【多电平注入式电流源型变换器拓扑结构分析4100字】

多电平注入式电流源型变换器拓扑结构分析目录TOC\o"1-3"\h\u1390多电平注入式电流源型变换器拓扑结构分析 1165541.1三相十二脉波变换器 194371.1.1十二脉波变换器的结构及工作原理 1302021.1.2十二脉波变换器的电流谐波分析 228701.1.3十二脉波变换器仿真分析 4278361.2五电平注入式电流源型变换器 6296121.1.1理想注入电流分析 6283581.1.2五电平注入式电流源型变换器设备的运行原理和结构形式 7221211.1.3仿真分析FLCR-CSC 8150041.3小结 10比对分析直流侧储能模块，可以发现在电力电子变换器中使用的类型并不完全相同，基于这个类型的区别可以将其分为两种情况，一种是电流型变换器，还有一种是天然型变换器。实际上，对于电流源型变换器设备的应用是不多的，这主要是由于其内部的直流电感效率较低导致的，限制了其发展和推广。目前，由于电压源型变换器的使用成本比电流源型变换器要低，并且性能更加优良，所以在很多的应用中，会更多的采取电压源型的变换器设备。两种类型的设备相互之间是具有许多共同点的，并且在结构组成上，可以分析体现出对偶关系。1.1三相十二脉波变换器1.1.1十二脉波变换器的结构及工作原理现阶段，随着电子科技的不断发展，技术水平得到了很好的提升。尤其是其发展方向，也向着更加广阔的角度拓展，通过梳理可以发现，一种是大功率高电压的方向，另外一种是大电流低电压方向。并且对于其后者进行分析可以发现，当其中的电压等级以及功率等级上升以后，那么对应的结果也会趋于严重，在这个过程中可以使用多脉波变换技术，通过这项技术可以有效的减少变换器谐波对于电网产生的干扰，其原理是减少变换器自身的谐波。十二脉波变换器[20]是由并联或串联的两组三相桥构成的，是一种多脉搏变换技术的常用结构。所以其中的结构形式是是一种并联的两组三相桥的结构，见图2-1。图2-1电路结构（十二脉波变换器设备）Fig.2-1Circuitstructure(12pulseconverterequipment)参考上图所示，在这次设计方案中使用的是三相三绕组变压器，并且针对这个变压器进行了特殊的设计，利用星形的方式连接A、B、C三相绕组，此时在副边三相绕组位置，会有两个绕组在各个相中a1、a2、b1、b2、c1、c2,其中a1、b1、c1三个绕组接成星形（下文统称为Y1.1.2十二脉波变换器的电流谐波分析在设备中，绕组D和绕组Y的函数关系为[21]：iYaiDa分析的过程中把其中的直流侧电流IYdc(ωt)和IYdcIDdc通过上述的计算过程可以发现，函数iDaωt为一种奇函数的形式，并且其傅氏级数方程中的弦项的数据大小是0，在这种情况下其中只有正弦项。因此i经化简可得iDan将式2-3代入2-5可得I经化简可得IdcDanIcosDanIsinDan通过下面的公式可以表示变压器二次侧Y接线绕柱的正弦项系数i经化简可得iYan其中IdcYanIcosYanIsinYan变压器D接副边绕组电流正弦项系数iDanωt中，包含的向量一共有三个，并且各自对应着相应的傅氏系数，比如IcosDan对应BDmsinmωt，IsinDan通过对于式2-6计算得到，在设备中所包含的直流区域，其表现出的谐波是按照n=6k±1的次数。此外，而频率ADmcosmωt和IIcosDan对于上述计算方程分析可知，在谐波次数上，IcosDan和IdcDan是完全一致的，也就是说，如果m等于6p，那么此时在iDaωt中的一些谐波会降低，一些会提高。其中对于副边电流谐波的消除难度上升，主要的原因是IsinDan包含的谐波次数是奇数，所以在其中注入的电流中应该排除正弦分量。同理，iYanωt的三个分量IdcYan、IsinYan、IcosYan里面，IdcYan所体现出的谐波共计n=6k±1的次数。对于上述计算方程分析可知，在谐波次数上，IcosYan和1.1.3十二脉波变换器仿真分析这个章节主要的内容是对于12脉波变换器进行仿真，仿真过程中使用的软件是PSCAD，通过仿真可以进一步确认其中的的电路设计的有效性。相关参数数据可以见表2-1。表2-1仿真相关参数数据（十二脉波变换器设备）Tab.2-1Simulationrelatedparameterdata(12pulseconverterequipment)设备参数参数值触发角变压器变比网侧线电压平衡电抗器变压器容量30°10:1:10kV0.2H1MVA相关的波形图以及相位关系内容如下：图2-2移相变压器副边输出电流波形以及网侧A相电压电流相位Fig.2-2Theoutputcurrentwaveformofthesecondarysideofthephase-shiftingtransformerandthephaseofA-phasevoltageandcurrentonthegridside对于其中的图2-2进行分析，可以明确其中的Ia主要由两部分叠加组成，一部分是iYa，还有一部分是iDa。从图中还可以分析发现Ia相比于电压存在之后，大小为Ua30°，这个数据和其中设置的触发角保持一致。针对其中的网侧A相电流进行分析，从相关数据来看，一个周期中脉动数是图2-3网侧电流Ian频谱情况（三相十二脉波变换器设备）Fig.2-3Ianspectrumofgridsidecurrent(threephasetwelvepulseconverterequipment)通过上图内容分析能够发现，其谐波的分布状态与上文的分析基本一致。在我国，国网公司的相关文件发布过相关的技术参数标准，通常情况下10kV电压等级的系统，其表现出的谐波应该达到THD≤4%的标准，但是该十二脉波变换器设备的参数，远远超过了国标的范围。从这个意义上讲，其谐波畸变率参数是不符合要求的，无法将其并网。1.2五电平注入式电流源型变换器1.1.1理想注入电流分析利用傅氏分析的研究方式，测试十二脉波变换器网侧电流状态，可以发现，所呈现出的电流谐波是比较高的，不满足并网标准。因此，就应该对于其中的直流侧进行注入电路操作，这种方式的目的是确保网侧的电流脉动数参数能够得到有效提升，使其更加贴合正弦波的形态[22]。通过前文的分析了解到，应该满足一定的注入电路的田间，才能够有效降低电流的谐波含量。具体内容为[23]：（1）要将工频参数值的六倍设定为注入电路频率值。（2）在系统中，不允许出现具有IsinYan以及I首先，设定成工频参数值的六倍，是为了更好地实现变换器交流侧的电流谐波的有效消除。其次，在电流谐波消除过程中，不允许出现偶次谐波，会具有较大的影响作用。将电流波形注入直流侧，应该满足如下几点[24]：（1）要确保三相桥换流时刻与注入电流的零点时刻是相同的[25]。（2）要确保电流注入后，产生的直流量纹波不宜过大。（3）对于波形分布上，各个位置的导数值应处于合理范围内。所以，一个完美的注入波形，应该满足一定的条件，可以见图2-4。图2-4注入电流波形的最优状态Fig.2-4Optimalstateofinjectioncurrentwaveform实际上，在具体的应用实践过程中，是无法达到最理想的状态的，也就是不能得到三角波形。所以，只能通过各种优化设计，将波形尽可能逼近理想化的三角波形。本文研究与设计中，在谐波注入方面采取了多电平阶梯波的方式。1.1.2五电平注入式电流源型变换器设备的运行原理和结构形式在电力系统设备运行中，通常是需要确保高质量的波形状态，但是以往的三相十二脉波变换器设备满足不了这方面的标准，就需要将谐波电流注入其中，从而达到标准要求。在谐波注入时，波形的形态会因为各种因素的影响，无法达到最理想的状态，只能够通过相关的措施，尽可能逼近理想波形。本文研究采用的是把形成恒定直流输出的D桥以及Y桥直流侧注入电流，同时依托多电平阶梯波的方式来完成[26]。多电平阶梯波需要满足如下标准：（1）需要具有一致的高度和宽度值。（2）过零点位置要确保具有足够宽的波形。要满足这些标准的前提下，才能使得设备运行具有足够的可靠性以及稳定性。一般情况下，会利用电流波形注入的方式来实现谐波的有效消除。这个章节将会对于电流源型变换器（FLCR-CSC）进行仿真，分析选择的类型是五电平注入式。具体的情况可以参考图2-5。图2-5电路结构（FLCR-CSC）Fig.2-5Circuitstructure(flcr-csc)和十二脉波变换器设备不同的是，FLCR-CSC具有额外的4个注入支路[27]，并且是由单抗器和逆阻型全控开关器件所构成。需要使得变压器设备的两副边绕组能够具有相同的数据，一个是输出电压，还有一个是输出电流。要确保AG1、AG2、AG3、AG4和BG1、BG2、（1）要具备300Hz的开关频率参数。（2）为了让两三相桥直流侧的电流波形有零值区间周期性的变化，可以利用注入支路开关的触发脉冲的组合来实现。（3）处于一定的时长范围内，注入支路中的全部开关能够遍历各个开关的运行状态。（4）AG1−A上述条件都是确保系统可以稳定运行的重要标准。1.1.3仿真分析FLCR-CSC本文还对于FLCR-CSC的运行机理进行了模拟仿真处理，利用了常用的PSCAD程序，具体的仿真参数数据可以见表2-2。表2-2仿真分析FLCR-CSC参数Tab.2-2Simulationanalysisofflcr-cscparameters设备参数参数值触发角变压器变比网侧线电压平衡电抗器电感量变压器容量30°1010kV0.1H1MVA设备中的各个参数波形分布状态可以见图2-6：图2-6移相变压器副边电流以及网侧A相电流电压Fig.2-6Secondarysidecurrentofphaseshiftingtransformerandphaseacurrentandvoltageofgridside由图2-6可以看出，与原有十二脉波变换器的网侧电流进行比较发现，其波形分布和正弦波是十分接近的。FLCR-CSC网侧电流Ia的谐波波形状态见图2-7图2-7