級(jí)聯(lián) H 橋型 SVG 功率單元設(shè)計(jì)及控制策略研究（可編輯）

1、 碩士學(xué)位論文級(jí)聯(lián) h 橋型 svg 功率單元設(shè)計(jì) 及控制策略研究the design of power cell of cascadedh bridge svg and research oncontrol strategy蘇 健 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2012 年 7 月國內(nèi)圖書分類號(hào):tm714 學(xué)校代碼:10213 國際圖書分類號(hào):621.3 密級(jí):公開工學(xué)碩士學(xué)位論文級(jí)聯(lián) h 橋型 svg 功率單元設(shè)計(jì) 及控制策略研究碩士研究生:蘇 健 導(dǎo) 師:國海峰 副教授 申請(qǐng)學(xué)位:工學(xué)碩士 學(xué)科:電力電子與電力傳動(dòng) 所 在 單 位:電氣工程系 答 辯 日 期:2012 年 7 月 授予學(xué)位單位:哈爾

2、濱工業(yè)大學(xué)classified index:tm714 u.d.c.: 621.3 dissertation for the master degree in engineeringthe design of power cell of cascadedh bridge svg and research oncontrol strategy candidate: su jian supervisor: associate prof. guo haifeng academic degree applied for: master of engineering specialty:power el

3、ectronics andpower drives affiliation:dept. of electrical engineering date of defence: july, 2012 degree-conferring-institution: harbin institute of technology 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要 隨著人們對(duì)電能質(zhì)量要求的不斷提高,柔性交流輸電系統(tǒng)(facts)近年來發(fā)展迅速。svg 作為其中的重要一員,控制性能優(yōu)越,補(bǔ)償效果佳,能有效抑制電壓波動(dòng)與閃變,消除諧波,已經(jīng)成為 facts 裝置的研究方向與熱點(diǎn)。 本文的研究對(duì)象是級(jí)聯(lián) h

4、 橋型 svg,與多重化變壓器的結(jié)構(gòu)相比,它避免了價(jià)格昂貴、體積大、損耗大以及變壓器的鐵磁非線性等缺點(diǎn),同時(shí)與其他多電平結(jié)構(gòu)相比,級(jí)聯(lián) h 橋型 svg 的結(jié)構(gòu)簡單、所需元器件少、易于實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。本文首先分析了 svg 的無功補(bǔ)償原理,然后對(duì)常用的兩種調(diào)制策略進(jìn)行仿真分析,最后采用單級(jí)倍頻 cps-spwm 的調(diào)制方法,使用一對(duì)反相的正弦調(diào)制波與三角載波進(jìn)行比較,可以使等效開關(guān)頻率提高 2n 倍,控制策略包括直流側(cè)電容電壓控制和交流側(cè)控制,直流側(cè)采用有功電壓矢量疊加的控制方法,維持直流電容電壓為恒值;交流側(cè)則采用狀態(tài)反饋解耦控制,能夠?qū)崿F(xiàn)有功電流和無功電流的完全解耦。仿真結(jié)果表明本文所采用

5、的調(diào)制策略和控制策略具有響應(yīng)快、補(bǔ)償效果好、直流側(cè)電容電壓保持平衡的優(yōu)點(diǎn)。 其次,對(duì)級(jí)聯(lián) svg 的功率單元進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)功率單元要實(shí)現(xiàn)的具體功能,設(shè)計(jì)了 igbt 驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)采樣電路、開關(guān)電源電路、光纖接口電路和fpga 的 spwm 產(chǎn)生電路,同時(shí)還分析了主電路的損耗,并設(shè)計(jì)了散熱環(huán)節(jié)。 最后,通過實(shí)驗(yàn)對(duì)功率單元的電路功能進(jìn)行調(diào)試。結(jié)果表明各部分組成電路工作正常、性能良好,證明本文所設(shè)計(jì)的功率單元基本達(dá)到要求,為級(jí)聯(lián) svg裝置的完成打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:級(jí)聯(lián) h 橋;svg;單極倍頻 cps-spwm;狀態(tài)反饋解耦控制;電容電壓平衡控制;功率單元 - i- 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士

6、學(xué)位論文 abstract with the raised requirement of electric power quality, flexible ac transmission system has been rapidly developed in recent years. as one of the important member in it, svg has already become a hot research topic and direction of facts equipments because of its superior control perform

7、ance and good compensation effect. it can effectively suppress voltage fluctuation, and reduce harmonicsthis paper analyzed the cascaded h-bridge svg which avoids the high cost, huge volume, high loss and transformer ferromagnetic nonlinear caused by multiple of transformer structure and has series

8、of advantages of simple structure, less devices, easy to achive modular design and packaging compared with other multilevel structure. this paper analyzed the basic compensation principle of svg firstly, then compared and analyzed the two commonly used modulation strategies, finally, chose the unipo

9、lar of double frequence cps-spwm mode. it will raise the equivalent switching frequency 2n times, with using a pair of inverting modulation wave to compare with the triangle carrier wave. control strategies include dc side capacitor voltage control and ac side control, active voltage vector superpos

10、ition control algorithm was applied to dc side to balance the capacitor voltage; the ac side was controlled by state feedback decoupled control, which can achieve decoupling completely of active and reactive power. simulation result showed that the above methods can achieve fast dynamic response, pr

11、ovide better effect of reactive power compensation, maintain the balance of dc capacitor voltagesecondly, completed the design of power cell, which in the cascaded svgaccording to the specific functions, which to be achieved in the power cell, this paper designed the driving circuit of igbt, signal

12、sampling circuit, power supply circuit, optical fiber interface circuit and the spwm producing circuit of fpgaalso, analyzed loss and heat dissipation of the main circuitat last, debugging the functions of the power cell through the experiment. and the result were successful. the power cell designed

13、 in this paper is correct. all of these laid a solid foundation for cascaded svgkeywords: cascaded h-bridges, svg, unipolar dual-frequency cps-spwm, state feed-back decoupled control, capacitor voltage balancing control, power cell - ii- 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 摘 要 i?abstract ii?第 1 章 緒 論. 1?1.1 課題背景、研究

14、目的和意義1?1.2 無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展概況 2?1.2.1 晶閘管控制電抗器 t cr. 2?1.2.2 晶閘管投切電容器tsc. 2?1.2.3 靜止無功發(fā)生器svg. 3?1.3 svg 的研究現(xiàn)狀. 5?1.3.1 svg 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀5?1.3.2 多電平逆變器調(diào)制策略的研究現(xiàn)狀7?1.3.3 svg 控制策略的研究現(xiàn)狀8?1.4 本文的主要研究內(nèi)容9?第 2 章 svg 的基本原理與調(diào)制策略分析 10?2.1 svg 的基本原理10?2.2 svg 的主電路結(jié)構(gòu). 11?2.3 調(diào)制策略分析 12?2.3.1 cps-spwm 分析. 12?2.3.2 cps-spwm 仿真

15、驗(yàn)證14?2.4 本章小結(jié). 16?第 3 章 svg 控制策略研究及仿真分析. 17?3.1 svg 的數(shù)學(xué)模型17?3.1.1 基于 abc 坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型 17?3.1.2 基于 dq0 坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型19?3.2 svg 的控制策略21?3.2.1 直流側(cè)電容電壓控制21?3.2.2 交流側(cè)控制25?3.3 svg 的仿真分析27?3.3.1 開環(huán)仿真分析28?3.3.2 閉環(huán)仿真分析30?- iii- 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 3.4 本章小結(jié). 34?第 4 章 功率單元設(shè)計(jì) 35?4.1 功率單元的整體結(jié)構(gòu) 35?4.2 主電路參數(shù)選擇36?4.2.1 開關(guān)器件 igb

16、t 的選擇36?4.2.2 連接電抗器的選擇 36?4.2.3 直流側(cè)電容的選擇 37?4.3 igbt 驅(qū)動(dòng)電路. 37?4.4 信號(hào)采樣電路39?4.5 輔助電源電路40?4.6 主電路損耗與散熱分析43?4.7 光纖接口電路47?4.8 基于 fpga 的 spwm 電路47?4.9 本章小結(jié). 49?第 5 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析50?5.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)50?5.2 功率單元實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析51?5.2.1 igbt 驅(qū)動(dòng)電路調(diào)試. 51?5.2.2 開關(guān)電源調(diào)試54?5.2.3 功率單元調(diào)試57?5.3 本章小結(jié). 59?結(jié) 論. 60?參考文獻(xiàn) 61?哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文原

17、創(chuàng)性聲明及使用授權(quán)說明. 65?致 謝. 66?- iv- 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 第 1 章 緒 論 1.1 課題背景、研究目的和意義 如今,電能已經(jīng)成為人類社會(huì)發(fā)展過程中的重要能源之一,動(dòng)力、冶金、照明等很多領(lǐng)域都離不開電能。我國是發(fā)展中國家,電能的主要產(chǎn)生途徑是傳統(tǒng)的火力發(fā)電和水力發(fā)電。用煤炭來進(jìn)行火力發(fā)電,不僅成本高、對(duì)空氣污染重,而且煤炭作為一種不可再生能源,不能長期使用;水力發(fā)電雖然成本低,但對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的破壞比較嚴(yán)重。?隨著用電需求的日益增長,現(xiàn)存的能源已經(jīng)不能滿足日常生活和工業(yè)需要,解決的方法主要有兩種:一是開發(fā)新能源;二是提高現(xiàn)有的電能利用率。新能源開發(fā)與利用主要包

18、括風(fēng)力發(fā)電、核能發(fā)電以及太陽能發(fā)電;而電能利用率的提高主要是依靠無功補(bǔ)償技術(shù)。?當(dāng)把感性或容性負(fù)載接入交流電網(wǎng)時(shí),有一部分電功率并不做功,而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰坑脕斫⒑途S持磁場(chǎng)。這些沒有做功的電功率,就是我們所說的無功功率。一般情況下,電網(wǎng)電壓的波動(dòng)主要是由無功功率引起的。?隨著人類社會(huì)的進(jìn)步,大量的新型電力電子設(shè)備出現(xiàn)在人們的日常生活、高新技術(shù)、醫(yī)療系統(tǒng)以及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。這些設(shè)備需要的大量的無功功率,嚴(yán)重破壞了電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。例如,啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí),會(huì)形成沖擊性的無功功率,使得電網(wǎng)電壓產(chǎn)生劇烈波動(dòng),造成接在同一電網(wǎng)的其他負(fù)載也無法正常工作。由于電網(wǎng)中的負(fù)載種類越來越多、容量越來越大,所以

19、供電系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的無功功率也大幅增加,這種情況直接導(dǎo)致電網(wǎng)中電流增大,損耗增加。另一方面,1如果無功功率不足又會(huì)影響供電質(zhì)量,造成設(shè)備啟動(dòng)困難 。?在我國,輸配電技術(shù)手段比較落后,并且電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱,諧波與無功調(diào)節(jié)非常不力,因此,需要對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行必要的無功功率補(bǔ)償,以此來提高電網(wǎng)的功率因數(shù)和供電質(zhì)量。在各種無功補(bǔ)償裝置中,靜止無功發(fā)生器 svg 是非常先進(jìn)的補(bǔ)償設(shè)備,發(fā)展前景廣闊。svg 的電路結(jié)構(gòu)是由全控型電力半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的橋式電路,通過正確合理的控制方法,使其不但能夠發(fā)出無功,而且還能吸收無功,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?本課題的目的是研究應(yīng)用于 10kv 電網(wǎng)中的 svg 無功補(bǔ)償裝置,

20、主要工作是對(duì)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的功率單元進(jìn)行重點(diǎn)研制,主要用于補(bǔ)償系統(tǒng)中的無功功率,提高功率因數(shù),保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。?- 1- 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 1.2 無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展概況 早期的無功補(bǔ)償裝置為機(jī)械式的同步調(diào)相機(jī),具有響應(yīng)速度慢和開關(guān)周期長的缺點(diǎn)。固定并聯(lián)電容器也是早期應(yīng)用比較多的無功補(bǔ)償設(shè)備,它的阻抗值固定,補(bǔ)償能力有限,不能實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載無功需求的變化,無法快速補(bǔ)償,也不是理想的補(bǔ)償裝置。因此,電力系統(tǒng)急需新型的無功補(bǔ)償裝置。?新型的無功補(bǔ)償裝置主要有靜止無功補(bǔ)償器(static? var? compensator,svc)和 svg,svc 通過調(diào)節(jié)輸出與電網(wǎng)交換容性或感性無功,以

21、此來提高功率因數(shù)?；诎肟匦途чl管的 svc 裝置可以借助晶閘管的特性來實(shí)現(xiàn)可變的無功電抗,主要包括晶閘管控制電抗器(thyristor?controlled?reactor,tcr),晶閘管投切電抗器(thyristor?switched? reactor,tsr),以及晶閘管投切電容器(thyristor?switched?capacitor,tsc)。?1.2.1 晶閘管控制電抗器tcr圖 1-1 tcr 單相結(jié)構(gòu)簡圖 tcr 的三相結(jié)構(gòu)一般采用三角形連接,圖 1-1 為 tcr 的單相基本結(jié)構(gòu)圖。它由兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器串聯(lián)組成,相當(dāng)于一個(gè)感性負(fù)載的交流調(diào)壓電路。觸發(fā)延遲角的

22、移相范圍為 90180 ,當(dāng)? 90 ?時(shí),晶閘管的導(dǎo)通角是180 ?,相當(dāng)于直接把電抗器接入電網(wǎng),這個(gè)時(shí)候補(bǔ)償裝置吸收的無功功率最大;當(dāng) 90 180?時(shí),晶閘管的導(dǎo)通角變小,在相同的周期內(nèi),電抗器2只有一部分時(shí)間接入電網(wǎng),因此這時(shí)補(bǔ)償裝置吸收的無功功率變小 。綜上所述,通過控制觸發(fā)延遲角,就可以控制裝置吸收的無功功率。?1.2.2 晶閘管投切電容器tsc 晶閘管投切電容器(tsc)的單相結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示。可知,反并聯(lián)晶閘管不僅串聯(lián)了電感,還串聯(lián)了電容。電容器的加入主要是用于無功補(bǔ)償,而電感的功能是用來抑制沖擊電流。在實(shí)際應(yīng)用中,通常將電容器劃分成多個(gè)組,每組都由晶閘管控制投切。?-

23、2- 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文圖 1-2 tsc 單相結(jié)構(gòu)簡圖 在實(shí)際系統(tǒng)中使用 tsc 進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí),晶閘管的最佳開通時(shí)刻就是當(dāng)電源電壓和電容器充電電壓相等時(shí)。如果在兩者電壓不相等時(shí)開通晶閘管,會(huì)2導(dǎo)致電容器兩端電壓發(fā)生跳變,產(chǎn)生沖擊電流,對(duì)電路造成損害 。所以在實(shí)際使用時(shí),一般把電容器兩端電壓預(yù)先充電到電網(wǎng)電壓峰值,再開通晶閘管,因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓在峰值點(diǎn)時(shí)的變化率為 0,由電容的特性可知,此時(shí)電容器上的電流變化率也為 0,不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流,是晶閘管的最佳開通時(shí)刻。?1.2.3 靜止無功發(fā)生器svg 靜止無功發(fā)生器static var generator,svg出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 80

24、年代,它的主電路是一個(gè)橋式變流器,采用全控型的開關(guān)器件。通過控制全控型開關(guān)器件的通斷,可以使交流側(cè)產(chǎn)生幅值和相位均可調(diào)的電壓或電流,從而實(shí)現(xiàn)無功2,3補(bǔ)償 。?根據(jù)直流側(cè)儲(chǔ)能元件的不同,有電壓型 svg和電流型 svg兩種電路結(jié)構(gòu),如圖 1-3 所示。電壓型結(jié)構(gòu)中直流側(cè)的儲(chǔ)能元件是電容,而電流型 svg 的直流側(cè)儲(chǔ)能元件是電感。目前大多使用電壓型 svg進(jìn)行補(bǔ)償,逆變器由電抗接入電網(wǎng),該電抗值要比相同容量的其他無功補(bǔ)償裝置所需的電抗值小很多,主要用于濾除交流側(cè)輸出的高次諧波。 vd vd vd a vd vd vda b c b c1 3 5 1 3 5l1l2lcl3c c c1 2 3vd

25、 vd vd vd vd vd4 6 2 4 6 2 a電壓型電路結(jié)構(gòu)? b電流型電路結(jié)構(gòu)?圖 1?3? 電壓型和電流型結(jié)構(gòu)的 svg - 3- 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 靜止無功發(fā)生器 svg 是目前無功補(bǔ)償領(lǐng)域最先進(jìn)的補(bǔ)償裝置,對(duì)無功功率和諧波都能進(jìn)行快速高效的補(bǔ)償,具有廣闊的發(fā)展前景。與其他類型的無功2,3補(bǔ)償裝置相比,具有如下優(yōu)點(diǎn) : 響應(yīng)速度快。 svg 的響應(yīng)時(shí)間只有傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置響應(yīng)時(shí)間的一半,大約為 10ms; 具有更強(qiáng)的抑制電壓閃變的能力。抑制比可以達(dá)到5:1,而 svc 最大只有 2:1; 直流側(cè)不需要大容量的儲(chǔ)能元件,成本更低、體積更小,裝置容量相同時(shí),svg 的

26、占地面積和 svc 相比只有后者的 40%; 運(yùn)行范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好。調(diào)節(jié)特性與系統(tǒng)的工作狀況無關(guān),而且 svg 產(chǎn)生的無功電流基本不受系統(tǒng)電壓變化的影響,即使系統(tǒng)電壓大幅度下降,svg 仍然能夠穩(wěn)定地輸出系統(tǒng)所需的無功電流; 補(bǔ)償功能多樣化。svg 除了可以用來補(bǔ)償系統(tǒng)的無功之外,還能解決系統(tǒng)的諧波電流和負(fù)序電流問題; 諧波含量少、輸出特性良好。svg 通過采用多重化、多電平和 pwm技術(shù)等可以解決傳統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備中由于諧波含量大而使濾波器設(shè)計(jì)比較困難的問題。不僅低次諧波被消除,高次諧波也能相應(yīng)減少; 不會(huì)產(chǎn)生諧振。這是由 svg 中的電容器容量小決定的,而傳統(tǒng)的補(bǔ)償設(shè)備采用投切固定

27、電容器的補(bǔ)償方式,直流側(cè)電容器的容量要比 svg 的電容器容量大很多,如果系統(tǒng)中使用多臺(tái)的話,很大情況下會(huì)產(chǎn)生諧振; 具有提供一定量有功功率的功能。svg 直流側(cè)的儲(chǔ)能電容或直流電源在確保能夠提供系統(tǒng)所需的無功功率的前提下,還能提供一定的有功功率。這對(duì)供電系統(tǒng)來說是非常有益的,具有傳統(tǒng)補(bǔ)償裝置無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。 表 1-1 各種無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的簡要對(duì)比晶閘管控制同步 飽和 晶閘管投 混合靜補(bǔ)裝置 靜止無功電抗器tcr調(diào)相機(jī) 電抗器 切電容器 tcr+tsc 或 發(fā)生器sc sr 或 fc+tcr tsc tcr+msc svg 響應(yīng)速度 慢 較快 較快 較快 較快 快 吸收無功 連續(xù) 連續(xù)

28、 連續(xù) 分級(jí) 連續(xù) 連續(xù) 控制 簡單 不控 較簡單 較簡單 較簡單 復(fù)雜 諧波電流 無 大 大 無 大 小 分相調(diào)節(jié) 有限 不可 可以 有限 可以 可以 損耗 大 較大 中 小 小 很小 噪聲 大 大 小 小 小 很小- 4- 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 表 1-1 把各種無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行了簡要對(duì)比,可以看出,svg 更具有優(yōu)勢(shì),它的響應(yīng)速度快、諧波電流小。因此, 作為無功補(bǔ)償領(lǐng)域中的一種新興47技術(shù)已經(jīng)成為許多國家的重點(diǎn)研究對(duì)象 。 1.3 svg 的研究現(xiàn)狀 svg 的研究現(xiàn)狀主要包括主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、多電平逆變器的調(diào)制方法和控制策略三個(gè)方面。 1.3.1 svg 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

29、svg 主電路分為電壓型和電流型兩種電路結(jié)構(gòu),電壓型 svg 的主電路又分為多重化和多電平兩種結(jié)構(gòu)。其中,多電平結(jié)構(gòu)主要包括二極管箝位式、飛8跨電容箝位式和級(jí)聯(lián)式三種 。 多重化結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)是將多個(gè)逆變電路通過變壓器依次串聯(lián)起來,把輸出電壓按照一定的相位差進(jìn)行疊加組合,可以得到近似正弦的輸出波形。目前國內(nèi)外投入運(yùn)行的 svg 主電路大多采用這種結(jié)構(gòu)。采用多重化電路結(jié)構(gòu)具有輸出諧波含量低、裝置的電壓和容量水平高的優(yōu)點(diǎn)。但是這種結(jié)構(gòu)的價(jià)格非常昂貴,占整套裝置總成本的 1/3;損耗的能量占裝置總損耗的 50%;占地面積達(dá)到總面積的840%;而且變壓器的鐵磁非線性也會(huì)使控制器的設(shè)計(jì)變得很復(fù)雜 。近些

30、年,國際上投運(yùn)的大容量 svg 大多舍棄了多重化結(jié)構(gòu),而是采用多電平結(jié)構(gòu)。 多電平結(jié)構(gòu) 由于多重化的變壓器結(jié)構(gòu)有很多不足之處,而多電平結(jié)構(gòu)恰恰能夠避免這些缺點(diǎn),因此成為解決大功率應(yīng)用難題的有效方法。多電平的電路結(jié)構(gòu)一般是由直流電壓源和半導(dǎo)體開關(guān)器件組成,通過控制開關(guān)通斷來產(chǎn)生多電平的階梯9,10電壓,進(jìn)而很好地逼近正弦電壓 。 目前,多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為以下三種: 二極管箝位式多電平結(jié)構(gòu) 二極管箝位式多電平逆變器是開發(fā)最早的一種電路結(jié)構(gòu),不需要精確的電壓匹配,輸出電壓就能成倍地有效增加。若 m 代表相電壓的電平數(shù),則線電壓的電平數(shù)為21 m,直流側(cè)所需電容數(shù)為 m ?1,開關(guān)器件的個(gè)

31、數(shù)為 6m-1,那么,需要的箝位二極管的個(gè)數(shù) n 為:n?m ?1m2? 3 (1-1) 圖 1-4 為二極管箝位式的三電平結(jié)構(gòu),直流側(cè)串聯(lián)兩個(gè)大電容 c 、c ,d1 d211,12需要 6 個(gè)箝位二極管。通過開關(guān)器件的不同組合輸出側(cè)可以產(chǎn)生三電平 。- 5- 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 這種結(jié)構(gòu)的主電路簡單,控制電路和算法也簡單,能夠控制功率的雙向流動(dòng)。但是,當(dāng)電平數(shù) m 比較多時(shí),系統(tǒng)中的二極管數(shù)量會(huì)很多,實(shí)際應(yīng)用時(shí)難度很大,而且直流側(cè)電容的均壓比較復(fù)雜和困難。圖 1-4 二極管箝位式的三電平電路圖 飛跨電容箝位式多電平結(jié)構(gòu) 為了解決二極管箝位式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn),即二極管數(shù)量過多的問題,出

32、現(xiàn)了飛跨電容式的多電平結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中,電容取代了二極管對(duì)開關(guān)器件的電壓箝位,這樣由箝位二極管引起的二極管反向電壓恢復(fù)困難的傳統(tǒng)難題,在飛跨13電容箝位式多電平結(jié)構(gòu)中都得到了解決 。 圖 1-5 為三相五電平飛跨電容箝位式逆變器, m 代表輸出相電壓的電平數(shù),則輸出線電壓的電平數(shù)為 2m ?1,直流側(cè)由電源 v 和 m ?1個(gè)電容組成,d開關(guān)器件數(shù)為 6m-1,那么,需要的箝位電容數(shù) n 為: 3n? m ?1?m2 (1-2) 2飛跨電容式結(jié)構(gòu)的直流電源數(shù)只有一個(gè),整流電路設(shè)計(jì)起來會(huì)變得更加容易。但是如果電平數(shù)目太多,箝位器件會(huì)太多,很難做到平衡控制,而且每個(gè)電容都需要單獨(dú)的預(yù)充電電路,增

33、加了主電路的復(fù)雜程度和控制難度。所以實(shí)際應(yīng)用中,采用這兩種電路結(jié)構(gòu)時(shí)一般都要求電平數(shù)不能超過 5 電平。圖 1-5 三相五電平飛跨電容式結(jié)構(gòu) - 6- 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 級(jí)聯(lián)式多電平結(jié)構(gòu) 圖 1-6 為單相級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)的逆變器,總的輸出電壓為逼近正弦波的階梯波,每個(gè) h 橋單元都帶有獨(dú)立的直流電源,相互之間沒有直接的電聯(lián)系,14不存在均壓問題 。直流側(cè)電源決定功率單元中開關(guān)器件的耐壓水平。 udcudc圖 1-6 單相級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖 在圖 1-6 所示的單相級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖中,每個(gè) h 橋單元具有相同的直流電壓,經(jīng)過 pwm 調(diào)制可以輸出+u 、0、-u 三個(gè)電平。 n 個(gè) h

34、橋級(jí)聯(lián),可以輸d d出21 n個(gè)電平。 1517級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)相比于多重化結(jié)構(gòu)和箝位式多電平結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)點(diǎn) : (1)損耗小、成本低、無變壓器的鐵磁非線性問題、且占地面積小; (2)主電路結(jié)構(gòu)簡單,不需要箝位器件,控制器設(shè)計(jì)簡單,當(dāng)輸出相同電平數(shù)的電壓時(shí),所需要的開關(guān)器件數(shù)量最少; (3)每個(gè)單元的直流側(cè)采用相互獨(dú)立的電源供電,電容分壓問題不存在; (4)可采用 pwm 技術(shù)使輸出電壓的諧波含量很低; (5)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)、制造、安裝方便。1.3.2 多電平逆變器調(diào)制策略的研究現(xiàn)狀 級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)之所以比箝位式多電平結(jié)構(gòu)的輸出諧波小,不單只是由它的電路結(jié)構(gòu)決定的,還與其所采用的

35、調(diào)制策略有很大關(guān)系。目前,多電平結(jié)構(gòu)的 pwm調(diào)制策略種類很多,主要有以下幾種: 階梯波脈寬調(diào)制策略 階梯波脈寬調(diào)制就是用階梯波來逼近正弦波,對(duì)功率器件的開關(guān)頻率沒有很高的要求,用低開關(guān)頻率的大功率器件也能實(shí)現(xiàn),例如 gto,但是開關(guān)頻率如果過低,輸出諧波會(huì)非常大,因此,該調(diào)制策略不能應(yīng)用在對(duì)輸出電壓質(zhì)18量要求高的場(chǎng)合 。 - 7- 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 基于載波組的 pwm 調(diào)制策略 對(duì)于 n 單元的級(jí)聯(lián)多電平逆變器,每相采用 n 個(gè)相同頻率相同幅值的三角載波與同一個(gè)正弦調(diào)制波相比較,這些三角載波排成一排,對(duì)稱放置在零參考的兩側(cè),當(dāng)正弦波大于某個(gè)單元的三角載波時(shí),則這個(gè)單元的開關(guān)

36、器件開通;當(dāng)正弦波小于某個(gè)單元的三角載波時(shí),則這個(gè)單元的開關(guān)器件關(guān)斷。這種方法19雖然輸出諧波小,但是實(shí)際應(yīng)用并不多 。 空間矢量 pwm 調(diào)制策略(svpwm) 這種調(diào)制方法的控制思想與兩電平 svpwm 的控制思想相同,但是多電平調(diào)制方法的電壓矢量更密集,能夠合成更接近于圓形磁場(chǎng)的磁鏈,控制效果更加精確,因此,輸出的諧波更小。但是,如果需要輸出的電平數(shù)比較多時(shí),這種方法的計(jì)算會(huì)變得十分復(fù)雜。 載波相移 spwm 調(diào)制策略(cps-spwm) o每相 n 個(gè) h 橋單元都采用相同的調(diào)制波進(jìn)行調(diào)制,三相之間互差120 ,三角載波互相錯(cuò)開相位,都采用 spwm 技術(shù)進(jìn)行控制,易于實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì),

37、n 個(gè)單元的輸出疊加后形成一個(gè)多電平的階梯波,而且輸出電壓的開關(guān)頻率20與調(diào)制度 m 無關(guān),一般廣泛應(yīng)用在級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中 。 1.3.3 svg 控制策略的研究現(xiàn)狀 控制策略是決定 svg 補(bǔ)償效果好壞的重要因素,可以從不同角度進(jìn)行劃分:從實(shí)現(xiàn)的功能角度可以分為開環(huán)、閉環(huán)和復(fù)合控制;從電流控制角度又可以分為間接電流控制和直接電流控制;從控制方法角度可以劃分為 pid 控制、線性最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、微分幾何控制和智能控制等。 對(duì)于級(jí)聯(lián)型 svg,直流側(cè)電容電壓的平衡控制也是主要研究對(duì)象。正常工作時(shí)各個(gè)直流電容相互獨(dú)立,互不影響,理想情況下,由于每個(gè)單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)和觸發(fā)脈沖完全相同,所以直流側(cè)電容電

38、壓會(huì)自動(dòng)保持均衡。但實(shí)際工作時(shí),相與相之間、每一相內(nèi)部的電容電壓都會(huì)存在不均衡。因此,必須采取相應(yīng)的均衡措施。硬件方式需要采用外部電路,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但可以簡化控制算法;軟件方式雖然不需要外部的硬件電路,但有可能使程序算法計(jì)算復(fù)雜。 表 1-2 是當(dāng)前國內(nèi)外的 svg 的工程應(yīng)用現(xiàn)狀。世界上的第一臺(tái) svg 是由日本的三菱電機(jī)和關(guān)西電力公司聯(lián)合研制的,主電路為晶閘管強(qiáng)迫換相的橋式結(jié)構(gòu),容量為20mvar,于 1980 年成功投運(yùn)。之后兩家公司又繼續(xù)合作,于1991 年研制成功了80mvar 的 svg。自此之后,越來越多的更大容量的 svg被成功研制并投入運(yùn)行。 1995 年美國電力研究院 epr

39、i 和西屋電氣公司開發(fā)了2123100mvar 的 svg,還有 1997 年的160mvar 的 svg 等等 。 - 8- 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 表 1-2 國際上部分 svg 工程項(xiàng)目應(yīng)用情況 研制者 投運(yùn)地點(diǎn) 容量(mvar) 主電路 投運(yùn)時(shí)間三菱電機(jī)關(guān)西電力 日本 20 6 重化變壓器耦合 1980 年 西屋公司、epri 美國 20 2 重化變壓器耦合 1986 年 三菱電機(jī)關(guān)西電力 日本 80 8 重化變壓器耦合 1991 年 東芝、日歷 日本 502 4 重化vsi 1993 年 西屋公司、epri 美國 100 8 重化變壓器耦合 1995 年 西門子 德國 8 3

40、電平 2重化變壓器耦合 1997 年 西屋、epri、美國電力 美國 160 3電平 8重化變壓器耦合 1997 年 清華大學(xué)、河南電力公司 中國 20 4 重化變壓器耦合 1999 年 alstom、ngc 英國 75 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu) 1999 年 美國紐約電力局 美國 200 多重化變壓器耦合 2001 年 美國 752 ? 2003 年 alstom 上海電力、清華大學(xué) 中國 50 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu) 2006 年相比之下,我國開始在這方面的研究時(shí)間比較晚,但是并不影響我們?nèi)〉玫某晒?994年,清華大學(xué)在電力部的政策下聯(lián)合河南電力公司開始合作研制20mvar 的 svg,并在 1999 年于河南洛陽的

41、 10kv 變電站并網(wǎng)成功;2006年,我國自主研發(fā)的國際上首臺(tái)基于 igct 的50mvar 的 svg在上海西郊變24電站投入運(yùn)行,標(biāo)志著我國在此研究領(lǐng)域已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位 。 1.4 本文的主要研究內(nèi)容 本文的主要內(nèi)容主要包括以下幾點(diǎn): (1)分析 svg 的基本工作原理,通過對(duì)現(xiàn)有主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較,最終選擇級(jí)聯(lián) h 橋型的電路結(jié)構(gòu),并對(duì)該拓?fù)涞倪B接方式和調(diào)制策略進(jìn)行分析,選擇單極倍頻 cps-spwm 的調(diào)制策略,并進(jìn)行仿真驗(yàn)證; (2)建立 svg的數(shù)學(xué)模型,分別研究級(jí)聯(lián) h橋型 svg的直流側(cè)電容電壓的均衡控制和交流側(cè)的狀態(tài)反饋解耦控制。最后搭建 svg 的仿真模型,分

42、別在開環(huán)和閉環(huán)條件下進(jìn)行仿真驗(yàn)證; (3)根據(jù)功率單元要實(shí)現(xiàn)的具體功能,對(duì)其硬件電路和軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),主要包括主電路參數(shù)選擇、igbt 驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)采樣電路、輔助電源電路和基于 fpga 的 spwm 電路,同時(shí)分析了主電路的損耗和散熱問題; (4)對(duì)所設(shè)計(jì)的功率單元進(jìn)行各部分性能調(diào)試,主要有 igbt 驅(qū)動(dòng)電路調(diào)試、開關(guān)電源調(diào)試和功率單元整體調(diào)試。?- 9- 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2 章 svg 的基本原理與調(diào)制策略分析 靜止無功發(fā)生器 svg 是無功補(bǔ)償技術(shù)的主要發(fā)展方向,它在電力系統(tǒng)中除了可以快速地動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功之外,還能提供電壓支撐,并且提高系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。svg 與

43、傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置相比性能更加優(yōu)越,可以進(jìn)行連續(xù)的無功調(diào)節(jié),這與它的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和調(diào)制策略都是息息相關(guān)的。 2.1 svg 的基本原理 svg 分為電壓型和電流型兩種電路結(jié)構(gòu),電壓型電路結(jié)構(gòu)的直流側(cè)儲(chǔ)能元件是電容,交流側(cè)通過串聯(lián)一個(gè)連接電感接入電網(wǎng);電流型結(jié)構(gòu)正好相反,直流側(cè)用電感儲(chǔ)能,交流側(cè)用并聯(lián)電容。由于電容和電感相比,電容的儲(chǔ)能效率高,所以目前采用的電路結(jié)構(gòu)大多是電壓型的。本文所設(shè)計(jì)的 svg 也是電壓型結(jié)構(gòu)的。 svg 產(chǎn)生的三相電壓與電網(wǎng)電壓頻率相同,僅考慮基波頻率時(shí),svg 可以等效成一個(gè)交流電壓源,通過調(diào)節(jié)它的幅值和相位就可以控制 svg 與電網(wǎng)25之間的無功功率交換 。圖 2

44、-1 為考慮損耗時(shí)的單相等效電路圖,交流系統(tǒng)電壓用 u 表示,svg 的輸出電壓為 u ,電阻 r表示系統(tǒng)的損耗。改變 u 與 us c s c的相量差就可以改變 x 的兩端電壓值,流過其中的電流也會(huì)隨之改變,這樣l就可以改變 svg 產(chǎn)生的無功補(bǔ)償值。圖 2-1 計(jì)及損耗的單相等效電路 理想情況下不考慮連接電抗器的損耗和逆變器的損耗,此時(shí)電網(wǎng)電壓與svg 的輸出電壓頻率相同,相位也相同,只需改變輸出電壓的大小就可以控制 svg 從電網(wǎng)吸收的電流 i 的大小和相位,從而控制無功。如圖 2-2a所示,當(dāng) u u 時(shí),u 與 u 方向相反,電流通過連接電感由變流器流入交流系統(tǒng),c s l s由于流

45、過電感上的電流滯后于其電壓 90,因此對(duì)于單相等效電路來說,電路中的電流相位超前電網(wǎng)電壓 90, svg 裝置吸收電網(wǎng)中的容性無功即等效于向電網(wǎng)輸出感性無功;相反,當(dāng) u u 時(shí),如圖 2-2b所示,電感電壓與電網(wǎng)電c s壓同相,電流從交流系統(tǒng)經(jīng)過電感流入變流器,svg 單相等效電路中的電流- 10- 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 相位滯后于電網(wǎng)電壓 90, svg 裝置吸收電網(wǎng)中的感性無功即等效于向電網(wǎng)輸出容性無功。 uu icusuctus ula u u 時(shí),電流超前 b u u 時(shí),電流滯后 c s c s圖 2-2 理想情況下的補(bǔ)償原理 實(shí)際應(yīng)用時(shí)裝置不可能工作在理想情況下,電路中

46、必然存在損耗,如圖2-3 所示,u 與 u 間的相位差角為 。此時(shí),電流 i 與 svg 輸出電壓 u 仍相c s c差 90,因?yàn)樽兞髌鳠o需有功能量。而電網(wǎng)電壓 u 與電流 i 之間的相位差角比s90小了 角,也就是說電流 i 有一定量的有功分量,使得電網(wǎng)需要提供一部分的有功功率來補(bǔ)償裝置的損耗。圖 2-3a為容性工況,電流超前;圖 2-3b為感性工況,電流滯后。a 容性工況,電流超前 b 感性工況,電流滯后 圖 2-3 有損耗時(shí)的補(bǔ)償原理 通過分析 svg 的補(bǔ)償原理可知,調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓的幅值和相位即可調(diào)節(jié)補(bǔ)償?shù)臒o功大小。 2.2 svg 的主電路結(jié)構(gòu) 級(jí)聯(lián)式 svg 將三個(gè)單相級(jí)聯(lián)

47、多電平逆變器以星形或角形的方式連接起來,每相分別由連接電抗器接入電網(wǎng)。兩種連接方式分別如圖 2-4a、b所示。 星形連接的 svg 將每相的一個(gè)輸出端連在一起,另一端通過連接電抗接入電網(wǎng),由于中性點(diǎn)和連接電抗的存在,相與相之間存在耦合,并且每相承受的電壓值為電網(wǎng)的相電壓值。三角形連接的 svg 相與相之間相互獨(dú)立,可以等效成三個(gè)單相結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行控制,每相承受的電壓值為系統(tǒng)的線電壓值。 - 11- +哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文a y 形連接 b 形連接 圖 2-4 svg 的三相級(jí)聯(lián)形式 雖然三角形的連接方式比星形連接方式的控制效果好,但是,它每相開關(guān)器件所承受的電壓值大,為星形連接的 3倍

48、。由于系統(tǒng)成本和器件耐壓水平的限制,本文采用星形連接方式的主電路結(jié)構(gòu)。 2.3 調(diào)制策略分析 2.3.1 cps-spwm 分析 cps-spwm 調(diào)制方法是一種專門用于級(jí)聯(lián)型多電平逆變器的 pwm 方法,有雙極性和單極倍頻兩種。 2.3.1.1 雙極性 cps-spwm 調(diào)制原理圖 2-5 單相全橋電壓型逆變器 圖 2-5 所示為一個(gè)單相全橋逆變器,以單相級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)為例,采用雙極性cps-spwm 調(diào)制時(shí),各單元的三角載波相互錯(cuò)開周期的 1/n,與相同的調(diào)制波比較。如果調(diào)制波大于三角載波,開關(guān)管 s 和 s 開通,s 和 s 關(guān)斷,輸出電1 4 2 3壓為 e;如果調(diào)制波小于三角載波,那么,s

49、 、s 關(guān)斷,s 、s 開通,輸出電1 4 2 3壓為-e。其調(diào)制原理如圖 2-6 所示,其中 n4,載波比 k 10,調(diào)制比 m0.8。 c- 12- 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 10-11000-1001000-1001000-1001000-1004000-4000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02ts圖 2-6 雙極性 cps-spwm 調(diào)制原理 圖 2-6 所示的中間 4 個(gè)波形從上到下依次為單元 1 至 4 的輸出電壓波形,最后的 5 電平波形是由 4 個(gè)單元的輸出電壓進(jìn)行疊加得來的,與單個(gè)單元的

50、輸2631出波形相比,更接近正弦波,且諧波分量小 。2.3.1.2 單極倍頻 cps-spwm 調(diào)制原理 10-11000-1001000-1001000-1001000-1004000-4000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02ts圖 2-7 單極倍頻 cps-spwm 調(diào)制原理 當(dāng)級(jí)聯(lián)單元的個(gè)數(shù)為 n 時(shí),每個(gè)單元都用同一個(gè)頻率為 的調(diào)制波 u ,s s三角載波 u 頻率為 k ,三角載波 u 與正弦調(diào)制波 u 和-u 分別進(jìn)行比較,如c c s c s s果 u 大于 u ,則 s 開通,s 關(guān)斷;如果-u

51、 大于 u ,則 s 開通,s 關(guān)斷;如s c 1 2 s c 3 4- 13- u v u vu v u v u v u v 1 usv uov u4v u3v u2v u1v so 4 3 2哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 果 u 和-u 小于 u ,則器件的開關(guān)信號(hào)取反。將每個(gè)單元的三角載波的相位錯(cuò)s s c開半周期的 1/n,調(diào)制原理如圖 2-7 所示,其中 n4,k 10,m0.8。 c圖 2-7 的中間 4 個(gè)波形從上到下依次為單元 1 到 4 的輸出電壓波形,最后的 9 電平電壓波形為 4 個(gè)單元的輸出疊加,可以看出,比雙極性 cps-spwm的輸出電平數(shù)更多、更接近正弦波。 對(duì)比雙極性 cps-spwm 調(diào)制方法和單極倍頻 cps-spwm 調(diào)制方法,可知前者輸出波形的最低次載波諧波為 nk ,而后者的輸出波形的最低次載波諧波c為 2nk 。也就是說單極倍頻 cps-spwm 調(diào)制技術(shù)具有更高的等效開關(guān)頻率、c具有更接近于正弦的輸出波形。載波比 k 20 時(shí)級(jí)聯(lián)逆變器輸出信號(hào)頻譜如圖c2-8 所示。其中