（电力电子与电力传动专业论文）多电平变流器在风力发电系统中的应用.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ee n v i r o n m e n t e n e r g ya r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r eg r i m t h eu s eo f r e n e w a b l ee n e r g yh a sb e c o m et h eh o t s p o ta th o m ea n da b r o a d a sar e n e w a b l ec l e a n e n e r g y w i n de n e r g yd on o td a m a g et h ee n v i r o n m e n ta n di n e x h a u s t i b l e c o m p a r e dt o t h ed o u b l e f e di n d u c t i o nm o t o rw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m s d i r e c t d r i v ew i n d p o w e rt e c h n o l o g ye l i m i n a t e st h eg e a r b o x 8 0t h es y s t e mr e d u c e sm a i n t e n a n c ec o s t s a n ds i z e a tp r e s e n ld i r e c t d r i v ew i n dp o w e rt e c h n o l o g yi s b e c o m i n gar e s e a r c h h o t s p o t d i r e c t d r i v ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m sc o n t r o lc i r c u i ti sb a s e do nt h e s t a t o r t h ef r e q u e n c yo fc u r r e n ti sc h a n g e di n t ot h es a m ef r e q u e n c yw i t ht h ea c p o w e rg r i db yc o n v e r t e r t h e r e f o r et h ec o n v e r t e rr a t e dc a p a c i t yi st h es a m eo ft h e p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r t h ee x i s t i n gd e v i c e s v o l t a g el e v e ld i d n o ta c h i e v eab r e a k t h r o u g hu n t i lm u l t i l e v e lt e c h n o l o g ya p p e a r a n c e m u l t i 1 e v e l c o n v e r t e rc a nr e d u c et h eh a r m o n i cc o n t e n ta n db ec o n t r o l e dv e r yf l e x i b l e i ti sv e r y s u i t a b l ef o rd i r e c t d r i v ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m t h e r e f o r e t h er e s e a r c ho n t h em u l t i l e v e lc o n v e r t e ri nw i n dp o w e rs y s t e mh a sav e r yb r o a d a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s t h i sp a p e ri sf o c u so nt h ea p p l i c a t i o no fm u l t i 1 e v e lc o n v e r t e ri nw i n dp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e m b u i l d i n gt h ew i n dt u r b i n em o d e l p w mr e c t i f i e rc o n t r o lm o d e l t h ei n t r o d u c t i o no ft h en e u t r a lb a l a n c e dc o n t r o ls t r a t e g yb y u s i n gm a t l a b s i m u l i n k s o t h v a r e e s t a b l i s ht h ec o m p l e t eb a c k t o b a c kd i r e c t d r i v ew i n dp o w e rg e n e r a t i o n s y s t e m t h i sc o n t r o ls t r a t e g yh a st h es m a l l c a l c u l a t i n gt i m e w i d ea p p l i c a t i o n t h r o u g ht h es i m u l a t e dr e s e a r c h a n dp r o v i d eag o o dr e s e a r c hv a l u ef o rt h ea c t u a l p r o j e c td e v e l o p m e n t t h i sp a p e rd e s i g nt h ee n t i r eh a r d w a r ep l a t f o r m sb a s e do nt h et m s 3 2 0 f 2 8 12 i n c l u d i n gt h ep o w e rs u p p l y s c a l ed r i v e r v o l t a g ea c q u i s i t i o n c u r r e n tc o l l e c t i o n c i r c u i te t a l b yc o n v e r t e rl o s sc a l c u l a t i o na n dt h e r m a ln e t w o r km o d e lb u l i t a n a l y z e t h ec o n v e r t e rm a i nc i r c u i t i n c l u d i n gt h ei g b t d cb u sc a p a c i t o r a n dt e m p e r a t u r e i i a b s t r a c t r i s e i ts u p p l y sar e f e r e n c et ot h eh e a tl o s ss y s t e ma n dt h er e l i a b i l i t ya n a l y z e k e yw o r d s m u l t i l e v dc o n v e r t e r t h en e u t r a lb a l a n c es t r a t e g y w i n dm a c h i n e s p w mr e c t i f i e r l o s sc a l c u l a t i o n i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目 的的前提下 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动 学位论文作者签名 必 p 年2 月1e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进 行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的 已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担 学位论文作者签名 k 均 pc 年弓月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 大功率变流器在风能利用中的应用 能源是人类赖以生存的物质基础和社会发展进步的动力 自从工业革命以 来 全球的能源消耗飞速增长 迅速推动了世界工业化的进程 然而 作为世 界能源主要支柱的石油 煤炭 天然气等不可再生资源的储量非常有限 因此 能源的开发 资源的利用与环境保护相互协调发展将是2 1 世纪经济发展的基础 风能作为可再生的洁净绿色能源 不但对环境没有破坏 而且取之不尽 用之不竭 人类利用风能的历史可以追溯到公元前 但数千年来风能开发技术 发展缓慢 也没有引起人们足够的重视 自从1 9 7 3 年世界石油危机以来 在常 规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下 风能作为新能源的一部分 得 到了越来越多的重视 过去1 0 年中 全球风能产业以每年3 0 左右的速度快速增 长 2 0 0 6 年 全球风电总装机容量逾7 4 g w 增长了2 5 新增发电设备价值约1 8 0 亿欧元 合计2 3 0 亿美元 从2 0 0 2 年到今年安装量已经翻了一倍多 我国风能资源丰富 陆上风力资源有2 5 亿千瓦 海上风力资源有7 5 亿千 瓦 合计风能达1 0 亿千瓦 在中国 2 0 0 5 年风电总装机容量为1 2 6 g w 比2 0 0 4 年增长了6 5 2 世界排名第八 2 0 0 6 年达到2 5 9 9 g w 世界排名第六 最近 由中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会主导完成的一份报告指出 中 国有能力在2 0 2 0 年实现4 0 0 0 万千瓦的风电装机容量 年发电量将达8 0 0 亿千瓦 时 可满足8 0 0 0 万人的用电需求 同时每年可减少4 8 0 0 万吨的二氧化碳排放量 该报告预测 如果上述目标能实现 那么到2 0 2 0 年之后 风电将超过核电 成 为中国第三大电力来源 由于单机容量的增大能够节省风机每千瓦的制造成本 因此 近年来单机 容量不断增大是风力发电技术的显著特点之一 并且随着高压大功率器件的发 展同趋高性能化 在风力发电系统中引入高压大容量变流器已成为一种共识 所谓大容量 啦 是指功率等级在数百千瓦以上 而高电压指电压等级为3 k v 6 k v i o k v 或更高 实现大容量变换的途径有高压或大电流 其中以高压大容量 最为典型 传统大功率变换电路如下 1 第一章绪论 1 两电平逆变器 其拓扑结构比较简单 为了获得大功率只能依靠器件 的串并联来实现 由于直接串并联要求开关严格的同时开通和关断 实现起来 可靠性不高 并且由于只输出两个电平 电压波动大 逆变器存在很高的d v d t 和共模电压 对电机绝缘构成了威胁 2 降压一普通变频 升压电路 这种结构需要大型变压器 体积大 成 本高 3 变压器耦合的多脉冲逆变器 这种电路引入多个变压器 通过改变这 些变压器的匝数比或联接方式耦合叠加出阶梯波 以减小谐波 由于引入多个 变压器使得系统成本和损耗增加 占用空间大 并且控制上也存在很大困难 4 交一交变频电路 通过省去中间直流环节 使得整个系统装置体积小 重量轻 但是其输出频率低 最高输出频率一般为输入频率的1 3 1 2 而且 控制复杂 仅用于低频场合 1 2 多电平技术产生的背景以及在风能利用中的应用口1 1 2 1 多电平变流器产生的背景 由于传统中 高压变流器的各种局限 以及在电力电子技术领域中应电力系 统直流输电 无功补偿 电力有源滤波及高压大功率交流电动机变频调速系统 发展的需要 多电平变流器孕育而生 多电平变流器的 般结构是由几个电平 台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压 应用多电平技术的变流器相较于以往变流器的优势主要有以下几点 1 输出电压电平数的增加 降低了输出电压的跳变使得输出波形的谐波含量 减小 并且避免了d v d t 过大所导致的电机绝缘问题 2 开关所承受的电压应力减小 无需均压电路 3 阶梯波调制时 器件在基频下丌通关断 损耗小 效率高 1 2 2 多电平技术在风力发电系统中的应用 多电平变流器在d c a c 能量转换上与传统的两电平变流器相比有很多大的 优势 因此其广泛用于高压大功率交流电机的变频调速领域 在水厂 电厂中 2 第一章绪论 的泵类 风机负载和钢厂轧钢所用的高压大功率交流电动机 轨道交通的电力 机车牵引系统中 采用多电平逆变调速技术可以节约大量的能源 提高生产效 率及实现重载 高速列车的牵引 多电平变流器的另一个重要应用领域是应用 于高压直流输电 超导储能 感应加热和大容量u p s 等 特别是在清洁能源的利 用上 比如风力发电和太阳能发电 可以通过高压多电平逆变器入网 风力发电中 当风力发电机与电网并联运行时 要求风电频率和电网频率保 持一致 即风电频率保持恒定 因此风力发电系统分为恒速恒频发电系统 c s c f 系统 和变速恒频发电系统 v s c f 系统 h 儿引 c s c f 系统主要包括定桨矩失速控 制 变桨矩调节方式 主动失速调节三种方式 由于发电机转速恒定不变 因 此降低了对风能的利用效率 并且当风速突变时 巨大的风能变化将通过风力 机传递给主轴 齿轮箱和发电机等部件 在这些部件上产生很大的机械应力 而采用双馈式发电机的v s c f 系统 在风力机与发电机间用增速齿轮箱连接 增 加了系统的体积 降低了其经济性 由于以上提到的不足 一种新型的风力发 电系统一直驱型风力发电系统诞生阳1 它采用桨叶直接驱动多极低速永磁同步发 电机发电 然后通过功率变换电路将电能转换后并入电网 省去了传统双馈式 风力发电系统中的齿轮箱 有效地抑制了噪声 减少了维护的费用 尽管由于 直接耦合 永磁发电机的转速很低 使发电机体积很大 成本较高 但由于省 去了价格更高的齿轮箱 整个系统的成本还是降低了 除此之外 采用直驱型 技术的风力发电还具有以下的一些优势口1 1 发电机转速能运行在更宽泛的 范围 有利于风能的捕捉 2 低速大转矩永磁电机减小了系统尺寸 容积和 重量 3 电网和发电机问的变流器系统作为一个缓冲器 减小了两个系统间 不期望的动态相互作用 比如由于风速的不同和网侧电气故障等 由于直驱型 风力发电系统变速恒频控制也是在定子电路实现的 把永磁发电机发出的交流 电通过变流器转变为与电网同频的交流电 因此变流器的容量与系统的额定容 量相同 在现有器件耐压水平未取得突破性进展以前 多电平技术因其可以减 小开关电压应力和等效开关频率 非常适合应用于直驱型风力发电系统 除此 在外 多电平变流器无需变压器 又可以达到升压的作用 因此具有很好的经 济性 同时其又具有很好的谐波抑制效果以及良好的动态响应能力和方便灵活 的控制策略 所以多电平变流器在风力发电系统的输出电压波形和频率控制上 将显现良好的性能特点 同时多电平变流器也可以实现对有功和无功功率的控 制 其拓扑结构也很适合于对动态系统的连续控制 可以解决系统电能质量方 3 第一章绪论 面的问题 如电压谐波 电压不平衡等 因此 采用多电平变换技术的直驱式 风力发电系统得到越来越广泛的关注 目前 已有多家国内外公司将多电平变换技术应用子风力发电系统 比如 山东新风光电子科技发展有限公司 广东明阳风电产业集团都已开发出适用于 风力发电系统的多电平变换装置 并已投入使用 采用多电平技术的直驱型风力发电系统原理图如图1 所示 图1 直驱型风力发电系统原理图 1 2 3 多电平变流器应用中的热点 难点 电同 1 拓扑结构的优化 多电平变流器主要有二极管箝位 飞跨电容箝位 级联型三种基本拓扑及其派生拓扑 但到目前为止 仅仅是针对这三种拓扑有 其各自的通用形式 仍未建立这三者之间的理论联系 2 控制策略 多电平变流器主要有s p w m 和s v p w m 两种控制策略 中点 电位不平衡问题是其中研究的重点 由于中点电位的不平衡将造成输出谐波的 增大 对负载或者电网带来严重的影响 对于中点电位不平衡机理的研究已经 很深入 也已发展了一些解决方案 但对于五电平以上的拓扑 由于其冗余矢 量的增加 将使得控制变得十分复杂 因此 结合中点电位平衡的控制算法的 优化将是我们研究的重点和难点 3 由于多电平技术应用在高压大容量的系统 过大的d v d t 各对开关管造 成损坏 进而造成整个系统的损坏 因此对于开关管的保护将是多电平应用中 的重点 选择合适的缓冲电路和保护电路也是我们研究的重点 4 第一章绪论 1 3 论文主要内容 论文从多电平变流器拓扑结构和控制策略出发 从中分析现有拓扑结构的 缺陷及其改进电路 对引起中点电位不平衡的原因进行深入探讨 并给出了解 决方法 将改进的拓扑结构和控制算法相结合 采用背靠背 b a c k t o b a c k 系 统搭建主电路模型进行风力系统仿真 采用的仿真平台是m a t l a b s i m u l i n k 最 后对控制电路 主电路硬件平台进行设计 论文各章节如下 第一章 绪论 回顾了风力发电技术背景以及多电平变流器在高压大容量系 统中的应用 第二章 主要介绍了多电平变流器新型拓扑结构与相关控制策略分析 对二 极管箝位和飞跨电容箝位型拓扑结构所适用的正弦脉宽调制 s p w m 控制算 法进行了详细的分析 并给出了各自适用的调制算法 最后介绍了空间矢量 s v p w m 算法 第三章 多电平变流器中点电位不平衡问题研究 探讨了引起中点电位不 平衡的原因及其相应的控制策略改进措施 提出一种具有抑制中点电位不平衡 的s v p w m 控制算法 第四章 多电平变流器在风力发电系统中的仿真 采用前两章分析的改进 型拓扑结构和相关控制算法 应用背靠背模式搭建主电路 整流侧采用p w m 控制 逆变侧采用具有中点电位平衡算法的s v p w m 控制策略 在风机的控制 中引入了最优桨矩角控制策略 搭建了完整的三电平风力发电系统 并在 m a t l a b s i m u l i n k 软件中仿真 最后给出仿真波形 第五章 系统硬件电路设计 基于d s p 2 8 1 2 搭建控制电路 主电路硬件平 台设计 第六章 总结展望 对论文中出现的相关问题以及继续改进的地方进行总 结 1 4 本章小结 本章主要对风力发电背景以及多电平变流技术应用于风力发电系统做了介 绍 并对论文各章节安排进行了简要介绍 5 第二章多电平变流器拓扑结构与相关控制策略研究 第二章多电平变流器拓扑结构与相关控制策略研究 2 1 多电平变流器基本拓扑结构分析 帕咖n 们 从电路原理上来看 构成多电平电路必须要具有以下两个条件 1 要有 直流电平作为输入 2 需要由有源 i g b t m o s f e t 等 和无源开关器件 二 极管 电容 组成的基本变换单元 对于第一个条件 目前获得基本电平的方式有以下2 种 1 只引入一组直流母线 用电容进行分压 根据箝位器件的不同 可以 分为二极管或者电容筘位型 对于n 电平其基本模型如图2 1 所示 a 二极管箝位型主电路 b 电容箝位型主电路 图2 1 引入一组直流母线的n 电平拓扑 对于电容箝位型 必须先对悬浮电容进行充电 使之保持所需的电压水平 2 直接由多组互相分立的直流源获得 此时必须外加变压器获得多组独 立电源 其n 电平基本模型如图2 2 所示 图2 2 n 1 组分立直流元n 电平拓扑 6 第二章多电平变流器拓扑结构与相关控制策略研究 对于第二个条件 首先它必须是可控的 这样才能根据控制策略的要求进 行适当的开关动作 从而按要求输出期望电平 因此必须包含有源器件 主开 关 其次 还必须有无源器件与主开关成对出现且导通方向相反 以保证能量 流动的连续性和双向性 根据以上的分析 我们也可以看出 对于只引入一组直流母线的n 电平电 路 其电平的获得是靠直流母线电容串联获得 串联的个数为n l 并用二极 管或电容箝位 称为二极管箝位或飞跨电容箝位型多电平变流器 对于引入多 组直流电源的电路 是将各个单独电源级联形成 称为级联型多电平变流器 经过2 0 多年的发展 很多专家和学者提出了更具有实用意义的多电平逆变器拓 扑结构 根据其结构形式分类如图2 3 所示 图2 3 多电平逆变器拓扑分类 2 1 1 二极管箝位型拓扑结构及分析 三电平二极管箝位型变流器单相结构如图2 4 a 所示 直流母线电压被两个串联连接的电容器c c 分成2 个电平 通过不同的开 关状态 就可以得到p n o 三个电平 7 第二章多电平变流器拓扑结构与相关控制策略研究 三电平二极管箝位型电路有以下一些优点 1 由于输出相电压有三个电 平 对比两电平变流器 其输出波形更加接近正弦波 在同样的开关频率下 谐波比两电平的要低得多 2 箝位二极管的作用是使每个主开关只承受一半的 直流母线电压 但是 这种结构也存在着以下的不足 1 由于每一种电平状态 对应一种开关组合 所以对于相电压而言 无法采用优化控制策略来实现各个 直流分压电容的充放电平衡 因此会造成中点电位不平衡 2 随着电平数的增 加 二极管数目快速增加 增加了成本 系统可靠性也随之降低 因此这个拓 扑结构输出电平数不可能很高 一般被限制在5 电平 3 由于配线电感的影响 器件关断时过大的d v d t 会引起过电压 这种情况下 由于外部的开关管被二极 管箝位 因此过电压不会对外部开关管产生影响 而过电压将在内部开关管维 持 如果过电压现象较为严重 就需要增加缓冲电路 这将增大系统的成本和 复杂程度u 针对以上的问题 采取如下改进的拓扑结构 如图2 4 b 所示 分析如下 1 当输出电压为e 2 时 电流通过d 3 d 4 进行双向流动 如果电容c x 上电压 高于彤2 时 将通过负载放电 相反的 如果c x 电压低于e 2 将通过c 1 向c x 充 电 因此 中点电位达到平衡 2 当输出电压为o 时 电流通过d 4 c x d 2 与s 2 进行双向流动 根据c 2 和c x 的 电压差 c x 通过c 2 d 1 s 4 与s 2 进行充放电 3 当输出电压为 e 2 时 电流通过d 5 d 6 进行双向流动 如果c x 电压低于e 2 将通过c 2 进行充电 因此 在开始时给c x 充电至e 2 并在电路运行过程中通过c i c 2 的充放电 维持彤2 电压 由此可见 引入c x 带来的好处有 为电流提供双向通路 从拓扑 结构改进上更好的实现了电容电压的平衡 由于c x 分别和反向二极管d 4 d 5 构 成了箝位电路 使得s 2 s 3 关断时产生的过电压被箝位 对于电平数更高的电路 也可以得出相同的结论 8 第二章多电平变流器拓扑结构与相关控制策略研究 e e a 二极管箝位型三电平拓扑 b 改进型二极管箝位三电平拓扑 图2 4 二极管箝位型三电平拓扑 2 1 2 飞跨电容箝位型拓扑结构及分析 图2 5 是三电平飞跨电容型变流器单相结构图 它的基本原理就是用飞跨电 容取代箝位二极管进行箝位 箝位电容的加入使得主开关管s 2 与s 3 不能同时导 通 由于电容的引进 开关状态的选择变的更加灵活 使电压合成的选择增多 通过在同一电平上不同开关状态的组合 可使电容电压保持均衡 起到了保持 中点电位平衡的作用 飞跨电容多电平变流器最大的缺点是需要大量的箝位电容 对于n 级电平电 路 除了直流侧的n 1 个电容外 每相还需要 n 1 n 2 2 个辅助电容 而且运行 过程中必须严格控制飞跨电容电压的平衡 以保证变流器安全运行 除此之外 在高压大容量的应用场合中 由于耐压的提高 所使用的飞跨电容体积很大 因此不利于系统集成化 并且电容的预充电问题也使得系统变的复杂 e 图2 5 电容箝位型三电平拓扑 9 第二章多电平变流器拓扑结构与相关控制策略研究 2 1 3 级联型拓扑结构及分析 多电平变流器的主要目的之一是为了采用低耐压器件输出高压 对于前面 介绍的箝位型电路 只采用了一个独立电源 为了得到不同的电平 需要用直 流母线电容进行分压 因此产生了中点电位不平衡的问题 这种由于拓扑结构 上造成的问题 只能靠控制算法来解决 所谓级联型多电平变流器 即采用多个电气独立的直流电源分压 各个单 元的直流电容没有均压问题 相对于器件串联的形式 在控制上要简单许多 但是 控制上的简单是以增加变压器二次绕组和整流环节的个数为代价 根据 采用的基本功率单元可以分为2 h 3 h 式 所谓的2 h 桥即是由两个两电平半 桥逆变器组成 把两个三电平半桥逆变器组成的逆变桥 叫做3 h 桥 其基本 拓扑分别如图2 6 a 图2 6 b 所示 e e j j a a 2 h 桥拓扑 b 3 h 桥拓扑 图2 6 级联型多电平拓扑结构 根据以上的分析 箝位型与级联型多电平区别总结如下表2 所示 1 0 第二章多电平变流器拓扑结构与相关控制策略研究 表2 箝位型与级联型多电平区别 项目箝位式 级联式 基本单元半桥式两电平逆变器半桥式两电平或三电平逆变器组成 的h 桥 结构 开关器件串联的半桥式结构h 桥直接串联结构 直流电源一个高压直流电源 通过母线电容串 多个彼此独立 没有直接电的联系 联分压得到所需电平的直流电源 箝位电路 有箝位元件及电路无箝位元件及电路 吸收电路需要阻容吸收电路 基本不用阻容吸收电路 均压有均压问题及相应的克服电路无均压问题及相应的克服电路 2 2 减少拓扑开关器件的多电平变流器 尽管多电平变流器相较于两电平有很多优点 但是由于开关数量很庞大以 及中点电位难以平衡 其应用得到了很大的限制 开关数量的增多不仅会增加 系统的复杂性和经济性 而且使系统很难布局 一些减少开关数量的拓扑结构已经被提出 它们一般应用于多电平有源整 流电路中n 羽 图2 7 给出了几种改进的拓扑结构 e i l t pi e l h j i j l r 1 jl l k t l jk t 下 l 一 t t 1 jl n a 引入有源器件的改进型三电平结构 b 引入有源器1 l 的改进的四电平结构 第二章多电平变流器拓扑结构与相关控制策略研究 e e c 减少数量的改进型三电平结构 d 减少数量的改进型四电平结构 图2 7 几种改进型多电平拓扑结构 图2 7 a 给出了一种改进的三电平整流结构 这种拓扑能被扩展到更高的 电平 比如图2 7 b 所示的四电平 减少数量的多电平整流拓扑结构的一般思 想是其最上层以及最下层的开关在整流过程中是不必要的 因此可以用二极管 来替代 另一种改进的拓扑结构如图2 7 c d 所示 尽管与上一种拓扑结构 有相似的结构 但是随着电平数的增多 图2 7 c d 的总开关量要比图 2 7 a b 来的少 并且由于开关设备在的串联将更昂贵 更复杂 因此 对 比于图2 7 a b 图2 7 c d 拓扑具有更大的优势 2 3 多电平变流器多载波p w m 控制策略n 3 1 儿懵儿伽 基于载波的多电平变流器p w m 控制方法 是最常用的多电平p w m 控制方法 之一 它是两电平s p w m 技术在多电平技术中的直接拓展 由于多电平电路拓扑 的复杂性及多样性 较之两电平变流器 它的p w m 控制方法更加多样化 多电 平变流器p w m 主要的控制目标有两个 一是对输出电压的控制 即变流器输出 的脉冲矩形波序列在伏秒意义上与目标参考波形等效 二是为多电平变流器本 身运行状态的控制 其中包括直流分压电容上的电压平衡控制 输出谐波的控 制 所有功率开关管的输出功率平衡控制 器件的开关损耗控制等 1 2 第二章多电平变流器拓扑结构与相关控制策略研究 2 3 1 消除特定谐波的p w m 控制法 这种方法是通过在预先给定的时刻实现特定开关的切换 从而产生预期的 消除某些低次谐波的p w m 控制 从数字信号理论知识可以知道 任意一个波形 都可以通过傅立叶变换进行分解 假设所有的电平幅值相等 并且 k 是第k 次阶 梯波的开关角 那么第n 次谐波可以表示为 4 亡y v c o s 以吼 2 1 1 1 k l 对于m 次开关角 它能消除m 1 次以上的谐波 一般来说 我们选择消除最 重要的低频谐波 例如5 次 7 次谐波 这种方法可以降低开关频率和开关损耗 在相同的开关频率下 可以生成 最优的输出电压波形 提高直流电源电压利用率 其难点是必须用牛顿迭代法 解非线形方程组 合适的初始值是解法收敛的必要条件 这样就使得运算时间 加长 不适合在线计算 因而多采用离线计算 利用查表法取得开关转换的时 刻 因此在开关频率要求较高的应用场合将占用较大的内存空间 2 3 2 载波层叠法 p d p h a s ed i s p o s i t i o n 在两电平载波控制算法中 主电路拓扑的单相桥臂只有两个主开关管 而 上下两个主开关管开关动作互补 因此只需要一条三角载波 而n 电平变流器主 电路单相桥臂需要的主开关管数为2 n 1 上下桥臂主开关管动作互补 因此 共需要 n 一1 条三角载波 为了提高直流电压利用率 把载波幅值缩为原来的 1 2 并把这条载波向上平移1 2 个单位得到载波1 向下平移1 2 个单位得到载 波2 将正弦控制波与这两条载波比较 当控制波幅值大于载波时相应开关开通 小于载波幅值时开关关断 如图2 8 所示 根据双重傅立叶级数的定义不 x j 专心 4 c a s 麟 b m o i n 船 槲 2 2 4 4 c o s n x m y b s i n n x m y 其中 吐 峨 上2 r 2je 雕彬m 哪 蚴 1 3 第二章多电平变流器拓扑结构与相关控制策略研究 当三相采用对称正弦波调制时 u 毒s u ss i n 国 l n 叫争 u ss i n c o s t 孚 j 2 3 可以计算得到输出相电压波形 从输出的相电压波形中 我们可以知道谐 波主要集中在载波及其边带谐波附近 y 囊d 澎 7 y x 赋 八八7 一 誉汹 图2 8p d 型调制开关动作产生机理 2 3 3 载波移相法 p s p h a s es h i 动 n 1 条三角载波依坐标x 轴上下对称分布 由于相邻载波问有一个相移 使 得所产生的s p w m 脉冲在相位上错开 从而使最终叠加输出的s p w m 波形等效开 关频率提高到原来的 n 1 倍 当相差3 6 0 n 一1 角度时输出谐波含量最少 三电平 变流器载波移相控制算法及其开关动作如图2 9 所示 当三相采用对称正弦波调 制时 根据双重傅立叶级数的定义可以计算得到变流器输出相电压与线电压表 达式 一相电压 觇 m e s i n 讹f f 抽 2 4 翥姜 柑e 址 e j r a a 以 删咖m n 州 1 4 兰 o l o些 l o l o 第二章多电平变流器拓扑结构与相关控制策略研究 u a b m e s i n w s t 线电压 堡艺量以 删万弦一加咖 舻 拧 w s t 2 5 刀历m 一2 4 6 一 豸圣 7 其中m 为调制度 f 为载波比 e 为调制得到脉宽 a 为三角载波的初相位角 由式子 2 4 可知 输出相电压的谐波主要集中在载波及其倍频波附近而输出 线电压中将消除m l 的载波谐波及其上下边带谐波 入入 么y 爱 y r e f t 缸 图2 9p s 型调制开关动作产生机理 2 3 4 载波层叠法与移相法各自适用的拓扑结构分析 由二极管箝位型三电平拓扑的开关状态知道 应用p s 型控制策略时 将产 生多余的开关状态 1 0 会加大器件的开关损耗 因此并不适合 对于p d 型 控制策略 其产生的开关状态只有 1 1 0 1 0 0 三种 这种控制策略不 能对具有冗余开关状态的飞跨电容型拓扑中点电位进行有效平衡 而p s 型控制 策略的开关状态有 1 1 0 1 1 0 o 0 四种 其中 0 1 1 0 两个 冗余状态对分压电容的充放电起到互补调节作用 因此对比于p d 型调制算法 p s 型调制对飞跨电容型三电平变流器的中点电位平衡起到了更好的作用 以上 对p d 与p s 型控制策略在三电平中的分析也同样适用于更高电平的变流器 为了验证以上的分析 运用m a t l a b s i m u l i n k 软件构建了仿真分析模型 应用 p d 和p s 型控制策略分别对二极管箝位型和飞跨电容型三电平电路拓扑进行了仿 真研究 并比较这两种控制策略在不同调制区的特性 实验参数为 根据实际 的应用系统直流母线电压取u 赴 1 5 0 0 v 三相感性负载容量为2 5 k w 正弦调制波 的频率为5 0 h z 载波比m r 2 5 取6 个不同的调制度m 进行仿真 m 0 3 0 5 0 6 0 8 1 1 1 5 调制波与载波的相位差e o 飞跨电容容量 为1 0 喇f 三个电容容量一致 对不同调制区仿真结果进行分析如下 1 5 芒 l o l 0 蒸 l d l 0 第二章多电平变流器拓扑结构与相关控制策略研究 图2 1 0 为在调制度m 0 3 0 8 1 1 5 时在二极管箝位型拓扑中分别应用p d 型和p s 型两种控制策略得到线电压波形 从对比图中看出 p s 型调制得到的 线电压波形毛刺含量很大 波形质量不如p d 型调制 这主要是由于p s 型调制 的冗余开关状态在 极管箝位拓扑中应用不到 使开关频率下降 造成合成波 形质量下降 图2 1 1 为在以上三种调制度下将p d 型和p s 型应用于飞跨电容 型拓扑结构中得到的频谱图 f f t 对比p d 调制下的频谱图可知 p s 型控制 策略能更有效的消除谐波 特别是对载波频带谐波 边带谐波有很好的抑制能 力 这与之前的量化分析结果一致 从图2 1 2 的线电压总谐波畸变率 t h d 中可以看出 对比p d 型控制策略p s 型应用在飞跨电容型中能更有效的抑制谐 波 而在二极管箝位中p d 型控制策略的t h d 要比应用p s 型明显小的多 特 别是在m 0 5 区问 仿真结果论证了前面的理论分析 a m l 1 5 f p d 调制 b m 08f p d 调制 c m03f p d 调制 篓 a m l1 5i v d 调制 一川 商 1h 1k i 一 b m 08 i p d 调制 c a 03f p d 调制 幽21 0 一极管箝位玳在不同调制度f 廊州p d 与p s 型调制线电压 1 6 硼鼍蓁刖 l m 驻 酬 一黼髋 姗 麟 叮叫 l 薹 喜l喜 im 盯 一 一一删 一黼蚕 一 1下下谢哪 m 第二章多电平变流嚣拓扑结构与相关控制策喀研究 a f 11 5 下p d 调制 d m l1 5f p s 调制 b m m8 下p d 调制 c m 03 f p d 调制 e m 08f p s 调制 f m o3 3 p s 调制 图21 1 飞跨电容型在不同调制度下的f f t 比较 k l 陵 一 幽2 1 2 不同调制度f n 种拓扑结构的1 1 t 0 比较 24 电压空间矢量 s v p w m 控制技术 上一节介绍的s p w m 控制主要着眼于使变流器的输出电压尽量接近正弦 波 然而交流电机控制的最终目的是在电动机空 自j 形成圆形旋转磁场 从而产 生恒定的电磁转矩 而此时必须控制输入给电机的是三相j 下弦电流 把变流器 第二章多电平变流器拓扑结构与相关控制策略研究 和交流电机视为一体 以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作 这种控制 方法称作 磁链跟踪控制 磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢 量来实现的 所以又称 电压空间矢量 s v p w m 控制 2 4 1 空间电压矢量与磁链的关系n 刀 由电机理论可以知道 当异步电动机的三相对称定子绕组由三相电压供电 时 对每一相都可以写出一个电压平衡方程式 嚣 砖i 警 2 6 l 当电机转速比较高时 可以忽略定子电阻压降 则定子电压与合成磁链的 近似关系为 虬 i u s d t 当电机由三相平衡正弦电压供电时 电机定子磁链幅值恒定 以恒速旋转 磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形 磁链旋转矢量为 虬 虮 m 伊 对上式进行求导 可得 2 7 其空间矢量 2 8 m 咿j 岬秒 2 9 从式 2 9 我们可以看出 定子电压矢量与磁链矢量正交 若把电压参考矢 量的参考点放在一起 则电压矢量轨迹也是一个圆 因此 采用s v p w m 方法 可以很好的控制电机磁链 进而达到控制电机转矩的目的 2 4 2 空间矢量p w m 控制算法m m 9 儿2 0 1 为了分析空间矢量p w m 控制算法 有必要先建立二极管开关状态函数表 达式 二极管筘位型主电路拓扑结构如图2 1 3 所示 1 8 第二章多电平变流器拓扑结构与相关控制策略研究 n 图2 1 3 二极管箝位型主电路拓扑结构 n 如图2 1 3 所示 a 相输出电压对直流侧负载中性点电压为 虬o s o 圪 2 1 0 式中s a 0 表示下桥臂两个开关管导通 s a l 表示中间两个开关管导通 s a 2 表示上桥臂两个开关管导通 同理b c 相输出电压对直流侧负载中性点电压为 巩 最圪 玩 圪 式中s b s c 0 1 2 同样 上述关系也适合于n 电平二极管箝位型电路拓扑 此时 s a s b s c 0 1 2 n 一1 负载中性点n 电压为 u 0 0 v o o 己7 矗 虬o 3 s o 咒 圪 3 2 1 1 其负载相电压矩阵 各相输出电压对中性点n 之间的电压 为 u 虬 一 u 一u n q u c o u n o 堡 3 2 s 一s b s c 2 s b s c s n 2 s c s o s b 2 1 2 根据空间矢量的定义 以a 相为参考轴的合成空问电压矢量为 2 v o 名m 矿 玑 p 7 2 耵 3 2 1 3 将相电压矩阵代入式 2 1 3 可得 2 s o 1 2 矿 爰 舯 3 2 1 4 式 2 1 4 就是二极管箝位型开关函数矩阵 从这个式子中我们可以看出 当s a s b s c 同时增加或减少整数r l 时 使 0 s o 刀 咒 疗 墨 n n l 2 1 5 1 9 第二章多电平变流器拓扑结构与相关控制策略研究 其合成空间矢量保持不变 即 疋 s 疋 l 力 1 2 1 6 因此 一个合成空间相量可能对应几个不同的开关状态 即对应不同的s a s b s c 也就是所谓的冗余状态 利用冗余的开关状态可以很好的平衡中点电 位 这个特性将在下一章节中讨论 采用三电平s v p w m 调制方法 变流器的控制指令是控制系统给出的参考 空间电压矢量 硝 它以一定角频率在空间旋转 当转到某个小扇区时 系统 选择该小扇区中最近的3 个基本空间电压矢量进行合成 算出相应主开关管的 导通时间 三电平空间矢量坐标如图2 1 4 所示 n p n o p np p n 夕一 八众套弧 o p pv o o o 一伊协淑 协 0 1 1 0 7 图2 1 4 三电平空间欠量坐标 从上图可以看出 三电平空问矢量可以分为六个大三角形i i i i v 其中每个大三角形又可以划分为四个小三角形 如图2 1 4 所示 其中 共有空间矢量2 7 个 独立矢量个数为1 9 个 一般来说 对于n 电平 其空间 矢量个数为 个 独立矢量个数y 为 y 1 1 2 n 1 半6 3 n n 一1 l 2 1 7 根据矢量长短 三电平空间矢量可以分为长矢量6 个 p n n p p n n p n n p p n n p p n p 短矢量6 组 每组两个 p p o o o n p o o o n n p o p o n o o o p n n o o p p 1 1 0 0 o p o n o n 零矢量3 个 o o o p p p n n n 中矢 量6 个 p o n p n o o n p n o p n p o o p n 2 n 第二章多电平变流器拓扑结构与相关控制策略研究 对于s v p w m 信号的实时调制需要 硝在二维静止坐标系口轴和 轴的分 量圪和 以及p w m 周期t 作为输入 其计算步骤如下 1 判断矢量 硝所处扇区 1 判断大三角形所在区域 根据圪和 的关系 可得到如下的关系 如果 0 则a i 否则a 0 如果 3 圪一 0 则b l 否则b o 如果4 3 v a 0 则c i 否则c o 则大三角形n a 2 b 4 c 2 判断小三角形所在区域 传统的方法是将每个大三角形分为4 个小三角形 现在介绍一种新的判断 小三角形扇区的方法 局为直流母线电压 w 为空间矢量旋转角速度 对比于 传统的方法 它计算更简单 现介绍如下 对扇区i 进行分析 其他扇区的分 析仅是将们进行变化即可 w t w f l 哔 n 2 3 6 j 0 0 w f 詈 若 一 一撕 等日 o 则可以判断空间矢量在第6 区域 若 一声 r 3 v 矿 a 半局 o 则可以判断空间矢量在第2 区域 其他情况 下在第4 区域 詈 讹 至3 若 一 孚易 则可以判断空间矢量在第5 区域 若 历屹 一 x 3 易 o 则空间矢量落在1 区域 其他情况下在第3 区域 根据以上对各扇区的分析 利用m a t l a b 软件建模 其仿真波形如下图2 1 5 所示 为了更好地说明扇区选择的j 下确性 调制度设为0 1 和0 6 并且在时 阳it o 0 l s 时进行切换 2 l 第二章多电平交流器拓扑结构与相关控制策略研究 图2 1 5 改进的参考矢量扇区区域选择图 3 各矢量作用时间的确定 根据前面式 2 7 的分析 若在一个极短的时间a t 内 可以认为u 为一 个常量 即 因此 磁链的合成式 可以转换为式子 u s a t l 沙t 少 u i l t a u t t i 2 1 8 2 1 9 2 2 0 即幅秒平衡原理 根据以上的分析 结合三电平空间矢量图 采用最近三矢量 n t c 控制 合成法 可以推导出合成参考矢量所需的作用时间点 即参考电压矢量可以表示为 d 篡裂乏翟丝啦 砒 汜2 s o 吐1 d 肘 d d o 1 其中 吐o 盔i 小矢量 p o o s 戈p p o 开关占空比 d m 中矢量开关占空比 吒 大矢量开关占空比 如零矢量开关占空比 2 2 第二章多电平变流器拓扑