（电力电子与电力传动专业论文）静止同步串联补偿器的数学建模及其仿真研究.pdf

摘要 本文提出把级联多电平逆变器应用到静止同步串联补偿器( s s s c ) 的模型中。 阶梯波调制是一种简单有效的逆变器调制方法，文中介绍了一种可在线计算触发角 的阶梯波调制算法。 本文阐述了s s s c 的基本结构和工作原理，对s s s c 的输出特性、功角特性作 了详细的分析，给出了含有s s s c 的系统输送功率和s s s c 等值电抗等的计算公式。 本文对含有s s s c 的系统在e m t d c 中作了仿真分析，提出了应用级联多电平逆 变器的s s s c 拓扑和相应的控制策略。 关键词：静止同步串联补偿器，灵活交流输电，级联多电平逆变器，阶梯波调制， e m t d c s u b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e st h a tc a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e rc a nb eu s e di ns s s c m o d e l s t e pp u l s em o d u l a t i o ni sas i m p l ea n de f f e c t i v em o d u l a t i o nm e t h o df o ri n v e r t e r i nt h i sd i s s e r t a t i o no n es t e pp u l s em o d u l a t i o nm e t h o di si n t r o d u c e d ，w h i c hc a no b t a i n c o n d u c t i o na n g l et h r o u g ha no n l i n eo p e r a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nr e p r e s e n t st h eb a s i cs t r u c t u r ea n dt h ew o r kp r i n c i p l eo fs s s ca n d a n a l y z e s i t s o u t p u t c h a r a c t e r i s t i ca n dp o w e 卜a n g t ec h a r a c t e r i s t i c t h ec o h e r e n t c a l c u l a t i o n ss u c ha st h et r a n s m i t t e dp o w e ro fe l e c t r i cn e t w o r ki n c l u d i n gs s s ca n d e q u i v a l e n tr e a c t a n c eo fs s s ca r ep r e s e n t e d a l s o t h es i m u l a t i o na n a l y s i so fn e t w o r ki n c l u d i n gs s s ci sc a r r i e do u t ，t h es s s c t o p o l o g ya n dc o n t r o ls t r a t e g ya r ea l s or e p r e s e n t e d l i uh u i w e i ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dm o t o rd r i v e s ) d i r e c t e db yp r o lx i a ox i a n g n i n g k e yw o r d s ：s s s c ，f a c t s ，c a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r ，s t e pp u l s em o d u l a t i o n ，e m t d c y8 6 7 7 3 6 声日爿 蒯文堪! 搭：羹燃蘸 力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所 知，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，也不包含为获得华北电力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。 学位论文作者签名：邋日期：翌! ：! 笸 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 日 期：竺51 墨! ； 日 期：竺：! ! ! ! 多 华北电力大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 随着国民经济的发展，对电能需求量不断上涨，与此同时对电网输电能力的要 求也越来越高，致使输电网络结构日益复杂，运行任务日益繁重，而建设新的高压 输电线路所受到的限制又不断增大( 因高压线路对周围环境有不好的影响，环保要 求越来越严格，而且线路造价特别是走廊使用权的费用越来越昂贵) ，再加上输电 可控性能较差( 和发电、配用电相比) ，网络中功率潮流的自然分布会随着负荷变 化而变化，可能造成过大的电能损失或危及安全运行而被迫降低输送功率，从而造 成已有输电线的负担加重，输送能力不足的问题更加突出。众所周知，电力网络输 电能力受到静态稳定，动态稳定、暂态稳定、电压稳定和热稳定的限制，其中前四 种因素是限制电网输电能力的主要因素。因此，对提高输送能力技术措旋的要求日 益紧迫，并且希望通过这些措施在增大电网输送能力的同时，还必须保持系统稳定 和优化运行。于是专家们设计研制出了一些如固定或机械开关投切的串联电容、并 联电容、并联电抗设备，对改善系统运行条件、提高电力系统的稳定性、增强电力 网络输电能力等方面起到了一定的作用，但这些设备是机械型的，是依靠慢速间断 及不精确的控制手段来进行控制和优化交流输电网的，由于缺少快速控制手段，在 功率输送过程中可能造成“功率绕送”和“功率倒流”，还可能出现输电受限制的 “瓶颈”环节，因此在系统设计时要留有较大的稳定储备，以应付一些可以预想的 系统紧急状态，从而导致输电系统能力没有被充分利用，这不符合当前电能需求急 剧增长的需要。 随着电力电子技术及其大功率半导体器件的产生和发展，出现了f a c f s ( 灵活 交流输电) 技术和设备。f a c t s 的概念是由美国著名电力专家n g h i n g o r a n i 于1 9 8 6 年创建的，它是综合电力电子器件、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而 形成的用于控制交流输电的新技术。f a c t s 技术已被国内外一些较权威性的输电技 术研究者和工作组预测确定为“未来输电系统新时代三项支撑技术( 灵活交流输电 技术、先进的e m s 技术和综合自动化技术) 之一”或说成是“现代电力系统中三项 具有变革性影响的前沿性课题之一”。其主要内涵是用大功率电力电子器件代替传 统的阻抗、功角、电压控制元件上的机械式高压开关，为交流输电网提供快速连续 和精确的控制以及优化潮流功率的能力，在不改变网络结构的情况下提高电网的输 电能力，增强对潮流和电压的可控性，同时可以提高系统稳定性，并有助于在事故 时防止连锁反应造成的大面积停电事故。 静止同步串联补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u ss e r i e sc o m p e n s a t o r ，简称s s s c ) 是 华北电力大学硕士学位论文 近年来电力系统出现的f a c t s 控制器的一种。它与输电系统以串联方式联结，是 应用可关断晶闸管( g t o ) 构成的同步电压源的控制器，基本原理是向线路注入一个 与其电流相位相差成9 0 。的可控电压，等效为能快速控制线路的有效阻抗，从而进 行有效的系统控制，其有优良的运行和动态性能：( 1 ) 可不需用任何交流电容器或 电抗器在线路内产生或吸收无功功率；( 2 ) 可以在s s s c 同一容性和感性范围内， 与线路电流大小无关地产生一可控的补偿电压：( 3 ) 对次同步谐振( s s r ) 及其它 振荡现象具有固有的抗干扰能力：( 4 ) 接入储能器后，可对线路进行有功和无功补 偿；( 5 ) 接入一直流电源后，可补偿线路电抗，维持线路z r 的高比值；( 6 ) 能快 速或几乎瞬时地响应控制指令；( 7 ) 具有适应单相重合闸时非全相运行状态的能力。 综上所述，对静止同步串联补偿器进行分析研究是很有必要的，也是当前我国电力 系统输电发展的需要。 1 2 柔性交流输电系统( f a c t s ) 概述 1 2 1f a c t s 技术产生背景 ( 1 ) 解决电力输电网运行和发展中各种困难的客观需要 2 1 世纪的输电系统运行将承担更大的来自环境保护和电力市场等方面的压力。 这些压力所产生的需求可以招手为以下三个方面： a 。增大输送能力。现在一方面电能输送需求不断增大，另一方面建设减缩的局 面使提高输送能力的需求更为突出。 b 保持系统稳定。近几年多次发生的灾变性重大电力系统事故使电力系统的稳 定显得成为重要，如何在电力系统被迫更长距离输送更多电力的同时仍能保持系统 的稳定性，就成为调度运行人员的另一重要任务。 c 优化系统运行。现代电力系统的控制变得更复杂，需要对整体系统的潮流进 行优化。这种优化需要在越来越大的地区内综合考虑系统全局运行的情况。此外， 电力市场要求系统能经过一特定的“合同途径”去控制电力流向，而这在交流输电 系统中是很难做到的。 针对上述需求应运而生的柔性交流输电系统技术从根本上改变了交流输电网 过去基本只依靠机械型、慢速、间断及不精确的控制和优化技术措施的局面。f a c t s 装置为交流输电网提供了空前快速、连续和精确的控制以及优化潮流功率的能力， 同时可以确保系统稳定性，并有助于在事故时防止连锁反应造成的大停电结局。 ( 2 ) 电力电子技术发展的两个阶段 电力电子技术及元器件是在半导体问世后才发展起来的。以器件为依据可将其 分为传统的电力电子技术和现代电力电子技术两个阶段。前者以半控型电力半导体 器件( s c r ) 为核心，带动整流领域的飞速发展：后者以全控型器件( g t r 、g t o 、 2 华北电力入学硕士学位论文 功率m o s f e t 、i g b t 、s i t 等) 为核心，带动了逆变领域的飞速发展。 同时，通信技术、微电子技术、计算机技术、控制技术的发展也为f a c t s 技术 的产生提供了技术基础。 f a c t s 技术正是在这种背景下产生的。f a c t s 作用主要体现在提高了输电网潮 流流向的控制能力以及输电线输送能力两个方面，具体表现为： a 较大范围地控制潮流使之按指定路径流动； b 保证输电线的负荷可以接近热稳定极限又不过负荷； c 在控制的区域内可以传输更多功率，减少发电机的热备用； d 依靠限制短路和设备故障的影响来防止线路串极跳闸： e 阻尼系统振荡。 可以说，f a c t s 技术可多方面地提高交流输电系统的可控性能，除可保留交流 输电原有的技术优点( 设备相对简单，具有维持电网并列运行不可缺少的同步功率， 便于接入中间地区系统以及易于实现系统互连等1 外，还可扩大具有原属于直流输电 的一些技术优点，如便于定向输电，具有快速而精确调节运行状态的能力，甚至可 异步联网( 或准异步联网) 和突破原来水下或地下输电采用交流时的长度限制等。 1 2 2f a c t s 控制器概述 虽然各种f a c t s 控制器都具有提高交流输电线和电网可控性能的共同功能， 但其安装地点并不一定全在输电系统上，也可以安装在发电厂内或供配电系统中。 故f a c t s 控制器可分为输电型、发电型和供电型3 种类型。当然也可按功能分为 阻抗控制型、电压控制型和相角控制型等，也可按联接方式划分。但这些分类方法 最好是在上述三大分类的内部再进行次一级的分类。 在供电型控制器中应列入“定制电力( c u s t o mp o w e r ) 控制器“系列”，它是利 用电力电子装置提高供电可靠性和可控性并可影响输电系统性能，且已成套并仍在 发展中的专用控制器族。随着工业工艺的飞速进步，其发展也会更快速其应用前景 也更加量大面广。 图1 - 1 中发电型f a c t s 控制器一类中的可调速发电机( a s g ) 和带飞轮的变 速发电电动机组( f w g ) 是日本持有专利的f a c t s 控制器，前者已多次在实际中 应用，后者已被日本列入“未来八年加强全国电网规划”中将采用的三项f a c t s 控制器之一。另外，近几年，随着最新一代的f a c t s 装置可转换静止补偿器( c s c ) 、 线间潮流控制器( i p f c ) 和广义统一潮流控制器( g u p f c ) 的提出和应用，标志若 f a c t s 的直接控制对象从交流输电线扩展到交流电网。 3 华北电力人学硕士学位论文 i r _ _ _ _ _ _ f a c t s 控制器f 图1 - 1f a c t s 控制器分类 总而言之，如能将日益发展增多的f a c t s 控制器恰当分类，并连同其结构和 基本性能形出较为完善的系列族表，将有利于对比或显露空白，从而促使改进已有 控制器或创建新型控制器。 以输电型f a c t s 控制器为例，其与系统的联接方式就有串联、并联和串并联3 种方式，其控制功能可分别示于图1 - 2 ，以便比较。 v 5 vz s , _ + 兰_ 十_ 一 图1 - 2 主要输电型f a c t s 控制器功能示意图 晶闸管控制的串联电容补偿器( t c s c ) 和s s s c 一样都是串联补偿，所起的作 4 华北电力大学硕士学位论文 有也很相似。t c s c 主要由一个串联电容和晶闸管控制电抗器( t c r ) 并联构成， 通过控制晶闸管开关触发角，可连续、快速、大范围地调整线路阻抗，以实现潮流 控制，平息地区性功率振荡、提高系统暂态稳定、抑制次同步振荡( s s r ) ，有效提 高电力系统动态性能。t c s c 同s s s c 相比，存在补偿出力受线路电流影响，补偿 设备与线路电感有产生谐振的可能等问题。s s s c 可以提供独立于线路电流的容性 或感性补偿电压，除串联无功补偿外，附加直流电源后还可以对线路进行有功补偿， 即使线路有很高的补偿度，由于对电抗有功部分的补偿，仍可以保持较高的x r 比 值。 由于f a c t s 控制器可对上述影响电力系统运行的参数进行快速、精确的控制， 从而对系统潮流变化、功率流向、输送能力、阻尼振荡以及防止事故扩大等多方面 运彳亍性能的改进和提高具有巨大功能，可以说，f a c t s 技术将多方面地提高交流输 电系统的可控性。f a c t s 控制器必须具有自身专门的设计，此外它还必然地具有一 定的技术局限性。因此，柔性化了的交流输电( f l c x i b i l i z e da ct r a n s m i s s i o n ) 虽然 具有更优良的可控性能和更强的应用竞争能力，但并不能完全取代直流输电，它们 将优势互补地，协调配合地共同组成未来复杂的大型电力系统。 1 2 3s s s c 的工程应用研究 f a c t s 装置的目的都是通过利用大功率电力电子器件的快速响应能力，达到对 电压、有功潮流、无功潮流、系统稳定等的平滑控制，从而在不影响系统稳定性的 前提下，在最优状态下提高系统输送能力，改善电压质量，达到最大可用性、最小 损耗、最小环境压力、最小投资和最短的建设周期。 1 9 9 8 年在美国电力公司的i n e z 变电站投运的u p f c 装置，及2 0 0 2 年在n y p a 的m a r c y 变电站投入运行的c s c 都集成了几种f a c t s 装置的功能，其体现对潮流 和稳定控制的关键组成部分就是s s s c 。虽然目前世界上还没有单独的s s s c 装置， 但实际上已经投运的两个u p f c 工程以及一个c s c 工程都有单独作为s s s c 运行的 方式，因此可以说已经有s s s c 的实际工程投入电网运行了。 1 9 9 5 年美国电力公司( a e p ) 、e p r i 和西屋公司联合完成了解决肯塔基和弗吉 尼亚部分地区电压和热稳定问题的详细研究，这项研究计划推动了u p f c 工程的进 行。该工程不但是u p f c 的第一个实际应用工程，也是迄今实施的最大容量的基于 g t o 逆变器的f a c t s 装置，是f a c t s 发展的里程碑。额定容量为2 x 1 6 0 m v a 。 使用2 个基于g t o 的逆变器，每个的额定功率为1 6 0 m v a ，通过共用的直流电容 相连。两逆变器也可以作为s t a t c o m 和s s s c 分别运行。工程完成后，在i n e z 变 电站进行了一系列现场试验，结果说明了u p f c 具有较强的控制有功、无功功率和 母线电压的能力，包括s s s c 单独运行方式，是s s s c 第一次大容量的应用。 纽约电管局( n y p a ) 为了缓解纽约州中部的输电阻塞问题，在其m a r c y 变电 s 华北电力人学硕士学位论文 站安装了一和新的f a c t s 控制器一一c s c ，使输电容量提高了2 4 0 m w ，改善了电 压和潮流控制，最大限度利用了现有输电设施。n y p a 与e p r i 、s i e m e n s 以及其 它2 1 个小组共同完成了c s c 的研发和实旖工作。c s c 的2 台的逆变器通过2 台并 联变压器以及串联变压器与系统相连，具有1 1 种不同的运行方式。可以在变电站母 线以及变电站两条线路上实现s t a t c o m 、s s s c 、u p f c 、i p f c 的功能。利用e p r i 电力系统分析软件包的用户自定义功能，开发了这些方式的不同模型并进行了电压 稳定、小干扰稳定以及暂态稳定的仿真。研究的重点是找出哪种方式可以对所有的 稳定性问题提供最佳的阻尼作用。设计了调制控制以阻尼地区间振荡，可以说所有 的c s c 方式都提高了电压稳定、小干扰稳定以及暂态稳定的裕度。 2 0 0 3 年韩国电力科学研究院( k e p r i ) 在系统完成了u p f c 示范工程。通过此 项目的应用、安装和运行，k e p r i 计划提出应用于3 4 5 k v 系统所需的设备规格和运 行策略。 现投运的三个基于可判断器件的串并联补偿装置都采用了多电平桥及接口电 磁耦合变压器的结构，采用方波触发。应用电压等级最高为3 4 5 k v ，最大容量为 2 x 1 6 0 m v a 。工程目的都是为了提高输送容量，同时提供必要的系统稳定支持，这 些实际工程都是在经过多年理论研究积累后开展的。系统级的机电暂态仿真，以及 器件级的电磁暂态仿真在工程实施的整个过程中发挥了重要的作用，从基于可关断 器件f a c t s 装置的研究和应用可以看出，s s s c 是这一代装置的关键技术，也是辐 射性技术，通过装置及其控制系统的模块代扩展，可以在s s s c 的基础上研究u p f c 、 i p f c 、c s c 、u p q c 、d v r 、s s i s 等f a c t s 装置。 1 3s s s c 的研究现状 目前s s $ o 的研究还处在理论分析和研制阶段，对其数学模型、控制策略和逆 变器拓扑的研究还很不够，s t a t c o m 、u p f c 和s s s c 都是基于同步电压源的f a c t s 控 制器，有关u p f c 和s t a t c o m 已有很多文献发表，并已有设备投入运行，对它们以 及其它f a c t s 控制器的研究成果将是s s s c 研究的基础。 要研究f a c t s 控制器，首先就是要建立其数学模型。按描述的对象，f a c t s 控制器的模型可分为静态模型和动态模型。静态模型考虑f a c t s 控制器的输入输 出特性，而动态模型则要分析系统的动态特性和行为便于电磁暂态过程的数值仿 真。 目前f a c t s 的建模方法主要有两种：拓扑建模法和输出建模法。输出建模法 较简单，通常将装置等效为一个电压源外按阻抗，再考虑装置本身的一些约束条件， 得到联立方程。拓朴建模法是先建立电路的等值电路，从丽列出它的状态方程。拓 扑建模法要考虑装置的不同拓扑结构，比较复杂，且不易形成模型统一的表达式。 文献 1 1 1 2 只是简单地把s s s c 看成一个同步电压源，其电压相角基本上与线路 6 华北电力大学硕士学位论文 电流成9 0 。，未考虑逆变器的损耗、串联变压器的漏抗、逆变器中直流电容电压和 同步电压源幅值之间的关系等，只是一个简单的静态模型。文献 3 1 1 4 用d q 分解给 出了s s s c 的动态模型，但是这些模型并不能反映电容器上电压的变化。文献【5 】提 出了包含s s s c 的电力系统的潮流计算计算模型。 f a c t s 模型建立后，就要考虑其最佳的控制镱略。选择最佳的控制策略应根据 电力系统本身的运行特征，在实现其功能的前提下，综合基于模型的控制理论和智 能控制方法，设计出电力系统运行状态下的最佳控制器。 根据根据控制器设计过程对系统信息提取和综合过程的不同，将f a c t s 装置 的稳定控制策略分为3 种： a 基于系统内部结构的控制方式( 李亚普诺夫能量函数法；非线性系统的线性 化方法( 局部线性化，如l o e c ，反馈线性化，如d f l ，微分几何法，逆系统方法； 观测线性化) ；分散控制方法，鲁棒控制法和变结构控制方法；预测控制方法) ； b p i d 控制，p i d 控制仍是f a c t s 控制最常有的控制方法，其生命力在于：理 论完善，概念清晰，调整方便，易于工程实用化。目前投入的f a c t s 设备大都采 用p i d 控制。虽然p i d 控制易于实现，但对改善系统的动态特性并不显著。 c 综合智能控制方法，包括模糊逻辑控制，人工神经网络控制，专家系统控制， 迭代学习控制i l c ( i t e r a t i v el e a r n i n gc o n t r 0 1 ) 。 可以看出，经典控制理论，现代控制理论，非线性控制，智能控制，鲁棒控制 以及相互之间结合而成的控制方式都在f a c t s 的研究中得到了尝试和应用。但是， 到目前为止，除了p i d 控制方法外，应用在实际工程中的新控制算法还很少。 前面建立的数学模型和设计的控制系统，都是在逆变器输出电压为基波的前提 下产生的，实际上，逆变器输出电压除了基波外，还会有多次谐波存在，如何解决 谐波问题，也是设计s s s c 首先需要解决的问题。这就需要为s s s c 选择合适的拓 扑。 系统的主电路结构是系统设计的重要环节，直接决定着v s c 型f a c t s 设备的 数学模型及补偿性能。目前应用于v s c 型f a c t s 设备的主电路结构从是否接有耦 合变压器分，可分为有耦合变压器及无耦合变压器这两种形式。所以本报告所涉及 的s s s c 主电路研究也分为这两种情况。有耦合变压器的s s s c 中，s s s c 通过串联 变压器接入系统，这种结构在目前的文献介绍中占多数，这种结构逆变器通过磁路 转换与耦合变压器相连；无耦合变压器的s s s c 逆变器单元直接与线路串联，也称 为链式结构。这种结构取消了磁路转换及耦合变压器环节。 1 4 本论文的主要工作 本论文工作结合了国家自然科学基余项目“基于非正交坐标系s v p w m 的s s s c 调制原理与直流电压平衡方法研究”，对s s s c 相关的理论与技术进行了研究，主要 7 华北电力大学硕士学位论文 工作内容如下： ( 1 ) 系统地总结了f a c t s 技术的发展情况，介绍了现在主要的f a c t s 设备， 对s s s c 的工程应用和研究情况进行了介绍，认为s s s c 是具有技术先进性和辐射 性的新一代可控串联补偿装置。 ( 2 ) 分析了当前存在的多电平逆变器结构和它们的优缺点。级联多电平逆变 器作为一和新出现的拓扑形式，具有模块化，易于在大功率场合下应用，在阶梯波 调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高。因此提出了把利用阶梯波调制 的级联逆交器应用到s s s c 中。 传统的阶梯波触发角计算方法一一消谐波必须离线计算，在应用中比较麻烦， 因此介绍了一种可在线计算触发角的阶梯波调制算法，并通过仿真验证了其正确 性。 ( 3 ) 本文阐述了s s s c 的基本结构和工作原理，对s s s c 的输出特性、功角特 性作了详细的分析，给出了含有s s s c 系统输送功率的计算和s s s c 等值电抗等的 计算，这是以后仿真研究的理论基础。 ( 4 ) 本文对含有s s s c 的系统在e m t d c 中作了仿真分析，提出了应用级联多电 平逆变器的s s s c 拓扑和相应的控制策略，并对耦合变压器对s s s c 的影响、电力 电子器件的选择、直流电容电压平衡、电容器预充电等问题作了一定的探讨和提出 了相应的解决方案。最后介绍了直流侧有储能装鼍的s s s c 的d q 解耦控制，仿真结 果证明了这种控制方法的可行性。 8 华北电力大学硕士学位论文 第二章s s s c 的主电路拓扑及调制算法 s s s c 最主要的部分是同步电压源，因此同步电压源拓扑和调制算法的选择具有 重要的意义。 目前多电平变换器成为高压大功率变换研究的热点，多电平电路的出现为高压 大容量电压型变换器的研制开辟了一条新思路，逐渐成为大功率电机传动和大功率 无功补偿等领域的重点研究对象。到目前为止，多电平变换器已经有了很大的发展， 在理论和拓扑结构上出现了多个分支。 2 1 多电平逆变器的拓扑结构 多电平变换器的拓扑结构主要有三种结构： 1 、二极管箝位式( d i o d e c l a m p e d ) 多电平变换器 德国学者h o l t z 于1 9 7 7 年首次提出三电平变换拓扑，其主电路采用常规的两 电平电路，仅在其每相桥臂带一对开关管作为辅助中点进行箝位。1 9 8 0 年，日本 长冈科技大学a n a b a e 等人将辅助开关管换成一对箝位二极管，分别和上下桥臂串 联的开关管相连以辅助中点箝位，称为二极管中点筘位式( n e u t r a lp o i n tc 1 a m p e d ， n p c ) 三电平变换器。这种变换器控制较容易，主开关管关断时仅承受直流侧一半 的电压，因此更适合在大功率场合使用。1 9 8 3 年，b h a g w a t 和s t e f a n o v i c 将这 种电路结构由三电平推广到多电平，进一步奠定了n p c 结构的多电平模式。 ( a ) 三电平逆变器 ( b ) 五电甲逆变器 图2 - 1 三电平和五电平二极管箝位式多电甲结构 在这种结构下，若要得到更多电乎数，例如n 电平，只需将直流分压电容改为 ( n 一1 ) 个串联，每桥臂主开关器件改为2 ( n 一1 ) 个串联，每个桥臂的筘位二极管数量 9 华北电力大学硕士学位论文 改为( i q 一1 ) ( n 一2 ) 个。每( n 一1 ) 个串联后分别跨接在正负半桥臂对应开关器件之间进 行箱位，对于需要四象限可逆运行的负载，只需将两组相同的多电平三相变换器按 照“背靠背( b a c k t o b a c k ) ”方式连接就可实现。 二极管箝位多电平变换器的特点如下： 优点：1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少； 2 ) 阶梯波调制时，器件在基频下工作，开关损耗小，效率高； 3 ) 可控制无功功率流： 4 ) b a c k t o b a c k 连接系统控制简单； 缺点：1 ) 需要大量箝位二极管，这些箝位二极管不仅产生了大量的功率损耗， 而且还增加了杂散电感，封装臂比较困难； 2 ) 每个桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成开关承载负荷不一 致； 3 ) 存在直流分压电容电压不平衡问题。 鉴于以上问题，这种结构被局限在应用于7 电平或9 电平的情况。 2 、飞跨电容多电平变换器 该拓扑最早是由t a m e y n a r d 和h f o c h 在1 9 9 2 年的p e s c 会议上提出的。图 示是一个单相全桥飞跨电容五电平变换器的主电路结构图。这种结构能够解决电压 不平衡问题。由图可见，与二极管箝位多电平变换器不同，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，值得一提的是该电路的电压合成更为 灵活，即对于相同的输出电压，可以由不同的开关状态组合得到，这种开关组合的 可选择性，为这种电路用于有功功率变换及分压电容电压平衡提供了可能性和灵活 性，但同时会带来控制上的复杂性和器件开关频率高，系统损耗大的问题。与二极 管箝位电路类似，飞跨电容多电平电路也可构成三相系统，并可推广到n 电平，每 相所需开关器件为2 ( n 一1 ) 个，直流分压电容( n - i ) 个以及箝位电容( n 一1 ) ( n 一2 ) 2 个。 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 箱位二极管，但同时又引入了大量的悬浮电容。在电力电子装置中电容是一个可靠 性较差，寿命较短的器件，而且对于高压大容量系统而言，电容体积庞大，难以集 成，成本高，所以近年来，对这一拓扑的应用性研究己较少，但该拓扑仍具有一定 的理论意义。 华北电力大学硕士学位论文 ( a ) 三电平逆变器( b ) 五电平逆变器 图2 2 三电平和五电平飞跨电容式多电平结构 飞跨电容多电平变换器的特点如下： 优点：1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少； 2 ) 阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高： 3 ) 可控无功和有功功率流，因而可用于高压直流输电和变频调速； 4 ) 大量的开关组合冗余，可用于电压平衡控制； 缺点：1 ) 需大量的筘位电容，体积庞大，可靠性差： 2 ) 用于有功功率传输时，控制复杂，开关频率高，开关损耗大； 3 ) 存在直流分压电容电压不平衡问题。 3 、级联多电平逆变器 这是一种较为新颖的多电平变换器拓扑结构，图卜9 给出了这种电路的五电平 三相结构图，由图可见，它由4 个单相全桥电路级联而成，它可采用y 型和联接 成三相系统。 级联式多电平变换器的结构特点如下： 优点：1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少； 2 ) 阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高； 3 ) 无需箱位二极管和电容，在三种电路结构中，对于相同电平数， 所需器件最少，易于封装； 4 ) 基于低压小容量变换器级联的组成方式，技术成熟，易于模块化， 较适于7 或9 电平及以上的多电平应用场合： 5 ) 易采用软开关技术，以避免笨重，耗能的阻一容吸收电路： 缺点：1 ) 需多个独立直流电源。当采用不控整流得到这些直流电源时，为减 1 1 华北电力大学硕士学位论文 少对电网的谐波干扰，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。 2 ) 不易实现四象限运行。 图2 - 3 级联多电平逆变器 此外，近几年还出现了几种新的级联多电平逆变器拓扑： a ) 二级管或电容箝位级联多电平逆变器：用二极管或电容箝位逆变器单元取 代传统级联多电平逆变器中的全桥单元就形成了一种新的拓扑。这样作的目的主要 是为了减少独立直流电源的数目。图2 4 是一个利用电容箝位逆变器组成的九电平 逆变器，从图中可以看出拓扑只使用了两个直流电源，而传统的级联多电平逆变器 则需要四个独立直流电源。 图2 - 4 电容箝位级联多电平逆变器 华北电力火学硕十学位论文 b ) 混合级联多电平逆变器：传统的级联多电平逆变器每一个单元的电压等级 是相等的，如果让逆变器单元的电压等级变得不相同，再利用合适的控制策略就形 成了混合级联多电平逆变器。 圈2 - 6 具有不同开关频率的混合级联多电平逆变器 e ) 软开关级联多电平逆变器：这种拓扑把软开关技术应用到了级联多电平逆 变器中，降低了开关损耗并提高了逆变器的效率。 2 2 级联多电平逆变器的调制算法 在本课题中将针对级联式多电平逆交器这种拓扑进行研究，目前这种拓扑的控 制方法主要有： ( 1 ) 单脉冲法( s i n g l ep u l s et e c h n i q u e ) ：这种方法基于谐波削去原理，元件 华北电力大学硕士学位论文 开关频率低，适合中压大功率场合，每半波内只有1 个脉冲，故称为单脉冲法，谐 波含量较高，适度地提高元件开关频率，可以有效地降低谐波含量，减少谐波损耗。 ( 2 ) 载波移相法：采用三角波载波与调制波比较，设载波频率为f ，基波频率 为，m ，- l ，逆变单元串联级数为n ，每个逆变单元三角载波依次移相 3 6 0 。h + n ，对于s v c 控制，载波频率c 和基波频率，都不变，而对于电动机变频调 速，频率，在不断变化，在不断变化，三角载波移相角度也要不断变化，所以这种 方法不能用于变频调速。 ( 3 ) 载波多电平p w m ( c a r r i e rb a s e dm u l t i l e v e lp w m ) ：它源于传统的三相桥 式逆变器的s p i v m 控制方法，调制正弦波和三角载波相比较，对于m 级电平逆变器，相 电压的参考值为u + ，每一级的参考电压值u 0 则u ? 一u m 一1 ，每一级逆变单元 的p w m 波形相同，依次滞后6 0 。 ( 4 ) 多电平空间矢量p w m ：电压空间矢量控制算法把逆变器和异步电机的电磁原 理联系起来，按照跟踪圆形旋转磁场来控制输出电压，具有控制效果好，电压利用 率高，控制灵活的特点，因而在两电平系统中得到广泛应用。对于串联h 桥多电平 系统，随着电平数目的增加，开关状态数目以3 次方关系增加，电压矢量数目也以 平方关系增加。考虑到c p u 计算能力和系统控制的性能要求，采用电压空间矢量p w m 方法时，需解决3 个问题：1 ) 能简单、快速计算出各控制周期中所有输出电压矢 量及其作用时间；2 ) 对各电压矢量具有的大量冗余开关状态进行优化选择；3 ) 对 计算得到的开关状态进行综合处理，实现p w m 脉冲的输出。 2 3 可在线计算触发角的阶梯波调制算法 为了获得更好的输出波形、减少开关损耗和提高电压利用率，人们提出了很多 p w m 控制策略，其中基频单脉冲p w m 调制每个开关器件每周期只开关一次，这样有 效地减少了开关的损耗，使开关更有效地工作，当串联的单元数越多时，输出的波 形就越好。这使得它非常适合大功率逆变器的应用。 要想获得阶梯波，必须先计算出开关的触发角。传统计算触发角的方法虽然能 够消除主要的低次谐波，但是在计算导通角时，首先要列出一个联立方程，而这个 方程是非线性的超越方程。要求出方程的解，必须使用迭代法如牛顿一拉夫逊法等。 所以必须离线计算触发角，需要进行大量的计算，而且要使用真值表。 本文介绍了一种在线计算触发角的方法，这种方法不需要计算非线性方程，只 要计算几个三角函数，它可以根据调制比来在线计算触发角。 1 4 华北电力人学硕士学位论文 2 3 1 级联逆变器的结构和单元h 桥的控制 图2 7 级联逆变器的一个桥臂图2 - 8 一个h 桥的结构和控制 如图2 7 所示，级联逆变器的每个桥臂是由很多单个的h 桥串联而成的，把这 些h 桥的输出加起来就是桥臂的输出。图2 8 是单个h 桥的拓扑和触发方式。当s ， 和s ：导通时，输出为+ ，当s ；和s ：导通时，输出为一，当s ，、砭导通或s 、s ： 导通时，输出为零电平。其中s 。、s ：和s 。、s i 互锁。每个开关在触发后都导通1 8 0 。 度。这样每个开关在单个周期内只导通一次。 对一个k 阶阶梯波进行付立叶分析可得： v ( w t ) ：丝殂c o s o 岛) + c o s ( n o ：) + + c o s o o d 。墅型 2 1 ) a百h 这里n = l ，3 ，5 ，k 是根据调制比所确定的触发角的个数。0 。、0 ：和吼是各个 h 单元的导通角。 调制比定义如下： 胧。旦 ( 2 2 ) ， 这里，y 是参考电压的峰值，；是能够得到的基频电压的最大值。 2 3 _ 2 传统计算触发角的方法 传统的触发角计算方法是选取触发角以消除主要的低次谐波，在本文中将主要 针对五个h 桥的级联逆变器进行分析，五个h 桥串联的逆变器可以输出1 1 电平， 输出几乎为正弦，总谐波畸变率( t h d ) 低于5 。传统方法在计算导通角时可以 消除5 、7 、1 1 和1 3 次谐波，而3 次和9 次谐波可以通过变压器的接线来消除。根 据付立叶变换可以得到以下式子： +|_， ；一， ，亨 一 rf譬，一 砭1 二孤鬈甲整 焉王。一f罡 f 也 华北电力大学硕十学位论文 c o s 慨) + c o s ( 0 2 ) + c o s 慨) + c o s ( 0 4 ) + c o s ( 0 5 ) 一5 m 。 c o s ( 5 0 1 ) + c o s ( 5 0 2 ) + c o s ( 5 0 , ) + c o s ( 5 0 4 ) + c o s ( 5 0 5 ) = 0 f c o s ( 7 0 a ) + c o s ( 7 0 2 ) + c o s ( 7 0 3 ) + c o s ( 7 0 4 ) + c o s ( 7 0 5 ) 一0 f c o s ( 1 1 0 1 ) + c o s ( 1 1 0 2 ) + c o s ( 1 1 0 3 ) + c o s ( n 0 4 ) + c o s ( 1 1 0 5 ) 一0 i c o s ( 1 3 0 1 ) + c o s ( 1 3 吼) + c o s ( 1 3 岛) + e o s ( 1 3 0 4 ) + c o s ( 1 3 0 5 ) 一0 。 ( 2 3 ) 解上述方程组就可以得到各个触发角。 这种方法的优点就是可以消除特定频率的谐波，但也存在一些问题： 1 ) 所列的方程是一个非线性超越方程组，必须使用迭代法求解，当方程数增加 时，求解所花的时间和准确度将会降低，而且用迭代法求解时还会产生一些误差。 2 ) 在求解导通角时必须离线计算，所以必须使用真值表，这就需要大量数据。 为了取得较为精确的结果，当肼；分得较细时，所需的数据也相应增加。因此，在可 调电机驱动应用中，传统方法受到了限制。 本文提出了一种简单的计算触发角的方法，它可以在线计算，并且只需要解几 个三角函数，计算简单。 2 3 3 可在线计算的触发角计算方法 在本文中将主要针对五个h 桥的级联逆变器进行分析，五个h 桥串联的逆变器 可以输出1 1 电平，输出几乎为正弦，总谐波畸变率( t a d ) 低于5 。 对于五个h 桥串联的级联逆变器，它所能输出的最大电压是5 v d c 根据式( 2 1 ) 式，可得逆变器能输出的最大基频电压是： ；：5 4 v a , ( 2 4 ) 石 根据式( 2 - 2 ) 可以计算出调制比，求触发角的具体方法如下。 图2 - 9 在m ，= 兰时的参考电压和虚拟触发角图 4 1 6 华北电力人学硕士学位论文 e ， d c 舻 2 - 1 0 m i 一_ 4 , 时1 1 电平级联逆变器的输出 当m ；一署时，一5 匕s i n “，如图2 - 9 ，在0 - p 2 时间内平行于时间轴、值为七 ( k = l 、2 、3 、4 、5 ) 的直线把参考电压分为了a 、b 、c 、d 和e 五部分，而日，、以、以、 0 。是直线与参考电压交点所对应的时间，称为虚拟触发角。虚拟触发角可以很方便地求 出来。由图2 9 ，逆变器输出电压是由a ，、b 、c 、d 、e 五部分组成的，如是能使 a = a ，、b = b 、c = c 、d = d 、e = e ，则输出电压等效于参考电压。其中a 代表a 部分 的面积，以此类推。 a 可以根据下式计算： a = ( a + b + c + d + e ) 一( b 十c + d + e ) 2 膏s i n 删( 耐) 一睥s i i l 刎( 甜) 一弓一叫) ) ( 2 - 5 ) a 由下式计算： a ；仁一口。) ( 2 6 ) 出a = a ，可得。 岛= 争蝣5 s i n ( 叫) 一孵5 s i i l 删( 耐) 一( 争叫) ) ) ( 2 _ 7 ) 用同样的方法可以求得8 ：、岛、幺，但是在图2 - 9 中，无，因此8 ，要单独进 行计算。这里有e = e ，有： 三 仃 工25 v a , s i no j t d ( 0 9 0 一o t + c ”) = ( 号一0 5 ) 吃 ( 2 _ 8 ) 这样就可以得到5 个触发角的计算式： 1 7 喜| 恤 撇 恤 华北电力大学硕士学位论文 蜘半面j l ，a = a r c s i n q , ，b = a r c s i n 2 q , b b = c o s b cta r c s i n 3 q ，c c ；c o s c ，d a r c s i n 4 q ，d d = c o s d 贝u b = p ( a a 一1 ) + a 0 2 = p ( b b a a ) + 2 b a 以；p ( c o b b ) + 3 c 一2 6 0 4 一p r d d c c ) + 4 d 一3 c 日5 ；要一p d