（电力系统及其自动化专业论文）基于多电平技术的静止无功发生器的设计与研究.pdf

堡丝苎 兰三至皇! 垫查竺壁生墨堕茎兰墨堕垦兰皇里塞 a b s t r a c t at h r e e - l e v e ls t n l c t u r es t a t i cv a rg e n e r a t o r ( s v g ) e x p e r i m e n tr e a l i z a t i o nm e t h o di s p r o p o s e di nt h i sp a p e r 1 1 摇t h e o r yo fs v g i ss t u d i e da n da n a l y z e dd e e p l y i nt h i sp a p e r , t h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dc o n t r o lm e t h o do ft h r e e l e v e ls v g a r e a n a l y z e dd e e p l y ah y s t e r e s i s - b a n dc u r r e n tc o n t r o lf o rat h r e e l e v e ls v g i sg i v e n n 伦 n e u t r a l - p o i n tv o l t a g ev a r i a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yf o rt h em e t h o di sa l s os t u d i e d t h e n , t h e m a i np o w e rc i r c u i tt a k i n ge l e c t r i ce l e c t r o n i cc o m p o n e n ti g b ta sk e yd e v i c ei sd e s i g n e d mc o n t r o lc i r c u i tb a s e do nt h eh i g hp r e c i s i o n , h i 曲s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2a n dt h ec o n t r o ls o f t w a r ew i t hh a v eb e e nd e s i g n e d w i t ht h eh a r d w a r ec i r c u i ta n dc o n t r o is o f t w a r e a n a l y z e da n dd e s i g n e da b o v e 。t h e e x p e r i m e n t a lt h r e e l e v e ls v g d e v i c eh a sb e e nd e v e l o p e d v a r i o u sk i n d so fc h a r a c t e r i s t i c t e s t s ，i n c l u d i n ga ds a m p l ew i t hd s p , p w mw a v eo u t p u t , r e a c t i v ec o m p e n s a t i o n , w h i c h v e n f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sd e v i c e ，h a v eb e e nc a r d e do n a l lt h i sw o r kl a y st h eg o o d t e c h n o l o g i c a lf o u n d a t i o ni no r d e rt os t u d ys v g d e v i c e i na d d i t i o n , t h e s er e s e a r c h e so f f e r t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mf o rf u r t h e rs t u d y 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 ，h y s t e r e s i s b a n dc o n t r o l 。d s p ，i n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r 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：壶韭协f 年月，y 日 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：遣鱼加年月神日 硕十论文 基于多电平技术的静止无功发生罄的设计与研究 l 绪论 1 1 研究背景 电力系统是一个庞大而复杂的非线性动态系统。长期以来，电网的稳定性一直是 科研人员研究的重点。如今，人们在研究电网稳定性的同时，也更多的开始追求更高 的电能质量。 在电力系统中，随着电网的不断发展，异步电动机和变压器等设备要消耗大量的 无功功率。这些无功功率如果不能及时得到补偿的话，会对电网的安全、稳定运行产 生不利影响。对无功功率进行控制与合理补偿，能有效提高负载和系统的功率因数， 减少设备容量和功率损耗，稳定电压，提高供电质量，提高长距离输电中系统输电稳 定性和输电能力，平衡三相负载的有功和无功功率。因此，无功功率补偿就成为保持 电网高质量运行的主要手段之一，也是当今电力系统研究领域的一个重大课题。我国 与世界上的发达国家相比，无论从电网功率因数还是补偿深度来看，都有较大差距， 因此在我国大力推广无功补偿技术就尤为迫切。 1 2 无功补偿的发展 早期的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，由于并联电容器阻 抗固定，不能动态的跟踪负荷无功功率的变化，而调相机和同步发电机等补偿设备又 属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿，所以 这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。 柔性交流输电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 是随着电力电子技术的发 展及其在电力系统中的广泛应用而产生的i i 。目前基于f a c t s 技术且应用于无功补 偿最为广泛的是静止无功补偿器( s v c ) 。 s v c 常用的有以下几种形式：固定电容加晶闸管控制电抗器型( f c + t c r ) 、晶 闸管开关电容器型( t s c ) 、饱和电抗器型( s r ) 以及混合型( t c r + t s c ) 。 f c + t c r 型补偿器由t c r 和若干组不可控电容器并联而成。通过控制与电抗器串 联的双向晶闸管的导通角，既可以向系统输送感性无功电流，又可以向系统输送容性 无功电流。 t s c 型补偿器由一组并联的电容器组成，每一台电容器都与双向晶闸管串联。这 里的晶闸管仅起开关的作用，以替代常规电容器所配置的机械式开关。在运行时，根 据所需补偿电流的大小，决定投入电容的组数。 s r 型补偿器中，由饱和电抗器和串联电容器组成的回路具有稳压的特性，能维持 连接母线的电压水平( 其中的串联电容器是用来校正饱和电抗器伏安特性的斜率) ，对 冲击性负荷引起的电压波动具有补偿作用。与其并联的滤波电路能吸收谐波并校正功 硕。t - 论文基于多电平技术的静止无功发生器的设计与研究 率因数。 所有形式的s v c 都属于并联无功补偿装置，补偿原理都是通过控制晶闸管的触发 角，改变接入电网中的等效电纳，从而达到调节输出无功的目的。但这些s v c 设备之 所以能产生感性无功功率，依靠的仍然是其中的电容器。这就导致s v c 与静电电容器 有着同样不可逾越的障碍，即当电压水平过于低下，急需无功补偿时，补偿器的输出 反而会减少。 随着全控型电力电子器件g t o 、i g b t 的发展，一种新型的无功补偿装置静 止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ，s v g ) 发展起来，它也称为高级静止无功发生器 ( a d v a n c e ds t a t i cv a tg e n e r a t o r ，a s v g ) 或静止无功调相机( s t a t i cs y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o r ，s t a t c o m ) ，它的原理和控镱6 方法与s v c 有很大不同。它是将自换相 桥式电路通过电阻和电抗器( 包括变压器的漏抗与电路中其他电抗) ，或者直接并联 在电网上，根据输入系统的无功功率和有功功率的指令，适当地调节桥式电路交流侧 输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满 足系统所要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。 统一潮流控制器( u p f c ) 5 1 的概念最早是1 9 9 2 年美国西屋科技中，l , l g y u g y i 博士 提出，它是f a c t s 装置中功能最强大的控制器。它的构成主要是使用一台与系统并联 的s v g 来控制节点电压的幅值，同时使用一台与系统串联的s v g 装置来控制节点的电 压。 1 3 国内外静止无功发生器的研究现状 1 9 8 0 年日本研制出了首台容量2 0 m v a ，采用强迫换相晶闸管桥式电路的s v g 样机，并成功地投入了电网运行。1 9 8 6 年1 0 月，由美国国家电力研究院( e p r i ) 和西 屋公司研制的1 m v a r 的s v g 装置投入运行，它采用g t o 晶闸管组成，并逐渐成为 s v g 的自换相桥式电路中的主力 6 , 7 1 。 之后，日本又采用g t o 研制了8 0 m v a r 的s v g 装置，于1 9 9 1 年在犬山变电站 投运。美国e p r i 与田纳西电力局、西屋电气公司合作，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1 0 0 m v a r 的s v g 装置，于1 9 9 6 年l o 月投运。1 9 9 7 年，德国 西门子公司将开发研制的8 m v a r 的s v g 装置，安装在丹麦的r e j s b yh e d e 风场。 在中国，1 9 9 9 年3 月清华大学和河南省电力公司合作，自主研制出2 0 m v a r 静止 无功发生器，l o 月通过河南省电力试验研究所的7 2 h 满载测试，1 1 月又通过了由中 国电力科学研究院进行的性能测试。测试结果表明2 0 m v a r s v g 达到了预期的各项 指标，2 0 0 0 年6 月在洛阳成功的进行了鉴定。这标志着我国成为少数几个拥有s v g 自主知识产权的国家之一。2 0 0 1 年2 月国家电力公司电力自动化研究院也将 士5 0 0 k v a r 的静止无功补偿发生器投入了运行隅l 。目前，清华大学电机系正和上海市 2 硕士论文 摹于多电平技术的静止无功发生器的设计与研究 电力局联合研制基于链式结构的_ _ + 5 0 m v a r s v g ，它将应用于上海5 0 0 k v 电网中。 文献【9 】对世界上现有典型的s v g 装置主电路结构进行了信息汇总，文中指出， 在功率开关器件没有突破的情况下，对采用多重化技术和多电平结构静止无功发生器 的研究有着重要的意义。 多重化技术：采用多个逆变桥通过变压器组合使用，可成倍提高装置容量。多重 化连接不仅避开了器件并联时的均流问题，也达到了增大装置容量的目的；同时借助 将数个变流器输出的方波信号组合成阶梯波的方法来逼近正弦波，又可在不提高开关 频率的条件下达到抑制谐波的目的，因此在大功率变流器中得到广泛的应用。多重化 包括利用曲折变压器连接与普通变压器连接两种结构形式。虽然十分有效，但由于需 要特殊设计的曲折变压器，既提高了造价，又使得系统变得复杂：而各相之间复杂的 电磁耦合也使得不对称时的分相控制变得困难 i o l 。多重化逆变器结构图如图1 3 1 所 示。 母蛮嚣 图1 3 1 多重化逆变器结构图 多电平结构逆变器的一般结构由多个通常在三相逆变器中见到的6 个开关组成， 可利用不同的电平。通常由电容器构成的电压源的电压合成正弦波形电压，这种逆变 器的主要思路是电流由多个开关共同分担，使其比单个开关的功率额定值要高。从而 既利用串联方式提高了装置容量，又避免了常规器件串联时所遇到的器件选配和动静 态均压问题，同时它还具有更低的谐波含量。从理论上看我们可以不断地增加电平的 次数来使输出电压阶梯增多，从而达到增大容量和抑制谐波的双重目的。但在实际应 用中每增加一个电平即意味着使电路变得复杂，且多电平变流器的正常工作需维持各 部分直流电容上电压的相等，这导致了控制上的困难。综上所述，论文将多电平结构 中的三电平结构作为论文的研究内容。 1 4 论文的主要工作 论文通过深入研究s v g ，特别是三电平s v g 的原理、控制方法，基于a n s o f t 公司的s i m p l o r e r 6 0 仿真软件，对三电平s v g 作仿真研究。设计基于d s p 的综 3 硕十论文 基于多电平技术的静止无功发生器的设计与研究 合实验装置，采用电流直接控制法，对s v g 进行实验研究。 论文的主要工作包括以下几个方面： 1 ) 研究s v g 的基本原理与控制方法，并对几种控制方法加以分析比较。研究无 功电流的检测方法，最终选取基于瞬时无功理论的f 。一i 。检测法作为无功检测算法。 2 ) 研究三电平s v g 的原理与控制方法，并基于二电平结构s v g 滞环控制方法， 提出了一种适用于三电平s v g 的滞环控制方法以及相应的中点电压平衡控制策略。 3 ) 利用电力电子仿真软件s i m p l o r e r 6 0 ，对三电平s v g 建模、仿真。采用 电流直接控制方法，分别对稳态与动态系统进行仿真。仿真结果显示，论文提出的三 电平控制方法能有效地控制三电平s v g 。 4 ) 基于1 r i 公司的d s p - t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，对三电平静止无功发生器的实验系统进 行了硬件设计。 5 ) 对三电平s v g 的实验系统进行软件设计。系统软件部分用c 语言编写。 6 ) 完成三电平静止无功发生器样机的制作，对各部分都进行实验研究分析，最 后利用样机进行综合补偿实验，取得了波形，并对实验波形进行分析。 4 硕士论文基于多电平技术缈生墨堕垄竺矍竺堡生皇里塑 2 静止无功发生器基本原理研究 2 1s v g 工作原理分析 严格地讲，静止无功发生器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，还需要再串联上连接电抗器才能并入电网；对电流型电路，还 需在交流侧并联上吸收换相产生的过电压的电容器嗍。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，论文也采用电压型桥式电路的s v g 。 二电平s v g 电路基本结构如图2 1 1 所示。 图2 1 1 二电平s v g 电路基本结构 由于s v g 正常工作是通过桥式逆变电路输出与电网同频率的交流电压，因此可以 将s v g 看作是一个受控源0 ，将交流电网简化为一个电压源【，s 。它和s v g 的连接阻 抗等效为一个电抗器，电抗器上的电压d 。为厶s 和6 ，相量之差，电抗器上的电流，可 由其电压控制。图2 1 2 和图2 1 3 为不计损耗和计及损耗情况下s v g 等效电路和向量 图。 ix = w l 图2 1 2s v g 等效电路及工作原理( 不考虑损耗) 觏转 k 巍零“ 图2 1 3s v g 等效电路及工作原理( 计及损耗) 产鸶 硕t 论文 摹于多电平技术的静止无功发生罂的设计与研究 2 2s v g 控制方法研究 s v g 的控制方法“1 1 可以分为电流间接控制与电流直接控制两种。 2 2 1 电流间接控制法 分析图2 1 3 所示的s v g l - 作相量图，以吸收滞后电流为例。由图中电网电压d 。、 变流器交流测基波电压，和连接电抗压降u l 构成的三角关系，可得如下等式： 旦：坠： 坠 s i n d s i n ( 9 0 。+ 6 ) s i n ( 9 0 。一妒一回 ( 2 2 1 ) 式中万玩与坑相位差，以玩超前玩为正； 矿连接电抗器的阻抗角。 由此得： u ，：型 。 c o s ( 2 2 2 ) 据此可推导出稳态时s v g 从电网吸收的无功电流和有功电流有效值分别为： 乇2 厅u 再l s 删。咽= 簧s i i l 掰 ( 2 2 3 ) 2 了j ；车i c o s ( 9 。一万) 22 轰( 1 - c o s 2 8 ) ( 2 2 4 ) 可以证明，当s v g 吸收超前无功电流的时候，其稳态仍满足式( 2 2 3 ) 和式 ( 2 2 4 ) ，只不过此时其中的艿和，口均为负。因此可以通过控制玩相对玩的超前角占 来控制s v g 吸收的无功电流。 这种将s v g 当作交流电压源来看待，通过对s v g 变流器所产生交流电压基波的 相位和幅值的控制，来间接控制s v g 的交流侧电压的方法，即为间接控制法。图2 2 1 和图2 2 2 为s v g 最简单的间接控制法。 k l 叮面丽丁互怔丽面吁 i jl - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - j 图2 2 i 间接控制法示意图 图2 2 2 采用闭环控制的间接控制法 目前世界上现有大容量的s v g 多采用间接控制方法，如日本富山8 0 m v a r 、美国 i 6 硕十论文 基于多电平技术的静止无功发生器的设计与研究 田纳西峡谷1 0 0 m v a r 和清华大学2 0 m v a r 的s v g 都采用了间接控制方式。电流间接 控制有开关频率低，控制器结构简单的优点1 1 2 1 ，所以多用于输电补偿的大容量s v g 控制，但是也有其缺点： 1 ) 响应较慢，响应时间1 4 到l 2 周波； 2 ) 无功变化时，逆变器输出电压的相位范围小( 1 5 到+ 1 5 。) ，因此要求有很 高的相位检测精度和控制精度； 3 ) 电网电压负序分量较大时，引起直流电压的脉动，会导致控制系统不稳定； 4 ) 有些间接控制法，依赖连接电感的参数，这些参数测量困难而且变化，因此 技术实现困难。 2 2 2 电流的直接控制法 所谓电流的直接控制，就是采用跟踪型p w m 控制技术对电流波形的瞬时值进行 反馈控制1 1 3 1 。其中的跟踪型p w m 控制技术，可以采用滞环比较方式，也可以采用三 角波比较方式，简单原理图如图2 2 3 、图2 2 4 所示。 图2 2 3 滞环控制法 乏i o 雕一芝 图2 2 5s v g 电流直接控制的一种方法 与间接控制方法相比较，直接控制方法具有更高的响应速度和控制精度，但它要 7 硕士论文 摹于多电平技术的静止无功发生嚣的设计与研究 求开关频率高。一般来说，电流直接控制适合于小功率场合。但从目前世界上运行的 无功补偿器的情况看来，电流直接控制在中、大容量系统也有应用。日本新农用于输 电8 0 m v a r 的s v g 和日本神户用于钢厂负荷补偿2 0 m v a r 的s v g 均采用了电流直接控制 方式。前者在电网严重不对称，甚至短路时仍可照常工作；后者对炼钢电极短路引起 的电网电压闪变有很好的抑制作用。 由于电流直接控制具有响应速度快，控制精度高等特点，论文中采用电流直接控 制的方法。 2 3s v g 中的电流检测算法 研究无功补偿技术，首先要解决无功电流的精确检测问题，本节对各种检测算法 予以介绍，重点研究基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测法。 2 3 1 无功电流检测方法 无功电流的检测方法有许多种d 4 , 1 5 l ：基于f r y z e 功率定义的检测方法、基于频 域分析的f f t 测法、基于瞬时无功功率理论的电流瞬时检测方法、基于自适应噪声 相消的检测方法和基于神经网络和小波分析的检测方法等。文中对各种检测方法做了 介绍比较，以便充分了解每一检测法的特点。 基于f f y z c 功率定义的检测方法【1 6 】，其原理是将负荷电流分解为与电压波形一致 的分量，将其余分量作为广义无功电流( 包括谐波电流) 。它的缺点是：因为f r y z e 功率 定义是建立在平均功率基础上的，所以要求的瞬时有功电流需要进行一个周期的积 分，再加其它运算电路，要有几个周期延时。因此，用这种方法求得的“瞬时有功电 流”实际是几个周期前的电流值。 基于f f t 的采样数字计算方法【l 刀，此方法需进行两次n 可变换，约需8 0 m s ，瞬时 性误差较大，且电压畸变将带来较大的非同步采样误差，特别是对高次谐波的检测精 度影响较大。基于傅立叶快速变换的谐波电流检测方法，无论是在谐波检测方面还是 在谐波分析方面均获得了比较广泛的应用，但检测精度有待提高。 瞬时无功功率理论1 1 8 - 2 0 的基本思路是：将a b e - - - 相系统电压、电流转换成n 猡坐标 系上的矢量，将电压、电流矢量的点积定义为瞬时有功功率。将电压、电流矢量的叉 积定义为瞬时无功功率，然后再将这些功率逆变为三相补偿电流。瞬时无功功率理论 突破了传统功率理论在“平均值”基础上的功率定义，使谐波及无功电流的实时检测 成为可能。该方法对于三相平衡系统的瞬变电流检测具有较好的实时性，有利于系统 的快速控制，可以获得较好的补偿效果。 自适应谐波与无功电流检测方法该算法基于自适应噪声对消原理，经过自适应 滤波处理，输出负载电流中的有功分量，将此分量从负载电流中减去就得到高次谐波 和无功分量。此算法不受元件参数变化和电压波形畸变的影响。自适应谐波电流检测 硕士论文 基于多电平技术的静止无功发生罂的设计与研究 方法【2 1 】具有自适应跟踪检测的能力，但存在动态响应慢等缺点。 基于神经网络的电流检测方法和基于小波分析的电流检测方法是目前正在研究 的新方法，发展速度较快，是具有潜力的新型电流检测方法。 2 3 2 基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方法 经过对几种常用的谐波和无功电流检测方法的比较，基于瞬时无功功率理论的谐 波和无功电流检测法实时性最好，最适于实验中综合补偿装置的检测应用。论文将采 用基于瞬时无功理论的无功电流检测方法。首先介绍瞬时无功功率理论。 2 3 2 1 瞬时无功功率理论基础 在三相三线制电路中，设各相电压和电流的瞬时值分别为p 。，e b ，p 。i o ，i b ， 。由于+ e + p 。= 0 ，屯+ + = 0 ，所以三相电压和三相电流各只有两个独立分 量，其中一个分量可由另两个分量求出。为分析问题方便，把它们分别变换到两相正 交的口一坐标系上研究h 1 恻。由式( 2 3 1 ) 和式( 2 3 2 ) 的变换，得到两相瞬时电压 e 。，e p 和两相瞬时电流，。 讣岛 1 眨s m 舭豳 泣， ll 一!一! i 其中c 3 2 = 丽i 。量一鱼i q 。3 3 乏北h 嘲 把式( 2 2 1 ) 和式( 2 2 2 ) 代入式( 2 3 4 ) ，得 p = e a 屯4 - e + e c ( 2 3 5 a ) g = 等眙。一) f 。+ 0 。一巳k + 0 。一e b k 】 ( 2 3 5 b ) ) 从式( 2 3 5 a ) 可以看出，三相电路的瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。 以三相电路瞬时无功功率理论为基础的谐波和无功电流检测有两种方法：一是以 计算瞬时有功功率p ，瞬时无功功率g 为出发点的p q 运算方式；另一个是以计算 瞬时有功电流，瞬时无功电流为出发点的一运算方式 9 硕十论文基于多电平技术的静止无功发生器的设计与研究 2 3 2 2p g 运算方式 该检测方法的框图如图2 3 1 。图中上标1 表示矩阵的逆。 “ e 巳 该方法根据定义算出p 和g ，经低通滤波器( l p f ) 得p 、q 的直流分量p 、q 。 电网电压波形无畸变时，；为基波有功电流与电压作用所产生，；为基波无功电流与 电压作用所产生。于是，由一p ，；即可根据下式计算出被检测电流，的基波 分量i 西，i h ，i i ， i芝i l = c 。c ：降1 = 吉c c 。 亨 c 2 s s ， 盯砘ii l q 斟j 皆吉心 ( 2 3 7 ) 将0 ，0 ，0 与i o ，i b ，相减，即可得出i o ，的谐波分量，如。 当同时补偿谐波和无功时，就需要同时检测出补偿对象中的谐波和无功电流。在 这种情况下，只需断开图2 3 1 中计算q 的通道即可。这时由p 即可计算出被检测电 i o ，i b ，的基波有功分量锄，锄，o 为： l l = c 。c ：口 = 吉c 。c 。瞄 c 2 3 8 ， 将o ，锄，o 与，i b ，相减，即可得出，i b ，j c 的谐波分量和基波无功 分量之和0 ，0 ，如。下标d 表示由检测电路得出的检测结果。 在检测时，由于采用了低通滤波器( l p f ) 求取；，；，故当被检测电流发生变化 时，需经一定延迟时间才准确测出一p ，一q 。 1 0 硕士论文基于多电平技术的静止无功发生器的设计与研究 2 3 2 3 i p 一运算方式 该检测方法的框图如图2 3 2 所示。 l j j o 图2 3 2 一i q 运算方式原理图 m = 墨：篡北 = c c 3 ：i | ；l 泣s 脚 该方法中，需要用到与a 相电网电压p 。基波分量同相位的正弦信号s i n a t 和对应 的余弦信号一e o s c o t ，它们由一个锁相环( p l l ) 和一个正余弦信号发生电路得到。由此 计算出i p ，经l p f 滤波得出i ，的直流分量f ，这里，代表着， i t , ，的基波分量0 ，0 ，0 因此，同p - g 运算方式，可计算出0 ，磅，0 ， 进而计算出i 。，i b ，i 。的谐波分量么，k ，i “。 与p q 运算方式相似，当要检测出谐波和无功电流之和时，只需断开图2 3 2 中 的屯计算通道。当只检测无功电流时，只要对进行反变换。 理论分析表明，对于三相三线制电路，当电网电压发生畸变，不论三相电压、电 流是否对称，p - - q 运算方式的检测结果都有误差。而对f 。一i q 运算方式，即使电网电 压发生畸变，按这种方式进行检测时，由于只取s i n c o t 和一c o s a t 参与计算，畸变电压 的谐波成分在运算过程中不出现，检测结果也不受电压波形畸变的影响。比较两个方 法后，i p 一运算方式检测精度高，所以论文中无功电流的检测算法采用了一运 算方式。 2 4 本章小结 本章从s v g 的基本工作原理出发，综合目前的两种控制方法，考虑到直接控制 法具有较高的响应速度和控制精度，能满足后续实验设计的需要，论文最终选取了电 流直接控制法。针对目前的无功电流检测算法，论文在比较各种算法的基础上，选取 基于瞬时无功功率理论的i ，一无功电流检测算法，该方法最适合于无功电流的实时 检测。本章的工作为后续论文的仿真和硬件设计都打下了良好的基础。 1 1 顽 论丈基于多电平技术的静止无功发生器的设计与研究 3 三电平静止无功发生器的分析 采用二电平结构的s v g ，具有快速的响应时间，谐波污染小。但对更大功率， 更高电压的应用而言，这种主电路结构将不再适用。多电平逆变电路结构的s v g ， 一方面减少了输出电压的谐波分量，另一方面可以使每个主开关器件关断时所承受的 电压大大降低。如三电平，每个主开关器件关断时所承受的电压为直流侧电压的一半。 同时无需像多重化技术中要使用多台特殊连接的输出变压器，因此在高电压、大容量 的d c a c 变换中得到了越来越广泛的应用，特别在减少电网谐波和补偿电网无功方 面有着良好的应用。在已经提出的多种多电平逆变器的拓扑结构中，最为典型的有： 二极管钳位型、飞跨电容型、级联型 2 2 1 。基于三电平结构所具有的上述优点，论文中 设计的s v g 采用了二极管钳位型三电平结构。 3 1 三电平静止无功发生器主电路拓扑结构研究 图3 1 1 二极管钳位三电平s v g 主电路结构 三电平s v g 主电路结构团1 如图3 1 1 所示。其中& 、是；、s ，( x = l ，2 ，3 ，4 ) 分别表示a 、b 、c 三相上的功率开关元件，都反并联有二极管。每个桥臂上上下开 关问都接着起电压钳位作用的钳位二极管。 图3 1 2 三电平结构中的单相电路 硕十论文基于多电平技术的静止无功发生器的设计与研究 以a 相为例，单相电路图如图3 1 2 所示。当s 。、墨2 导通，s 3 、关断时， 如图3 1 3 a 所示，a 点与o 点间电位差等效于a 与o 点间电压，匕。= 一b ，为屹2 ， 令其状态为l ；当& 、导通，s 。、s 2 关断时，如图3 1 3 b 所示，a 点与o 点问 电位差等效于一与0 点间电压，匕。= _ 。，为一2 ，令其状态为- 1 ；当s ：、s ，导 通，s 。、s 关断时，如图3 1 3 c 所示，a 点与o 点间电位差为0 ，令其状态为0 。 此时且满足： s 。= & s ：= s ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( a ) 上方两管导通( b ) 下方两管导通( c ) 中间两管导通 图3 1 3 三电平逆变器单相分析 三相三电平逆变器中，每一相输出都有l 、0 、1 三种状态。在此，引入开关函 数只，晶，昂，表示三相的开关模态，它们的值为l 、0 、- 1 中的一个如果把每一 相的三种输出状态与另外两相的三种输出状态相组合，则三相三电平p w m 逆变器能 输出3 3 = 2 7 种不同输出状态。 3 2 三电平静止无功发生器的数学模型 - - a g 平静止无功发生器等效电路【。睨7 1 如图3 2 1 所示。其中e o 、e b 、巳表示逆变 器交流侧输出电压，r o 、k 、圪表示系统电源电压，逆变器通过电抗器和代表逆 变器总损耗的电阻足与交流电源连接。 1 矗 玉再撕沁：固一 it 。 三电平 旦k 沁绝沪 k 逆变器 ! _ 执 厶 一 图3 2 1 三电平s v g 的等效电路 颂士论文摹于多电平技术的静止无功发生器的设计与研究 在此等效电路的基础上列出三电平s v o 的数学模型，系统的模型基于下列假设： 所有开关都是理想的； 电源电压对称； 逆变器的总损耗用集总电阻足表示，忽略由开关动作引起的谐波分量。 每相的数学模型用矩阵形式表示为： 料 冠 丘 o o o r 丘 0 o o 冠 t ( 3 2 1 ) | ； = ； 三三； 匿薹芰 一 茎i 萋 c s z 2 ， 式( 3 2 2 ) 中既为连接函数，定义开关的状态。= l 意味着开关闭合，否则& = 0 = s 。s ：+ 是+ 墨。墨： ( 3 2 3 ) ：= s ，s 。+ + 岛，乞 ( 3 2 4 ) 式( 3 2 5 ) 列出了直流侧电容电压方程： 箍m 皇： z 固 根据三电平逆变器的数学模型，表3 2 1 中列出了三电平结构的所有开关组合。 表3 2 1 三电平开关电压组合 开关函数电压系数1 只 晶&( ) ( 屹) e c ( ) l1l 0 0 0 llo l ，3 l ，3 2 3a l1 12 32 , g- 4 3 l002 2 31 ，31 3c 1 4 1j 巳 一 一 一 吃吃 -。l ，一 + 1j 0kf p。l 硕上论文 基于多电平技术的静止无功发生罂的设计与研究 3 3 三电平静止无功发生器的控制方法 三电平静止无功发生器的控制方法主要有正弦波调* 6 t j p w m ( s p w m ) 、选择性的消 谐p w m ( s h e p w m ) 、空间矢量p w m ( s v p w m ) 等。论文提出了种适用于三电平结构 s v g 的滞环控制方法，并研究了与之相适应的中点电位平衡控制方法。 3 3 1 三电平正弦波调制p w m ( s p w m ) 传统s p w m 控制原理是用一个基准正弦波和一个三角波载波进行交结，得到一个 脉冲信号，通过这个脉冲信号来控制开关管的开断。而三电平s v g q 。的s p w m t 2 s 2 9 1 是在此基础上的扩展。所不同的是，三角载波已不再仅有一个，而是采用2 个具有相 同频率和相同幅值的三角载波与基准正弦波交结，控制开关动作，产生需要的电压电 流波形，从而达到补偿系统无功的目的。原理如图3 - 3 1 所示，图中圪，、屹，为同频同 相的三角载波，p 0 为调制波。s 。、分别表示单相桥臂上方两管的控制信号。 硕 论文 摹于多电平技术的静止无功发生器的设计与研究 图3 3 1 三电平s p w m 开关模态 3 3 2 选择性的消谐p w m ( s h e p w m ) 选择性的消i 砦p w m ( s h e p w m ) 3 0 , 3 1 l ：在方波电压波形上，设置一些槽口，通过 合理安排槽口的位置和宽度，则可以达到既能控制输出基波电压分量，又能有选择性 地消除某些较低次谐波的目的。在输出同样质量波形的时候，较其它的方法，开关次 数最少，效率最高。因此，在高压大功率的设备上多采用s h e p w m 的控制方法。但 是这种方法的一个难点就是开关角计算比较困难。 3 3 3 三电平空间矢量控制p w m 方法 三电平空间矢量控制p w m 方法和二电平空间矢量的控制方法一样，也是一种建 立在空间电压矢量合成概念上的p w m 方澍3 2 - 3 4 j 。 三电平逆变器的p a r k 矢量为： ，垒，竺 v = + p 。3 + 口。3 吃( 3 3 1 ) 引入开关函数蜀，品，& 来代替上式中的匕、，则有 t ，z f4 f 矿( 蜀，品，& ) = 詈【蜀+ 品p o + 品口o 】( 3 3 2 ) 只，品，& 分别取l 、0 、- 1 - - - 种开关状态，则三电平逆变器有2 7 个开关状态， 分别对应着1 9 个特定的空间电压矢量，如图3 3 1 所示。 1 6 硕士论丈 基于多电平技术的静止无功发生器的设计与研究 允态熬 韶漩 v ，w “ 图3 3 1 三电平空间向量图 三电平空间矢量p w m 调制通过对调制空间矢量的位置进行判断，选择进行合成 的开关矢量，并计算其相应的开通时间，从而产生需要的电流电压波形。 三电平空间矢量方法的优点主要是电压利用率高，其缺点就是数字实现的时候计 算量非常大。 3 3 4 定时滞环控制 论文采用跟踪型p w m 控制技术中定时滞环比较控制方式。在二电平滞环控制的 基础上，提出了一种适用于三电平结构的定时滞环控制方法。 3 3 4 1 二电平滞环控制研究 在此，先分析二电平结构中的滞环控制方法【4 1 。在这种方式中，把补偿电流的指 令信号k 与实际的补偿电流信号f 进行比较，两者的偏差出= i - k 作为滞环比较 器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关的通断，从而控制补偿电流f 的大 ，j 、。 s 1 s 2 煮菽，夕州，。 7 一日 崦毪梦1 厂 n 门nn 门广 n 图3 3 2 二电平滞环控制p w m 信号产生原理 结合图3 3 2 ，以一相为例，用日表示滞环宽度。当l 垃i h 时，滞环比较器的输出将翻转。假设驱动电路和主电路无延 时，则补偿电流i 的变化方向将随之改变。这样，笛就在日和日之间变化。滞环控 1 7 颂十论文基于多电平技术的静止无功发生器的设计与研究 制方式的特点如下： 1 ) 属于实时控制方式，电流响应很快； 2 ) 不需要载波，输出电压中不含特定频率的谐波分量； 3 ) 属于闭环控制方式。 若滞环的宽度固定，则电流跟踪误差范围是固定的。但是电力半导体器件的开关 频率是变化的，也有可能超出器件允许的最高工作频率，而导致器件损坏。 针对滞环比较方式环宽固定的这一缺点，一种解决的方法是将滞环比较器的宽度 日设计成可随i 的变化自动调整的。另一种方法是采用定时控制的瞬时值比较方式。 该方式中，用一个定时控制的比较器代替滞环比较器。每个时钟周期对出判断一次， 使得p w m 信号至少需要一个时钟周期才会变化一次，器件的开关频率最高也不会超 过时钟频率的一半。这样时钟信号的频率就限定了器件的最高工作频率，从而可以避 免器件开关频率过高的情况发生。论文中采用定时滞环控制的方法。 3 3 4 2 三电平结构中，滞环控制的研究 三电平逆变器的滞环控制是建立在二电平滞环控制的基础上的。通过一个参考电 流与一个时测电流的时时比较，控制一个支路上的开关管闭合。由于每相都有v , 2 、 0 、一r 。2 三种电平存在，所以增大或减少一相中的电流，就有更多的开关组合选择， 具体可见表3 2 1 。以a 相为例，要使三电平s v g 的a 相输出电流增大，开关函数只 可有两种选择方案：置只= l ( 即电压系数为正) ；部分情况下置只= 0 。 论文采用的开关控制策略：仍以一相为例，用日表示滞环宽度。当a i h 时，i 需 要减小，此时置只= 一1 ，开通桥臂上开关墨墨：当f 一h 时，j 需要增大，此时置 e = l ，开通桥臂上开关s s ；当l 茁i h 时，置只= 0 ，开通桥臂上开关是焉。 这样就充分利用了三电平结构中的三个电平。p w m 信号产生原理如图3 3 3 所示。 仿真和实验证明这种控制方式不仅能输出较好的电流波形，逆变器输出电压波形 也较好，且控制方法简单。逻辑关系归纳如下： f1a i 3 ( 3 3 4 ) 其中v 埘为相交流电源电压峰值。然而，直流侧电压过高，会增加桥臂功率开关 损耗及系统能耗，一般可以按下式来确定直流侧电压值： 屹 1 5 v m ( 3 3 5 ) 这是因为：当采用式( 3 3 5 ) 来确定直流电压时，对于电压系数为1 3 的桥臂相， 可能因电压较低而无法强迫相电流跟踪电流指令，但电压系数为2 3 、1 、+ _ 4 3 的 桥臂相，则能强迫相电流跟踪电流指令。然而，由于p w m 开关频率足够高，随着功 率开关管状态组合的快速变化，原来瞬间可能不能强迫相电流跟踪的桥臂，转而能快 速进行相电流的跟踪控制。论文中的仿真与实验，均以式( 3 3 5 ) 来确定直流侧电压值。 仿真与实验结果证明，此时的直流电压值，满足跟踪电流的要求。 3 4 三电平结构中点电压控制的研究 三电平逆变结构，采用两个电容串联来产生三个电平。由于开关器件本身特性的 不一致和变换器能量转换时中点电位参与能量的传输，因此会产生两个电容电压分压 不均的问题，即中点平衡问题。如果中点电位不能被限制在屹2 附近的一个很小范 围内，则三电平结构的所有优势将会丧失，在交流输出侧会产生低次谐波，使逆变器 的输出效率变低。另外，逆变器某些开关管承受的电压增高，降低了系统的可靠性。 最后，中点电位波动降低了直流侧电容的寿命p 4 l 。 1 9 硕士论文 摹于多电平技术的静止无功发生器的设计与研究 3 4 1 中点电位平衡研究现状 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。在载波s p w m 方法中平衡中点电位一般都是在调制波中注入适当零序分 量。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。空间矢量方法中平衡中点电位的方法归纳起来主要有以下几种： 1 ) 开环被动控制 开环被动控制法通过计算得到每个周期小矢量的时间分配来实现中点电压平衡 控制。这种方法只适合完全对称的p w m 方法，只有在完全平衡三相负载的情况下能 够较好控制中点电位，在实际应用中难以实现。 2 ) 主动控制法 主动控制法根据中点电位的偏移以及中点电流的大小，通过p i 调节设置短矢量的 时白】分配来调整中点平衡。该方法可以很好的抑制中点电位的波动，但同时使控制变 得复杂，增加了元件开关次数。这种方法的缺点就是电流中有l 2 开关频率的纹波。 3 ) 滞环控制法 滞环控制法通过设置中点电位的滞环区间，当电位超越区间时，再根据中点电流 的方向来变换短矢量组合从而调整中点电位，这种方法效果