（电力电子与电力传动专业论文）基于链式h桥多电平的可控电压扰动发生器.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着现代电网规模的日益庞大，电力系统的可靠、安全、稳定的运行受到了越来越 多的挑战，保护和控制手段日趋多样化。本文的目的是研究一种可控的电压质量扰动发 生装置，用来模拟发生的各种扰动情况，并且用来研究在电压扰动条件下其对电力系统 装置、负荷以及系统的影响，并为电力系统设备提供耐受电压扰动的标准。 本文提出了一种三相串联型的电压质量扰动发生器，由单相p w m 整流单元和级联多 电平h 桥构成，采用分相控制。该拓扑是一种混合型结构，大部分基波功率由系统电源 提供，级联h 桥逆变器只提供扰动功率。实现级联h 桥逆变器的载波移相控制，该装置 能够模拟发生多种电能质量问题。本文对该发生器的参数设计与控制策略进行了分析， 建立了基于p s c a d e m t d c 软件平台的仿真模型，并在设计的实验样机上对仿真结果进行 了实验验证，实验结果表明主电路拓扑的可行性和有效性。 关键词：电能质量；电压扰动；逆变器；载波移相；正弦脉宽调制 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h em o d e r np o w e r 鲥d ，t h ep o w e rs y s t e m sr e l i a b i l i t y , s e c u r i t y , s t a b i l i t yo p e r a t i o ni sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，a n dt h ep r o t e c t i o na n dc o n t r o la r eg r o w i n g d i v e r s i t y t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri s t or e s e a r c hac o n t r o l l e dv o l t a g ed i s t u r b a n c e g e n e r a t o rw h i c hi su s e dt os i m u l a t et h eo c c u l t e n c eo fv a r i o u sd i s t u r b a n c e s ，a sw e l la st o s t u d yt h ec o n d i t i o n si nt h ev o l t a g ef l u c t u a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m ，t op r o v i d et h es t a n d a r d o ft h ev o l t a g ef l u c t u a t i o n an o v e lv o l t a g ef l u c t u a t i o ng e n e r a t i n gm a i nc i r c u i tt o p o l o g yi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , c o m b i n e dw i t hp a s s i v ea n da c t i v et or e a l i z ev o l t a g ef l u c t u a t i o n t h ef u n d a m e n t a lp o w e ro f v o l t a g ef l u c t u a t i o ng e n e r a t o ri ss u p p l i e db ys y s t e ms o u r c ea n dt h ef l u c t u a t i o np o w e ri s s u p p l i e db ya c t i v ec o m p o n e n t s ，s ot h ec a p a c i t o rg e n e r a t o ri se a s yt or e a l i z el a r g e rb e c a u s eo f l o w e ra c t i v el o s s t h es i m u l a t i o nm o d e li ss e tu po nt h ep l a t f o r mo fm a t l a b s i m u l i n k f i n a l l y , t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g yi sf e a s i b l ea n d e 伍c i e n t h u a n gt a o ( p o w e r e l e c t r o n i c sa n dd r i v e s ) d i r e c t e db yp r o f y i nz h o n g d o n g k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；v o l t a g ed i s t u r b a n c e ；i n v e r t e r ；c a r r i e r , s i n u s o i d a lp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 矿 譬 华北电力大学硕士学位论文 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 论文研究的背景及意义1 1 2 电能质量问题1 1 3 电能质量装置2 1 3 1 静止无功补偿器2 1 3 2 动态电压恢复器3 1 3 3 有源电力滤波器4 1 3 4 静止无功发生器( a s v g s t a t c o m ) 4 1 4 本论文的主要工作5 第二章电压扰动发生器的拓扑与参数设计6 2 1 装置工作原理6 2 1 1 主拓扑功能6 2 1 2 各部分功能介绍6 2 2 主电路拓扑研究7 2 3 逆变侧参数设计7 2 3 1 级联h 桥容量设计7 2 3 2 逆变侧低通滤波器设计8 2 4p w m 整流器功率单元设计9 2 4 1p w m 整流器输入电感设计1 0 2 4 2p w m 整流器直流电容设计1 l 第三章控制算法的研究与仿真分析1 3 3 1 控制算法的研究1 3 3 1 1 脉宽调制技术与载波移相1 3 3 1 2 载波移相1 4 3 1 3 本装置采用控制策略1 4 3 1 4 直流电压稳定控制1 5 3 2 仿真分析15 3 2 1 电压暂降仿真1 6 3 3 2 电压谐波仿真1 8 3 3 3 电压波动与闪变仿真2 0 3 3 4 电压扰动多目标发生的仿真2 2 n 华北电力火学硕七学位论文 第四章电压扰动发生器的控制器的设计2 5 4 1 控制系统框图2 5 4 2d s p 与f p g a 以及v d h l 语言2 6 4 2 1d s p 和f p g a 数字控制芯片介绍2 6 4 2 3 基于c p l d 的底层功率单元控制器设计3 0 4 3 控制系统软件设计3 1 4 4 上位机人机交互系统3 2 4 4 1l a b v i e w 简介3 2 4 4 2 频谱分析3 4 第五章硬件实验3 6 5 1 电压暂升暂降扰动3 6 5 2 电压谐波扰动3 9 5 3 电压波动与闪变扰动4 0 5 4 不平衡扰动4 l 第六章结论4 5 参考文献4 6 致谢4 9 在学期间发表论文和参加科研情况5 0 i l l 华北电力人学硕士学位论文 1 1 论文研究的背景及意义 第一章绪论 本文以国家科技支撑项目为基础，以研究具有自主知识产权的m v a 级可控电压 质量扰动发生装置及其对应的复合电压质量调节装置、可控负荷用电品质扰动发生 装置及其对应的复合电流质量调节装置为背景。该科技支撑项目从变流器主电路、 可关断阀及换流模块设计、控制保护技术、试验技术等方面对电能质量复合控制装 置进行研究和开发，以掌握大容量变流器为核心，解决大功率变流器及其构成的电 能质量复合控制装置应用过程中所面临的系统设计、装置开发、生产制造、工程设 计、运行、维护等一系列关键性技术问题，并最终研制出2 m v a 1 0 k v 可控电压质 量扰动发生装置和i m v a 1 0 k v 可控负荷用电品质扰动发生装置工业样机；以及用 于电力系统的2 m v a 1 0 k v 复合电压质量调节装置样机和1 m v a 1 0 k v 复合电流质 量调节装置工业样机，并进行示范应用为最终目标。通过联合攻关实现除功率半导 体器件外所有设备的国产化，掌握一系列相关核心技术的自主知识产权，培养一批 相关技术人才队伍，并以推动大功率变流器及电能质量复合控制装置产业化，初步 建立完备产业链，依此进行技术辐射衍生为最终目标以此为基础，本文对电压型 可控扰动发生装置进行了相应的研究。 1 2 电能质量问题 电能质量包含电压质量、频率质量和波形质量三个方面，电压质量和频率质量 一般都以偏移是否超过给定值来衡量，波形质量则以畸变率来衡量n 1 。电能质量的 好坏指电源电压的大小、频率和波形是否满足要求。常见的电压扰动可以分为电压 波动闪变、电压暂升与暂降、电压不平衡、过电压与欠电压和谐波等，也可将存在 的多种电压扰动情况分成单一和复合两大类来深入研究乜】。 1 ) 电压暂降： 在我国电工术语标委会组织的国家标准“发电、输电及配电领域中的运行术语 审查会议上，电压暂降( v o l t a g ed i p s ) 被定义为“在系统的某供电点上，电压突 然降低，在几个周波到几秒钟的时间内得以恢复一。电压暂降有三个重要的特征量 电压暂降的幅值、持续时间和频次。 2 ) 三相不平衡： 三相系统可分为平衡三相系统和不平衡三相系统，在任意时刻，三相瞬时总功 率是时间的函数，这样的系统称为不平衡三相系统。电力系统在正常运行方式下， 根据对称分量法将三相系统中的电量分解出的负序分量的均方根值与分解出的正 华北电力人学硕士学位论文 序分量的均方根值之比定义为该电量的三相不平衡度。 3 ) 电压偏差： 电压偏差( v o l t a g ed e v i a t i o n ) 指供电系统在正常运行方式下，某一节点的 实际电压与系统标称电压( 即额定电压) 之差与系统标称电压之比的百分数称为该 节点的电压偏差。 4 ) 谐波： 谐波( h a r m o n i c ) 的国际公认定义是：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量， 其频率为基波频率的整数倍 。谐波的一个重要指标就是总谐波畸变率( t h d ) ， 定义为畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度。 5 ) 波动与闪变： 电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n ) 为一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变 化。电压波动会引起闪变，但并不是所有的电压波动都会引起闪变，决定闪变的因 素十分的复杂，主要有：( 1 ) 供电电压波动的幅值、频度和波形l ( 2 ) 照明装置，以 对白炽灯的照度波动影响最大，而且与白炽灯的瓦数和额定电压等有关i ( 3 ) 人的 主观视感。 1 3 电能质量装置3 。7 1 1 3 1 静止无功补偿器 ( 1 ) 固定电容器补偿 并联电容器是目前最主要的无功补偿方法其主要特点是价格低，效率高，运 行成本低，在保护完善的情况下可靠性也很高。 在高压及中压系统中主要使用固定连接的并联电容器组，而在低压配电系统中 则主要使用自动控制电容器投切的自动无功补偿装置自动无功补偿装置的结构则 多种多样形形色色，适用于各种不同的负荷情况。 并联电容器的最主要缺点是其对谐波的敏感性。当电网中含有谐波时，电容器 的电流会急剧增大，还会与电网中的感性元件谐振使谐波放大。同时收到自动开关 动作速度和次数的限制，固定电容器补偿不能迅速跟踪符合无功的变化，动态性能 较差。另外，并联电容器属于恒阻抗元件在电网电压下降时其输出的无功电流也 下降，因此不利于电网的无功安全。 ( 2 ) s v c 补偿 s v c 的全称是静止式无功补偿装置，静止两个字是与同步调相机的旋转相对应 的。 国际大电网会议将s v c 定义为7 个子类： 2 华北电力火学硕士学位论文 机械投切电容器( m s c ) 机械投切电抗器( m s r ) 自饱和电抗器( s r ) 晶闸管控制电抗器( t c r ) 晶闸管投切电容器( t s c ) 晶闸管投切电抗器( t s r ) 自换向或电网换向转换器( s c c l c c ) 根据以上这些子类，我们可以看出：除调相机之外，用电感或电容进行无功补 偿的装置几乎均被定义s v c 。目前国内市场上被宣传为s v c 的产品主要是晶闸管 控制电抗器( t c r ) 和晶闸管投切电容器( t s c ) 。 t c r 的基本结构包括一组固定并联连接在线路中的电容器和一组并联连接在 线路中用晶闸管控制的电抗器，通常将电抗器的容量设计成与电容器一样。由于电 抗器是用晶闸管控制的，其感性无功电流可以变化。当晶闸管关断时，电抗器没有 电流，而电容器固定连接，因此整套装置的补偿量最大。调节晶闸管的导通角时， 电抗器的感性电流就会抵消一部分电容器电流，因此补偿量减少，导通角越大，电 抗器的电流越大，补偿量就越小。当晶闸管全通时，电抗器电流就会将电容器电流 全部抵消，此时补偿量为0 。 在t c r 中，当晶闸管的导通角小于9 0 0 时，电抗器的电流非正弦含有谐波成分， 因此必须将固定电容器组设计成滤波器形式或者配备另外的滤波器。 综上所述，可以看出t c r 的结构复杂，损耗大。但其具有补偿量连续可调的特点， 在高压系统中还有应用。 1 3 2 动态电压恢复器 动态电压恢复器d v r ( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ) 是串联接入配电线路的一种用 户电力调节装置。它通过向配电线路注入一定量幅值、相位及谐波的电压来使负载 电压保持稳定。这使得系统电压发生扰动时，负载侧电压幅值保持理想状态。 一个典型的d v r 装置主电路包括储能装置、逆变器、滤波器和串联变压器四部 分。u p s 电源一样，在系统电压出现偏差时，d v r 和系统之间必然会进行能量交换，储 能装置就是给d v r 提供能量的部分，主要有利用大电容储能、利用不可控整流由电 网提供能量、超导储能以及一些其他的储能方式：逆变器通过对储能装置提供的直 流电压的逆变产生系统所需补偿电压，实践证明不同结构的逆变器具有各自的优缺 点，如桥式逆变器普遍存在桥臂直通的问题，而推挽式的逆变器不存在桥臂直通的 问题，且于低输入电压时，在输出功率相同的情况下开关损耗较小，适用于低压输入 的大功率变换器。另外，目前研究热点之一的三相四桥臂逆变器，是在三相桥式逆变 3 华北电力大学硕十学位论文 器的基础上增加一个桥臂，用以形成输出中点，减小不平衡负载时三相输出的不对 称度。但是，对这种逆变器的控制相对比较复杂；滤波器的作用是消除由逆变器产 生的高次谐波，使系统所需补偿电压尽量“纯净 。所以，滤波器的位置选择在滤波 器性能的考虑范围之内。 不同位置安装会出现不同效果，如在逆变器的输出侧，这时最接近谐波源，使其 能更有效地改善谐波问题；也可以选择利用串联变压器的电感线圈与滤波电容一起 构成滤波器，此时可以节省元器件。但是，同时会增加串联变压器的容量；输出端的 串联变压器是d v r 与系统的耦合部分，一般采用串联的形式。由此可知，当d v r 的检 测控制电路检测到系统电压发生畸变( 主要是电压凹陷和电压上升) 时，就会控制储 能装置提供所需补偿的直流电压，经过逆变器获得所需的补偿电压波形，再通过串 联变压器补偿系统电压，使负载稳定运行。 1 3 3 有源电力滤波器 a p f 基本原理是：通过检测补偿对象的电压和电流，经过指令电流运算电路计 算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大得出补偿电流，补偿 电流与负载电流中的谐波电流大小相等、方向相反，从而使电网的电流、电压恢复 为s o h z 的纯正弦波形。a p f 还可以发出基波无功电流，进一步减少负载的无功功 率，提高其功率因数。这样，a p f 不仅可以防止谐波污染电网，根据需要还能做到 从系统侧看非线性负载的功率因数。 有源电力滤波器，是由全控电力电子器件构成的采用p w m 控制的变流器，提 供与补偿电流( 或电压) 大小相等，极性相反的电流( 或电压) ，以抑制负载所产 生的有害电流( 或电压) 在电力系统中传播的主动式综合补偿装置。 a p f 可以按照系统构成、逆变器结构、相数及补偿系统容量等进行分类。按系 统构成可分为并联型、串联型、串并联型和混合型：按逆变器结构可分为电压源型 ( v s i ) 和电流源型( c s i ) ：按相数可分为单相、三相三线制和三线四线制；按补偿容量 可分为小容量、中容量和中大容量。 电压源型逆变器的直流侧接有大电容，交流侧输出电压为p w m 波：电流源型逆 变器的直流侧接有大电感，交流侧输出电流为p w m 波。与电压源型逆变器相比， 电流源型的一个优点是，不会由于主电路开关器件的直通而发生短路故障，。但是， 电流源型逆变器直流侧的大电感上始终有电流流过，该电流将在大电感的内阻上产 生较大的损耗，因此目前很少采用。不过，随着对超导储能磁体研究的进展，一旦 超导储能磁体得以实用化，必可取代大电感，促使电流源型逆变器的应用增多 1 3 4 静止无功发生器( a s v g s t a t c o m ) 电力系统中无功负载，不仅增加了电网有功损耗，而且严重影响了用户端的电 4 华北电力人学硕士学位论文 能质量。实时快速的无功功率补偿对提高电力设备利用率，提高电网运行稳定性， 保证供电电压水平具有十分重要的意义。传统的无功补偿装置动态响应速度慢、调 节特性差，体积庞大，补偿电流谐波含量高。基于电力电子逆变技术的静止同步无 功补偿器( s t a t c o m ) 具有动态响应速度快、调节范围广、装置体积小、补偿电流波 形品质高等优点，成为无功补偿的发展趋势。 s t a t c o m 的基本原理就是将白换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网 上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制交流侧电流， 就可以使电路吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。 s t a t c o m 的基本电路结构分为两种：电压型桥式电路结构和电流型桥式电路 结构。 电流型s t a t c o m ，电流型逆变器的直流侧接电感作为储能元件，等效于一个可 控的非正弦电流源，以补偿无功负载产生的无功电流。其直流侧以电感作为储能元 件，将直流电流逆变为交流电流送入电网，并联于交流侧的电容可以吸收换相产生 的过电压。 1 4 本论文的主要工作 ( 1 ) 主电路拓扑结构研究 针对电能质量扰动发生装置的不同功能要求，从提高电力电子器件容量利用 率、降低自身损耗、简化控制等角度对主电路拓扑结构进行分析，设计出适用于模 块级联构成的逆变器主电路结构，提出适用于可控电压质量扰动发生装置主电路拓 扑结构；对提出的拓扑结构进行理论和仿真分析。 ( 2 ) 仿真建模技术研究 对电能质量扰动发生装置进行必要的理论分析，针对电压暂升暂降，电压波动 与闪变，电压谐波等特性进行研究。在p s c a d 软件平台对提出的控制策略进行了 详细的仿真分析，仿真数据和波形表明提出的控制策略能够在该装置上既能实现单 一扰动情况下的电压波形，也能实现各个电压扰动复合的波形。 ( 3 ) 硬件实验 基于d s p 与f p g a 等工具在硬件方面对仿真分析结果进行实验论证与分析。 s 华北电力人学硕士学位论文 第二章电压扰动发生器的拓扑与参数设计 2 1 装置工作原理 2 1 1 主拓扑功能 此装置是串联接入配电线路的一种电能质量模拟发生装置。它通过向配电线路 注入一定量幅值、相位及谐波的电压来模拟产生各种电压扰动问题。以此研究各种 电能质量问题对系统的影响，分析注入电压扰动后电网的运行状态。工作原理可用 如下过程描述：首先采集额定电压或电流量；随后通过控制电路产生控制信号；再经过 p w m 电路形成p w m 驱动信号；然后由驱动电路去控制逆变器功率器件的开通和关 断；最后经l c 滤波器滤除高次谐波，从而在串联变压器上产生扰动量，叠加在系统 中模拟电能质量问题。 2 1 2 各部分功能贪绍 装置主电路包括储能装置、逆变器、控制单元、滤波器、串联变压器和旁路保 护系统这几个部分组成。装置输出的电压受电压跌落的深度、持续的时间、负载的 性质、功率因数以及装置本身容量的影响。 与u p s 电源一样，在系统电压出现偏差时，装置和系统之间必然会进行能量交 换，储能装置就是给装置提供能量的部分，装置上的直流母线电压通常有如下几种 提供方式：蓄电池，整流单元，超导储能系统和与并联a p f 共用直流母线电容。本 装置采用整流单元提供直流母线电压，整流单元四象限工作维持直流母线上电容两 端电压的稳定，可以克服蓄电池容量有限的弊端，装置能够长时间在线工作，缺点 是整流单元本身的控制复杂，而且易污染电网电流，降低网侧功率因数。 电压源逆变器是装置的核心部分。逆变器通过适当的方式串接在电网和负载之 间，对储能装置提供的直流电压的逆变产生系统扰动电压，叠加在电网电压上，模 拟电能质量问题。 装置的核心部分电压型逆变器工作在p w m 方式，输出含有高频分量【引。提供 给负载的电压需要纯净的正弦基波电压，装置装簧的输出必需经过低通滤波器。因 此，滤波电路的参数设计和安装位置对于装置的工作就具有很重要的意义。滤波器 的作用是消除由逆变器产生的高次谐波，使系统所需扰动电压尽量“纯净 。 采用串联的形式将装置串接到电网和负载之间由此可知，当装置发生扰动电 压时，就会控制储能装置提供所需补偿的直流电压，经过逆变器获得所需的电压波 形。采用变压器隔离有如下优点：( 1 ) 降低逆变器直流侧电压等级或者减小直流侧 电流大小，提高装置的可靠性和选择开关器件的灵活性：( 2 ) 隔离电网和逆变器， 6 华北电力大学硕十学位论文 使装置的直流母线电压可以直接从电网整流获取。串联变压器的引入，也会带来如 下缺点：( 1 ) 由于变压器的非线性，会导致电流畸变，污染电网电流，同时由于谐 波电流在电网内阻抗上的压降，使得电网电压的采样受干扰，导致补偿量的检测失 真：( 2 ) 变压器的漏抗会增加滤波环节的相移；( 3 ) 变压器的短路阻抗降低了开环 控制的精度。( 4 ) 变压器的引入，增加了系统的成本。在小功率装置中，考虑到串 联变压器本身的非线性特点和成本因素，补偿逆变器不经过串联变压器直接连接在 电网和负载之间。无串联变压器的装置通常应用于低压系统中，在高压应用场合。 可以采用功率器件的串并联来提升容量等级。 研究表明，基于级联多电平拓扑结构的装置在系统可靠性、器件选型、控制复 杂程度、总体效率等方面比其他拓扑结构的装置具有更全面的优势且具有良好的应 用与发展前景。 2 2 主电路拓扑研究 可控电压质量扰动发生装置主电路拓扑采用h 桥模块级联实现电压扰动发生的 功能，主电路拓扑如图2 1 所示： 2 3 逆变侧参数设计 2 3 1 级联h 桥容量设计 图2 - 1 电压质量扰动发生装置 h 桥模块的电流选取：装置的额定输出容量为1 0 0 k v a ，考虑1 2 倍过载3 0 分 钟要求，可以得到装置输出电流： 7 华北电力大学硕士学位论文 z n2 舞2 而1 2 x 0 1 划3 a ( 2 - - ) 考虑一定的裕量，选取电流为3 0 0 a 。串联装置流过几乎全部负载电流，因此所有串 联模块的额定电流选取都必须按照最大负载电流进行选取。可以选取的i g b t 型号 为f f 4 5 0 r 1 2 k t 4 ( 额定电压1 2 0 0 v ，电流4 5 0 a ) 2 3 2 逆变侧低通滤波器设计 级联h 桥单元采用载波移相控制策略。 初步确定基波调制的载波频率为石= 3 0 0 0 h z ，基波模块采用4 个h 桥载波移相 控制，等效开关频率为： 丘- 2 4 0 0 0 h z ( 2 - 2 ) 选取基波模块的低通滤波器的截止频率为： 石。= ( 三一去) 厶= ( 2 4 0 0 4 8 0 0 ) h z ( 2 3 ) 为了保证输出电压具有良好的正弦度，取较小的截止频率为：i c = 2 4 0 0 h z 图2 - 2l c 低通滤波器 足 输出电压对输入电压的传递函数为卜： i u o u t = 五瓦再面s is 再+ r 石, 丽 2 卅 s 3 厶c l + s 2 c 己b + s ( + 厶) + b u 叶7 其中厶，r 。分别为系统等值电感值和电阻值 根据传递函数和期望的开关谐波含量，可以得到和c 的表达式： 8 华北电力火2 ；乏硕： ：学位论文 丽瓦瓦而丽j c o g 瓦+ r 百, 面丽3 ( 2 - 5 ) ( 国) 厶c z + ( _ ，国) z c b + _ ，缈( 三+ 厶) + b v 7 低通滤波器的高频特性受负载影响不大，故可利用空载传递函数和期望开关谐 波的含量确定不等式拟和上式，从而简化计算，并得到不等式： l ( j c o ) 2 【_ c l + 1 卜 ( 2 - 6 ) lr 一 卜w 取滤波电感基波压降不大于补偿电压的5 ( 7 v ) ，已知输出电流为1 7 3 a ，则得到 电感值为：0 4 m h 。 c 值越大，则流入电容的无功电流也越大，对逆变器和l 的容量要求也越大， 从而降低了系统的效率；c ( 值越小，l p f 的输出阻抗越大，则其特性受负载的影响 就越大。因此，在设计中，取电容的无功容量为逆变器容量的5 来确定c 值： s 5 丽万p 可= 0 0 5 x 两l o 两o xl 丽o ) c = l o o 心 ( 2 7 ) s5 = - 了= lo o u f f 2 7 1 3 2 万z 3 3 1 4 2 3 0 z 。 式中石补偿谐波频段中幅值最大的谐波的频率逆变器的容量，u 为c 的额定电 压，另外根据串联谐振条件： 础一= o ( 2 - 8 ) c o c 最终可以根据式( 1 8 ) 和( 1 9 ) 可以得到低压原理样机l c 低通滤波器参数为： lfl=：04mhc (29)fl lo a f 【 2 p ， 2 4p w m 整流器功率单元设计 根据直流母线电压u d 。= 2 5 0 v ，选取p w m 整流单元的额定电压应选取 u n i t = q 5 一笏u d c 则可以确定整流单元的h 桥模块应选取u n r = 4 5 0 v 。 额定电流的选取，则根据后级的容量为0 i m v a 可以得到， 作容量为。 p n r = 等= 等= 1 0 k v a 根据p w m 整流电路输出直流母线电压的设计要求： ( 2 1 0 ) 单个整流模块的工 ( 2 - 1 1 ) 华北电力人学硕十学位论文 u d c ( 2 - 1 2 ) 其中瓦为输出电压峰值。 选取交流侧的输出电压为u a c = 1 5 0 v ，按照p w m 整流器提供5 0 的有功功率， 则根据能量守恒可以得到交流测的输入电流有效值为： i a c2 嚣司4 a ( 2 - 1 3 ) 输出电流峰值为： i a c m 强= 2 i = 4 9 a ( 2 1 4 ) 考虑电流脉动1 0 及裕量，整流单元的h 桥模块电流定额应选取 f f l 0 0 r 1 2 k t 4 ( 1 2 0 0 v 、1 0 0 a ) 。 2 4 1p w m 整流器输入电感设计 对于单相p w m 整流系统，交流侧输入电感l 有十分重要的作用。l 的取值不 仅影响到电流环的动态、静态响应，而且还制约着系统输出功率、功率因数和直流 电压。由此可见，l 对v s r 系统的影响是综合的：主要用于限制器件高频开关所产 生的高次谐波电流：平衡v s r 系统中各点电压；传递能量。 电抗器l 的设计。应满足以下的三个要求【1 2 】： a 电感上的压降不能太大。应尽可能小一般不大于电源额定电压3 0 b 一个开关周期内，交流侧电流的最大超调量应该尽可能小，一般小于交流侧 额定电流的2 0 c 交流侧电流谐波失真度t h d 应尽可能小，一般要求小于交流侧额定电流数 值的5 为了保证p w m 整流器的输入电流良好的跟踪性能，则输入电感必须满足下式t l - 型k ： 兰兰兰三里 ：5 5 3 m h 3 x i m t a3 x 8 0 x ( 1 + 0 2 ) x 3 1 4 ( 2 1 5 ) 另外为了保证电流脉动以及输入电流失真度的大小： 三堡型盘二墨壶刍墨=(2x250-150 xx秀x2x150=117mh 2 u d c 他嗽 2 x 2 5 0 x 8 0 x 0 2 x 6 0 0 0 ( 2 1 6 ) 则可以得到p w m 整流器的输出电感的取值范围应在：单独整流的时候，电抗 器取值为：1 1 7 m h 到5 5 3 m h 之间。考虑到p w m 整流采用载波移相控制，可以提 高开关等效开关频率降低开关纹波，在同等纹波下。电抗值可以取为原来的l a ， l o 华北电力大学硕士学位论文 n 为级联h 桥个数，本装置中n = 3 ，因此取值应该为o 3 8 m h 到1 3 m h 之间综合考 虑取l - - 0 4m h 。 2 4 2p w m 整流器直流电容设计 单相p w m 整流系统中，除了交流侧电感l 的参数设计之外，还有一个重要参 数是直流侧电容c 。c 选择的合适与否将直接影响系统的特性及稳定性。它的主要 作用是【1 6 】： a 滤除由于器件高频开关动作引起的直流电压纹波，抑制直流侧谐波电压 b 在整流器的惯性延时环节内，将直流电压的波动维持在限定的范围。稳定 直流侧电压 c 缓冲v s r 交流侧与直流侧负载间的能量交换 从满足电压环控制的跟随性看，v s r 直流侧电容应该尽可能小；而从满足电压 环控制的抗干扰性来看，c 又应取得尽量大，以限制负载扰动时的直流电压动态变 化。 从满足v s r 直流电压的跟随性方面入手，设计电容c ，假设单相v s r 从直流 电压稳态最低值跃变到直流电压额定值。单相v s r 直流电压最低值，指的是单相 v s r 交流侧接入电网且功率管不调制时，由于功率管中续流二极管的作用，此时 v s r 相当于一个单相二极管整流器，它的整流电压平均值为； 7 o2 0 9 k ( 2 1 7 ) 其中。n 为单相p w m 整流器交流侧有效值。 等效直流侧的电阻： 札= 亟p n p = 蕊2 5 0 2 蜊 ( 2 1 8 ) 满足v s r 直流电压抗扰性指标时电容设计， 。彘 弘柳 2 m u 二风 取u ：i = l u d c ，则 电容器下限值取z c 。= 五瓦蕊2 5 丽0 = 1 2 7 3 8 t f ( 2 - 2 0 ) l 曲2 五百聂厉百万2 在考虑一定的裕度之后，实际装置取2 倍裕度，最终选取4 5 0 v ，6 8 0 0 1 x f 四个电 华北电力人学硕士学位论文 解电容器并联。 1 2 华：f 匕电力大学硕士学位论文 第三章控制算法的研究与仿真分析 级联h 桥有以下优点【i5 l 。采用普通变压器接入系统，避免了变压器多重化，减 小了占地面积，降低了装置成本；在系统受到扰动时，可以分相进行控制以便更好 地提供电压支撑作用；采用模块化结构，便于扩展装置容量；采用冗余功率模块， 提高了装置可靠性，避免了多重化逆变变压器激磁回路中磁和饱和非线性导致的装 置过电压和过电流。本文提出了多目标电压质量扰动发生装置，利用f p g a 实现载 波移相s p w m 控制，级联h 桥逆变器只输出扰动电压波形，最后，通过仿真证明了 本文提出的主电路拓扑及控制策略针对多目标电能质量扰动是有效的。 3 1 控制算法的研究 3 1 1 脉宽调制技术与载波移相 s p w m 法是一种比较成熟的、使用较为广泛的p w m 法【1 6 】。s p w m 法就是以采 样控制理论作为基础，由于期望逆变器的输出电压是正弦波，所以可以将正弦波按 一个周期分作等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与 该面积相等的等高矩形脉冲来等效，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重 合。应用采样定理得知：这样所得的个等幅而不等宽的矩形脉冲序列所组成的波形 就与正弦波形等效。从理论上讲，这一系列矩形脉冲宽度可以严格地用计算的方法 求得，作为控制逆变器中各开关器件通断的依据，但常用的办法是引用通信技术中 “调制一概念，以所期望的正弦波作为调制波，而被它调制的信号称为载波。在 s p w m 中常用等腰三角波作为载波，当它与一个频率相对较低正弦波相交时，在交 点时刻，控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该正弦波的矩 形脉冲。当调制信号波为正弦波时，所得到的就是s p w m 波形。一般根据三角波载 波在半个周期内方向的变化，又可以分为两种情况。三角波载波在半个周期内的方 向只在一个方向变化，所得到的p w m 波形也只在一个方向变化的控制方式称为单 极性p w m 控制方式。如果三角波载波在半个周期内的方向是在正负两个方向变化 的，所得到的p w m 波形也是在两个方向变化的，这时称为双极性p w m 控制方式。 目前存在着许多的调制技术，各有其优缺点【1 7 之5 1 。 在p w m 逆变电路中，载波频率与调制信号频率之比称为调制比。根据载波 和信号波是否同步及载波比的变化情况，p w m 逆变电路可以有异步调制和同步调 制两种控制方式 ( 一) 异步调制【2 6 l 载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步方式。在异步调制方 式中，调制信号频率变化时，通常保持载波频率固定不变，因而载波比是变化 1 3 华北电力大学硕+ 学位论文 的。这样，在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定， 正负半周期的脉冲不对称，同时，半周期内前后1 4 周期的脉冲也不对称。当调制 信号频率较低时，载波比较大，半周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称 和半周期内前后1 4 周期脉冲不对称的影响都较小，输出波形接近正弦波。当调制 信号频率增高时，载波比就减小，半周期内的脉冲数减少，输出脉冲的不对称性 影响就变大，还会出现脉冲的跳动，同时输出波形和正弦波之间的差异就变大，电 路输出特性变坏。因此，在采用异步调制方式时，希望尽量提高载波频率，以使在 调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比，改善输出特性。 ( - - ) 同步调制 载波比等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称 为同步调制。在基本同步调制方式中，调制信号频率变化时载波比不变。调制信 号半个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。 3 1 2 载波移相 载波相移s p w m 技术是一种优秀的开关调制策略，适用于大功率组合变流器和 级联型多电平变流器，是多电平技术与s p w m 调制的最佳组合幢。多电平技术的 特点是扩容方便，但当采用纯方波逆变器级联时调压很难；而s p w m 法调压方便， 但扩容困难。两者的联合应用不仅可使调压和扩容都很方便，且可使每个管子的开 关频率和总谐波降到最低。各种多电平调制方法，如优化p w m 、空间矢量p w m 、 载波移相正弦脉冲宽度调制( s p w m ) 等，一般都可以直接应用于链式多电平逆变 器，需要根据应用场合的要求选择最合适的调制方法。在用于电力系统动态无功补 偿的s t a t c o m 或配电网电能质量治理的d s t a t c o m 场合，要求逆变器输出电压 能够快速变化以适应系统电压的变化，尤其是一些特殊的运行工况如系统电压相位 扰动、不对称故障或电压畸变等。在这类场合，比较适合采用载波移相s p w m 。载 波移相s p w m 通过调制波与载波的比较得p w m 波形，具有高度的实时性，若使调 制波的波形及时反映系统电压的变化情况，还可快速控制逆变器输出电压与系统电 压的变化情况相适应，避免出现过流等故障，满足快速控制的需要。 3 1 3 本装置采用控制策略 级联h 桥采用双极性正弦脉宽调制技术，级联h 桥多电平变换器的控制策略有 阶梯波合成、特定消谐、多三角载波、三角载波移相等，本文采用的是载波移相控 制策略，其优点是每个h 桥模块的工况一致，并且非常容易用f p g a 实现。 1 4 i，l 0，j 华北电力大学硕： ：学位论文 3 1 4 直流电压稳定控制 图3 - 1 单相h 桥及控制策略 墨 曷 & 马 整流模块使交流电压变为直流电压，并通过直流电压稳定控制使整流后的直流 电压稳定在一个数值上，以此提供稳定的直流电压。仿真模型中的控制模块如图2 5 所示。直流电压给定信号为2 5 0 v 和通过检测到的实际直流侧电压u d c t 较后的误差信 号送入p ，调节器，嗍节器的输出为一直流电流指令信号，其大小与整流电路交流 侧的电流幅值成正比，它与交流侧标准正弦波相乘后，进行形成交流输入电流的给一 定信号，与实际的交流输入反馈参数电流进行比较，电流误差信号经比例调节器放 大后送入比较器，再与三角载波信号比较形成开关信号，驱动主电路开关器件。 3 2 仿真分析 图3 2 直流电压稳定控制 1 5 华北电力人学硕十学位论文 仿真主要参数如下表所示： 表3 1 仿真参数 主要仿真参数数值 交流电压 u = 2 2 0 v 直流母线电容 c i = c 2 = c 3 - - c 4 = 6 8 0 0 p f p w m 整流器输入电感 l l = 0 4 m h p w m 整流器工作频率f s = 6 k h z 逆变器工作频率 f r = 3 k h z 滤波器参数 l i = l 2 = 0 2 m hc = i o f f 3 2 1 电压暂降仿真 电压扰动发生装置的统一模块进行了电压暂升暂降的模拟发生，仿真结果说明 该装置能够完全实现电压暂升暂降功能。 秘? “ ” 谚 ；0 3 0 。可o ：a r t 气一f 令十誊， e 0 2 0 i 少；j 纱心i! 纱瓤i藓 g - 0 1 c y、 y 、：i |r| ，n 羹、霸 釜姗1 j 彬澎 k 一 撇，i n 刀 霪 - o 1 0 。蟛卜 、， 、7 鍪，：i 爹- 0 2 0 j r i 霎。删 j l vv ：， ，l蕊“4 0 ? 1 + 嚣，0 a 00 2 硷0 2 0 2 4 0 0 2 5 00 2 葩o 2 00 2 8 00 2 0 3 0 0 谨 蘧磊蟊锄血扛幺国幺旌z 出盏盘越出班锄i 幽盟盘蠡矗幺应磊巍麓越鬣叠包矗毓鸶& 础氦翊也碰弛盔盘缸耋盏硅热赫鑫蕊测 ( a ) 电源侧与负荷侧电压波形 ( b ) 电压有效值p d i s 1 6 j ) j 再 t i e 华北电力大学硕士学位论文 ( c ) 三相谐波总畸变率t h d 图3 - 3 发生5 0 电压暂降 如上图所示，上图为扰动装置模拟发生5 0 电压暂降时的电压波形，图( a ) 为a 相电源侧电压波形与负荷侧电压波形，从图中可以看出，电压经由扰动发生装置后 发生了明显的电压暂降。图( b ) 为电源侧与负荷侧的电压有效值，可以看出，电压暂 降后，电压有效值由2 3 0 v 跌落至1 1 0 v ，实现了5 0 的电压暂降。而图( c ) 为负荷侧 谐波总畸变率，可以