（电气工程专业论文）三相三电平有源电力滤波器的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t f o rt h ew i d ea p p l i e a t i o l lo ft h en o n l i n e a rl o a d sa n da l lk i n d so fc o n v e r t e f e q u i p m e n t sm a k i n gt h ep o w e rs y s t e mp o l l u t e dw i mam a s so fh a r m o n i cc u r r e n t , i ti s u r g e n t t oe l i m i n a t eh a r m o n i ca n d i m p r o v ep o w e rq u a l i t y a s 锄i d e a ld e v i c et oe l i m i n a t e h a r m o n i cc u r r e n ta n di m p r o v ep o w e rf a c t o r , a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) l ：l l nc o m p e n s a t e t h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ep o w e rw i t hv a r i a b l eb o t ho ff r e q u e n c ya n da m p l i t u d e ，a n di t m a k e su pt h ed r a w b a c ko f t h ep a s s i v ep o w e rf i l t e r t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n to f a e t i v e p o w e rf i l t e ri sr a p i d l ys t u d i e da n dh a sb e e na p p l i e di np r a c t i c ei ns o m ed e v e l o p e d c o u n t r i e s n o w a d a y s ，i nc h i n a , t h ee x p l o i t a t i o no fa c t i v ep o w e rf i l t e ri sa tt h es t a g eo f e x p e r i m e n ta n dh i 【出p o w e rp r o d u c t sh a v en o tb e e nu s e du pt on o wy e t , s ot h er e s e a r c h o f a e t i v ep o w e rf i l t e rh a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e m o s to ft h ep r e v i o u s l yp r o p o s e da p f sa r cb a s e do nt w o - l e v e lc o n v e r t e r sa n dt h u s 1 1 1 es u i t a b l ef o rl o wv o l t a g eu s e h o w e v e r , i nah i g hv o l t a g es y s t e m , t h e r ea r en o s e m i c o n d u c t o r sd e v i c e sc a p a b l eo f s u s t a i n i n gt h ed e s i r e dv o l t a g e m u l t i l e v e lc o n v e l t e i s t h a tp r o v i d en l o l et h a nt w ov o l t a g el e v e l s 1 e s sd i s t o r t e dw a v e f o ma n dt h a th a v em e r i t s o fl o w $ 1 1 s t a i l l i n gv o l t a g e ，l o ws w i t c h i n gl o s s e s ，h i 曲e f f i c i e n c ya n dl o we m ib e c o m e s t h er e s e a r c hf o c u so f s c i e n t i f i ca n dt e e l a n o l o g i e a lp e r s o n n e l t h i sp a p e ra p p l i e so n e - c y c l ee o n 缸 o lt ot h r e e - l e v e lt w o - l e gt h r e e - p h a s et 1 1 f e e - w i r e a p eb a s e do nt h ea n a l y s i so fe q u i v a l e n ta v e r a g em o d e si ns w i t c h i n gr , m o d , t h ek e y c o n t r o le q u a t i o n sa d e r i v e da n dc i r c u i tm o d e sa 托c r e a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s v 嘶匆t h a tt h r e e - l e v e lt w o l e ga p fb a s e do no n e - c y c l ec o n t r o li ss i m p l ea n dr e l i a b l e ， w l a i e hm a k ei tb er e a l i z e de a s i l y 1 1 1 es w i t c hf r e q u e n c yo f t h em a i ne i r e t t i ti sc o n s t a n t , a n dc o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c ei sc l o s et ot h r e e - l e v e lt h r e e l e gt h r e e - p h a s et h r e e - w i r e a p fb a s e do no n e - c y c l ec o n t r 0 1 an o v e lc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e df o rt h r e e - l e v e la p fb a s e d0 1 3 d i r e c ts o u l c e c u r r e n tc o n t r o li nt h i sp a p e r w i t ht h ei r i q d e t e c t i n gm e t h o db a s e do i lt h ei n s t a n t e t l l e o u s r e s c t i v ep o w e rt h e o r y , r e f e r e r i e ec u r r e n ti st ob eg e t t h u sa p f 啪c o m p e n s a t e h a r m o n i cc o m p o n e n t , r e a c t i v ep o w e rc o m p o n e n tr e s p e c t i v e l y , h a r m o n i c sa n dr _ 岛i c t i v e p o w e rc o m p o n e n tt o g e t h e r i n ；j i f i d i t i o n , t h et h r e e - l e v e lc o n v e r t 盯t h a tp r o v i d e sm o l e t h a nt w ov o l t a g el e v e l sa n dl e s sd i s t o r t e dw a v e f o r mo f f e r sm a n yb e n e f i t sf o rh i g h e r v o l t a g e0 1 l a i g h e rp o w e ra p p l i c a t i o n s 1 1 l i ss t m t e g yn l 把d ss i m p l ec o n t r o l l e r , a n di s 、哪 重庆大学硕士学位论文英文摘要 e a s yt ob ei m p l e m e n t e db yt h ee x i s t i n gh a r dw a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fa ne x a m p l e s h o wt h a tp r o p o s e ds t r a t e g yh a sw e l lc o n t r o le f f e c ta n dc b eu s e di np r a c t i c 把 k e y w o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r , m u l t i l e v e lc o n v e l t e r , t h r e e - p h a s et h r e e - w i r e ， t h r e e - p h a s ef o u r - w i r e m 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注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 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。 学位论文作者签名： 互 节 签字日期：研 生g s - , 9 智e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、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 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太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，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() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名： 互4 串 签字日期： 细7 年岁月形e t 导师躲闰砰 签字日期：知7 年，月谚日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 电能质量问题 7 0 年代以来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置得到了广泛 的应用。如冶金、化工、矿山等部门大量使用晶闸管整流电源，工业生产中大量 使用变频调速装置，电气化铁道中采用单相整流供电的机车及高压直流输电中的 换流站等。这些典型的非线性负荷将产生大量谐波电流，使电力网络中波形严重 畸变、负载严重不平衡，其直接后果是能量损耗增加、系统不稳定、故障增多等。 而且，随着电网中这些谐波源的增加，容易产生电网中电压波动和闪变、频率变 化、三相不平衡、高次谐波等，影响电能的质量、输变电效率及设备的寿命，危 及输变电系统的稳定运行，还会对电力系统外部的通讯网络产生干扰。目前人们 已经认为“谐波污染”为电网的公害【l - 2 。 为了使电网能够安全的运行，必须采取一些有效的措施将谐波控制在一定的 标准范围内。 1 2 谐波和无功电流的危害和不良影响 电网中日益严重的谐波污染常常对设备的工作产生严重的影响，其危害一般 表现为： 谐波电流使输电电缆损耗增大，输电能力降低，绝缘加速老化，泄漏电流 增大，严重的甚至引起放电击穿。 使电动机损耗增大，发热增加，过载能力、寿命和效率降低，甚至造成设 各损坏。 容易使电网与用作补偿电网无功功率的并联电容器发生谐振，造成过电压 或过电流，使电容器绝缘老化甚至烧坏。 谐波电流流过变压器绕组，增大附加损耗，使绕组发热，加速绝缘老化， 并发出噪声。 使大功率电动机的励磁系统受到干扰而影响正常工作。 影响电子设备的正常工作，如：使某些电气测量仪表受谐波的影响而造成 误差，导致继电保护和自动装置误动作，对邻近的通信系统产生干扰，非整数和 超低频谐波会使一些视昕设备受到影响，使计算机自动控制设备受到干扰而造成 程序运行不正常等。 无功功率对公用电网的不良影响主要有以下几个方面： 增加设备容量。无功功率的增加，会使发电机、变压器及其它电气设备容 重庆大学硕士学位论文l 绪论 量和导线的容量增大。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规 格也要加大。 设备及线路损耗增加。 无功功率的变化会引起电网电压的波动，使一些用电设备无法正常工作， 降低供电质量。 1 3 传统的谐波和无功电流的抑制方法及存在的问题 为消除谐波的危害，基本思想有两条：一是装设谐波补偿装置来补偿谐波， 这对各种谐波源都是适用的；二是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐 波，且功率因数可控制为l ，适用于作为主要谐波源的电力电子装置。装设谐波补 偿装置的传统方法就是采用l c 调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无 功功率，而且结构简单，直被广泛使用。但在实际应用中无源滤波器存在着一 些固有的缺陷，如滤波特性受系统参数的影响较大；只能消除特定的几次谐波； 可能与系统产生并联谐振等。 在电网中，不仅大多数网络元件需要无功功率，大多数负载也需要无功功率 显然，网络元件和负载所需的无功功率如果都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无功功率的地方产生无功 功率。早期的无功功率补偿装置的典型代表是同步调相机。同步调相机不仅能补 偿固定的无功功率，对变化的无功功率也能进行动态补偿。但这种装置损耗和噪 声大，运行维护复杂，响应较慢。 并联电容器的成本较低，与同步调相机比较，在调节效果相近的条件下，前 者的费用要节省得多。因此，并联电容器的补偿方法得到了迅速发展。对于并联 电容器，只能补偿固定的无功功率，在系统中有谐波时，还有可能发生并联谐振， 使谐波放大，电容器因此而烧毁的事故时有发生。 1 4 有源电力滤波器引入的意义 不论是谐波、无功还是负序电流，从物理本质上看，都可以归结为波形的问 题。谐波是工频正弦波畸变，无功是电压、电流波形相位不同，负序电流是三相 电流波形不对称。正是由于这种物理本质的统一性，可以对电力系统中的谐波、 无功和负序电流进行综合补偿。 有源滤波器( a p f ) 是2 0 世纪8 0 年代以来逐渐兴起的谐波抑制新方法，它采 用补偿原理，向电网注人与谐波电流相位相反、幅值相同的电流来抵消电网中的 谐波，从而达到谐波抑制的目的与无源滤波器相比，有源滤波器有以下优点【3 】： 作为高次谐波电流源，不受系统阻抗的影响。 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 没有共振现象，系统结构的变化不会影响补偿效果。 原理上比l c 滤波器更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的补偿。 即使高次谐波的频率发生变化，也能完成补偿。 由于装置本身能完成输出限制，因此即使高次谐波量增大也不会过载。 作为柔性交流输电系统( f a c t s ) 中的元件，a p f 的研究受到了各国学者的高度 重视。a p f 以其优异的运行特性和广阔的应用前景使世界各国学者的研究兴趣方 兴未艾。在不远的将来，a p f 会成为电力系统谐波治理的主流。 1 5a p f 的研究现状 有源电力滤波器是用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。它能 对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的缺 点，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置。 近年来随着电力电子技术、控制技术和数字信号处理技术的发展，特别是 g t o 、i g b t 等自关断器件的出现和高性能d s p 芯片的应用，有源电力滤波器已 经进入实用阶段，在欧美一些国家和日本已经开始大量使用有源电力滤波器来补 偿电网中的谐波，以提高电能的质量。 我国在有源电力滤波器方面的研究起步比较晚，直到1 9 8 9 年才见到这方面的 文章，1 9 9 3 年才见到试验性的工业应用实验。近几年进行这方面研究的单位在逐 渐增加，主要集中在一些高校和少数研究机构，以理论研究和实验为主，这些研 究有的已达到或接近国际先进水平。关键是加快有源电力滤波器在生产实际中的 应用，提高实际应用水平。关于有源电力滤波器技术的研究目前主要集中在以下 几个方面： ( 1 ) a p f 结构的研究 有源电力滤波器根据其接入电网的方式，可分为并联型a p f 、串联型a p f 以 及混合型a p f t - g j 图1 1 所示并联型a p f 可以看成电流源，它通过注入补偿电流 来补偿电流型负载的谐波、无功和负序电流，但是，由于交流电源的基波电压直 接( 或经变压器) 施加到变流器上，且滤波电流基本由变流器提供，故要求变流 器具有较大的容量，这是这种方式的主要缺点。图1 2 所示串联型a p f 主要消除 电压型谐波源对系统的影响。与并联型a p f 相比，虽然串联型a p f 构成的系统具 有有源装置容量小、运行效率高以及对谐波电压源类型的负荷有较好补偿特性等 优点，但却存在绝缘强度高、难以适应线路故障条件以及不能进行无功功率动态 补偿等缺点，因此，其工程实用性受到了一定的限制。为了减小a p f 的容量、提 高其性能、降低其成本，可将并联型或串联型有源电力滤波器与无源l c 滤波器混 合使用，组成混合型有源电力滤波器。图1 3 是其中一种结构，在这种结构中，l c 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 滤波器包括多组单调谐滤波器及高通滤波器，承担了大部分滤波任务。有源电力 滤波器的作用是改善整个系统的性能，其所需的容量与单独使用方式相比可大幅 度降低。 从理论上讲，凡使用l c 滤波器均存在与电网阻抗发生谐振的可能，因此在有 源电力滤波器与l c 滤波器并联使用方式中，需对有源滤波器进行有效地控制，以 抑制可能发生的谐振。 图1 3 a p f 和p f 并联的t l a p f f i 9 1 3h a lfo f s h u n t a p fa n ds h u n tp f 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ( 2 ) a p f 控制方式研究 为了使有源电力滤波器得到理想的补偿效果，有必要对其进行适当的控制。 目前，有源电力滤波器的控制方式有以下三种【3 】： 检测负载电流控制方式，其指令电流运算电路的输入信号来自负载电流， 是最基本的一种控制方式，在这种控制方式中，补偿电流能较好的跟踪指令电流。 但是，在主电路电力半导体器件高频通断的过程中，会产生其工作频率附近一些 次数很高的谐波。为了滤出这些频率较高的谐波，在有源滤波器系统中设置由电 感、电阻、电容组成的高通滤波器。 检测电源电流控制方式，有源滤波器的作用主要是补偿谐波，最终使电源 电流成为正弦波。基于此，可考虑检测电源电流，而不检测负载电流，用指令运 算电路求出电源电流中的谐波，反极性后作为指令电流对补偿电流发生器进行控 制。 复合控制方式，把上述两种控制方式结合起来，就得到了复合控制方式， 这种控制方式中，同时检测负载电流和电源电流。指令信号主要来自负载电流， 在其作用下，可对负载中的谐波电流进行较好的补偿。而电源电流的作用是抑制 高通滤波器( h p f ) 和电网阻抗之间的谐振。复合控制综合了前两种控制方式的优 点，是一种较为理想的控制方式。 ( 3 ) a p f 控制方法的研究 有源滤波器依赖优良的控制方法，从国内外的研究情况来看，有源滤波器的 控制方法主要有以下几种0 0 4 s 。 滞环电流控制( h y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l ，h c c ) 是目前应用最广泛的一种 非线性闭环电流控制方法，它利用滞环比较器形成一个以给定电流为中心的死区 或滞环，通过反馈电流与给定电流的滞环比较误差来控制逆变器的开关动作。滞 环电流控制定基于电流暂态的控制，具有动态响应速度快、鲁律性好的特点，而 且对负载的适应能力强，输出电压中不含特定频率的谐波分量。但开关频率、损 耗以及控制的精度受滞环宽度的影响，滞环宽度越小，控制的精度就越高，同时 开关频率和开关损耗也加大了 建立在交流异步电机磁场理论基础上的空间矢量控制( s p a e ev e c t o r c o n 在o l ，s v c ) ，开始时其使用范围仅仅局限于电机应用场合，但现在它已发展成 一种能够普遍应用p w m 技术。它是将三相整流器件作为一个整体来考虑，通过控 制与参考矢量最接近的三个开关矢量组合的作用时间，使一个控制周期内开关矢 量输出的平均效果与参考矢量相等；其基本思想是在矢量空间中用有限的静止矢 量去合成和跟踪调制波的空间旋转矢量，使合成的空间矢量含有调制波的信息。 此方法在电压利用率、电流谐波和过调制等方面具有优势。 5 重庆大学硕士学位论文i 绪论 无差拍控制( d e a d - b e a tc o n t r o l ，d b c ) 它实际上是一种预前控制，其基本 思想是根据在第k 个采样时刻所检测的负载电流和补偿电流，计算第k 十l 时刻的 指令电流值及各种可能开关状态下补偿电流的预测值，然后计算某种特定的目标 函数( 一般为指令值和预测值的累计误差) ，选择目标函数最小的开关状态作为 k + 1 时刻的开关依据。其优点是动态响应很快，易于计算机执行。但缺点是对系 统参数依赖性较大、鲁棒性较差、瞬态响应的超调量大、计算的实时性强、对硬 件要求高。 无源性控制( p a s s i v i t yb a s e dc o n t r 0 1 ) 是基于能量这个桥梁，将控制理论与 先验知识和物理描述结合在一起。从以高阶微分方程和一些代数方程描述的数学 模型出发，控制的设计被简化为定义一系列表示所需动态的内部状态方程。主要 包括两个步骤：一是“能量成形”，通过改变系统的能量函数，使新的能量函数在 设计的平衡点上具有全局最小解。二是非线性阻尼注入，改变系统的耗散函数， 保证系统的全局渐进稳定。这样系统能在满足“无源性”的条件下达到要求的性能。 这种方法从系统能量角度出发，使控制器的设计得到一定程度的简化，并且提高 了系统鲁棒性。 迭代自学习控制( i t e r a t i v el e a r n i n gc o n t r 0 1 ) 的基本思想是，基于多次重复 训练( 运行) ，只要能保证训练过程的系统不变性，控制作用的确定可以在模型不确 定的情况下获得有规律的原则，使系统的实际输出逼近期望输出。在迭代学习控 制系统中，控制作用的学习是通过对以往控制经验( 控制作用与误差的加权和) 的记 忆实现的。算法的收敛性依赖于加权因子的确定。这种学习系统的核心是系统不 变性的假设以及基于记忆单元的间断的重复训练过程。它的学习控制规律极为简 单，可实现训练间隙的离线计算，因而不但有较好的实时性，而且对干扰和系统 模型的变化具有一定的鲁棒性。 滑模控制( s l i d i n gm o d ec o n t r o l ，s m c ) 是一种设计与分析紧密结合、具有 对模型不确定和对外界扰动不变化及鲁棒性强等特点的控制方法，其原理是利用 控制的不连续性，依靠其高频转换强制闭环系统到达并保持在所设计的滑动面上 在一定条件下滑动模对干扰与系统参数的变化具有不变性。然而滑模控制的不连 续开关特性容易引起系统的颤动，这种颤动可能将系统中存在的高频成分激励起 来，甚至使系统不稳定。 单周控制法作为一种新型非线性控制法，最早由美国学者k c y u cm s m v c l l c y 和s l o b o d a nc u k 提出。其基本思想是在每个周期内强迫开关变量的平均值与控制 参考量相等或成比例，从而消除稳态和瞬态误差。单周控制法具有结构简单、控 制精度高、响应速度快，特别是具有控制性能对系统和电源参数变化不敏感等优 点，已在光伏电源最大功率点跟踪控制、d c - d c 变换器、开关功率放大器、功率 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 因数校正以及有源电力滤波器等方面得到了大量的应用“一l 。 1 6 本文的主要工作 由于谐波问题的日益严重，肿f 因其明显优于其他解决方式的诸多优点，逐 渐成为谐波抑制技术的主要研究方向。传统的两电平a p f 不能满足大功率，高频 化的要求，多电平a p f 逐渐成为研究的热点，但由于传统多电平变换器开关器件 多，由此造成控制复杂，开关损耗大，降低了a p f 的效率。本文将减少开关器件 的多电平交换器用于a p f 中，采用一种比较简单可靠的控制方式实现其在大功率 应用场合的有效补偿。本文主要包括以下几个方面的内容： ( 1 ) 对传统的几种多电平变换器的拓扑结构进行了分类，并分析了它们各自 的优缺点和其应用场合。总结了最近几年在传统多电平变换器拓扑结构基础上改 进的几种多电平变换器拓扑结构，介绍了它们各自的特点，对多电平交换器常见 的几种调制技术进行了分类概述，论述了它们各自的优缺点及适用场合。概述了 多电平变换器在不同领域的应用。 ( 2 ) 介绍了有源滤波器的关键技术，包括a p f 主电路拓扑结构，谐波分量的 检测，以及电流跟踪控制技术。其中重点介绍了a p f 的常见的主电路结构，基于 瞬时无功功率理论的i p - i q 和p | g 检测法，并指出了其适用的范围。简述了滞环控制， 三角载波控制，单周控制的基本原理，并指出了它们各自的优缺点。 ( 3 ) 将二极管箝位型三电平两桥臂变换器运用于三相三线制a p f 的主电路拓 扑结构中，采用单周控制技术，详细分析了单周控制的三电平两桥臂三相三线制 a p f 的特点。在其开关周期平均模型的基础上，建立其数学模型，推导出控制方 程，据此建立了单周控制三电平两桥臂三相三线制有源电力滤波器的电路模型， 用仿真软件对其进行了仿真研究 ( 4 ) 介绍了基于电源电流直接控制的a p f 的基本原理，采用二极管箝位型 三电平两桥臂变换器作为a p f 的主电路，在对主电路工作原理分析的基础上，得 出电源电流的控制策略，建立了整个系统的仿真模型。通过仿真分析，得出基于 电源电流直接控制三电平两桥臂三相三线制a p f 能应用于高电压，大功率场合， 可以实现不同的补偿功能，适用于电源电压畸变情况。并将电源电流直接控制策 略扩展到三相四线制三电平三桥臂a p f ，仿真表明其能有效地补偿系统中的谐波、 无功及负序电流 7 重庆大学硕士学位论文 2 多电平变换器技术 2 多电平变换器技术 1 9 8 1 年，日本长冈科技大学的a n a b a e 等人首次提出了中点箝位式( n e u t r a l p o i n tc l a m p ) - - - 电平逆变器，而后又推广至多电平逆变器( m u l t i l e v ei n v e r t e r ) 。多电 平逆变器不同于两电平逆变器，其中采用电容或独立电源等方式产生多个电平， 通过将多个功率器件按一定的拓扑结构组成可提供多电平输出的逆变电路，其主 要目的是以尽量多的电平输出来逼近理想的正弦波形，从而减弱输出波形中的谐 波影响。在获得高压输入输出特性的同时，多电平逆变器也减轻了器件上的高压 应力，可以使用较低电压等级的器件构造高压变流器，解决了器件串并联带来的 问题。多电平逆变器的出现，是电力电子技术发展的一个里程碑，它使得高压变 频调速技术迅速走向了实用化，让我们看到了高性能控制在高压变频技术上的应 用的希望。多电平变流器技术和其它几种技术比较具有以下优点阎： 每个功率器件仅承受1 ( n - 1 ) 的母线电压( n 为电平数) ，所以可以用低耐压的 器件实现高压大功率的变换，且无需动态均压电路。 电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形畸变( d ) 。 输出同等质量波形的时候，多电平变流器的频率要比两电平变流器低很多，因 而开关损耗小、效率高。 由于电平数的增加，相同的母线电压情况下，开关过程中的电流上升率d i d t 和 电压变化率d r “d r 下降要小很多，在高压大功率电机驱动中可有效防止电机转子绕 组绝缘击穿，同时改善了装置的e m i 特性 无需输出变压器，有效的减小了系统的体积和损耗。 2 1 多电平变换器的原理 在多电平变换器的主电路中含有大量功率器件和电容。电容一般是作为分压 作用，各电容上电压均相等。变换器在功率器件不同的导通组合时，输出侧得到 几种电平，其电压波形在一个周期内呈阶梯状。 2 2 多电平变换器的拓扑结构 经过世界各地学者多年的研究发展，多电平技术发展出了众多的拓扑结构， 如：二极管箝位式( d i o d ec l a m p e d ) ；电容箝位式( f l y i n gc a p a c i t o r ) ：级联型多电平 变流器( c a s c a d el n v e r t e r ) t 混合级联型多电平变换器( h y b r i dc a s c a d e d - i n v e r t e r s ) 等1 2 a - 2 s ，各种拓扑结构除了以上多电平结构的共有特点外，还各有其适用场合和 3 重庆大学硕士学位论文 2 多电平变换器技术 特性，现分别简要介绍如下。 电流型变换器由于电路中串有大电感，而负载( 如电动机) 又多为感性，功率因 数低。电压源型高压变换器具有运行稳定，调速范围宽，输出波形好，输入电流 谐波含量低，功率因数高，效率高等优点，应用较为广泛。因此，通常采用的变 换器都是电压型的，本文中多电平变换器指的是电压型变换器。 ( 1 ) 二极管筘位型( d i o d e - c l a m p ) 多电平变换器 图2 1 三相三电平二极管箝位变换器 f i g2 1t h r e e - p h a s et h r e e - l e v e ld i o d e - c l a m pc o n v e r t e r 图2 1 所示是一个三电平三相二极管箝位型变流器的结构图。直流侧由两个电 容串联构成，每个电容上的电压为1 2 电源电压。通过开关器件的不同组合使输出 电压产生不同的电平。二极管筘位型变流器同时具有多重化和脉宽调制的优点：输 出功率大，器件开关频率低，等效开关频率高；交流侧不需要变压器连接，动态 响应好，传输带宽较宽等等。但这种变流器也存在以下不足： 需要大量的箝位二极管，不仅大大增加了成本，而且会在线路安装时也会 造成相当的困难，因此在实际应用中一般仅限于7 电平或9 电平以下变流器的研 究。 每个桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，容易造成负荷不一致。 在变流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， 从而造成电容电压不平衡，增加了系统动态控制难度。 文献【2 9 】将经典二极管箝位多电平变换器中的每个箝位二极管中性点，用1 个 两电平逆变器桥臂和电容并联单元代替，得到了所谓的混合二极管箝位多电平变 换器。图2 2 所示为一个混合二极管箝位多电平变换器的单相桥臂结构，在相同电 平数的条件下，所使用的箝位二极管的数目有所减少，适用于对波形质量要求较 高的中压功率变换场合。 9 重庆大学硕士学位论文2 多电平变换器技术 图2 2 混合二极管箝位多电平变换器的单相桥臂 f i g2 2s i n g l e - p h a s eh y b r i dd i o d e - c l a m pm u l t i l e v e lc o n v e r t e r ( 2 ) 电容筘位型( f l y i n g - c a p a c i t o r ) 多电平变换器 v d c l n v d c 2 图2 3 三相三电平飞跨电容变换器 f 培2 3t l e e - p h a s et h r e e - l e v e lf l y i n g - c a p a c i t o rc o n v e r t e r 图2 3 是一个三相三电平电容变换器的结构图。这种电路采用的是跨接在串联 开关器件之间的串联电容进行箝位的飞跨电容多电平变换器拓扑的出发点是为 了去除二极管箝位型电路中大量的筘位二极管，但同时又引入了大量的悬浮电容。 电容箝位型多电平变流器的电平合成的自由度和灵活性高于二极管多电平交流 器。电容箝位型多电平交流器的优点是开关方式灵活、对功率器件保护能力较强， 既能控制有功功率，又能控制无功功率，适于高压直流输电系统等等。其主要缺 点是： 需要大量的存储电容。电平数较高时，这种变流器不仅安装难度大，而且 造价也很高。 为了使电容的充放电保持平衡，对于中间值电平需要采用不同的开关组合。 这就增加了系统控制的复杂性，器件的开关频率和开关损耗大 同二极管箝位型多电平交流器一样，电容箝位型多电平变流器也存在导通 负荷不一致的问题。 l o 重庆大学硕士学位论文 2 多电平变换器技术 ( 3 ) 级联型多电平变换器 级联型多电平交流器是1 9 9 5 年由e z p e n g 提出的多电平变流器结构。它以单 相全桥变流电路为基本变流器单元，在交流侧直接级联而实现高压输出。 b c h 图2 4 三相级联五电平变换器 f i 9 2 at h r e e - p h a s ef i v e l e v e lc a s c a d e dc o n v e r t e r 图2 4 是一个三相级联五电平变换器的结构图。它由几个全桥逆变单元串联而 成，每个独立直流电源给一个全桥逆变单元供电。级联多电平拓扑的优点在于： 直流侧采用相互独立的直流电源，无须均压。 具有模块化的结构特点，设计，制造、安装方便，所基于的低压、小容量 逆变器技术成熟，易于控制，系统的可靠性高。 对相同的电平数来说，级联结构所需的元器件数目最少 由于没有电容和箝位二极管的限制，级联结构的电平数可较大，因而可上 更高电压，实现更低谐波。 缺点为：需要多个独立电源，当采用不可控整流得到这些直流电源时，为了 减小对电网的谐波干扰，通常采用多绕组曲折变压器的多重化来实现。这种变压 器体积庞大，成本高，设计困难。 图2 52 h 桥和3 h 桥级联型多电平变换器单相电路结构 f i g2 5s l n g l e - p h a s em u l t i l e v e l2 h - b r i g ea n d3 h - b r i g ec a s c 蜘e dc o n v e r t e r 重庆大学硕士学位论文2 多电平变换器技术 文【3 0 】提出了一种改进的级联型多电平变换器，它可以由任意个h 桥单元级联 构成。其中的h 桥可以是两电平，也可以是二极管箝位型或电容箝位型的任意电 平，不同单元采用不同的独立直流电压源。图2 5 是一个2 电平h 桥和一个3 电 平h 桥构成的单相级联型多电平变换器结构，3 电平h 单元能输出5 个电平，2 电平h 单元能输出3 个电平，单元的直流电压比为l 比6 时，可得到1 5 个电平的 输出。相对于传统的级联型拓扑，在得到相同输出电平的情况一下，新拓扑可以 使用较少数量的开关器件和较少数量的独立电压源，从而简化电路，降低成本。 文献 3 h 提出一种基于独立电源的混合级联多电平逆变器主电路拓扑结构。如 图2 6 所示，可以看出，此逆变器由多个全桥单元模块串联组成，每一相的输出电 压由不同的直流电压电平合成高电压模块中使用具有高反向阻断电压和低开关 频率的g t o 进行低频开关，而低电压模块则使用i g b t 进行高频开关，将i g b t 模块高频p w m 输出波形与g t o 模块低频阶梯波输出波形进行合成，即可获得频 谱特性较好的高电压输出波形。相对于其它电路拓扑结构而言，在输出相同电压 等级和电平数的前提下，混合级联多电平拓扑结构大大减少了所需器件的个数。 c n 图2 6 混合级联型多电平变换器 f i g2 6t h r e e - p h a s em u l t i l e v e lh y b r i dc a s c a d e dc , t m v e r t e r 2 3 多电平变换器拓扑结构的主要问题 多电平变换器输出电压是由直流侧电容提供的，其变换过程实际是直流侧电 容充放电的过程，容易使直流侧电容电压发生波动，造成直流侧电容电位不平衡 的问题。中点电位的波动可使变换器中某些功率器件承受的瞬时电压提高，降低 了系统的寿命和可靠性，有时甚至会因为电压应力过大造成功率器损坏而导致逆 变失败。 重庆大学硕士学位论文2 多电平变换器技术 由于频率越高，可使输出电流谐波越少。因此，变换器也在朝高频率方向发 展。但随着开关频率的提高，带来的开关损耗也越来越大。尽管多电平变换器开 关频率可以做得比传统的二电平变换器要低，但也有几k h z 甚至几十蛆z ，其损 耗也制约了多电平变换器效率的进一步提高。 2 4 多电平变换器的调制技术 多电平变换器功能的实现，不仅仅要有适当的电路拓扑结构作为基础，还要 有相应的p w m 控制方法作为保障，才能保证系统高性能和高效率运行。在过去二 十年里，大量的多电平p w m 方法被提出，它们基本上都发源于业已成熟的两电平 p w m 技术。由于采用多电平变换器的开关数量多，随电平数的增加而增加，所以 其调制方法比两电平复杂，归纳起来大致可以分为以下几类： ( 1 ) 阶梯波脉宽调制就是用阶梯波来逼近正弦波。该方法主要优点有；器 件在基频工作，开关频率低，开关损耗小；易于物理实现。其缺点为：输出 电流频谱特性性能不高；输出电压受直流侧电压波动影响较大；幅值调制比 范围小。 ( 2 ) 选择谐波消去法( s e l e c t i v eh a r m o n i ce l i m i n a t i o np w m ，s h e p w m ) 是一 种频率最优化的调制方法，有些资料也称该方法为开关点预测法【3 羽。该方法的基 本思想是通过傅立叶级数分析，得出在选择开关角下的傅立叶级数展开式，然后 令某些选择的低次谐波为零，从而得到一个反映n 个开关角的n 个非线性独立方 程，按求解的开关角进行控制，就能消除这些选择的谐波，通常这种方法着眼于 消除低次谐波，因为高次谐波的幅值较小，同时谐波频率增高，滤波相对容易。 选择谐波消除s h e p w m ，通过开关时刻的优化选择，消除选定的低频次谐波， 具有以在同样的开关频率下，可以产生最优的输出电压波形；可以通过调制来得 到较高的基波电压，提高直流电压的利用率；在同样波形质量的情况下，利用选 择谐波消除法s h e p w m 可以得到最低的开关频率，从而有效降低开关损耗，提 高转换效率等显著优点。而选择谐波消除实现的困难在于用牛顿迭代法求解一组 非线性独立方程组。而且选取合适的初值是解法收敛的必要条件，这就决定了运 算要花费较多的时问，不利于在线计算，因而多采用离线计算，采用查表法取得 开关切换时刻，这就需要较大的数据表格。 ( 3 ) 空间矢量调制( s p a c ev e c t o r m o d u l a t i o n ，s v v 1 ) 从电动机的角度出发，以 三相对称正弦电压供电时交流电动机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关 模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们比较的结果决定逆变器的开关， 形成p w m 波形。多电平p w m 的空间电压矢量法与其它方法比较是较为优越和应 用广泛的一种，其优越性表现在：在大范围的调制比内具有很好的性能，无其它 重庆大学硕士学位论文 2 多电平变换器技术 控制方法所需存储的大量角度数据，并且母线利用率高。多电平的电压矢量比2 电平更密集，模大小可选择的种类更多，这样也带来了控制上的复杂性，当应用 于5 电平以上的多电平电路时其控制算法将变得非常复杂。 文献【3 3 】将参考多电平电压矢量分解为偏移矢量和两电平电压矢量，由此把复 杂的多电平空间矢量调制简化成简单的两电平空间矢量问题。开关状态和占空比 通过零序参考电压与变换器的最优控制来决定基于这种方法的通用多电平控制 器由d s p 为核心构成。d s p 产生开关状态，并传输到逻辑门阵列( f p g a ) ，f p g a 把开关状态转换成开关的触发信号，来控制开关的动作。当电平数发生变化时， d s p 的内部程序不用修改，只需要调整f p g a 输出更多的触发信号。因此，这种d s p 构成的控制器适合任何电平的变换器。 ( 4 ) 载波移相p w m p 4 ( c a r r i e rp h a s e s h i r i n gp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ， c p s - p w m ) 法是一种用于单元级联型多电平变换器的p w m 方法。每个功率单元模 块的s p w m 信号均由一个三角载波与一个正弦波比较产生。所有模块的正弦波都 相同，但每个模块的三角载波与其相邻模块的三角载波之间有一定相移，使各模 块最终叠加输出s p w m 波的等效开关率提高，大大减小了输出谐波。 载波移相p w m 通常采用数字化实现，但存在以下两方面的问题：一是自然采 样法结果精确，但为了确定开关时刻需求解一组以脉冲宽度为变量的超越方程， 而且方程个数随载波比的增大而增加，对于现有处理器难以实时控制；平均对称 规则采样法的采样点固定设在三角载波的顶点或底点处，数据量最少，大大降低 了对微处理器的要求，易于实时实现，因而目前大多数的数字控制均采用该采样 法，但该采样法的不足之处在于，调制波已不再是正弦波，而是与正弦波近似的 阶梯调制波，故含有相当部分的谐波成份。文献【3 5 】介绍了用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型 d s p 实现基于