三电平背靠背变流器系统的关键技术研究

三电平背靠背变流器系统的关键技术研究RESEARCHONTHEKEYISSUESFORTHREELEVELACDCACCONVERTERSYSTEM作者姓名邳童垩学位类型堂压亟学科、专业电左虫王皇电左佳边研究方向光丛发电撞盔导师及职称毖送数援2011年3月，觇|矿，、；。0砖，一一一LLILLLII11111111ILLLLLLLLLLLY1886964合肥工业大学本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士学位论文质量要求。答辩委员会签名工作单位、职称主席屠3扒委。棚献铼枷弩柳扒QE枷弩始缘铆础幻营导师季阮吾仫搬独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金妲王业丕堂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谢意。学位做储擗召溅】F签字隗加11斟月Y,O日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金蟹王些盔兰L可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书学位论文者签名召陵耳导师签名潍琴签字日期Z011年斗月弓D日签字日期201年午月匆ET学位论文作者毕业后去向工作单位通讯地址电话邮编目录第一章绪论。111三电平背靠背变流器的研究背景112三电平变流器拓扑的研究现状1121二极管箝位式三电平变流器1122飞跨电容式三电平变流器2123级联三电平变流器。3124T型结构三电平变流器413三电平背靠背变流器的应用现状5131三电平背靠背变流器在风力发电系统中的应用5132三电平背靠背变流器在电动机变频调速中的应用6133三电平背靠背变流器在轻型直流输电系统中的应用614三电平背靠背变流器的PWM控制技术715本文的主要研究内容8第二章三电平背靠背变流器的建模1021三电平背靠背变流器的工作原理10211三电平背靠背变流器的基本结构LO212单个三电平变流器的工作原理11213三电平背靠背变流器的能量循环过程1222三电平背靠背变流器的建模13221三电平背靠背三相静止坐标系模型13222三电平背靠背两相旋转坐标系模型14第三章控制系统设计1731三电平变流器L控制系统的建模17311三电平变流器1的内环控制17312三电平变流器1的外环控制1932三电平变流器2控制系统的建模2L33锁相环22331锁相环的基本原理22332三相静止垂直坐标系到两相静止坐标系变换22333两相静止垂直坐标系到两相旋转坐标系变换23334锁相环的实用范围25第4章PWM调制算法2641三电平变流器SPWM控制26411同向载波SPWM控制26412反向载波SPWM控制2742三电平变流器SVPWM控制28421三电平变流器三电平空间电压矢量的分布28422三电平空间矢量调制法的概述29423统一电压矢量调制法3L43三电平变流器十三矢量控制34431十三矢量调制的原理34432十三矢量调制的由来36第五章平衡控制研究3951三电平变流器中点电位不平衡的原因39511矢量对中点电位的影响39512其他因素对中点电位的影响4152中点电位平衡控制策略4L521平衡因子法42522十三矢量调制法中点电位的平衡44第六章系统设计。4661主电路设计一46611半导体全控型器件的设计46612输出滤波电感的设计46613直流电容的设计4962DSPCPLD的控制电路50621硬件电路的构成50622程序流程设计52第七章实验5471仿真平台介绍5472实验平台介绍5673仿真和实验56731三电平背靠背系统跟随性的验证56732十三矢量调制法的验证57733中点平衡控制的验证58第八章总结和展望6081总结6082展望61插图清单图11半桥结构的二极管箝位式三电平变流器2图12飞跨电容多电平逆变器主电路拓扑结构3图13级联三电平变流器拓扑图4图L4T形结构三电平变流器拓扑图4图15双馈式异步发电系统的结构示意图6图16电动机变频调速系统结构示意图6图17轻型直流输电系统结构示意图7图21三电平背靠背变流器主电路图10图22三电平变流器四象限运行等效图12图23三电平背靠背变流器能量循环图12图31三电平变流器1电流内环控制框图L7图32三电平变流器1电流内环D轴的等值框图18图33三电平交流器1电压外环的等值框图20图34三电平变流器1双环控制框图20图35三电平变流器2电流环的控制框图21图36三电平变流器2双环控制框图22图37锁相环基本结构图22图38三相静止到两相垂直静止坐标系转换示意图23图39两相垂直静止到两相同步旋转坐标系转化示意图24图310两相垂直静止到两相同步旋转坐标系转化示意图24图41同向载波SPWM控制的原理图26图42反向载波SPWM控制的原理图27图43三电平变流器的空间电压图28图44参考电压矢量在空间矢量图中的轨迹30图45A1区开关状态输出顺序一31图46三电平空间矢量简化图32图47H1扇区参考电压矢量的修正32图48两电平下某一时刻的输出状态图34图49十三矢量调制法调制波图35图410十三矢量调制法PWM波的生成图36图411十三矢量调制法三相调制波波形图36图412十三矢量调制法空间矢量分区图37图413十三矢量调制法调制波和载波示意图。37图414十三矢量调制法第4区矢量合成图38图415十三矢量调制法第5区矢量合成图38图5。1大矢量作用时三电平变流器1的等效电路39图52中矢量作用时三电平变流器1的等效电路40图53小矢量作用时三电平变流器1的等效电路40图54零矢量作用时三电平变流器1的等效电路4L图55直流侧电容小信号模型42图56统一电压矢量调制法某一时刻输出波形图43图57第四扇区矢量合成图45图58第四扇区矢量合成图45图61一个开关周期的电流瞬态过程47图62三电平变流器L单位功率因数下稳态矢量关系图48图63DSPCPLD模式的构成图50图64采样的外围电路图51图65过流保护和过压保护的外围电路图52图66主函数的流程图52图67中断函数的流程图53图71三电平背靠背系统主电路的仿真图54图72三电平变流器1闭环控制仿真图54图73三电平变流器2闭环控制仿真图55图74统一电压矢量调制法的仿真图55图75十三矢量调制法的仿真图56图76三电平背靠背变流器实验平台56图77三电平变流器L交流侧电压仿真图57图78三电平变流器1交流侧电压实验图57图79三电平变流器2网侧电流仿真图57图79三电平变流器2网侧电流实验图57图711十三矢量调制线电压仿真图58图712十三矢量调制线电压实验图58图713十三矢量调制网侧电流仿真图58图714十三矢量调制网侧电流实验。58图715平衡因子法直流电压仿真图58图716平衡因子法直流电压实验图58图717十三矢量调制直流电压仿真图59图718十三矢量调制直流电压实验图59表格清单表11T形结构三电平开关动作表5表41矢量分配表一28表42中心矢量表33三电平背靠背变流器系统的关键技术研究摘要三电平背靠背变流器是高压大功率调速场合的理想选择之一，而二极管嵌位式三电平变流器拓扑结构输出电压谐波含量少，耐压等级高，开关损耗小，应用最为广泛，所以成为目前研究热点之一。论文首先介绍了三电平背靠背变流器的研究背景、三电平变流器拓扑的发展现状、三电平背靠背变流器的应用领域、常见的控制算法；然后以二极管箝位式三电平背靠背变流器系统为研究对象，介绍三电平背靠背变流器的开关动作过程和功率传输过程，建立数学模型，并通过坐标变换转换到两相旋转坐标系下，为后序建立控制系统和进行PWM调制奠定基础；根据整流器和逆变器的不同，分别建立了直流电压外环网侧电流内环的双环模型和网侧电流环的单环模型，设计调制器的参数，使得系统具有最优的性能；介绍同向载波SPWM调制法和反向SPWM调制法的基本原理和输出电压谐波含量的特点；介绍传统的三电平空间矢量调制法的基本原理、优点和缺点，引出了一种具有空间矢量算法输出效果、但是更加简单的算法一一统一电压矢量调制法；引出了一种具有直流侧中点自平衡能力的调制算法一一十三矢量调制法，介绍了十三矢量调制法调制波的产生和载波的特点，并详细分析了该调制算法所使用的矢量类型；介绍三电平变流器存在的一个固有问题一一直流侧中点不平衡的问题，介绍中点不平衡的危害以及产生的原因，总结了目前常见的几种控制方法，并介绍了适用于统一电压矢量调制法的平衡因子控制法，以及分析了十三矢量调制法直流侧中点自平衡的原因。在理论分析的基础上，搭建了三电平背靠背变流器的基于MATLAB的仿真平台和基于DSP和CPLD的实验平台，详细介绍了仿真平台和实验平台的构造，并在此基础上，验证了三电平背靠背系统的动态性能、十三矢量调制法的正确性以及中点平衡算法的有效性。仿真和实验的结果验证了系统结构和控制算法的科学性和有效性。关键词三电平背靠背变流器，中点箝位式，统一电压矢量调制，十三矢量调制，中点电位平衡RESEARCHOILTHEKEYISSUESFORTHREELEVELACDCACCONVERTERSYSTEMABSTRACTTHREE1EVELACDCACCONVERTERISTHEIDEALCHOICEFORHIGHVOLTAGEANDHIGHPOWERSPEEDCONTROLAPPLICATIONSBECAUSEOFLOWERHARMONIC，HIGHERVOLTAGELEVELANDLESSSWITCHING10SS，THENEUTRALPOINTCLAMPTHREELEVELCONVERTERHASBEENUSEDWIDELYANDBECAMEANEWRESEARCHHOTSPOTINTHISPAPER,THEBACKGROUND，DEVELOPMENTSTATUS，APPLICATIONSANDCOMMONALGORITHMOFTHREE1EVELACDCACCONVERTERAREINTRODUCEDFIRSTLYSECONDLY，TAKINGTHENEUTRALPOINTCLAMPTHREELEVELACDCACCONVERTERFOREXAMPLE，THESWITCHANDPOWERTRANSMISSIONPROCESSISINTRODUCED，ANDTHEMATHEMATICALMODELISESTABLISHEDANDCONVERTEDTOTHESYNCHRONOUSREFERENCEFRAMECONSIDERINGTHEDIFFERENCEBETWEENRECTIFIERANDINVERTER，THEDOUBLELOOPMODELCONTAININGVOLTAGELOOPANDCURRENTLOOPANDTHESINGLECURRENTLOOPMODELAREESTABLISHED，ANDTHEPARAMETERSOFTHEMODULATORAREDESIGNEDWHICHMAKETHESYSTEMSTABLEANDRAPIDTHEN，THEBASICPRINCIPLESANDTHEHARMONICCHARACTERISTICSOFTHEOUTPUTVOLTAGEOFTHEPHASEDISPOSITIONMETHODANDTHEPHASEOPPOSITIONDISPOSITIONMETHODAREINTRODUCEDMEANWHILE，THEBASICPRINCIPLE，ADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFTHETRADITIONALTHREELEVELSPACEVECTORPWMALGORITHMAREINTRODUCED，ANDANEWKINDOFALGORITHMNAMEDUNIFIEDVOLTAGEMODULATIONISPROPOSED，WHICHISTHESAMEOUTPUTEFFECTWITHSVPWM，BUTMORESIMPLEANEWALGORITHMTHIRTEENVECTORMODULATIONISPUTFORWARDTOMAKETHEDCVOLTAGESSELFBALANCING，ANDTHENTHEGENERATIONOFTHEMODULATIONWAVE，CHARACTERISTICSOFTHECARRIERSANDTHESELECTEDVECTORSAREANALYZEDINDETAILTHEREISANINHERENTPROBLEMINTHREELEVELCONVERTERNEUTRALPOINTVOLTAGEBALANCINGPROBLEM，INTHISPAPERTHEHAZARDSANDTHEREASONSOFNEUTRALPOINTVOLTAGEBALANCINGPROBLEMAREINTRODUCED，ANDSEVERALRECENTCONTROLMETHODSARESUMMARIZED，THEN，BALANCEFACTORCONTROLMETHODMADEFORUNIFIEDVOLTAGEMODULATIONANDTHEREASONFORTHEDCVOLTAGESSELFBALANCINGABILITYOFTHIRTEENVECTORMODULATIONAREPROPOSEDBASEDONTHETHEORETICALANALYSIS，MATLABSIMULATIONPLATFORMANDDSPCPLDEXPERIMENTALPLATFORMHAVEBEENBUILT，ANDSEVERALKEYPROBLEMSSUCHASTHESYSTEMDYNAMICPERFORMANCE，THECORRECTNESSOFTHIRTEENVECTORMODULATIONANDTHEEFFECTIVENESSOFTHENEUTRALPOINTVOLTAGECONTROLALGORITHMSHAVEBEENVERIFIEDTHERESULTSVERIFYTHATTHEFEASIBILITYOFTHESTRATEGIESANDTHEVALIDITYOFNEUTRALPOINTVOLTAGECONTROLMETHODSKEYWORDSTHREELEVELACDCACCONVERTER，THENEUTRALPOINTCLAMPTHREELEVELCONVERTER，UNIFIEDVOLTAGEMODULATION，THIRTEENVECTORMODULATION，NEUTRALPOINTVOLTAGECONTR01VIII致谢本文是在导师张兴教授的悉心指导下完成的。论文从立题、选向、方案确定到论文的撰写和定稿都凝聚着导师的心血，文章一次又一次的修改直至最后成型，导师给予了大量的意见、建议和细心的指导。在学习和生活中，导师的亲切关怀和热情指导，使我受益非浅。同时导师高尚的品格、渊博的学识、敏锐的思维、严谨的治学态度、对学生的严格要求及豁达的人生观都给我留下了深刻印象，并将受益终生。在论文完成之际，谨向导师致以最崇高的敬意和最衷心的感谢在研究过程中，得到了王付胜老师对我的帮助和关心，本文的完成，离不开各位老师平时对我的悉心指导。在此，表示衷心感谢在我学习期间，得到了项目组同学的热情帮助，他们是江涛师兄、文家燕师弟、刘萍师妹和张长信师弟等，这里我特别感谢他们给我的帮助和支持，在此感谢他们。在我学习期间，还得到了实验室同学的热情帮助，他们是陈武、丁杰、王莹、查乐、张虎、刘震、胡超、董文杰等，大家在学习上互相勉励，在科研上互相支持，在生活上互相帮助，此情此景历历在目，令人难忘，在此感谢他们。在研究生的三年中，我的家人和朋友都给与了我无私的关心和支持，论文的完成与他们的关怀和鼓励密不可分，在此，一并向他们表示最诚挚的谢意最后，对在百忙之中抽时间对该论文进行评审的各位专家与学者表示深深的敬意和谢意。作者邵章平2011年3月第一章绪论11三电平背靠背交流器的研究背景进入二十一世纪以来，我国国民经济的快速发展，带动了电力电子技术事业的长足进步，作为能量转换核心的变流器广泛应用于工业和生活方方面面。其中，电压源型背靠背变流器，既能进行有功和无功的独立控制，又能实现能量的双向流动，而且谐波小、直流电压可控，在清洁能源和节能减排备受重视的当今，得到了广泛的关注瞄1。电力电子技术的快速发展对背靠背变流器的容量及电压等级的要求也越来越高，但是，传统的两电平背靠背变流器却很难满足要求，具体体现在以下三个方面L、开关器件的电压应力变大；2、开关损耗增加，系统的效率降低；3、电磁干扰。在这种现状下，三电平背靠背变流器应运而生。相对于传统的两电平背靠背变流器，三电平背靠背变流器具有以下优点1、耐压等级提高了一倍；2、增加了一个输出电平，从而减少了DUDT；3、谐波畸变更低，THD更小1。所以三电平取代两电平作为背靠背变流器的拓扑将是大势所趋。背靠背变流器两端都接在电网中，实现能量的双向循环，如何进行四象限功率控制是现如今的研究热点。另外，三电平拓扑并不是完美无缺的，它也存在一些不足，比如直流侧中点电位的偏移、控制算法复杂等等亟待解决的问题，而且解决这些问题的技术还不是非常完善，所以将会成为国内外专家学者研究的热点话题之一。12三电平变流器拓扑的研究现状三电平背靠背变流器由三电平整流器和三电平逆变器两个部分组成，整流器和逆变器仅仅在能量的流动方向和控制策略上存在不同，主电路结构完全一致，故本文统称三电平变流器H3。变流器的拓扑结构决定了背靠背装置的性能，常见的三电平变流器的拓扑结构有以下几种二极管箝位式三电平变流器、飞跨电容式三电平变流器、级联三电平变流器和T型结构三电平变流器。下面将对这几种类型的三电平变流器拓扑做详细介绍。121二极管箝位式三电平变流器二极管箝位式三电平变流器NEUTRALPOINTCLAMPED，NPC是三电平变流器中最早提出的一种拓扑，是日本长冈科技大学的ANABAE等人于1980年在IEEE工业应用IAS年会上首次提出的。图11是半桥结构的二极管箝位式三电平变流器的结构图。C2图卜1半桥结构的二极管箝位式三电平变流器如图卜1所示，电容C1、G起了缓冲无功能量和平滑滤波的作用，二极管Q、D2用于将输出电平筘位到零。其工作原理如下当开通昂乃、关断乐五时，在变流器输出端可以获得一个正电平；开通墨五、关断Z、T4时，输出电压为O；开通弓互、关断巧、乏时，可在输出端得到一个负电平，通过对四个开关器件的控制，可以在输出端合成三电平的波形。与两电平变流器相比，二极管箝位式三电平变流器主要有以下优点1输出电压的电平数增多，输出电压谐波含量减少；2无论哪种工作模式，都有两个功率开关器件同时导通，耐压等级提高了一倍；3开关损耗较小，系统的效率得到了提高。二极管箝位式三电平变流器也存在着较明显的缺点，主要表现在以下几个方面1需要较多的功率开关器件和箝位二极管，增加了成本；2每相桥臂的功率器件导通时间存在不一致；3由于直流侧中性点的引出，中点电流对上下电容充电的不平衡会造成直流侧电容电压不平衡。122飞跨电容式三电平变流器用飞跨电容取代钳位二极管便得到飞跨电容式三电平变流器，其结构图如图卜2所示。开关五和互工作状态互补，开关互和互工作状态互补，正常工作时，飞跨电容上必须保持在K2的电压。飞跨电容式三电平变流器的工作原理简述如下以0点为参考点，当开关互和互开通时，输出电压为K2；当开关五和五开通时，直流母线对飞跨电容充电，输出电压为0；当开关疋和五开通时，飞跨电容通过负载放电，此时输出电压也为O；当开关互和五开通时，输出电压为VK2。为了维持飞跨电容的电压平衡，必须使飞跨电容的充电过程和放电过程所持续的时间相等。C2图卜2飞跨电容多电平逆变器主电路拓扑结构飞跨电容式三电平变流器的优点主要有以下几点1输出电压的电平数增多，输出电压谐波含量减少2开关损耗较小，系统的效率得到了提高；3可以控制无功功率流，适用于高压直流输电；4通过不同的开关组合，可使得直流侧电容电压均衡。飞跨电容式三电平变流器的缺点主要有以下几点1需要使用较多的飞跨电容，增加了硬件成本；2用于有功功率传输时控制复杂、开关频率高、开关损耗大。123级联三电平变流器图卜3为级联三电平变流器的拓扑结构图。如图13所示，级联三电平变流器是由两个单相全桥电路串联而成，总输出电压为两个串联单元输出电压的叠加。CC图卜3级联三电平变流器拓扑图级联三电平变流器拓扑的主要优点有以下几点1输出电压的电平数增多，输出电压谐波含量减少；2开关损耗较小，系统的效率得到了提高；3级联的基本单元容量小、电压低，技术比较成熟，易于模块化；4无需要使用箝位二极管或飞跨电容，易于封装和扩展；5可采用软开关技术，减小开关损耗，提高了效率；级联三电平变流器拓扑的主要缺点包括1器件数目庞大；2需较多的独立电源。124T型结构三电平变流器T形结构三电平变流器是近年提出的一种新拓扑结构，其主电路拓扑如图卜4所示图14T形结构三电平变流器拓扑图4从图14上可以看出，T形结构三电平变流器不需要钳位二极管，而是将一对功率开关器件反串联在中母线上。定义电流流出桥臂为正，T形结构三电平变流器工作时开关状态、输出电压和流通回路如表所示，从表11中我们可以看出，二极管钳位式三电平变流器的调制策略可以移植到T形结构上。表11TN结构三电平开关动作表输出电压TLT2T3T4电流方向流通回路正CL，T1，L，CL一。211O0负CL一，L，D1，CL正C2，T2，D3，L，C2O01LO负C2，L，T3，D2，C2正C2一，D4，L，C2式K|2OOL1负C2，L，T4，C2一与二极管钳位式三电平变流器相比，T形结构三电平变流器每相要少两个钳位二极管，因此硬件成本降低，系统结构也更加简单；T形结构三电平变流器在输出非0电平时，电流路径要少一个功率管电流方向和输出电压同极性时少一个IGBT，反之则少一个二极管，因此，T形结构三电平变流器的导通损耗小，而且调制度越高0电平作用时间越短，效果越明显。但是T形结构三电平变流器的耐压等级只有二极管钳位式三电平变流器的一半，不太适用于高电压场合。13三电平背靠背变流器的应用现状131三电平背靠背变流器在风力发电系统中的应用风电是目前技术最成熟、最具竞争力的新能源发电技术，开发利用凤能资源已成为有效应对能源和环境问题的重要措施。2010年，我国的风电累计装机容量将超过4000万千瓦，比上年增长约55，跃居世界第一。随着风电机组装机容量的日益扩大，如何提高发电效率就成为了制约风电发展的关键技术难题。基于三电平背靠背变流器的双馈式异步发电系统便是一种提高效率行之有效的技术方案晦1。三电平背靠背变流器可以实现能量的双向流动，功率因数任意可调，容量大、耐压等级高，能够满足大功率风力发电的应用要求，具有很高的工程价值。双馈式异步发电系统的结构示意图如图15所示。电网网侧三电平变流器图卜5双馈式异步发电系统的结构示意图从图中可以看出，根据所处位置的不同，三电平变流器可以分为转子侧变流器和网侧变流器。转子侧三电平变流器的作用是1为双馈式异步发电机提供励磁电流，调节定子发出的无功；2控制双馈式异步发电机转子转矩，实现最大功率点跟踪。网侧三电平变流器的作用是1保证电流波形具有较高的正弦度，谐波含量尽可能低，功率因数任意可调；2稳定直流侧的电压。132三电平背靠背变流器在电动机变频调速中的应用在电动机变频调速系统中，三电平背靠背变流器的应用越来越广泛。与传统的二极管不可控整流系统相比，三电平背靠背变流器既可以实现网侧电流的单位功率因数控制，又能实现电动机的四象限运行，完成能量回馈。所以，三电平背靠背变流器己成为了电动机变频调速系统的首选哺1。当采用三电平背靠背变流器时，电动机变频调速系统如图卜6所示。三电平变流器1三电平变流器2文萝1LDC迄卜ACACDCL迄卜R图卜6电动机变频调速系统结构示意图电动机运行的工况分为两种拖动运行状态和减速运行状态。当电动机处于拖动运行时，三电平变流器1处于整流状态，三电平变流器2处于逆变状态，可以实现电流的单位功率因数控制和电机的变频调速控制；当电动机处于减速运行时，三电平变流器2处于整流状态，三电平变流器L处于逆变状态。电动机的再生能量先经过三电平变流器2对直流侧电容进行充电，再经过三电平变流器1馈送到电网，实现了再生能量的回收利用。133三电平背靠背变流器在轻型直流输电系统中的应用现代高压直流输电普遍采用晶闸管和移相换流技术，这种方案具有开关频率较低、体积庞大、换相损耗大、谐波含量高等缺点。针对当前高压直流输电的不足，ABB公司研发了轻型直流输电系统。轻型直流输电技术采用IGBT和背靠背变流器进行换流，开关速度快，频率高，损耗小，控制和运行简单，输出电压波形好，功率因数高，具有良好的发展前景盯1。轻型直流输电系统结构如图卜7所示。三电平变流器传输电缆三电平变流器器换流电感JJ1AGTTDC土RDEI1ACTT图卜7轻型直流输电系统结构示意图在轻型直流输电系统中，三电平背靠背变流器有4种常见的控制，即定直流电压控制、定直流电流控制、定交流电压控制和变频控制。其中定直流电压控制和定直流电流控制应用于与有源网络相联的场合，定交流电压控制应用于对无源网络供电的场合，变频控制应用于与风电厂相连的场合或者应用于黑启动。14三电平背靠背变流器的PWM控制技术PWM控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形。PWM技术在变流器应用最为广泛，对变流器影响也最为深远。常见三电平变流器PWM控制技术有以下几种载波层叠法H引、特定谐波消除法SHEPWMN叫113、开关频率优化法SFOPWMN23和空间矢量调制法SVPWMN31。1、载波层叠法载波层叠法是由两电平SPWM法演变而来的，采用2组同频、等幅的三角载波，分成上下两层，与正弦波进行比较，根据调制波与载波比较的结果输出高低电平，控制功率开关器件的通断。载波层叠法又分为同向载波层叠法和反向载波层叠法。载波层叠法的调制波为正弦波，简单易行，但电压利用率比较低，且对中点电位的波动没有特别行之有效的控制方案。2、特定谐波消除法特定谐波消除法的基本原理是，通过开关时刻的优化选择，恰当地控制逆变器的脉宽调制电压波形，使变流器的输出电压中不存在某些特定的谐波。特定谐波消除法输出电压波形的质量得到了较明显的改善，电流纹波得到了衰减，有利于降低滤波器的尺寸，而且有效地降低了开关损耗，提高系统的效率。特定谐波消除法的不足之处在于需要求解一组非线性超越方程组，国内外的专家学者们提出了很多解决该问题的办法，但这些办法都是基于牛顿迭代法之上的。用牛顿迭代法求解非线性方程组时，需要一组初始值，初值的选取尚没有有效的办法，较普遍采用的是试凑法，这种方法效率非常低、花费的时间长；采用查表法查取开关切换时刻，又需要大量的存储空间。所以特定谐波消除法的应用范围非常有限。3、开关频率优化法开关频率优化法所采用的三角波与载波层叠法相同，不同之处在于调制波开关频率优化法的调制波是在正弦波的基础上注入零序分量。开关频率优化法既可以提高背靠背系统的直流侧电压利用率，又可以减少一个周期的开关次数，减少了开关损耗。但是由于调制波中叠加了零序分量，使得输出相电压的基波分量成鞍形波，线电压的基波分量不受影响，所以开关频率优化法只适用于三相三线制系统中。4、空间矢量调制法三电平空间矢量调制法的核心思想是用一个旋转的通用电压矢量，取代三相正弦参考电压，当旋转的通用电压矢量落到某个扇区时，利用组成该扇区的三个矢量和伏秒平衡原理，形成PWM波。空间矢量调制法直流电压利用率高，输出电压谐波含量少，但是三电平变流器共有27个电压矢量、36个扇区，其运算量较两电平空间矢量算法要复杂的多。所以寻求一种简单易行却有着空间矢量调制效果的算法变成了当务之急。15本文的主要研究内容本文以二极管箝位式三电平背靠背变流器系统为研究对象，建立背靠背变流器的数学模型，设计主电路参数和控制系统参数，介绍了目前常见的SPWM调制法和空间矢量调制法，并介绍了一种输出效果与空间矢量调制法相当的统一电压矢量调制法，以及具有中点自平衡能力的十三矢量调制法。这些工作，既有较强的理论研究价值，也有较强的工程实践意义。具体的研究内容包括以下几个方面1介绍了三电平背靠背变流器的研究背景、三电平变流器拓扑的发展现状、三电平背靠背变流器的应用领域、常见的控制算法。2介绍三电平背靠背变流器的开关动作过程和功率传输过程，建立数学模型，并通过坐标变换转换到两相旋转坐标系下，为后序建立控制系统和进行PWM调制奠定基础。3根据整流器和逆变器的不同，分别建立了直流电压外环网侧电流内环的双环模型和网侧电流环的单环模型，设计调制器的参数，使得系统具有最优的性能。4介绍一种速度快、精度高的获取电网相位的方法一锁相环法，介绍了8锁相环获取电网相位的基本原理、工作过程以及适用的范围5介绍同向载波SPWM调制法和反向SPWM调制法的基本原理和输出电压谐波含量的特点。6介绍传统的三电平空间矢量调制法的基本原理、优点和缺点，引出了一种具有空间矢量算法输出效果、但是更加简单的算法一一统一电压矢量调制法。7介绍了一种具有直流侧中点自平衡能力的调制算法一一十三矢量调制法，介绍了十三矢量调制法调制波的产生和载波的特点，并详细分析了该调制算法所使用的矢量类型。8介绍三电平变流器存在的一个固有问题一一直流侧中点不平衡的问题，介绍中点不平衡的危害以及产生的原因，总结了目前常见的几种控制方法，并介绍了适用于统一电压矢量调制法的平衡因子控制法，以及分析了十三矢量调制法直流侧中点自平衡的原因。9对功率半导体开关器件、网侧滤波电感、直流侧电容进行设计，构建了三电平背靠背系统的控制电路，绘制了系统的控制流程图。10介绍三电平背靠背变流器的仿真平台和实验平台，并通过仿真和实验验证理论的科学性和可行性。第二章三电平背靠背变流器的建模三电平背靠背变流器由三电平整流器和三电平逆变器两部分组成，整流器和逆变器仅能量流动方向和控制策略不同，主电路结构完全一致，故本文统称三电平变流器。三电平变流器常见的拓扑结构有二极管箝位式、飞跨电容式、级联式和T型结构，其中，二极管箝位式是最早提出的一种三电平变流器拓扑，其耐压等级高、谐波含量少，在风力发电、交流调速等领域得到了广泛的应用。数学模型的建立是变流器研究的基础，本章先介绍二极管箝位式三电平背靠背变流器的基本工作原理，然后介绍二极管箝位式三电平背靠背变流器在三相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型。21三电平背靠背变流器的工作原理211三电平背靠背变流器的基本结构二极管箝位式三电平背靠背变流器主电路如图21所示，令左侧的三电平变流器的编号为1，右侧的三电平变流器的编号为2，电流的正方向为从左到油。其中厶和厶为交流侧的滤波电感，和乃为交流侧电感的等效电阻，互。、互。、互。和GL。、G2。、G3。、G4。分别为三电平变流器1和2的K相桥臂四个开关管，C。和C为直流侧两电容，其电压分别为吃和玩，直流侧的总电压等于吃，EK。后口，B，C和哝七口，B，C为交流电源，。七口，B，C为交流电源L流向三电平变流器1的电流，丘，后口，B，C为三电平变流器2流向交流电源2的电流，F川和FP为正母线上的电流，FO。和F02为中线上的电流，乇。和屯为负母线上的电流1们。三电平变流器1”三电平变流器2图21三电平背靠背变流器主电路图因为三电平变流器1和2是完全对称的，所以下面仅以变流器1为例，对三电平的基本工作原理做简单分析当TMT孔导通、T。、T。关断，三电平变流器的输出端产生一个正电平；当T。、T。导通、TMT。关断，三电平变流器的输出端产生一个零电平；当T。、T。导通、T。、T。关断，三电平交流器的输出端产生一个负电平。212单个三电平变流器的工作原理三电平变流器的工作过程可以用一个三值开关函数SK七A,B，C来描述，即1当S。2时，瓦，、瓦导通，瓦，、T关断，三电平变流器输出正电平；2当SK。L时，T、瓦，导通，K、关断，三电平变流器输出零电平；3当SK。O时，T，、瓦。导通瓦。、T关断，三电平变流器输出负电平。所以A、B、C相交流输入端AL、6、G对直流侧中点O的电压可以表示为矿甜L。争SI七口，B，C21A、B、C相交流侧输出电压可以表示为1LL。LJ|口，B，C22由于UALL、IL和甜CLL三相对称，即14口LLLL“FLL0，所以。一堕警一半屹23将式23带入式22可以得到，。鲁耻半。等耻半24，警耻半三电平变流器的交流侧输出电压，包含基频分量和开关频率附近的高频分量，由于滤波器的作用，高频分量的作用可以忽略副。当只考虑基频分量时，交流输出电压可以表示为LL吃COSCOT81Z，BLNL确吃COS耐磊一詈万25甜CLNL吃C0S耐磊詈万式中磊为堋超前交流电源EL。的相角，玛为三电平变流器1的直流电压利用率，当采用SPWM调制时O5，当采用SVPWM调制时鸭O577。忽略交流侧等效电阻，I，当以交流电源Q。的电压矢量LEI为参考，通过控制脚和9，可以实现三电平变流器的四象限运行。假定不变，此时三电平变流器1的交流电压矢量LU。L的端点轨迹构成了圆，圆的半径为厶LILL，如图22所示。DDDCOC，D图22三电平交流器四象限运行等效图当电压矢量U。端点在圆弧ABBC段运行时，三电平变流器运行于整流状态，B点为单位功率因数点。AB段，变流器从电网吸收有功和感性无功功率；BC段，变流器从电网吸收有功和容性无功功率。当电压矢量U，端点在圆弧CDDA段运行时，三电平变流器运行于逆变状态，D点为单位功率因数点。CD段，变流器向电网传输有功和容性无功功率；DA段，变流器向电网传输有功和感性无功功率。213三电平背靠背变流器的能量循环过程上面分析的是三电平变流器1的功率流动情况，当三电平背靠背变流器与两侧的交流电源相互连接时，变流器的工作状态整流还是逆变就由功率传输的方向来决定，通过对三电平变流器1和2的协调控制，就能实现能量的循环流动，其具体情况如图23所示。蔓鳓PNPLPNPDPLPAA有功功率正向传输时Q匦PNPLPNP,2PLPNA有功功率反向传输时图23三电平背靠背变流器能量循环图图中昂为交流电源1发送的有功功率，只为三电平变流器1吸收的有功功率，巳为三电平变流器L对电容充电的有功功率，为电容放电时传输给三电平变流器2的有功功率，只为三电平变流器2发送的有功功率，只为交流电源2吸收的有功功率。当有功功率正向传输时，三电平变流器2工作在逆变状态，交流电源2从直流电容吸收能量，电容电压有下降的趋势，此时三电平变流器L工作在整流状态来维持电容电压的稳定；同理，当有功功率反向传输时，三电平变流器1工作在逆变状态，交流电源1从直流电容吸收能量，电容电压有下降的趋势，此时三电平变流器2工作在整流状态来维持电容电压的稳定。由能量守恒原理可知，在保证有功功率在传输的过程中始终保持平衡，必须对两台三电平变流器进行协调控制，而对于无功功率的控制，并不需要直流侧的参与，可有两台三电平交流器独立完成。在实际的应用当中，通常有厶厶，I吃，CLC2C。为了三电E攀DLKL二咖一厶，FFO5I02TLPL铲詈警27，1凤2巳2，。222巳2之228见L2乞LI。L42E,COSTOTX42IOICOSCOT,巨，口1洳S仍COS2TOT仍】见IEBLIHI“2巨C。S鲥一120。2LCOS02T一仍一120。29五LCOSCOS2TOTAPL2400】、7PCL巳LI订2气COSTOT12002厶LCOSAOF一1200磊厶COS仍COS2TOT2400】式中巨为交流电源1电压的有效值，L，为三电平变流器1网侧电流的有效值，仍为三电平变流器1网侧电流与交流电源L电压的夹角。从式29可以看出，三电平变流器1中任何一相瞬时功率都包含两个分量，一个是恒定分量，另一个是正弦量，频率为交流电源的两倍。但是，由于系统是对称的，三相瞬时功率之和是一个常数，其值等于有功功率，即只L儿L见1成L3五厶LCOS锯2一10上述性能常被成为三相电路的瞬时功率平衡。同理，对于交流电源2我们也可以得到N2儿2既2PC23最L2COS211三电平变流器1从交流电源吸收的有功功率为A“ALNILAL蚝LL乇L“DL之L212将式24带入式212，即A咆粤。一半。粤最。一半鸲等耻半213詈L乞I最。F6。足。T。同理，三电平变流器2向电网输送的有功功率为P2二_2屯2F622T2214三电平变流器1对直流侧电容充电的有功功率可以表示为只。屹215直流侧电容放电时传输给三电平变流器2的有功功率可以表示为只216忽略电感上的损耗和变压器内部损耗，根据功率守恒定律，三相静止坐标系下的三电平背靠背变流器的功率传输方程为只L局PCL致2P2PS2217由式26、27、217构成三电平背靠背变流器系统在三相静止坐标系下的数学模型，该数学模型中的变量均为时变交流量，不利于控制器参数的设计。所以下面一节将介绍三电平背靠背变流器在两相同步旋转坐标系下的数学模型。222三电平背靠背两相旋转坐标系模型考虑到三电平背靠背系统是三相对称运行的，以交流电源L和2的电压矢量为参考矢量，对式26进行32变换，文中的变换矩阵是N们尺C9，亨一吕一CSOINS。OP一1。220。0。J三品罱C28，用D轴表示有功，两相旋转坐标系下三电平背靠背变流器系统的全状态方程为奶。衍嚷。疵D吃衍钙毋疵Z出D吃防卧一生一生0C吃C吃针219式中和EA分别为交流电源1和2的D轴分量，。和分别为三电平变流器1和2网侧电流的D轴分量，和分别为三电平变流器1和2网侧电流的Q轴分量，蚴。和蚴分别为三电平变流器1和2交流侧输出电压的D轴分量，和分别为三电平变流器1和2交流侧输出电压的Q轴分量。对式25进行32变换，可以得到三电平变流器1交流侧输出电压的D轴Q轴分量的表达式为邓8霎220【MGL2码7出SMOI同理可得三电平变流器2交流侧输出电压的D轴Q轴分量的表达式为UD，22M2VDE蓄221U2M2SMLG2D2式中屯为超前交流电源的相角，M2为三电平变流器2的直流电压利用率，当采用SPWM调制时历，O5，当采用SVPWM调制时M20577。将式220、221带入式219，可以进一步得到三电平背靠背变流器系统的全状态方程为疵。以以T出D吃也DID2出嗽出吃出，三一COS2三国一COS61三，铂SING,三三型堕OC卧MZCOSC52三一三竺墅垒三三一M2SIN,520EDL三OBLCEA2三0KC222忽略电感上的损耗和变压器内部损耗，在两相旋转坐标系下三电平背靠背产一三一一C一国，一一Y。国且叱上三砌且吼I|丝一一工一L一C堑一一OO国R一一R一国呦4一R一三M梆一NV；警变流器的功率传输方程为P,L2PCL2PC2见2只12ED,幻1PS22EDD2PC。吃乇LPC2比02223式222、223组成了三电平背靠背变流器系统在两相旋转坐标系下的数学模型，。从数学模型可以看出，三电平背靠背系统一个6阶非线性耦合系统，输入变量时交流电源的D轴分量，控制变量是调制度确、所和相角差磊、疋。另外，每个三电平变流器都含有两个自由度直流侧电压和电流，来控制背靠背系统的传输功率，所以，一般一台变流器为定直流侧电压控制，另一台变流器采用定有功功率即交流侧电流控制。第三章控制系统设计三电平背靠背变流器的控制分为整流器的控制和逆变器的控制，本章在建模分析的基础上，对控制系统进行设计，三电平变流器1采用直流侧电压外环网侧电流内环的双环控制，三电平变流器2采用网侧电流闭环的单环控制，并合理配置调节器的参数，使系统的稳态性能和动态性能最优。31三电平变流器1控制系统的建模三电平变流器1的控制采用直流侧电压外环网侧电流内环的双环控制，电压外环的主要作用是稳定直流侧的总电压，电流内环的主要作用是实现正弦波电流控制，为了提高系统的效率，内环通常采用单位功率因数控制N71。311三电平变流器1的内环控制根据三电平背靠背变流器的建模过程和状态方程，我们可以得到式31I兰一，毛LL一蚴L白L悼一飞帕。1从式31我们可以看出，三电平变流器L网侧电流的有功分量和无功分量白分别受到三个因素的影响三电平变流器1的交流输出电压和、有功电流和无功电流的耦合变量0和O,LI,，、交流电源1和白。所以本节采用前馈解耦控制来抵消电流耦合变量和电网扰动的影响。另外，为了实现对电流的无静差跟踪，本节的调节器采用PI调节器，且D轴和Q轴的被控对象相同，所以它们的参数也相同。交流电压的控制方程为I一屯T可一屯一七JJ阿一西三0EDL，ML甜班一KVLIQL阿一1一毛1J1阿一1研一三屯1EQL式中七，。为PI调节器的比例系数，向，为PI调节器的积分系数。FH式32可以得到电流内环的控制框图为LDINT“白L锄L阿图31三电平变流器1电流内环控制框图以D轴为例说明三电平变流器1电流内环控制器参数的设计，三电平变流器1的电流内环D轴的等值框图如图32所示睫咆百TFLS1P3，刖而K丽PLKPWML35根据典型I型系统的整定原则，当阻尼比专0707时，七。，满足15TSKP,KPWUO536求解得仁兰玉3正廓刚L垒量FN3T5KP聊L根据图32和式37，可以求得电流内环的闭环传递函数为州尚37_I。1，L_I_I_。I_一38L县S坐弛J2七PL砗聊L七P1廓聊L考虑到C较小时，S2的系数近似为零，可以忽略，此时电流内环的闭环传递函数可以简化为驯2话1将式37带入式39中，可以将HCIS化简为39皿TS2志310由式310我们可以看出，三电平变流器L的电流内环可以近似等效成惯性环节，惯性环节的时间常数与开关周期成正比，开关频率越高电流内环响应越快。312三电平变流器1的外环控制在设计三电平变流器L的电压外环时，为