现中点电位的平衡。下面是 本文使用的中点电压控制策略。 分析图3 8 3 1 0 ，可以推得开关函数为( s 、8 b 、s 。) 的电压矢量产生的中 点电流为： i 。= ( 1 5 。2 ) + 毛( 1 一j 2 ) + f 。( 1 - - $ e 2 ) ( 3 2 5 ) 设电容量为c ，则该矢量产生的中点电流在上部电容c 1 和下部电容c 2 上引 起的电压变化为： i d u l = i o t ( 2 c ) 【d u 2 = - i o t ( 2 c ) 定义为流出电容为正，所以当i 。) 0 时，下部电容c 2 上的电压降低，上部 电容c 1 上的电压升高。反之，当屯( 0 时，下部电容c 2 上的电压升高，上部电 容c 1 上的电压降低。 对于相同的输出电流，开关状态不同，则中点电流不同，电容上电压的变化 不同。内六边形的六个定点有两个矢量可供选择每两个矢量对输出电压的作用 硕士论文基于空间电压矢量法的三电平静止无功发生器设计 是相同的，但是中点电流却是相反的。因此在直流侧电容c 1 和c 2 的电压误差 a u = u 一u ，和输出电流己知的前提下，可以通过选择小矢量的两个中的一个来 实现中点电位控制。 当u = u 。一u ，) 0 ，即上电容电压【，大于下电容电压u ：时，要使电容中点 电压保持平衡，需要使下电容电压升高，而使上电容电压降低，此时应该使f 。( 0 ， 选择小矢量的原则是f l u i o 0 ；当a u = u 一u ，( 0 ，即上电容电压u 小于下电 容电压以时，要使电容中点电压保持平衡，需要使下电容电压降低，而使上电 容电压升高，此时应该使) 0 ，选择小矢量的原则仍然是u f 。 0 。 所以，在三电平的中点电压控制时，如果参与