【《NPC型三电平有源电力滤波器基本理论概述》3900字】

NPC型三电平有源电力滤波器基本理论概述本文的研究对象是NPC型三电平有源电力滤波器，其主电路为NPC型三电平逆变器。本章首先介绍了APF的基本原理，随后分析NPC型三电平APF主电路模型，得出其工作状态与换流方式，最后推导NPC型三电平逆变器的数学模型，为后续逆变器调制策略和中点电压控制提供理论基础。1.1APF基本工作原理并联型有源电力滤波器可等效为受控电流源，用于补偿看做电流源的谐波源，原理是向电网中注入与谐波电流反极性的补偿电流抑制谐波。由于并联型有源电力滤波器与谐波源并联接入电网，因此APF的投切不影响电网中的其他设备。基于以上优点，本文主要针对并联型APF展开研究。并联型APF系统构成原理示意图如图2-1所示。图中es为交流电源，is代表电源电流。负载为谐波源,谐波源产生的谐波分量包含在负载侧相电流iL中。APF系统由指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路以及主电路构成。第一部分的作用是检测补偿对象的谐波电流，后三部分组成了有源电力滤波器的补偿电流发生电路，其作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号ic*产生实际补偿电流ic。图2-1并联型APF系统构成原理图由于负载的非线性，负载电流iL中存在谐波分量iLh，互感器检测出的电网电压和负载电流经指令电流运算电路得出指令信号ic*，驱动电路根据电流跟踪控制器追踪的ic*产生相应的PWM波形进而控制主电路输出与谐波分量iLh反极性的补偿电流ic，并注入电网。最终实现电源电流is只含有基波电流，达到谐波治理的目的。APF基本工作原理可用以下公式表示： is= iL= ic=−式中iLf为负载电流的基波分量。根据以上分析，有源电力滤波器的补偿效果取决于能否快速准确地产生补偿电流，对于NPC型三电平有源电力滤波器，如果在其运行过程中不对直流侧中点电位加以控制，不仅会输出大量谐波，还会危及系统安全，因此本文将针对NPC型三电平有源电力滤波器中点电压控制这一热点问题展开讨论。1.2NPC型三电平APF主电路模型NPC型三电平逆变器自上世纪八十年代提出以来，以其较低的开关管承压、较低的开关损耗和较好的输出波形而广受关注，并成功应用于有源电力滤波器，作为APF的主电路。APF主电路拓扑模型如图2-2所示。图2-2NPC型三电平APF电路图NPC型三电平逆变器直流侧串接两个完全相同的电容，分别记作C1和C2，在理想情况下，上下两电容可以分得等压Udc/2，因此直流侧可以输出三个电平。根据图1.2所示，NPC三电平逆变器有三个桥臂，每个桥臂由4个全控型功率半导体器件和一对箝位二极管构成，二极管连接直流母线中点与上下两桥臂中点。例如对于A相，SA1、SA2、SA3、SA4构成了四个功率开关管，D1和D2为两个箝位二极管。另外，每个功率器件两端都反并联了续流二极管，起保护作用。1.1.1NPC型三电平逆变器工作状态NPC三电平逆变器每相根据功率开关管的不同状态可以输出+Udc/2、0、-Udc/2三种电平，因此得名三电平逆变器。下面以A相为例进行说明：SA1和SA2导通，SA3和SA4关断，输出电压为Udc/2，记为P电平。SA2和SA3导通，SA1和SA4关断，输出电压为零，记为O电平。SA3和SA4导通，SA1和SA2关断，输出电压为-Udc/2，记为N电平。逆变器每相输出端电压与功率开关管状态之间的关系可用表2-1表示，其中1表示导通，0表示关断。表2-1输出端电压与开关状态关系对应表(x=a,b,c)Sx1Sx2Sx3Sx4输出端电压输出状态1100Udc/2P01100O0011-Udc/2N下面根据表2-1并以A相为例分析NPC型三电平逆变器运行时的三种工作状态。规定直流母线中点O点作为电压参考点，电流正方向为直流电源侧流向交流负载侧，并认为电容和各开关器件为理想状态。(a)iA>0(b)iA<0图2-3P状态电流方向(1)P状态P状态下，逆变器输出端电压Udc/2，开关状态为：SA1和SA2导通，SA3和SA4关断。当iA>0时，电流从电容C1正极流出，经功率器件SA1和SA2流入负载侧，此过程可用图2-3(a)表示；当iA<0时，电流从负载侧经功率器件SA1和SA2反并联的二极管流入电容C1正极，此过程可用图2-3(b)表示。(a)iA>0(b)iA<0图2-4O状态电流方向(a)iA>0(b)iA<0图2-5N状态电流方向(2)O状态O状态下，逆变器输出端电压0，开关状态为：SA2和SA3导通，SA1和SA4关断。当iA>0时，电流从直流侧中点流出，经箝位二极管D1和功率器件SA2流入负载侧，此过程可用图2-4(a)表示；当iA<0时，电流从负载侧经功率器件SA3和箝位二极管D2流入直流侧中点，此过程可用图2-4(b)表示。(3)N状态N状态下，逆变器输出端电压-Udc/2，开关状态为：SA3和SA4导通，SA1和SA2关断。当iA>0时，电流从电容C2负极流出，经功率器件SA3和SA4反并联的二极管流入负载侧，此过程可用图2-5(a)表示；当iA<0时，电流从负载侧经功率器件SA3和SA4流入电容C2负极，此过程可用图2-5(b)表示。1.1.2NPC型三电平逆变器动态换流过程NPC三电平逆变器的换流过程即为逆变器每相三个电平的动态切换，这种模式切换只能在相邻两电平之间，例如P、O之间切换，O、N之间切换，不允许P电平直接切换至N电平和N电平直接切换至P电平，这是由于相邻两电平切换只需要动作两个开关管，而P、N之间的切换需要动作四个功率开关管，这样不仅会增加开关损耗，还可能导致开关不同步造成器件损坏，必须避免。另外，电平切换必须遵循先关断后导通的原则。现假设换流过程中电流保持恒定，以A相为例详细说明NPC三电平逆变器动态换流过程。(1)P、O电平切换(a)P电平(b)死区(c)O电平图2-6iA>0时逆变器由P电平向O电平切换过程当iA>0时：P电平向O电平切换需先关断SA1后闭合SA3，电流因连续性路径从电容C1正极→功率器件SA1、SA2→交流负载侧变为电压参考点O点→箝位二极管D1→功率开关管SA2→交流负载侧，完成P电平至O电平的切换，如图2-6所示；O电平向P电平切换需先关断SA3后闭合SA1，电流因连续性路径从电压参考点O点→箝位二极管D1→功率开关管SA2→交流负载侧变为电容C1正极→功率器件SA1、SA2→交流负载侧，完成O电平至P电平的切换，如图2-7所示。(a)O电平(b)死区(c)P电平图2-7iA>0时逆变器由O电平向P电平切换过程(a)P电平(b)死区(c)O电平图2-8iA<0时逆变器由P电平向O电平切换过程当iA<0时：P电平向O电平切换需先关断SA1后闭合SA3，电流因连续性路径从交流负载侧→功率器件SA1、SA2反并联二极管→电容C1正极变为交流负载侧→功率开关管SA3→箝位二极管D2→电压参考点O点，完成P电平至O电平的切换，如图2-8所示；O电平向P电平切换需先关断SA3后闭合SA1，电流因连续性路径从交流负载侧→功率开关管SA3→箝位二极管D2→电压参考点O点变为交流负载侧→功率器件SA1、SA2反并联二极管→电容C1正极，完成O电平至P电平的切换，如图2-9所示。(a)O电平(b)死区(c)P电平图2-9iA<0时逆变器由O电平向P电平切换过程(a)O电平(b)死区(c)N电平图2-10iA>0时逆变器由O电平向N电平切换过程(2)O、N电平切换当iA>0时：O电平向N电平切换需先关断SA2后闭合SA4，电流因连续性路径从电压参考点O点→箝位二极管D1→功率开关管SA2→交流负载侧变为电容C2负极→功率器件SA3、SA4反并联二极管→交流负载侧，完成O电平至N电平的切换，如图2-10所示；N电平向O电平切换需先关断SA4后闭合SA2，电流因连续性路径从电容C2负极→功率器件SA3、SA4反并联二极管→交流负载侧变为电压参考点O点→箝位二极管D1→功率开关管SA2→交流负载侧，完成N电平至O电平的切换，如图2-11所示。(a)N电平(b)死区(c)O电平图2-11iA>0时逆变器由N电平向O电平切换过程(a)O电平(b)死区(c)N电平图2-12iA<0时逆变器由O电平向N电平切换过程当iA<0时：O电平向N电平切换需先关断SA2后闭合SA4，电流因连续性路径从交流负载侧→功率器件SA3→箝位二极管D2→电压参考点O点变为交流负载侧→功率器件SA3、SA4→电容C2负极，完成O电平至N电平的切换，如图2-12所示；N电平向O电平切换需先关断SA4后闭合SA2，电流因连续性路径从交流负载侧→功率器件SA3、SA4→电容C2负极变为交流负载侧→功率器件SA3→箝位二极管D2→电压参考点O点，完成N电平至O电平的切换，如图2-13所示。(a)N电平(b)死区(c)O电平图2-13iA<0时逆变器由N电平向O电平切换过程1.3NPC型三电平逆变器数学模型NPC型三电平逆变器每相根据功率开关管的不同状态可输出三种电压，P电平对应输出相电压Udc/2，O电平对应输出相电压0，N电平对应输出相电压-Udc/2。逆变器每相输出状态受每相4个功率开关器件的控制，因此可建立NPC型三电平逆变器的开关函数： Si=1,Sx1逆变器输出相电压可用Si函数表示，即： Uio=A、B、C三相输出电压具体可表示为： UAO=由此可得输出的线电压： UAB=将式（2-7）等效为矩阵形式为： UABU根据NPC型三电平逆变器的拓扑模型，线电压也可由负载侧相电压UAN、UBN、UCN来表示： UAB=U等效的矩阵公式如下： UABU化简可得： UAN=矩阵等效变换式： UANUBN将式（2-7）和式（2-11）联立可以求得负载相电压与