组合变流器相移SPWM技术及其在有源电力滤波器中的应用研究

1、浙江大学博士学位论文组合变流器相移SPWM技术及其在有源电力滤波器中的应用研究姓名：王长永申请学位级别：博士专业：电力电子与电力传动指导教师：张仲超塑坚叁兰堕！：堂焦堡兰塑墅！一组合变流器相移技术及其在有源电力滤波器中的应用研究摘要大功率变流装置中，电力电子器件的开关频率较低，单个变流器难以得到较好的控制效果。组合变流器相移技术是为了解决该问题而提出的崭新技术。本文对组合变流器相移技术及其在电网有源滤波和无功补偿中的应用做一些研究工作。本文首先研究了三相变流器的数学模型。分别从静止坐标系、邮坐标系、坐标系建立了变流器低频模型。从的调制出发在频域建立了变流器高频模型，称之为频域模型。频域模型是￥

2、变流器数学建模的崭新概念。它揭示了变流器传输线性、传输带宽、输出频谱等特性，变流器的工作特性都可以从频域模型得到答案，如三相变流器的耦合、频率调制比取奇数或偶数、过调制、异步调制等等。本文分别分析了电压型、电流型组合变流器相移技术的机理，分析了频域下的数学描述。组合变流器相移技术是变流器多重化技术和技术的有机结合。该技术在较低的器件开关频率下能够实现较高开关频率的效果。相移组合变流器是通过低频谐波的相互抵消提高等效开关频率，而不是将谐波简单地向高次推移。本文对组合变流器相移技术的一些特性进行了较深入的分析。本文对相移组合变流器和当今研究较多的二极管钳位型变流器做了对比研究。文中提出了基于相移技

3、术的级联型变流器。相移级联型变流器是相移技术与级联型变流器拓扑结构的结合，它同时具有二者的优点，而且可以看成相移技术向中、小功率场合（包括单相电路）应用的拓展。本文提出了相移技术的概念。相移组合变流器具有技术的优点如：数字实现容易，器件开关频率低，直流电压利用率高；同时具有各变流器单元结构相同，工作状况一致等相移组合变流器的优势。在谐波及无功电流检测方面，本文研究了瞬时无功功率理论在谐波电流检测中的应用。在此基础上提出了闭环检测方案，从瞬时无功功率理论在坐标系下的推论出发，提出了闭环、开环检测的统一模型。谐波及无功电流检测系统的动、静态特性完全取决于统一模型下等效低通滤波器的设计。本文提出了浙

4、江人学博学位论文摘要检测系统的优化设计方法。将统一模型的思想拓展到单相电路的检测，得到电路简单、实时性较强的检测方法。本文提出了两种基于相移技术的并联型有源电力滤波器（简称）的拓扑结构：基于相移级联型变流器的电压源型，基于电流型相移组合变流器的电流源型。二者都不需要变压器的联结。本文对前者做了仿真分析。后者是本文的主要研究对象。本文详细讨论了电流源型的数学模型，分析了暂态下产生振荡的本质原因。在中提出了基于极点配置的状态反馈的控制方法，研究了极点位置对系统特性的影响，提出了优化的设计方案。提出了变流器直流侧控制的数学模型，分析了直流侧控制与交流侧控制的相互影响。上述分析通过了仿真和实验的验证。

5、本文由四个电流型变流器单元构成了相移组合变流器装置，以带电感性负载的三相可控整流为补偿对象，构造了并联型。由数字信号处理器作为交流侧控制系统的微处理器，完成了极点配置的状态反馈控制。在控制系统的熨计中，提出了硬件移位、矢量差求微分等实现方法。最后，实验装置取得了较好的补偿效果兮、关键词组合变流器胡移技术；有源电力滤波器：频域模型；谮波破无功电流检测；极点配置；数字信号处理？塑鲨叁堂堕主堂垡堡壅一塑塑！，。，浙江大学博士学位论文，。，；，（）：；。塑鲨叁堂堕主堂垡堡壅一塑塑！，。，浙江大学博士学位论文，。，。，；，（）：；塑鲨盔堂竖±堂！兰堕苎塑！墅一致谢本文是在导师张仲超教授的悉心指

6、导下完成的。三年来，导师渊博深厚的学识，严谨求是的治学态度，虚怀若谷的博大胸襟，平易近人的学者之风使我耳濡目染，如沐春风。自己的一招一式都浸透着导师的心血。导师手把手地教授我调试电路，带我亲临现场调试，逐字逐句地修改每一篇论文，给我争取尽可能多的学习和锻炼机会。从电路设计到理论分析，学业上每一点进步都是在导师的指点下取得的。回想自己的成长过程，深深感受到导师的人格魅力，使我受益终身。值此论文完成之际，向导师深深鞠躬致谢。我的另一位导师，燕山大学的邬伟扬教授把我引入电力电子技术的大门，并且一直关心我的学习和生活，教授我实事求是的科研精神和做人的道理。向导师致以崇高的谢意！本文得到了大学教授的指点

7、，交谈中领略了一代名师深厚的学术造诣，使我受益非浅，在此表示衷心感谢。实验装置的调试是在师弟金陶涛的帮助下完成的，在调试中我们共同分析问题，讨论解决方案，我们合作的很愉快，实验样机的成功凝结了我们的汗水和喜悦。在开关电源方面，得到了公司华桂潮博士、翟宁经理、徐华清老师、黄敏超博士的支持和帮助，感谢他们给我提供这样一个很好的学习机会。在电源公司的学习中，和姜熠、熊代富、韩冰、陈仪、徐群等接下了深厚的友谊，在此一并表示感谢。在感应加热电源的学习中，得到了潘锡堂老师、陈为群老师、张贵民老师的热情帮助和大力支持，使我在实际动手方面有较大提高，在此表示衷心感谢！感谢实验室的胡长生、林平、王立乔、黄玉水、

8、张寅孩、鲍建宇、胡晓巨、吕红等师兄弟的帮助和关心。特别要感谢毛鸿博士，我们在一起从三相变流器、感应加热电源到开关电源进行了长时问的探讨，彼此互相启发，互相促进。在即将结束年的学校生活之际，以论文的完成感谢我的父母多年来对我的培养、教导。感谢我的妻子燕山大学的孙连越女士，感谢她对我的关爱、理解、支持、鼓励。感谢本文的评阅老师，答辩委员会的老师从百忙中对本文给与审阅、指点。王长永年月于求是园浙江人学博士学位论文一洲脚咖一言卿巩（），（）巾。巾。，。口（）（），本文常用的符号表本文常用的符号表正弦脉宽调制高压直流输电柔性交流输电系统空间矢量调制有源电力滤波器总的谐波畸变率单位功率因数变换器静止无功补

9、偿器数字信号处理器在第三章中表示二逻辑输出的幅值组合变流器中单元变流器的个数变流器直流侧电压幅度调制比三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换调制波幅值第个单元变流器的调制波幅值频域模型中第次谐波的幅值特指三逻辑输出中第次谐波的幅值调制波的谐波次数三角载波的频率（调制波基波频率为）第个单元变流器的输出中第次谐波的幅值第个三逻辑单元变流器的输出三逻辑相移组合变流器的输出调制波的初始相位三角载波的初始相位相对传输带宽相移级联型变流器中两个相位相反的三角载波低通滤波器等效低通滤波器的传递函数泛指传递函数极点配置控制中连续系统下反馈系数极点配置控制中离散系统下反馈系数直

10、流侧控制中调节器的比例、积分系数塑！叁堂！皇±堂堡丝塞笙二童堑堑！一第一章绪论八十年代以来，电力电子学已经成为一门新兴的交叉边缘学科。与此相应的现代电力电子技术得到了迅速发展。以计算机技术和功率半导体制造技术为基础和先导，开关器件的功率处理能力和开关速度有了显著提高，电力电子装置的工业市场和应用领域正在不断扩大，越来越多的电器设备对取用的电能形态和功率流动的控制和处理提出了新的要求。世界各国学者对电力电予技术进行了广泛的研究，取得了大量科研成果。在发达国家，一方面对输送电能的需求不断增长，另一方面，由于环境、行政、公共政策等原因，致使获得新的输电走廊、建造新的输电线路越来越困难。电力

11、电子技术在大功率场合的应用为解决这些困难创造了条件。自二十世纪七十年代，高压直流输电技术（）得到了广泛关注。目前，采用自关断电力电子器件的已经达到实用化阶段。在八十年代末，美国电力科学研究院（）提出了柔性交流输电系统（）的概念。元件在电力系统的应用得到各国学者的深入研究。其中，在加拿大，由、等成立研究小组对静止无功补偿器、移相器、统一潮流控制器等元件进行了长达三年的基础研究【。电力电子技术在大功率场合的应用还有大功率电机调速、大功率供电电源等等。以上装置都具有功率大、控制要求高、系统复杂等特点。为了在特大功率电力电子装置中得到较好的控制性能，降低装置成本、体积，提高装置的工作效率。组合变流器相

12、移技术是理想的选择。本文在国家自然科学基金的资助下对组合变流器相移技术及其在电力系统有源滤波中的应用进行了深入的研究。本章首先从拓扑结构和调制方法两方面介绍了组合变流器相移技术的研究背景。对谐波及无功的危害和治理进行了回顾，总结了有源电力滤波器的拓扑。为了提高有源电力滤波器的补偿性能，一些优秀的控制理论被吸纳到有源电力滤波器中，本章对此做了概述。最后，介绍了本文的研究内容和主要的研究成果。§组合交流器相移技术的研究背景电力电子装置是通过电力电子器件如晶闸管、等进行能量处理的。电力电子器件的功率与工作频率是相互矛盾的。一般来说功率越大，器件的开关频率越低【。为了提高电力电子装置处理较大

13、功率的能力，人们进行了大量的探索，其中最具有代表性的科研成果是多重化技术、二极塑些盔堂堕主堂垡堕塞丝二童一皇望：一管钳位型多电平变流器阻、电容钳位型多电平变流器¨、级联型变流器、相移组合变流器¨。上述拓扑结构配合不同的调制方式构造出多种多样、各具特色的大功率变流装置。§大功率变流装置的拓扑在大功率输出、高效率运行、改善输出高次谐波等要求的场合下，单台装置不能满足要求，往往会想到使用多个装置或采用器件级联的方式运行，达到系统要求的技术指标。多重化结构在电压型变换电路中，输出的交流电压为矩形波。为了减小谐波，常常把几个矩形波输出组合成正弦波的波形。对于个三相变流电路，

14、将其输出波形的相位各错开兀（，）运行，连同抵消它们之间相位差的变压器（移相变压器），可以构成脉波数为，的变流器系统。输出波形中包含。±（为整数）次的谐波含量。根据变压器输出侧绕组的联结方式可分为串联多重化和并联多重化：串联多重化是将输出侧绕组进行串联联结，这种方式在电压型变流器中最常用。并联多重化是将输出侧绕组进行并联联结，由于电压波形的差会产生循环电流，因此并联多重化结构在电压型变流电路中慎用。在这两种联结方式中，还分别有直流侧串联和直流侧并联的结构。同样，电流型变流电路的多重化原理与电压型相同。它的输出变压器采用并联形式，其直流侧除了并联和串联联结之外，还有直流侧独立的联结方式。

15、在具有自换流能力的结构中，交流侧可以采用直接并联方式。多重化系统具有提供大功率输出、运行效率高、可改善单台装置输出谐波等优点，同时存在以下不足：（）控制采用方式，通过调节直流侧电压来实现输出功率的调节，系统动态响应差、控制不灵活。（）为了减小谐波，各装置输出波形需错开一定的相位，这将影响输出的基波叠加。（）为了达到消除次谐波的目的，必须使用特殊设计的移相变压器。二极管钳位型多电平变流器自日本学者、等于年提出中点钳位型逆变器以来，二极管钳位型多电平变流器得到了广泛的研究。一个电平的二极管钳位型变流器在直流侧由（）个电容串联产生电平的相电压。图为一个五电平单相全桥二极管钳位型变流器。直流侧由、：、

16、，、。四个电容组成，若直流电压为”每个电容上的电压为。，。通过开关器件的不同组合使输出浙江人学博士学位论文第一章绪论电压产生不同的电平，如表所示。裹五电平二极警钳位型变藏曩的输出与开关状态输出电压开关状态（。）。吐¨。，¨，山。图一五电平二极管钳位型变流器二极管钳位型变流器同时具有多重化和脉宽调制的优点：输出功率大；器（）钳位二极管的耐压要求较高。尽管开关管的耐压均为。（一），。口。，需要承受。的反向电件开关频率低，等效开关频率高；交流侧在级联输出时不需要变压器；动态响应好：传输带宽较宽等优点。同时，二极管铅位型变流器存在以下不足：钳位二极管的反向耐压等级却不相同。比如相下

17、组桥臂的开关管。都开通，需要承受三个电容的电压即压。若每个二极管的耐压等级相同，每相所需要的二极管数量为（）。“一。因此，二极管的数量与电平数的平方成正比。目前，研究中的二极管钳位型变浙江大学博学位论文第一章绪论流器的电平数一般不超过。（）：关器件的导通负荷不一致。如表所示，开关。仅在。时开通。而开关。仅在。时不开通。丌通时间不平衡要求开关器件的电流等级不相等。（）在变流器将有功功率从交流侧向直流侧传送（整流状态）或反向传送（逆变状态）时，二极管钳位型变流器的直流侧各个电容的充电时间（逆变状态下的放电时间）不相同，使得动态下的均压控制较复杂。电容钳位型多电平变流器电容钳位型多电平变流器如图所示

18、（以五电平变流器为例）。图一五电平电容钳位型变流器电容钳位型变流器每一相有相同的结构。假设每个电容有相同的电压等级，图所示的电容的串联联结表明了钳位点的电压电平。相三个内环电容。：、。独立于相。相与相都与直流电容。并联。电平变流器的相电压有电平，线电压有（）电平。若电容的电压等级相同，直流侧需要（一）个电容。电容钳位型变流器的电压合成比二极管钳位型变流器更灵活。在五电平电容钳位型变流器中，相电压。与丌关组合的关系如表所示。裹五电平电容钳位型变流器中相电压。与开关蛆合的关系浙江人学博十学位论文第一章绪论。，。，。，。，（）（）。（）电容钳位型变流器具有开关方式灵活、对开关器件保护能力较强等优点，

19、同时存在以下不足：（】）需要大量的存储电容。假设每个电容的电压等级与开关器件相同，则电平的变流器每一相需要（一）×一）个辅助电容，直流侧需要（）个电容。（）为了使电容充、放电平衡，中间电平（如、。、。）在一个周期内需要两种或更多的开关组合。这样，电容钳位型变流器通过适当选取丌关组合方式可以处理有功功率的流动。但是，开关组合方式的选择较复杂，而且丌关频率较高。（）和二极管钳位型变流器相类似，电容钳位型变流器的开关器件的导通时问不同，负荷不一致。级联型变流器级联型变流器是最近出现的变流器结构。独立直流源的级联型变流器如图一所示。级联型变流器的每个变流器模块都是普通的单相全桥电路。相电压的

20、输出是个变流器模块输出的叠加，即。：。目前，级联型变流器的调制方式为基波频率控制，不同变流器模块采用不同的开关角控制，由于每个变电平。流模块的输出都是三电平，各变流器模块的级联型变流器的输出为（一）浙汕。人学博士学位论文第一章绪论图级联型变流器级联型变流器具有如下特点：（）与前面两种多电平变流器相比，级联型变流器所需要的元件数较少。容易实现较高电平的变流器。（）各变流器模块结构相同，装置布局容易。（）直流侧均压控制容易。（）采用基波频率控制的级联型变流器通过控制直流侧的电压调功，系统动态响应较慢。另外，各变流器模块的工作负荷不一致。组合变流器相移技术组合变流器相移技术是由作者导师和大学教授提出

21、的。电压型相移组合变流器的拓扑结构有并联型、串联型、混合型，如图所示。图中各变流器单元指普通的三相六开关的电压型变流器（）有中线回路的并联型变流器（）无中线回路的并联型变流器塑婆盔堂堕主堂丝堡奎笙二皇兰望！一（）串联型变流器（）混合型变流器图电压型相移组合变流器的拓扑组合变流器相移技术的实质是技术与多重化技术的有机结合，其基本思想是：在多重化为的组合装置中使用共同的调制波（周期为），将各变流器单元的三角载波（频率为）的相位相互错开（，。），利用技术中的波形生成方式和多重化技术中的波形叠加结构产生相移波形。图（）、（）所示的并联型变流器通过电流的叠加实现谐波抵消，能够提供较大的输出电流，但在各变

22、流器单元交流侧的电流的谐波未被抵消。其中有中线回路的结构中含有三次及其倍数次谐波，因而需要更大的电感滤波。而如图（）所示的串联型变流器通过电压的叠加实现电流中谐波的抵消，变流器单元的交流侧电流谐波较小，所需的滤波电感比并联型变流器更小。并联型与串联型的组合方式如图。（）所示。电流型相移组合变流器将在后文中详细介绍。相移组合变流器具有如下特点：（）相移组合变流器各变流器单元的开关频率低，可以采用特大功率的电力电子器件如等组成电力变流器装置，降低开关损耗。（）组合变流器的等效开关频率高，低频开关谐波小，大大减小所需要的无源滤波装置的尺寸和容量。（）相移组合变流器传输线性好，传输频带宽，容易引入一些

23、优秀的控制理论。（）各变流单元的电路结构和器件的工作负荷一致。§三相变流器的调制方式调制技术对于变流器丽言是“神经中枢”。衡量调制方式的标准有：变流器输出的谐波、开关器件的开关频率、动态传输特性、传输带宽等阻。如前文所述，脉宽调制（）以其优良的动态特性而优于基于开关角控制的基波频浙江大学博士学位论文第一章绪论率开关方式。在中最具特色的主要有：正弦脉宽调制（）、空间矢量调制（）、滞环控制（）、单周控制（）等。技术技术是将正弦波调制信号与频率固定的三角载波信号相比较，交点作为丌关点，得到一系列幅值相等、宽度不等的高频脉冲序列，经过变流器的功率放大后，能够准确地再现调制波信息。具有优良的传

24、输特性、优化的频谱分布，成为当今调制技术的基本方式。模拟实现简单，不产生延时。数字实现的一般采用规则采样。技术是八十年代中后期发展起来的，最初的应用是使电机获得圆形的旋转磁场，称为“磁链跟踪”。目前，的概念远远超出了电机调速的范畴，成为与相并行的一种调制技术。电压型变流器根据开关的不同组合划分为八个空间矢量，其中六个为非零矢量，两个零矢量。将坐标系下的指令信号通过变换变换为空间旋转矢量，对于任一时刻的矢量由两个相邻的非零矢量合成，通过在一个调制周期中对两个非零矢量和零矢量的不同放置得到优化的输出。的主要优点是：（）电压利用率高，最大的幅度调制比为：（）开关器件的丌关利用率和开关损耗比常规的降低

25、；（）易于采用数字实现。英国学者对规则采样和做了对比研究，深入讨论了和规则采样之间的联系。其结论是和规则采样的脉冲计算时间是相同的。实质是一种规则采样的特殊形式。作者的导师和教授也对与进行了研究，本文作者参与了一些工作。与的本质是一致的。不考虑实现的问题，二者是等效的。只是考虑的角度不同，的优点都可以通过实现。研究表明，在传输带宽内（），的残留谐波（）最小。滞环电流控制滞环电流控制是一种简单的控制，它集电流控制与于一体。实际电流与指令电流的上、下限相比较，交点作为开关点。指令电流的上、下限形成一个滞环。滞环电流控制具有以下特点：（）滞环电流控制是基于电流暂态的控制，具有动态响应速度快、鲁棒性好

26、的优点：（）滞环电流控制本质是一种隐含载波的变频调制方式。在三浙江大学尊士学位论文第一章绪论相高功率因数整流器中，滞环控制的隐含载波频率随电网电压做周期性变化，变化频率为工频的二倍；（）滞环电流控制输出频谱范围宽，滤波较困难，谐波能量均匀分布在较宽的频带范围内；为了解决滞环电流控制变频的缺点，仍有不少学者在探索改进的方案，比如：限制最高开关频率，通过改变滞环宽度实现恒频控制等。单周控制单周控制（）是由加州大学提出的。该技术同时具有调制和控制的双重性。其原理如图一所示。单周控制通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的。这种控制方案具有动态响应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实

27、现等优点。在变换器中已经得到充分的研究。作为一种调制方式，该技术最近在向三相变流器方面如电流型、电压源型探索。图一单周控制原理灵活多样的调制技术与丰富的电路拓扑相结合形成各具特色的变流装置。目前已进入研究阶段的有基于的二极管钳位型变流器、本文研究的相移组合变流器、本文提出的相移级联型变流器、相移组合变流器。另外，还有一些具有研究前景的方向，如：相移单周控制组合变流器等有待研究。§有源电力滤波器的概述有源电力滤波器（简称为）是具有功率大、控制要求高等特点的应用场合，是上一节介绍的大功率变流装置的“用武之地”。本节将介绍有源电力滤波器的产生背景及目前的研究成果。§谐波及无功功率

28、的危害浙江大学博士学位论文第一章绪论谐波和无功的存在对于电网和电器设备产生严重的影响和危害。在工业和生活的用电负载中，阻感性负载在占很大比例，如异步电动机、变压器、电抗器、电力系统架空线等。阻感性负载必须吸收无功功率才能正常工作。电力电子装置本身也会产生大量无功功率，如变频调速装置、电流型感应加热电源、大功率整流电源等。随着电力电子装置的广泛应用，无功功率的有害影响日益突出。（）无功功率的增加导致电流和视在功率的增大，使发电机、变压器、输电线路及其他电器设备的容量和损耗增加。（）导致线路及变压器的压降增加，如果是冲击性无功功率负载如大功率电机启动、中频感应加热电源，造成电网电压波动，严重影响电

29、网供电质量。随着计算机、家用电器的普及，不控整流加电容滤波的应用飞速增长。这种结构的交流输入电流谐波含量较高。直流侧采用电容滤波的单相不控整流中，输入电流的高达，三相不控整流的高达。谐波对公用电网和其他系统的危害曰益为人们所重视：（）谐波电流在输电线路阻抗上的压降使用户端的电压波形产生严重畸变，影响电器设备的正常工作。在电机控制中，谐波会引起附加损耗，使电机产生机械振动、噪声；谐波使变压器局部严重发热：谐波使电容器、电缆等设备绝缘老化、寿命缩短；（）引起供电电网中产生局部的并联谐振和串联谐振，使谐波放大，形成正反馈，破坏电网的稳定性，引起严重事故。我国在八十年代初石太电气铁路出现的谐波造成电力

30、电容器损坏引起重大事故，为此在石家庄市召开第一次谐波学术研讨会。从此，开始了我国谐波研究工作的广泛开展；（）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作、电器测量仪表不准；（）三次及其倍数次谐波流过中线导致中线过热甚至发生火灾；（）对邻近的通信系统产生干扰，破坏通信系统的正常工作。§谐波及无功补偿装置的发展为了解决电力电子装置和其它谐波源的谐波污染问题，有两个基本的思路：（）装设谐波补偿装置如无源滤波器、有源电力滤波器，对各种谐波源产生的谐波进行综合治理；（）对电力电子装置本身进行改造，使其功率因数为，不产生谐波。这种方案适用于作为主要谐波源的电力电子装置，比如单位功率因数变换器（称为）、“”。浙江人学博士学位论文第一章绪论传统的补偿无功和抑制谐波的手段是无功补偿电容和滤波器。它具有结构简单、经济方便的优点，但其阻抗固定，不能跟踪负荷无功需求的变化，不能实现对无功和谐波的动态补偿。自二三十年代以来的几十年中，同步调相机（