（电力系统及其自动化专业论文）pwm技术在潮流控制器中的应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l f 页 a b s t r a c t c o n s i d e r i n gt h ep r o b l e m se x i s t e di nt h ee l e c t r i ct r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mo fe l e c t r i f i e d r a i l w a y s u c ha sa b u n d a n tn e g a t i v es e q u e n c e h a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e r a n dt h el o s to f t r a c t i o ns p e e da n dp o w e rw h i c ha r er e s t r i c t e db yt h en e u t r a ls e c t i o ni n s u l a t o rb e t w e e na d j a c e n t p o w e rs u p p l ys e c t i o n s an e wt y p eo fc o p h a s et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi sb u i l tb yc o m b i n i n g y n v dc o n n e c t i o nt r a n s f o r m e r w i t hp w mc o n t r o l l e dt h r e e l e v e li p f c i n t e g r a t e dp o w e rf l o w c o n t r o l l e r t h es y s t e mc a l lc o m b o u tt h r e e p h a s eu n b a l a n c eb a s i c a l l y a n dp r o v i d e sm i n i m u m h a r m o n i cc o n t e n tb yu s i n gat h r e e l e v e lm a i nc i r c u i t t h e r e b y t h ei n c o n s i s t e n c yb e t w e e nr a i l w a y d e p a r t m e n ta n de l e c t r i cp o w e rd e p a r t m e n tw i l lb es o l v e dr a d i c a l l y t h er e m o v eo ft h en e u t r a l s e c t i o ni n s u l a t o rc o n f o r mt ot h et r e n do ft h eh i g h s p e e dp a s s e n g e rs e r v i c ea n dt h eh e a v yc a r g o s e r v i c e t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ec o r ed e v i c e so fc o p h a s et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m t h e t h r e e l e v e lp w mc o n t r o lt e c h n o l o g yo fi p f c t h ec o n t r o ls t r a t e g yd e t e r m i n e st h ep e r f o r m a n c eo f o v e r a l ls y s t e m i nt h i sp a p e r t h es t r u c t u r eo fc o p h a s et r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e ma n dt h e p e r f o r m a n c eo ft h ey n v db a l a n c et r a n s f o r m e ra r ef i r s t l yd i s c u s s e d t h es t r u c t u r eo ft h ed o u b l e 1 e v e li p f ca n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yg e n e r a lf r a m e w o r ka r ea n a l y z e d o nt h i sb a s i s ad i o d e c l a m p e dt h r e e l e v e lm a i nc i r c u i to fi p f ca n dt h eh i g h f r e q u e n c ys w i t c h i n gf u n c t i o nm o d e la r e e s t a b l i s h e d t h ep r i n c i p l e o fb a l a n c e dt r a n s f o r m a t i o ni s a n a l y z e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n i n s t r u c t i o nc u r r e n t sa n dl o a dc u r r e n t so fi p f ci sg a i n e d t h e nf o c u s e do nt h et h r e e l e v e lp w m c o n t r o ls t r a t e g yf o rm a i nc i r c u i ta n di t sn e u t r a l p o i n tp o t e n t i a lb a l a n c i n gc o n t r o ls t r a t e g ya r e d i s c u s s e d t h ea r t i c l eu s e st h e a c t i v ei n t e g r a t o rw i t ham e a ns e p a r a t i o nm e t h o dt op r o d u c et h e r e q u i r e di n s t r u c t i o nc u r r e n ts i g n a l so ft h et h r e e l e v e li p f c b yc o m p a r a t i v ea n a l y z i n gf i v ek i n d so f t h r e e l e v e lp w mm o d u l a t i o n s t h e nt h ec l a s s i ct h r e e l e v e ls p w mm o d u l a t i o nm e t h o di sc h o s e nt o r e a l t i m et r a c k i n gt h ec o m p e n s a t i o ni n s t r u c t i o ns i g n a l ac o n t r o lm e t h o do fn e u t r a lp o s i t i o nw i t h v o l t a g ep r e f e e df o rt h es p w mm o d u l a t i o ni sc o m b i n e dt oc o n t r o ln e u t r a l p o i n tv o l t a g eb a l a n c e a n dag o o db a l a n c et r a n s f o r me f f e c ti so b t a i n e df o rp o w e rf l o wc o n t r o l l e r f i n a l l y t h ed o u b l e l e v e la n dt h r e e l e v e lp w mp o w e rf l o wc o n t r o l l e ra r em o d e l e da n d s i m u l a t e du n d e rm a t l a b s i m u l i n ki nt h i sp a p e r t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i si sd i s c u s s e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h es t r u c t u r eo ft h ep o w e rf l o wc o n t r o l l e r c o m p r e h e n s i v ec o m p e n s a t i o n c u r r e n tg e n e r a t i n gm e t h o d s p w mm o d u l a t i o na n di t sn e u t r a l p o i n tp o t e n t i a lb a l a n c i n gc o n t r o la r e p r o v e dt ob et r u ea n df e a s i b l e t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tt h ed o u b l e 1 e v e la n dt h r e e 1 e v e la l lh a v e t h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s w h e nu s i n g i ts h o u l dt ob es e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 s i t u a t i o n k e yw o r d s c o p h a s e t r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e m i n t e g r a t e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r d i o d e c l a m p e d t h r e e l e v e l s p w mm o d u l a t i o n n e u t r a l p o i n tp o t e n t i a lb a l a n c i n g c o n t r 0 1 西南交通大学曲南父遗大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授 权西南交通大学可以将本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 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密龟 箍用本授权书 请在以上方框内打 寸 学位论文作者签名 指导老师签名 日期 砌p f 罗 日期 加印 口 西南交通大学硕士学位论文主要工作 贡献 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下 将三电平p w m 技术引入到同相牵引供电系统的核心装置一综合潮流控制器中 并设计了该三电平潮流控制器的主电路结构及数学模型 讨论了其补偿指令电流生成 方法 重点研究了其p w m 控制策略及中点电位平衡控制方法 最后将三电平潮流控 制器和两电平潮流控制器进行了对比仿真研究 验证了基于s p w m 控制的两电平和三 电平潮流控制器的正确性及合理性 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中作了明确说明 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担 学位论文作者签名 吴j 丑 日期 加厂 厂 岁 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 随着电力电子技术的发展 功率半导体开关器件性能不断提高 已从早期广泛使 用的半控型功率半导体开关 如普通晶闸管 s c r 发展到如今性能各异且类型诸多的全 控型功率开关 如双极型晶体管 b j t 门极关断晶闸管 g t o 绝缘栅双极型晶体管 i g b t 集成门极换向晶闸管 i g c t 功率场效应晶体管 m o s f e t 以及场控晶闸管 m c t 等 而2 0 世纪9 0 年代发展起来的智能型功率模块 i p m 则开创了功率半导体开 关器件新的发展方向 功率半导体开关器件技术的进步 促进了电力电子变流装置技 术的迅速发展 出现了以脉宽调制 p w m 控制为基础的各类变流装置 如变频器 逆 变电源 高频开关电源以及各类特种变流器等 这些变流装置在国民经济各领域中取 得了广泛应用 l 经过几十年的研究与发展p w m 变流器技术已日趋成熟 p w m 变流器主电路已从 早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路 其拓扑结构已从单相 三相电路 发展到多相组合及多电平拓扑电路 p w m 开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关 调制 功率等级从千瓦级发展到兆瓦级 而在主电路类型上既有电压型变流器 v o l t a g e s o u r c er e c t i f i e r v s r 也有电流源型变流器 c u r r e n ts o u r c er e c t i f i e r c s r 并且两者在 工业上均成功地投入了应用 但在大功率变换器场合 人们往往希望大功率 耐高压的电力电子装置能够工作 在尽可能高的开关频率下 以便提高输出波形的质量 但大功率开关器件所允许的开 关频率低 难以将p w m 技术应用于传统大容量变换器以达到改善其性能的目的 因 此多电平变换器以其独特的优势得到了广泛关注并大量应用于大功率中高压变流场 合 多电平变换器具有很多优点 1 每个功率开关承受的电压为1 n 1 的直流侧电压 n 电平 2 理论上电平数的增加可改善输出电压波形 3 在相同的直流侧电压情况下 比 传统的两电平变换器 d y d t 减小 电磁干扰 e m i 大大减轻 4 不需要变压器 减少了 系统的体积 而在我国现阶段的牵引供电系统中 电气化铁道的谐波 无功 负序 通信干扰 以及 过电分相 等问题一直倍受人们关注 随着高速 重载电气化铁路的不断发展 这些问题显得更加突出 如不加以解决 将严重影响其安全 可靠运行 研究从根本 上全面解决这些问题的新型牵引供电系统具有重要意义 因此新型同相供电系统应运 而生 2 1 依托现代电力电子技术和控制理论 实现交流电气化铁道的以电磁为基础的同相 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 供电和更高层次的贯通供电是必由之路 将现阶段最前沿的多电平p w m 及其控制技 术应用于同相供电系统的关键部位一综合潮流控制器i p f c i n t e g r a t e dp o w e rf l o w c o n t r o l l e r q b 实现同相供电装置的能量双向流动 解决系统三相不平衡问题 同时兼 顾补偿无功 谐波和实现同相供电的目的 可见 基于综合潮流控制器的同相供电系 统可以彻底解决高速电气化铁路电能质量问题 实现客运高速化和货运重载化 为形 成我国自主知识产权的新一代电气化铁道牵引供电体系奠定了基础 3 1 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 国内外电铁电能质量研究进展 长期以来 国外对电气化铁路电能质量问题非常重视 澳大利亚昆士兰铁路牵引 变电所全面实施s v c 方案 解决了电压波动 负序 谐波问题 但付出了高昂的成本 日本新干线最新研制的静止功率调节器 r a i l w a ys t a t i cp o w e rc o n d i t i o n e r 不仅能够实 现三相不平衡补偿和电压波动补偿 而且还具有对列车产生的高次谐波电流进行补偿 的功能 但还是未能避免电分相环节 德国采用集中式和分散式牵引供电系统 均能 为列车安全 可靠地供电 但这种1 5 k v 1 6 7 h z 非 e 业频率 的供电制式与世界各国 广泛采用的2 5 k v 5 0 h z i 业频率 无法兼容 我国电气化铁路牵引供电系统目前仍采 用异相供电 在变电所内采用常规方法 如无源补偿 有源补偿和混合补偿等 综合补偿 负序 无功和谐波 但这些方案在经济上和技术上的效果都不是很理想 4 1 2 2 同相供电系统研究进展 高速铁路中负荷波动较大 变电所单相供电且不换相的特点 使得负序问题更加 严重 因此研究同相供电技术的关键是三相一单相对称补偿 在补偿装置的作用下 实现三相平衡 同相供电系统的实现方法主要有两类 一是采用无源对称补偿技术实 现 二是基于平衡变压器和i p f c 实现的同相供电 1 采用对称补偿技术实现的同相供电系统 借助并联无功补偿 p r c 或并联电容补偿 p c c 来消除或削弱单相负荷产生的负序 电流 同时兼备无功补偿 从而实现同相供电 56 1 这种方案具有结构简单 控制方便 等优点 但其补偿装置不具备谐波补偿与抑制的功能 需要单独设计滤波电路 在含 有电容器的补偿装置中 谐波电流与电容器之间要相互影响 系统的动态响应速度低 对于剧烈变化的负载 补偿效果不理想 2 基于平衡变压器和i p f c 实现的同相供电系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 这种同相供电方案 在变电所内安装平衡变压器和综合潮流控制器 i p f c 实现 同相供电系统的三相一单相对称补偿 同时兼顾谐波和无功补偿 综合潮流控制器 i p f c 实现平衡变压器两端口之间的有功功率传递 其大小等于牵引功率之一半 可使负序为零 在牵引馈线侧 i p f c 还补偿牵引端口的感性无功功率 提高功率因数 稳定母线电压 滤除负荷电流中的高次谐波 i p f c 主要由两个 背靠背 的p w m 变 流器组成 通过中间共用的直流环节耦合在一起 通过合理的p w i v i 控制策略来实现 两个端口之间有功功率交换 同时馈线侧变流器补偿无功 稳定母线电压 滤除主要 谐波 这是目前最先进 最合理的技术方案 78 1 1 2 3p w m 技术研究现状 p w m 变流器的研究始于2 0 世纪8 0 年代 这一时期由于自关断器件的日趋成熟及 应用 推动了p w m 技术的应用与研究 1 9 8 2 年b u s s e a l f r e d h o l t zj o a c h i m 首先提出 了基于可关断器件的三相全桥p w m 变流器拓扑及其网侧电流幅相控制策略 并实现 了电流型p w m 变流器网侧单位功率因数正弦波电流控制 1 9 8 4 年a k a g ih i r o f u m i 等 提出了基于p w m 变流器拓扑的无功补偿器控制策略 这实际上就是电压型p w m 变流 器早期设计思想 到2 0 世纪8 0 年代末 随着a w g r e e n 等人提出了基于坐标变换的 p w m 变流器连续离散动态数学模型及控制策略 p w l v l 变流器的研究发展到一个新的 高度 9 1 自2 0 世纪9 0 年代以来p w m 变流器一直是学术界关注和研究的热点 随着研究 的深入 基于p w l v l 变流器拓扑结构及控制的拓展 相关的应用研究也发展起来 如 有源滤波器 超导储能 交流传动 风力发电 高压直流输电以及统一潮流控制器等 这些应用技术的研究 又促进了p w m 变流器及其控制技术的进步和完善 这一时期p w m 变流器的研究主要集中于以下几个方面 1 p w m 变流器的建模与分析 2 电压型p w l v l 变流器的电流控制 3 主电路拓扑结构研究 4 系统控制策略研究 5 电流源型p w m 变流器研究 鉴于高压大功率电力电子装置的迫切要求 多电平变换器的出现开启了p w m 技 术新的研究领域 该拓扑的直流侧串联两个电容分压实现三个电平 每个桥臂用4 个 功率开关串联 用两个串联的二极管和内部的功率开关并联 二极管的中心和电容的 中心连接 实现箝位 即中点箝位变换器 该拓扑中 各功率开关在断开的时候承受 直流侧电压的一半 因此适合用于高压大功率场合 且该电路可推广到任意的n 电平 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 因此 多电平变换器拓扑结构及其控制策略近年来发展很快 从电路拓扑上主要有 1 极管筘位式 d i o d e c l a m p e d 2 飞跨电容式 f l y i n gc a p a c i t o r s 3 带独立直流源的 级联的多电平变换器 1 0 用于同相供电系统i p f c 中的变流器实质上是一种 背靠背 的双p w m 变流器拓 扑结构 随着电力电子技术的发展 双p w m 变流器有了非常广泛的应用 目前已成 为变速恒频风力发电系统 柔性直流输电和电动机变频调速控制系统的核心 由于同 相供电系统在国内外都属于一项最新的研究课题 而将多电平的双p w m 变流技术用 于同相供电装置中也比较前沿 因此具有很大的研究空间 1 3 主要研究内容 本文针对中国电气化铁道牵引供电系统的组成和特点 详细研究了同相供电系统 中综合潮流控制器 i p f c 的多电平p w m 控制技术 论文的主要内容包括以下几个方面 1 总体介绍研究课题的学术背景及理论与实际意义 国内外电能质量研究进展以 及同相供电系统和p w m 技术的研究现状 2 同相供电系统分析及综合潮流控制器原理分析 在深入探讨同相供电系统主电 路的条件下 分析y n v d 平衡变压器的特点和综合潮流控制器原理 并在此基础上得 出同相供电装置需实现的各种综合潮流控制功能 3 用于综合潮流控制器的三电平p w m 变流器的主电路拓扑结构及数学建模分 析 在分析同相供电装置的工作原理基础上 提出综合潮流控制器采用一 背靠背 的 二极管箝位型三电平p w m 变流器拓扑结构 并建立了该三电平p w m 变流器的开关数 学模型 最后分析了该变流器的功率平衡原理 4 用于综合潮流控制器的三电平p w m 控制策略研究 通过对各种三电平p w m 变流器的控制策略研究分析 确定了适用于该i p f c 的三电平s p w m 调制方法及中点 电位平衡控制策略 5 电平p w m 变流器的仿真及对s p w m 控制方式下的i p f c 性能分析 搭建基 于m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台的p w m 变流器运行控制仿真模型 并将两电平 s p w m 和三电平s p w m 进行对比仿真分析 结果验证了三电平s p w m 控制策略的正 确性及合理性 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章同相供电系统结构分析 2 1 既有牵引供电系统的结构与特点 原牵引供电系统结构如图2 1 和图2 2 所示 图2 1 为直接供电或b t 供电方 式下的原牵引供电系统结构图 图2 2 为a t 供电方式下的原牵引供电系统结构副1 2 其中s s 为牵引变电所 n s 为分相绝缘器 t 为接触网 r 为轨道 f 为正馈线 a t 为自耦变压器 无论是哪种供电方式供电 由于变电所出口处及相邻变电所之间电压 不同 因此均设置了分相绝缘器 t r 图2 1 直接供电或b t 供电方式下的原牵引供电系统结构图 图2 2a t 供电方式下的原牵引供电系统结构图 此类供电系统存在的缺点是 1 由于电分相的存在 当机车通过电分相时 必须经过退级 关辅助机组 断主 断路器等一系列复杂操作 惰性运行到下一个区段再恢复正常运行 虽然可以采用自 动过分相装置来降低操作过程和操作复杂度 但没有从根本上取消电分相给高速运行 带来的影响 限制了机车运行速度的提高和牵引力的发挥 不利于高速 重载铁路的 进一步发展 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 牵引负荷为变化频繁的单相交流负荷 它在电力系统中产生负序电流 造成三 相严重不平衡 电气化铁路中一般将各相邻变电所牵引变压器的原边各端子轮换接入 电力系统的不同相 称为换相联接 采用换相联接虽然可以改善三相负载不平衡状况 但由于牵引负荷在空间和时间分布上的随机性 使得由此对三相不平衡的改善程度是 极其有限的 3 在高速 重载牵引下 电气化铁道对电力系统负序 谐波和无功的影响将更大 如果在高速 重载的牵引系统中仍采用异相供电 在变电所内采用常规方法综合补偿 这些负序 无功和谐波 那么无论在经济上还是技术上都困难重重 因此 取消电分相 实行同相供电 通过平衡变换实现三相平衡 补偿无功和谐 波 更有利于高速 重载铁路的发展 2 2 同相牵引供电系统结构 同相牵引供电系统是指 线路上不同变电所供电的区段接触网电压相位相同 线 路上无电分相环节的牵引供电方式 新型同相供电系统在现有牵引供电系统结构上 引入了y n v d 平衡变压器和综合潮流控制器 由原有的两相牵引供电方式转变为单相 供电方式 如图2 3 所示 y n v d 平衡变压器将来自电力系统侧的三相对称电压平衡变 换成两相对称电压 变电所两个供电臂通过i p f c 合并为一条馈线向牵引网供电 使得 各个变电所输出相位相同的电压 在变电所馈线处取消电分相 为防止电力系统经多 个变电所构成环路 分区所的分相绝缘器由分段绝缘器取代 由于电分段距离短且两 侧电压相位基本相同 使得机车在通过时不必采用任何措施 避免了牵引损失以及对 电网的不利影响 从而实现全线贯通供电 适应了高速 重载运输的牵引供电需求 13 1 7 三相电力系统 彳 i 彳i 一 万 五一v d 牵引变电所牵引变电所j y v j w 馈线t 羔 电分段 馈线 l 馈线 一l o 枷 2 5 砌电分段2 0 锄 器暑 回流线 接触网 机车 钢轨回流线 图2 3 同相牵引供电系统结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 3 y n v d 平衡变压器结构 同相供电系统所选择的y n v d 相 两相平衡变压器 具有结构简单 性能优良 便于设计和制造等特点 如图2 4 所示 其一次侧中性点可直接接地 二次侧两输出回路 既无电气上的联系 又无互感阻抗的影响 输出特性 由于变压器有三角形接线绕组 不需人为的阻抗匹配即可获得满意的输入 为励磁电流的三次谐波提供了通路 因此 该绕组较好地改善了电压的波形 满足平衡条件情况下 两侧输入阻抗理论上能够达 到完全平衡 一相负荷的任意变化不会影响另一相电压的输出 a l a b 其两侧的电流变换关系为 舯胙老 由对称分量法可得 i2 la l l 图2 4y n v d 平衡变压器 i4 ib i c k 一万 压k 6 压一1 02 压 一吖j 一1 尽七l 一1 j 3 惦一jo j 矗 oo 2 1 2 2 式 2 2 表明 y n v d 平衡变压器使得电力系统侧无零序分量 但其实现对称变 换是有条件的 当且仅当乞 以 即负荷电流对称时 平衡变压器才能完全消除负序对 电力系统侧的影响 从而使原边三相电流对称 2 4 综合潮流控制器一般结构及控制框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 4 1 综合潮流控制器一般结构 常用的两电平综合潮流控制器一般由背靠背四象限电压型变流器组成 如图2 5 所示 两端口变流器通过直流电容耦合在一起 图2 5 综合潮流控制器一般结构 i p f c 将现有的两相牵引变压器其中一相并联接入另一相 对牵引变压器仅仅传递 有功功率 从而大大降低其容量 且实现原边三相电流完全对称 其基本控制原理是 利用中间直流耦合电容作为能量交换环节 在两个端口之间实现有功功率的交换 同 时馈线侧变流器补偿无功 滤除主要谐波 平衡变压器副边电压为2 7 5 k v 为了与电力电子开关器件的性能相匹配 采用变 比1 0 1 的隔离变压器t 1 和t 2 并将直流侧参考电压预设为5 k v 由于单相系统的直 流侧电压本身存在幅度较大的1 0 0 h z 波动分量 为此在直流侧引入l c 调谐滤波环节 用以滤去二倍频谐波 保证直流电压的平稳 从而提高系统的动态性能 下一章将会 详细推导综合潮流控制器的功率平衡关系 2 4 2 综合潮流控制器控制框图 同相供电系统能够实现负序 无功以及谐波等电能质量参数的按需补偿 与综合 潮流控制器的控制策略密不可分 本文将i p f c 控制策略分为两个层次 分别为上层潮 流控制策略和底层变流器控制策略 其框图如图2 6 所示 本文则重点研究p w m 技术 在底层变流器控制中的应用 耍翌耋鎏銮兰罂主2 兰兰兰墨兰兰兰 要 吲多蟹化控制 图2 6 综台潮流控制器控制框图 1上层潮流控制策略 进行电能质量补偿的前提就是要对机车负载电流进行检测与分解 分解越细致 补偿目标越明确细化 电流检测模块实现此功能 上层潮流控制策略主要是对同相供 电系统进行潮流计算分析 并求解待补偿指令电流 非补偿指令计算模块不能堪此大 任 直流倒电压的恒定是保证变流嚣良好输出特性的前提 直流电压平衡控制模块实 现了直流电压的最小脉动控制 2 下层变流器控制策略 当给定指令电流 p w m 变流器控制摸块负责如何让由电力电子器件组成的变流器 快且准的跟踪指夸信号 这里贝 将主要用到p w m 变流技术 为了提高等效开关频率 当采用链式结构时 可以用多电平或多重化控制模块来进行控制 另外需要说明 圈2 6 中红色部份的容量优化控制模块和电能质量检授i 模块不是 本文所探讨的主要问题 在分析中假设这些模块可以实现相应的功能 本文的主要研 究内容则是变流器的p w m 主电路拓扑及其控制策略 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 第3 章三电平潮流控制器主电路分析及建模 本章主要讨论综合潮流控制器的三电平结构 与传统的两电平结构相比 它有众 多优点 主管耐压降低一半 在相同开关频率及控制方式下 其输出电压和电流中的 谐波含量远小于两电平变流器 输入侧电流波形即使在开关频率较低时也能保持一定 的正弦度等等 鉴于此将三电平拓扑结构引入同相牵引供电系统潮流控制器中是很有 必要的 3 1 三电平潮流控制器主电路拓扑结构选定 3 1 1 三种基本的三电平拓扑结构 1 9 8 0 年 日本长冈科技大学的a n a b a e 等人在i s a 年会上首次提出中点箝位 n e u t r a lp o i n tc l a m p e dn p c j 逆变器 l4 1 它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 其后也在高压大功率场合取得了广泛的应用 特别是8 0 年代末 随着g t o i g b t 等大功率可控器件容量等级的不断提高 以及以d s p 为代表的智能控 制芯片的迅速普及 多电平变换器的研究和应用有了更迅猛的发展 已经成为电力电 子学中 以高压大功率变换为研究对象的一个新的研究领域 多电平变换器具有以下 一些突出优点 1 任何时刻处于关断状态的开关器件承受的压降为l 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输出 2 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 t h d 3 输出等质量波形的时候 多电平变换器的频率要比两电平低很多 因而开关损 耗小 效率高 4 由于电平数的增加 相同母线电压情况下 开关过程中的电流上升率d i d t 和电 压变化率d v d t 下降要小很多 在高压大电机驱动中可有效防止电机绕组绝缘击穿 同 时改善了装置的e m i 特性 5 无需输出变压器 大大减小了系统体积和损耗 一般认为 多电平变换器是建立在三电平变换器的基础上的 桥臂上有四个或更 多个电力半导体器件 按照类似的拓扑结构拓展而成 它通过对直流侧的分压和开关 动作的不同组合 可实现多电平阶梯波输出电压 很显然 电平数越多 所得到的阶 梯波电平台阶越多 从而越接近正弦波 谐波成分越少 但这种理论上可达任意n 电 平的多电平变换器 在实际应用中 由于受到硬件条件和控制复杂性的制约 通常在 满足性能指标的前提下 并不追求过高的电平数 而以三电平或五电平最为成熟 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 目前所见到的各种电路拓扑结构中 三电平变换器有二极管箝位型 d i o d e c l a m p 飞跨电容型 f l y i n g c a p a c t i o r 矛i 具有独立直流电源的级联型逆变器 c a s c a d e d i n v c t t e r s w i t hs e p a r a t e rd cs o u r c e s 等3 种基本的拓扑结构 1 二极管箝位型三电平变换器 图3 1 单相二极管箝位型三电平变换器主电路 图3 1 所示为一个单相全桥二极管箝位型三电平变换器的主电路结构 每个桥臂 上有两个箝位二极管 四个开关器件串联 有三种输出电平 2 飞跨电容型三电平变换器 图3 2 单相飞跨电容型三电平变换器主电路 图3 2 所示是一个单相全桥飞跨电容型三电平变换器主电路结构图 由图可见 与二极管箝位型多电平变换器不同 这种电路采用的是飞跨在串联开关器件之间的串 联电容进行箝位的 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 3 具有独立直流电源的级联型三电平变换器 图3 3 单相级联型三电平变换器主电路 图3 3 所示为一个单相级联型三电平变换器主电路结构图 它由两个单相全桥电 路级联而成 每个独立直流电源给一个单相全桥逆变器供电 不同电平逆变器的交流 电压串联起来 很显然 这种电路不再需要前两种电路的大量箝位二极管和电容 只 需要多个独立电源 在以上三种基本拓扑中 飞跨电容型结构用于有功功率传输时 控制复杂 开关 频率高 开关损耗大 不利于高功率大容量发展 级联型结构相对体积较大 成本高 更不易实现四象限运行 因此这两种结构都不太适合用于综合潮流控制器中 而二极 管箝位型结构具有开关损耗小 等效频率高 变换效率高 可控制无功功率流 控制 策略相对成熟简单等优点 因此特别适合用于同相供电潮流控制器中 3 1 2 三电平潮流控制器主电路拓扑结构 基于以上理论分析 并参照图2 5 所示的综合潮流控制器一般结构 得出三电平潮 流控制器如图3 4 所示 它由 背靠背 的四象限电压型变流器组成 主电路为二极 管箝位型三电平拓扑结构 两端口变流器通过两直流电容耦合在一起 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 图3 4 三电平潮流控制器主电路结构 潮流控制器将平衡牵引变压器的其中一相并联接入另一相 对牵引变压器仅仅传 递有功功率 从而大大降低其容量 且实现原边三相电流完全对称 其基本控制原理 是利用中间直流耦合电容作为能量交换环节 在两个端口之间实现有功功率的交换 同 时 馈线侧变流器补偿无功 滤除主要谐波 平衡变压器副边电压为2 7 5k v 为了与 电力电子开关器件的性能相匹配 采用变比为1 0 1 的降压变压器t 1 和t 2 以达到 最佳的变流效果 本文的研究也主要针对于图3 4 所示的主电路展开 3 2三电平潮流控制器的工作原理及数学模型 该三电平潮流控制器能够实现能量双向流动 因此也称作四象限变流器 鉴于其 由两个相同的电压源变换器背靠背组成 具有左右对称的结构 为了简化分析 故主 要对其中一个变换器的工作原理进行具体分析 另一边同理可得 2 1 2 2 1 在数学建模分析时 暂时忽略变换器两端的降压变压器 三电平潮流控制器的主 电路结构如图3 4 所示 他由两个二极管箝位型三电平变换器组成 每个变换器采用8 个i g b t 和二极管反并联构成两组功率开关 并且这两组功率开关管带4 个箝位二极管 来防止电容c 1 或c 端因开关误操作而发生直通 厶和厶为网侧限流电感 r i 和尼为网 侧漏电阻 其大小可以忽略 g 和c 为直流侧两个支撑电容 该主电路可以实现4 象 限运行 通过脉宽调制技术 可以使能量由口相向 相传递 也可使能量由由 相向口 相传递 在能量的传递过程中要维持直流中间环节电压稳定 中点电位平衡 且使两 侧功率因数接近1 为便于分析 定义理想开关函数s s r s 和s 为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 s 和是 导通 足 和s 导通 s 和墨 导通 s 和是 导通 是 和s 导通 和墨 导通 s 和氐 导通 瓯 和s 导通 s 和s 导通 s 和氐 导通 瓯 和岛 导通 岛 和 导通 3 1 3 2 3 3 3 4 由式 3 一1 到 3 4 可将主电路等效如图3 5 所示 每组桥臂可以等效为一个多路选 择开关 该开关具有1 0 一1 共3 种等效状态 两组桥臂3 2 9 种开关组合 主电路 有9 种工作模式 图3 5 三电平变流器主电路开关等效图 为便于分析 左侧单个变换器的9 种工作模式的开关状态及相应的电压值如表3 一l 所示 o o o o o o r卜l rl r二 l川ii ri 1il rll lli 一 占 b 髟 靠 钐 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 例如工作状态蚝 e2 0 是2 1 开关管嗡 嗡 v s 和嗡 导通 v s v s v s 6 和v s 一关断 n n 电n u a o 0 2 nu a b u 1 如果反向的电源电压u 大于 或小于 直流侧电原1 1 d 的一半 则网侧o g 0 2 式减小 或增大 反向网侧电流对电容c l 进行充电 而电容c 2 通过右侧变换器放电 其他的 工作状态均可由表3 1 进行分析 根据这9 种相应的工作状态 由基尔霍夫定律 k v l 和k c l 对网侧输入端的电 压和电流进行分析 网侧输入端电压和直流侧的电流可以表示为 半矿半甜2 5 半r 半甜2 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 同理可得 驴驴 降 s 8 b q 2j o 卜 甜口 甜口 6 半 半 咒 s 爿 一1 s r b 一1 22 3 7 3 8 i 甜2 j 假设开关管为理想模型 在换相过程中没有功率损失和能量储存 交流侧各个电 流做的瞬时功率应与直流侧电容充放电的瞬时功率应当相等 则 钇口b l s l u l 1 一u 2 1 2 a 6 l s 2 1 1 3 一 2 1 4 将式 3 9 代入式 3 7 中 则 一s 爿 s 爿 1 一s 占 s b 1 1 一 i 一l s l 一s 彳 s 爿一1 一s 占 s b 一1 一 将式 3 1 0 代入式 3 8 中 则 一e e 1 一s b 1 一 o 3 9 3 1 0 3 1 1 3 1 2 3 1 3 型坠芝幽 2 3 31 1 4 4 一 一z 一 一4 根据基尔霍夫定律 由式 3 7 3 1 4 得 该三电平变换器的主电路数学模型可 以表示为 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 鲁 扣吨 飞 百d i s 2 l 1 2 u r t 2 u a b 鲁 吉 1 5 警 击 寸f 4 式中 u 厶 2 c 1 和c 2 为己知 秽 之 f 3 和f 4 均可由上式 求得 该模型描述了变换器的开关过程 因此也称之为高频开关函数模型 3 3功率平衡原理分析 为简化分析 设图3 4 所示的三电平潮流控制器其2 个端1 2 电压为 i f x 2 u s i n c o t f 2 u s i n c o t 一9 0 馈线负载电流为 i l t 幽s i n c o t 一识 如 f 式中 r 弘 s i n z o t 一九 为负载电流中的谐波成份 n 2 因此 负载的瞬时功率为 3 1 6 3 1 7 罡 f 口 t i l t u 1 p 1 一c o s2 c o t 一 u l l qs i n2 c o t 口 f 屯 f 一 3 1 8 式中 p 厶1c o s 办 厶 厶ls i n o 欲使潮流控制器输出幅值相等且与各自电压同相位的纯有功电流 设端口电流期 望值为 3 1 9 o9一 饼 n n 矿 矿 历届 i i l 0 l 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 因此 电源需输出的瞬时功率为 p f u a f c 口 f u p t i p r f 2 u 1 s 3 2 0 在一个电源周期t 内 电源提供的能量应等于负载消耗的能量 即 二 ip o a t i 最 渺 3 2 1 bb 由式 3 2 0 和式 3 2 1 可得 l 寺 扣t 心d t 等 2 2 由此可见 三电平潮流控制器的q 端口需要输出一半的负载有功电流 并需补偿 负载的无功电流和谐波电流 b 端口则只需要输入与负载另一半有功功率相对应的电 流 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 第4 章三电平潮流控制器的p w m 控制策略研究 上一章分析了三电平潮流控制器的主电路数学模型及其平衡变换原理 可以看出 实现同相供电的关键技术是使潮流控制器输出期望的电流值 能按照要求消除同相供 电带来的负序问题 补偿负载的谐波和无功 因此 潮流控制器补偿指令电流的生成 方法和变流器的p w m 控制方法对其进行动态平衡补偿起了关键作用 必须对此进行 单独研究分析 4 1潮流控制器补偿指令电流的生成 4 1 1同相供电系统对补偿电流的要求 为了达到系统平衡补偿的目的 需要同相供电系统的潮流控制器输出与被补偿量 大小相等方向相反的补偿电流 称为综合补偿指令电流 以消除牵引负荷中的谐波 无 功和系统中的负序电流 所以综合补偿电流的生成方法主要是如何从负荷电流中分离 出需要补偿的电流量 包括正序无功电流 负序电流和谐波电流 从负荷电流中分离 出需要补偿的电流量的过程称为综合补偿电流的检测 综合补偿电流的检测是基于潮 流控制器的同相供电系统的关键技术之一 综合补偿电流检测方法的优劣将直接影响 同相供电系统对谐波与无功的补偿效果和三相系统的平衡效果 3 3 1 综合补偿电流检测方法有多种 不同检测方法其性能也不同 正确评价检测方法 的性能 合理选择优越的检测方法 对于实现同相供电的技术要求具有重要意义 检 测方法的性能主要体现在两个方面 一是快速性 也就是检测方法从信号输入开始到 得到被检测量所需要的时间 二是准确度 也就是检测得到的量值与被检测对象中实 际量值的接近程度 检测方法快速性可用数据窗 动态跟踪特性和运算量三个指标来 度量 检测方法的准确度可以用相对误差来度量 1 数据窗一检测方法从检测对象中得到被检测量所需要的被检测信号的数