三电平逆变器拓扑结构、调制策略的研究及其在APF中的应用

发布时间：2016-05-26 07:11

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义
近年来，雾霾对人们的日常生活带来了很大影响和不便，而改善这一现象的重要途径是开发清洁能源，改善能源利用率。随着新能源技术的不断发展，功率等级的要求不断提高，能源的转换过程中的效率问题也越来越引起重视[1]。在工业生产以及日常生活中大量使用的各种电力电子装置都是非线性负载，如不间断电源、变频调速器、开关电源、整流设备、电弧炉、变频空调、电梯等，这些非线性负载会产生很多的谐波电流到电网中形成谐波污染，引起功率因素的下降、电压波动以及三相不平衡等电能质量问题，这就对电源设备以及电能质量设备提出了很高了要求[2]。因此，提高用电质量的稳定性和纯净度十分有必要，这样能保证人们的用电质量以及高精度用电设备的可靠、安全运行，减少因谐波引起的医疗事故、生产缺陷、供电中断等状况，减低因谐波引起的输、配、用电设备发热异常、绝缘老化，保证和延长电气设备的使用寿命，防止因发热、老化问题引起的电气火灾，减少电气维护成本的同时保证企业的安全化运营[3]。为了解决一系列的问题，电力电子技术起到了关键性的作用，特别是对于电压源型逆变器。不管是在新能源技术、电源技术还是在电能质量优化技术中，逆变器都是核心器件，如光伏并网逆变器、有源电力滤波器以及静止无功补偿器等。目前，为了让逆变器的性能最优，控制更简便，围绕新的逆变拓扑结构以及控制方式领域的研究显得越来越迫切。在大容量逆变器中，相比于两电平逆变器而言，多电平技术在各方面的性能都优异，因而在实际运用中得到更多重视[1-4]。一般来说，多电平逆变技术是基于三电平逆变技术，按照一定的拓扑结构的形成，和电平数与产生正弦阶梯波电平台阶成正比，因此更接近正弦波，谐波成分的减少。在理论上，多电平逆变器可以实现任何数量的水平，但在实际应用中，由于硬件和控制的复杂性，在一般情况下达到一定的性能要求时即可，不能不盲目追求过高电平，三电平较实在[5-7]。
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1.2 研究现状
1980 年日本学者 Nabae 首次提出了三电平 NPC 逆变电路，经大量的研究后，多电平逆变器进入了一个新阶段。该电路结构有小的输出高次谐波和功率因数可被控制的优点，得到了不断的应用。1992 年 T.A Meynard 和 H.Foch 等学者做出了飞跨电容钳位多电平逆变器，这种方法避免了二极管钳位多电平电路的电压而引起的不平衡，难以快速恢复关断二极管的反向电压问题。但因为需要许多电容器，电容器电压平衡要平衡也是比较困难的[5]。2000 年 Fangz．Peng 合并多个钳位多电平逆变器的功能优点后，在电气和电子工程师应用年会上，构建了一种通用的多电平逆变电路[6]，并从理论上和实验中验证了逆变器的实用价值，真正有意义的多级控制的主电路结构，并得到了广泛的应用。后来人们在以前的多电平拓扑的基础上经过改进了形成了其他的多种电平的拓扑结构。目前三电平逆变器主要分为三类基本的拓扑：级联式、飞跨电容式和二极管钳位式[16]。主要优缺点如下：① 飞跨电容式：开关矢量的灵活性较大，可根据实际情况作出更多选择。主要不足为存在大量电容，在实际应用中带来很多不便，且成本比较大[17-19]。② 级联型：易于进行模块化设计，可靠性高，畸变小，扩展容易。主要缺点是每个单元需要隔离的直流电源，即存在多组独立直流母线电压，且制动能量的回馈再利用实现起来较为困难[20-23]。③ 二极管箝位型：效率高，漏电流小，很容易实现能量的回馈。主要缺点是存在中点不平衡问题，且存在单管爆管的风险[24-27]。
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2 三电平逆变器拓扑结构

目前，三电平逆变拓扑结构已经在产业化的过程中得到了充分发挥，且性能相比两电平而言有明显改善。本章首先对三种典型的三电平逆变拓扑结构进行了分析，在此基础上，以三电平结构的原始初衷为依托分析了两种新型的三电平逆变器拓扑结构，最后将两种新型拓扑电路与典型的二极管箝位型拓扑结构做了对比分析。


2.1 三种典型的三电平逆变拓扑结构

2.1.1 二极管箝位型三电平逆变拓扑结构

NPC 型三电平逆变拓扑与一般的半桥型两电平逆变拓扑结构相比，A、B、C 三相的桥臂上分别增加了两个功率管以及反向续流二极管，并在直流侧增加了两个等值分压电容即 C1=C2，每桥臂分别增加了两个中点箝位二极管连接到电容的中点，如图 2.1 所示。箝位二极管有两个作用：（1）将每个桥臂的连接点电位箝位到零电位，从而使相电压输出在原来两电平的基础上增加中性点电位 0。（2）防止直流侧的均压电容被短路。如果 A 相上端的箝位二极管 D1用导线代替来引出中性点电位，当开关管 Sa1导通时直流侧的分压电容 C1将被短路。同理，D2的作用是防止开关管 Sa4导通时直流侧分压电容C2被短路。因此，两个箝位二极管起到了主要的中点引出作用。接下来分析图 2.1 的工作原理（A 相），取从逆变器流向负载的方向为正，以 O 点为中性点，如图 2.2 所示。

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2.2 两种新型的三电平逆变拓扑结构
目前，在实际应用中，二极管钳位型三电平逆变器已经得到了广泛应用，如电机驱动、新能源发电、有源电力滤波、无功功率补偿等，相比另外两种拓扑结构而言具有优越的实用性能，因而得到国内外广大学者的深入研究。介于二极管钳位型拓扑结构各个开关管开关频率不均衡问题，在三相二极管钳位型(图 2.6（a）所示)三电平拓扑结构的基础上，Floricau et al.等提出了三电平二叠分 NPC（3L-SNPC）结构，如图 2.6（b）所示。3L-SNPC 是由 6 个分配在三边的开关管和两个钳位二极管组成，将中间两个功率开关管的开关频率均衡到了另外连个反串联的功率管上，从而将开关管的频率均衡化。后来，Floricau et al.等又提出了一种可控二叠分中点钳位逆变器（3L-ASNPC），这种拓扑是 3L-SNPC 结构进一步演化来的结果，增加了两个可控开关通过钳位二极管来反并联连接，如图 2.6（c）所示。对此，相关学者又做了深入研究，针对 3L-ASNPC 拓扑结构又做了进一步分析，并提出了相关控制算法。以上几种都是以中点钳位（NPC）为基础的拓扑结构，3L-ASNPC 结构由于额外增加了可控开关管以及二极管，实现了各个开关管开关频率的均衡分配，但额外增加了系统成本，并使得控制难度加大。二极管箝位型三电平逆变拓扑结构的主要思路就是利用两个箝位二极管将直流电源侧分压电容的中点电位引出，从而使每相的电压输出增加一个 0 电平，实现三电平输出。同时，箝位二极管还有一个很重要的作用，就是将直流侧电压平均箝位到各个功率开关管，使每组开关状态下均有两个功率开关管均分直流电压，从而降低每个功率开关管所需承受的电压。因此，每个功率开关管在选取时只用考虑一半的直流电压即可，但在实际应用中这样会存在一个安全隐患，如果控制信号出现故障，容易出现爆管现象。比如，在图 2.1 所示的 NPC 模型中中，在 N 状态本应 Sa3、Sa4均闭合而 Sa1、Sa2均断开，如果控制信号出错或功率管自身问题导致此时 Sa1 误动作开通了，这将使整个直流侧电压都加在了 Sa2上，会导致 Sa2承受过电压而爆管。
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3 三电平逆变器的控制策略.........20
3.1 引言..........20
3.2 三电平无角度运算 SVPWM 策略.........20
3.2.1 三电平无角度运算 SVPWM 在 NPC 型拓扑电路中的工作原理....20
3.2.2 三电平无角度运算 SVPWM 在级联型拓扑电路中的工作原理......26
3.3 逆变系统系统无角度化..........28
3.3.1 直流母线电压控制.......28
3.3.2 参考电流的产生...........30
3.4 本章小结..........32
4 计算机仿真.........33
4.1 三电平无角度运算 SVPWM 在 NPC 型拓扑中的仿真.......33
4.2 基于三电平无角度运算 SVPWM 的级联型逆变器仿真.....38
4.3 本章小结..........41
5 三电平逆变器的硬件设计.........42
5.1 硬件总体设计..........42
5.2 主电路设计......42
5.3 控制器设计......44
5.4 驱动电路设计..........45
5.5 本章小结..........49

7 三电平逆变器在有源电力滤波器中的应用

近几十年来，电力系统中引入了大量的可控和不可控整流器，使电网的电流畸变，严重时近似方波及尖脉冲[57-62]。电力系统的电压、电流发生较为严重的畸变时，很多电力系统问题就无法采用传统的正弦电网理论了，这会给按照传统正弦理论建立的电力系统无法可靠稳定的运行，极大的增加了电网的故障率[53-58]。然而，电力系统有时是十分复杂的，考虑到作为谐波源的电力电子装置本身的工作机理，想完全的消除电力系统中的谐波是不可能的，所以，对电力系统中的谐波源采取有效的滤波方式是十分有必要的。传统无源电力滤波器结构简单、运行和维护容易、吸收特定次谐波的效果十分明显，且可以同时进行无功功率补偿[47-52]。然而，结构本身决定了 PPF 应用过程中存在的必然不足：（1）易谐振，相反使得谐波放大，影响滤波效果。（2）只能滤除特定的谐波分量，使得当存在较多的谐波含量时需要采用多个滤波器，增大了系统成本和体积。（3）滤波性能受电力系统的工作模式、结构及频率波动的影响，可能和预想的滤波效果存在偏差。（4）和电力系统可能发生串联谐振，使电压发生畸变，进而产生额外的谐波电流，影响滤波效果[45-49]。很多学者开始了有源电力滤波器的探究。目前，研究 APF 主要包括三个方面：（1）逆变器拓扑结构（2）逆变器控制策略（3）谐波电流检测。前两点在前面几章中已经做了详细论述，本章重点写谐波电流检测以及整个 APF 系统构成。

7.1 谐波电流检测
APF 的谐波电流检测环节直接决定其谐波电流的补偿效果，根据不同的电能质量治理需求，包括多种检测方式。考虑到目前的实际应用中主要是瞬时无功功率理论检测法，本文着重阐述该方法。其主要思想是根据瞬时功率的波动是系统电压和谐波电流作用的结果来检测谐波电流，以此为基础衍生出了多种谐波电流检测方法，如 p-q 法、ip-iq法等。ip-iq法检测谐波电流不受电网电压畸变的影响，在实际应用中更具优势，因此，这里重点介绍该算法。
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结论

三电平逆变器目前已逐步在实际中应用，作为新型电力电子变换技术，能适应各大容量和耐压的系统，同时能在相同开关频率下降低逆变器的开关损耗和谐波含量。此外，将三电平技术应用到 APF 中，并对谐波电流检测技术进行了一定的研究。对三电平逆变器及其在 APF 中的推广应用具有重大意义。论文主要研究成果总结如下：
（1）研究了两种新型的三电平逆变器拓扑，并将其与典型的 NPC 型拓扑做了对比分析。一方面从减少主电路中的器件考虑，从而降低成本和功率损耗；另一方面从均衡各个开关管的开关频率考虑，提高逆变器整体的最大开关频率以及可靠性。
（2）针对三电平逆变器常规的 SVPWM 的固有缺陷，提出了一种无角度运算的SVPWM（NAC-SVPWM）算法，充分利用三相电压的相位关系，并将其转化为线性比例关系，进而达到简化调制算法的目的。该算法在实际应用中，可大大减低控制器的计算负荷，同时方便向更多电平推广，具有一定的应用价值。
（3）针对无角度运算 SVPWM 算法在 NPC 型和级联型拓扑中的实现，分别搭建了仿真模型，验证了本文所提出的无角度运算 SVPWM 算法的可行性，跟常规调制方法的输出结果基本一致，同时，能与中点平衡冗余控制相结合，降低输出波形的总谐波失真。此外，该算法相比传统 SVPWM 算法而言，避免了三角运算，大大减少了控制器需要的运算时间，使得系统实际运行的时间减少了 1/3 左右，效率明显提高。
（4）介绍了三电平逆变器硬件总体设计方案，主要概括了三电平逆变器的系统构成，并详细分析了三电平逆变器主电路的设计，包括反串引出型和级联型三电平拓扑电路的设计及器件选型。然后介绍的控制器以及驱动电路的设计，并对比了反串引出型三电平逆变器与 NPC 型在驱动电路设计上的区别，，反串引出型拓扑可以减少驱动电源的个数，减少系统成本。
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参考文献(略)

本文编号：49947