（电力电子与电力传动专业论文）级联型多电平变流器在有源电力滤波器中的应用研究.pdf

浙江大学硕士学位蹬文 t 0 9 e m e r 、而t l lt 1 1 cd e v e l o p m e mo fh i 曲p o w e rs e l f t u r n - o f rd e v i c e s a 1 1 d i n t e l l i g e n t h i 曲s p e e dm i c r o c o r l n d l k r ，l l i 曲p o w e re l e c 廿0 n i ce q u i p m e n ti sm o r ea n dm o r e 、i d e l ya p p l i e d t r a d m o n a l l y ，m u l t i - m o d u l 甜c o n v c n e r 蛐咖r e ，m eb u l ke 伍c i e n c y ，c o s ta n dr e l i a b i l 时0 f 1 e p o w e r 仃a n s f o m e ro ri n d u c t o rb e c o m eo b s t a c l c st oe x a l t 伍ep ( ) v 旧rm t i oo fm l l l t i m o d u l a r c o n ”n c rs t n 】c t l l r e t h ea p p e a r a n c eo fm u l t i l e v c lc o n v e r t e r 垂v e sa no p p o n l l n i t yt oo v e r c o m e t h e s eo b s 诅c l e s 。a n o t l l e ri m p o n a n t 曲s t a c l en l a tm g hp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e mm l l s tf a c ei s t 1 1 a tt l l el a r g ep o w e rd e v i c ec 锄tw o r ka tl l i 班船q u e n c y s o “sd i 塌c u l tt ou s e9 0 0 dm o d u l 砒i o n t e c h n i q u es u c ha sp 1 l l s ew i d t lm o d l l l a t i o n ( p w m ) i no r d e rt oo v e r c o l e 也i sp r o b l e m ，c a 州e r p h a s e s h i 舭ds p w m ( c p s s p w m ) t e c h l l i q u eh 嬲b e e nr e s e a r c h e d h 1t l l i sp a p c r ，t l l ec a s c a d e m u l t i l “dc o n v e n e r b a s e do nc p s s p w m 卸di t s 印p l i c a t i o nt oa c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) 1 1 8 s b c e nd e 印l ys t u d i e di nt l l e o r ya i l dp r a c t i c e i nt 1 1 eb e g i 砌n g ，m eb a s i c 埘n c i p l eo fc p s s p w m t e c l l i l i q u e 柚dt l l eo p c m t i o np 渤c i p l eo f c a s c a d em l l l t i l e v e lc o n v e r t e rh a v eb e e nd e e p l ya 1 1 a l y z e d ：c p s s p w mt e c l u l i q u ec a nr c a c h 柚 e 仃e c to fl l i g h e re q u i v a l e ms 、v j t c h i n g 舶q u e n c yu n d e rm u c hl o w e rd c v i c es w i 埘1 i n g 疔e q u e n c y t h i st e c l l l l i q u ei m p r o v e st 1 1 ee q u i v a l e n ts w i t c h i n gf k q u e n c yn l r o u g hm ec o u n t e r a c to fl o w e r o r d e rh 蛐i l o n i c sr a t l l e rt h a l ls i m p l yp r o c e s s i n gt h eh a h n o n i cf 如ml o w e ro r d e rt oh j g h e ro r d e r ； c a s c a d em u l t 订e v e lc o n v e r t e rh a sm a l l ya d 蛐g e ss u c ha sm el e a s te 锄1 p o n e n ta m o u n t ，也e e a s i l yb a l a n c e dd c1 i n kv 0 1 t a g ed u et ot l l es 印a r a t ed cs o u r c es t n l c t l l r ea n dt l l ei d e m i t yo fe a c h c o n v e r t e ru n “t h a ti sa v a i l a b l et op e d b r mt h em o d u l a r i z e dd e s j g na n dr e d u n d a n td e s i g n t h e c a s c a d em m t i l e v e lc o n v c n e rb a s e do nc p s - 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s p ，mc a na c h j e v ee x c e e n tc o m p e n s a t i o ne 舵c te v e nm l d e rm u c h l o w e fs w i t c l l i n g 疗e q u e n c y w ec a ne a s i l y g e tt om ec o n c l u s i o n ：t 1 1 i sm e 也o dh a sap e r f e c t p r o s p e c ti ni n d u s t r y 印p l i c a t i o n k e y w o r d s ：c p 岛s 】阿，m ，c a 挑叠d e d b d g e a p f - n - 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 随着电力电子技术的发展，各种大功率开关器件的应用日益广泛。这一方面提高了人 类对电能的控制能力，另一方面由于装置自身的非线性和负载的多样性，给电网带来了严 重的谐波及无功污染，极大地影响了供电质量。因此研究有源电力滤波器( a c t i v ep o w e r f i l t e f ，a p f ) 对谐波及无功电流进行滤波和补偿已经成为电力电子技术、电力系统、电气 自动化、电工理论等领域的重要研究课题。 由于a p f 容量较大，恧大功率开关器件的功率处理能力和开关频率之间往往存在着矛 盾，故难以将高性能脉宽调制( p l l l s ew i d 山m o d u l a t i o n ，p w m ) 技术应用于a p f 系统。在 功率器件未有本质突破的前提下，人们力图通过对大功率变流器的电路拓扑和控制策略两 方面的研究来解决容量与性能上的矛盾。本文以高压大功率a p f 为主要研究对象，对多电 平变流器和载波相移p w m 技术进行了深入研究，并进行了实验验证。 本章对大功率变流器及其开关调制策略的发展概况进行了综述，介绍了近年来国内外 的研究状况，对谐波及无功的危害和治理进行了回顾，介绍了有源电力滤波器的研究现状， 并给出了实现大功率有源电力滤波器的三种方式。 1 1 大功率交流器的发展概况 随着电力电子器件和微控制器的迅速发展，大容量电力电子装置的应用越来越广泛。 下面将从拓扑结构和开关调制策略两方面介绍多电平变流器目前的研究状况。 1 1 1 大功率变流装置的拓扑结构 为了提高电力电子装置处理较大功率的能力，人们进行了大量的探索，并取得了不少 成果，其中最具代表性的是多重化技术【1 1 和多电平变流器【2 1 等。 1 1 1 1 多重化结构 传统上，大功率电力电子装置一般采用多重化结构来解决大功率开关器件的功率处理 能力和开关频率之间的矛盾。简单来说，多熏化结构即将多个基本变流器单元串、并联起 来，以达到提升功率等级的目的。 在电压型变换电路中，输出的交流电压为矩形波【3 1 ，为了减小谐波，常常把几个矩形 波的输出组合成正弦波的波形。对于n 个三相变流电路，将其输出波形的相位各错开( 3 n ) 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6 n 的变流器 系统，输出波形中包含6 k n 1 ( k 为整数) 次的谐波含量。 根据多重化结构中变压器输出侧绕组的联结方式可分为并联多重化结构、串联多重化 结构以及串并联混合结构，其中并联多重化结构又可细分为含中线回路和不含中线回路两 种，如图l - 1 所示。并联多重化是将输出侧绕组并联联结，由于电压波形存在差值，所以 会产生循环电流，因此这种结构在电压型交流电路中要慎用：串联多重化是将输出侧绕组 1 浙江大学硕士学位论文 串联联结，这种方式常用于电压型变流器。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。 ( a ) 含中线回路的并联型变流器( b ) 不含中线回路的并联型变流器( c ) 串联型变流器 图1 1 电压型组合变流器拓扑 应用多重化结构的电力电子装置具有功率大、效率高、输出谐波小等优点，同时存在 以下不足l j j ： 1 采用p a m 控制方式，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； 2 为了减小输出的谐波，各装置输出波形之间需相互错开一定的相位角度，从而影响 了输出基波的叠加； 3 为了消除次谐波，必须使用特殊设计的移相变压器，因而受到变压器体积、效率和 价格上的限制，造成功率等级提升困难。 1 1 1 工多电平变流器1 2 l 多电平变流器的思想最早于】9 8 1 年由a k i mn a b a e 等人提出【4 】，它的基本思路是由几 个电平台阶合成阶梯波以迫近正弦输出电压。多电平变流器从电路拓扑结构入手，在得到 高质量的输出波形的同时，克服了两电平变流器的诸多缺点。作为一种高压大功率变流器， 它省去了输出变压器和动态均压电路，具有开关频率低，开关器件应力小，系统效率高等 一系列优点。 近年来，随着在高压、大功率领域研究的推广，多电平变流器得到了越来越多的关注。 将各种电路拓扑归纳起来，主要有以下三种类型【5 ：二极管箝位型多电平变流器 ( d i o d e - c 1 锄p e dm u l t i - l e v e lc o n v e n c r ) 、电容箝位型多电平变流器( f l y i n g c a p a c i t o rm u l t i 一1 e v e l c o n v e n e r ) 和级联型多电平变流器( c a s c a d em u l t i 1 e v e ic o n v e n e r ) 。 1 1 1 2 1 二极管箝位型多电平变流器 一个m 电平的二极管箨位型变流器直流侧由( r n _ l 、电容串联产生m 电平的相电压。 图1 2 所示为一个单相五电平全桥二极管箝位型交流器的结构图。直流侧由c l 、c 2 、c 3 、 c 4 四个电容组成，若直流电压为v ”则每个电容上的电压为v d 。4 。系统通过开关器件的 不同组合产生不同的输出电压【6 】。 浙江大学硕士学位论文 0 图1 2 五电平二极管箝位型变流器 二极管箝位型变流器兼有多重化和脉宽调制的优点：输出功率大；器件开关频率低， 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。同 时存在以下不足1 7 | ： 1 箝位二极管的耐压要求较高，数量庞大。对于一个m 电平的二极管箝位型多电平 变流器，若每个箝位二极管的耐压相同，则每相所需该种二极管数量为( m 1 ) ( m 一2 ) 。这大大增加了系统的造价，且造成线路安装困难。目前，研究中的二极管 箝位型变流器的电平数一般不超过7 ： 2 开关器件导通负荷不一致。如果按导通负荷最严重的情况设计，则每相有2 ( m 2 ) 个外层器件的电流等级过大，造成浪费； 3 在变流器在进行有功功率传输时，直流侧各电容的充电时间( 逆变状态下的放电时 间) 不相同，增加了系统动态控制难度。 1 1 1 2 2 电容箝位型多电平变流器 电容筘位型多电平变流器的电平定义与二极管籍位型相同。一个m 电平的电容箝位型 变流器直流侧需要( m 1 ) 个电容【s 】。图1 3 所示为五电平单相全桥电容箝位型多电平变流器 的基本结构。 电容箝位型变流器中，电压在合成的自由度和灵活度都高于二极管箝位型变流器，且 对开关器件保护能力较强，既能控制有功功率，又能控制无功功率，适于高压直流输电系 统。同时存在以下不足【9 j ： 1 需要大量存储电容。假设每个电容的电压等级与开关器件相同，则m 电平的电容 浙江大学硕士学位论文 箝位型多电平变流器每相需要( m 1 ) ( m 一2 ) 2 个辅助电容，直流侧需要( 卜1 ) 个电 容。在电平数较高时系统造价偏高，且安装困难： 2 为了保持电容充放电平衡，对于中间电平需要采用不同的开关组合，系统控制复杂； 3 开关器件的导通时间不同，导通负荷不一致。 图1 3 五电平电容箝位型变流器 1 1 l2 3 级联型多电平变流器 枣w 趔 垤日 堪习 参罄l 级联型多电平变流器是1 9 9 5 年由f z p e n g 提出 的多电平变流器结构。它以单相全桥变流电路为基本 变流器单元，在交流侧直接级联而实现高压输出 1 2 1 1 1 0 】。由这种拓扑结构组成的电压源型变频器由美国 罗宾康公司发明并申请专利，并取名为完美无谐波变 频器。 图1 4 所示是带有独立直流源的单相级联型多电 平变流器的基本拓扑结构，它的每个变流器模块都是 普通的单相全桥电路，直流侧与一个独立直流源相 连，交流侧通过串联方式叠加，形成多电平变流器的 图1 - 4 单相级联型多电平变流器拓扑 输出电压。每个变流器模块都可以产生一个三电平的 输出电压，则由m 个变流器单元级联而成的多电平变流器输出的电平数为( 2 m + 1 ) 。 图l 一5 所示通过y 型和型连接构成的三相级联型多电平变流器。其中，每相都是由 图1 4 所示的单相级联型变流器构成。 - - 。fo - o 叫 浙江大学硕士学位沦文 a 翎翻f 毫蛆r 韬u 锸锸 闺阁髑 ( a ) y 型连接图( b ) 型连接图 图1 5 三相级联型多电平蛮流器拓扑 相比于二极管箝位型和电容箝位型多电平变流器，级联型多电平变流器有如下特点u “： 1 避免了大量箝位二极管或飞跨电容的使用，所需的元件数较少，容易实现较高电平 的变流器； 2 每个变流器单元的结构相同，易进行模块化设计和封装； 3 由于各变流器单元之间相对独立，所以可以较容易地引入软开关技术，被认为是较 适合于电网接口地变流器； 4 易实现直流侧均压： 5 各变流器单元的负荷一致，对于三相系统易于分相控制； 6 对于有功功率变换场合，需要独立直流源，限制了其在某些领域的应用。 将基本的级联型多电平进行延伸，便可得到改进的 级联型多电平变流器( m o d i f i e dc a s c a d em u l t i l e v e l c o n v e n e r ) 。将直流侧各独立电压源分别取值为e 、2 e 、 4 e 2 ”1 e ，则其输出的电平数就大幅度增加到 ( 2 一1 ) 【1 2 1 。 图1 6 所示为采用改进的两模块级联型多电平变 流器电路结构。图中，v d c = 2 v d c l = 2 e ，输出电压为 ”1 7 电平。器件采用g t 0 和i g b t ，且使g t o 单元承受 高压，i g b t 单元承受低压。工作时，使承受较高电压 的g 1 o 单元以输出电压的基波频率切换，而较低电压 图1 6 改进的级联型多电平变流器 的i g b t 单元则在较高的频率下进行p w m 控制，再将 两者合成，达到改善输出波形的效果( 1 3 】 。 若将级联型多电平变流器直流侧各独立电压源分别取值为e 、3 e 、9 e 3 ”1 e ，则m 个变流器级联的输出电平数可达3 “。但这个比值最大可以取到3 ，即v d c = 3 v d c l ，超越这 个电压比将出现电平飞跃2 个台阶以上的情形，没有实际的意义【1 3 】。 浙江大学硕士学位论文 1 1 2 大功率多电平变流器调制策略 随着门极自关断器件的日益成熟，p w m 技术的应用越来越广泛。p w m 技术在抑制和 消除谐波、控制和传输信号等方面具有相当大的优势，但它对器件的工作频率要求比较高， 而大功率器件往往难以适应如此高的开关频率。多电平变流器能够直接输出高电压( 或大 电流) ，而其开关器件的功率等级却相对较低，这为p w m 技术在大功率场合中的应用提供 了可能。因此p w m 调制策略在多电平变流器中的应用成了近来研究的一个热点。 目前常见的有以下几种开关调制策略：阶梯波脉宽调制、基于载波组的p w m 技术、 多电平电压空间矢量调制、载波相移p w m 技术等。下面将逐一进行介绍。 1 1 2 1 阶梯波脉宽调制( s 纽i h r a v ep w m ) n q 岫； “l 广j 2 “ l 厂j i 图1 - 7 级联七电平输出的电压波形 阶梯波脉宽调制是在多电平变流器领 域中应用相当广泛的一种控制方法，其基 本原理是用阶梯波来逼近正弦波，以达到 消除和抑制谐波的目的【】5 】。图1 7 所示为 级联七电平的输出电压波形，这种调制方 法的优点是实现简单，器件开关频率低( 即 基波频率) ，器件上的损耗主要是通态损 耗，开关损耗很小。 将阶梯波脉宽调制应用于级联型多电平变流器中时，需要引入定次谐波消除p w m 技 术( s e l e c t e dh a m o n i ce l i m j n a t i o np w m ，s h e p w m ) ，通过计算开关角度来消除选定的谐 波分量。随着级联型多电平变流器电平数的增加，输出电压波形的谐波畸变越来越小，这 使得逆变器输出可以不通过滤波装置和变压器而直接与负载相连。 虽然这种方法效果直观、原理清晰，但计算开关角的方程是一个高阶非线性超越方程 组，需采用优化算法( 比如n e 州o n r 印h s o n 法等) ，即使使用d s p 等高速运算芯片也很难 实现实时控制，一般要通过离线运算、实时查表的方法完成，主要应用在一些对输出电压 调节要求不高的场合，如静止无功补偿器等。另外，由于每一级电平都采用与基波频率相 同的方波控制，使得传输带宽较窄，不适于对信号传输性能要求较高的场合，如a p f 等【。 1 1 2 2 基于载波组的p w m 技术同 目前，基于载波组的p w m 技术已经相当成熟。由于在该控制方法下的变流器可以在 器件开关频率较低的情况下实现较高的等效开关频率，且线性度良好、能够满足一定的带 宽要求，故在各种多电平变流器都有应用1 1 8 】。该控制方法的基本原理是：在n 电平变流器 中，将n 一1 个频率幅值相同的三角载波并排放置，形成载波组；以载波组的水平中线作为 参考零线，共同的调制波与其相交得到相应的开关信号。根据各三角载波相位的不同，可 分为三种不同的形式【，如图1 8 所示( 以五电平变流器为例) 。 浙江大学硕士学位论文 黻燃燃 ( a ) a 型( b ) b 型( c ) c 型 图1 8 多载波p w m 策略的三种方案 对于电平数为偶数的多电平变流器，方案b 不存在。此时，不论方案a 还是方案c 都 含有载波谐波，考虑到方案c 的1 3 次以下低次主导谐波含量较方案a 低，因而对于单相 变流器c 型调制方案为最优。在三相平衡无中线系统中一般频率调制比为3 的倍数，此时 由载波谐波电压引起的电流相互抵消，可以不考虑载波谐波的影响，由于方案a 输出的阳d 较小故a 型方案最优。对于奇数电平交流器，同以上结论基本一致。 值得指出的是，方案c 从调制原理上与载波相移s p w m 技术的调制效果完全一致，只 不过c p s - s p w m 是将载波横向均匀排列，方案c 是将载波纵向均匀排列。单就低次主导 谐波的分布和含量而言，不论奇电平还是偶电平，单相系统还是三相系统，方案c 都最优。 1 1 2 3 多电平空间矢量调制策略1 2 0 l 多电平空间矢量调制是常规二电平电压空间矢量调制技术( s v m ) 在多电平变流器上 的扩展应用【2 ”。常规二电平s v m 技术是根据不同的开关组合方式，生成8 个电压空间矢 量( 6 个非零矢量，2 个零矢量) ：在空间旋转坐标系下，任意时刻的矢量都由相邻两个非 零矢量合成，通过对两个非零矢量和一个零矢量在一个调制周期内作用时间的优化安排得 到p w m 输出波形。多电平s v m 技术与二电平s v m 技术的原理相似，只是开关组合的方 式随着电平数的增加而有所增加。一个m 电平的变流器，其电压空间矢量的数目为m 3 个【2 2 1 。 n 】 譬 a b c 图1 - 9 三相n 电平变流器基本结构图 图1 1 0 三电平变流器基本电压矢量图 任何一种拓扑结构的多电平变流器都可用图1 9 所示的基本结构表示。图1 一l o 绘出了 一个单相三电平变流器的基本电压矢量在复平面上的分布情况，可以看到，总的电压空问 矢量的数目为2 7 ，其中独立的电压空间矢量1 9 个，包括1 8 个非零矢量和1 个零矢量。在 浙江大学硕士学位论文 空间旋转坐标系下，任意时刻的矢量都是由相邻的三个非零矢量合成的，对三个非零矢量 与零矢量在一个开关调制周期内作用的时间进行优化安排，便可得到p w m 输出波形。如： 当三个开关分别指向2 、o 、0 ，那么输出的线电压分别为也_ 2 v d c ，v b c = 0 ，v c a = - 2 v d c 。 选择矢量开关状态时，矢量的切换只能从2 到l 、1 到o ，或反着变换，而不能从2 直 接到0 ，或从o 直接到2 。为了降低开关损，矢量变换的次数越少越好。由于电平数与电压 空间矢量的数目之间是立方关系，所以目前多电平s v m 技术的研究一般只限于五电平以 下。在幅度调制比较低时或电压矢量次序选择不好时，会出现开关负荷不均衡的问题【2 3 1 。 1 1 2 4 载波相移p w m 技术【2 4 l 1 2 5 l 载波相移p w m 技术是基于组合变流器提出的开关调制策略，也可应用于级联型多电 平变流器。以五电平为例，载波相移s p w m 技术( c a r r i e r p h a s e s h i f 【e ds p w m ，c p s s p w m ) 的调制原理如图1 11 所示。其中，( a ) 为五列载波与一列正弦调制波s m 相交，其中变流器 单元数为5 ，s p w m 频率调制比为3 ，幅度调制比为o 8 ；( b ) 为五个变流器单元输出的五列 s p w m 波形；( c ) 为五个变流器单元交流侧叠加后形成的整个组合变流器装置的输出波形； ( d ) 为一个变流器单元输出波形的频谱分析；( e ) 为整个组合变流器输出波形的频谱分析。可 见各变流器单元输出叠加后形成的组合变流器总输出波形中谐波得到了有效抑制。 输0 出 频 谱o灿惜跷 0 1 02 0 3 0 ： 】i 强 l。( e ) 0 1 02 0 3 0 谐波次数 。 图1 1 1载波相移s p w m 调制波形原理( 五电平) 相比于其他调制策略，载波相移p w m 技术有以下特斛3 儿2 6 ： 1 各变流器单元的开关频率低，器件开关损耗小，e m i 小，适用于大功率慢速器件： 2 等效开关频率高，传输频带宽，线性度好，容易引入一些优秀的控制策略： 3 相同等效开关频率时输出低次谐波成分少i 4 由于采用各桥臂分别调制，所以只需保证各开关器件调制信号本身的对称性和均 衡性，就能保证变流器整体开关负荷的均衡性和总输出波形的对称性，特别适合 浙江大学硕士学位论文 于图1 4 所示的级联h 桥拓扑结构： 5 载波相移p w m 技术消除和抑制谐波的能力不受输出电平数的限制，能够方便的实 现实时控制，可以应用在对系统有快速反应要求的场合中。 总之，载波相移p w m 技术能在大功率场合实现s p w m 技术，是控制手段在特大功率 场合的一个突破。本文的后续章节将对此方法进行详尽分析。 1 2 谐波及无功概述 1 2 1 谐波及无功功率的危害网 电网中的谐波及无功主要由各种大容量电力电子装置、用电设备以及其他非线性负载 产生：在工业和生活的用电负载中，阻感性负载在占很大比例，这类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，谐波及无功功率的危害 日益突出，主要表现在以下几个方面： 1 无功功率的增加会导致电流和视在功率增大，使得发电机、变压器及其他电气设备 和导线容量的增加，增加了设备及线路的损耗。若是冲击性无功功率负载如大功率 电机启动、中频感应加热电源等，还会造成电网电压波动，严重影响电网供电质量； 2 谐波频率下，系统感抗大大增加而容抗大大减小，可能令系统产生局部并联或串联 谐振，使谐波含量放大，引起电容或电抗等设备的烧毁； 3 谐波电流在电网中的流动会在线路上产生有功功率损耗。由于谐波频率高，导线的 集肤效应使谐波电阻增大的值比基波电阻多，引起附加线路的损耗也增大。谐波电 流还可能引起电压波形出现尖峰，加速电缆的老化，甚至发生故障或烧毁； 4 谐波会改变继电保护器的性能，导致继电保护和自动装置的误动作； 5 电器测量仪表通常是按工频正弦波设计的，谐波会引起测量的误差； 6 谐波干扰会引起通信系统的噪声，破坏通讯系统的正常工作。 1 2 2 谐波及无功补偿装置的发展皿7 l 传统上，对谐波的抑制有两个基本思路：设置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l 。无功补偿器虽然结构简单、经济方便，但其阻抗固定，不能跟踪负荷无功需 求的变化，无法实现对无功和谐波的动态补偿。对电力电子装置本身改造一般适于作为主 要谐波源的电力电子装置。为了实现谐波及无功的动态补偿，人们做了很多探索。 自二三十年代以来的几十年中，人们采用的无功动态补偿装置是同步调相机，这种装 置噪声和损耗较大，响应较慢，且维护复杂。1 9 6 7 年，英国g e c 公司制成的饱和电抗器 是最早的静止无功补偿装置，由于该装置不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占 据静止无功补偿装置的主流。 浙江大学硕士学位沦文 七一卜年代以来，静止无功补偿装置已经得到了推广使用。1 9 7 7 年，美国g e 公司首次 演示了使用晶闸管的静止无功补偿装置。1 9 7 8 年，西屋公司推出了使用晶闸管的静止无功 补偿装置并投入运行，由于该装置需要电容器和电抗器来储能，晶闸管的作用只是调节电 抗器所吸收无功的大小或控制电容器的投切，这样虽能较好的补偿无功，但不能抑制谐波， 且由于晶闸管的相控工作方式使得补偿器本身成为新的谐波源。1 9 7 6 年，美国学者l g y u g ) r i 提出了一种由自换相的电力半导体桥式交换器构成的动态抑制谐波和无功补偿装置【2 8 】，它 能对频率和大小都变化的谐波及无功进行综合补偿，本文称之为有源电力滤波器( a p f ) 。 a p f 在应用上克服了上述各种方法的缺点，可获得比以往方法更优越的补偿特性。可以预 见，a p f 将会成为电力系统中谐波治理的主流。 1 3a p f 介绍 1 3 1a p f 研究现状 a p f 作为改善供电质量的一项关键技术，经过二十多年的发展，已经日益成熟。在日 本、美国、德国等工业发达国家已得到了高度的重视和日益广泛的应用。自1 9 8 1 年到2 0 0 0 年的时间里，日本已有5 0 0 多台a p f 投入运行，容量范围由5 0 k 。到6 0 m 【2 9 】。 我国在a p f 方面的研究起步较晚，直到1 9 8 9 年才见到这方面的研究文章，1 9 9 3 年才 见到实验性的工业应用报道，而其中所采用的谐波及无功电流检测方法大多较为陈旧，补 偿效果也不理想。目前，a p f 在我国的实际应用还不多，这与我国目前谐波污染日益严重 的状况很不适应，相信随着我国电能质量治理工作的深入开展以及对谐波及无功补偿的重 视，利用a p f 进行谐波治理将会有很大的市场应用潜力。 值得指出的是，无论国内还是国外，应用a p f 主要是针对大功率谐波源负载而言的。 1 3 2a p f 的分类 按照接入电网的方式，a p f 分为并联型和串联型两大类f 3 0 】【3 ”，如图1 1 2 所示。 有源电力滤波器 并联型 单独使用方式 与l c 滤波器混合使用方式 注入电路方式 与l c 滤波器串联 与l c 滤波器并联 串联型 单独使用方式 与l c 滤波器混 合使用方式 l c 串联谐振方式 图1 1 2 a p f 系统分类 - l o - l c 并联谐振方式 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 1 并联型a p f 1 9 8 6 年，a k a 西h 提出了用并联a p f 消除谐波的方法【3 2 1 。在并联型脚下中，主电路与 负载并联接入电网，等效为一个受控电流源，通过产生与负载谐波或无功电流大小相等、 相位相反的补偿电流，将电网侧电流补偿为正弦波。并联型a p f 主要用于补偿可以看作电 流源的谐波源( 如直流侧为阻感性负载的整流电路) ，具有补偿电流直接、系统响应速度快 的优点。 1 单独使用的并联型a p f 图1 1 3 所示为单独使用的并联型a p f 系统的原理图( 以单相为例) 。图中负载为产生 谐波的谐波源，变流器和与其相连的交流侧无源滤波器、直流侧储能元件共同组成a p f 主 电路。 图1 1 3 单独便用的并联型a p f 单独使用的并联型a p f 是目前应用最多的一种，在这种方式中，由于电网基波电压全 部加在变流器上，使得变流器容量较大，对大容量谐波负载的补偿存在困难，初期投资成 本和运行费用也比较高，这是单独使用方式并联型a p f 的最主要缺陷。另外，在这种方式 下，滤波器作为电流源工作，适用于具有电流源性质的谐波源，如带有阻感负载的整流电 路。但对于具有电压源性质的谐波源，它的补偿效果就不甚理想了。 2 与l c 滤波器混合使用 这种类型a p f 的基本思想是利用l c 滤波器来分担a p f 的部分补偿任务。它结合了 l c 滤波器结构简单、容易实现、成本低廉和a p f 补偿性能好的优点，既可克服a p f 容量 大、成本高的缺点，又可使整个系统获得良好的性能。与l c 混合使用有两种方式：a p f 与l c 滤波器并联；a p f 与l c 滤波器串联。分别如图1 1 4 、1 1 5 所示。 图1 1 4 并联型a p f 与l c 并联图1 1 5 并联型a p f 与l c 串联 浙江大学硕士学位沦文 图1 1 4 中，l c 的主要作用是补偿较高次谐波，包括消除主电路开关器件引起的谐波 和滤除补偿对象中次数较高的谐波。图1 一1 5 中，谐波及无功功率主要由l c 滤波器补偿， 而a p f 的作用是改善l c 滤波器的滤波特性，克服l c 滤波器易受电网阻抗影响、易与电 网阻抗发生谐振等缺点。 3 注入电路方式 注入电路方式是在a p f 和电网之间串入谐振频率基波频率相同的l c 回路，利用电感、 电容的谐振特性，使a p f 承受很小一部分基波电压，从而极大地减小a p f 的容量。其基本 电路形式有l c 串联谐振型和l c 并联谐振型两种，分别如图1 1 6 ( a ) 、( b ) 所示。 ( a ) l c 串联谐振型( b ) l c 并联谐振型 图1 1 6 注入电路方式 在图1 1 6 ( a ) 中，l c 2 支路在电源电压基波频率处发生串联谐振，使基波电压大部分降 在c 1 上。而在1 1 6 ( b ) 中，l l c 支路在电源电压基波频率处发生并联谐振，从而承担大部分 电压。在注入电路方式中，a p f 刁i 能补偿基波无功功率。 1 3 2 2 串联型舢陌 串联型a p f 的的特点是a p f 作为受控电压源串入电源和谐波之间，主要用于补偿可以 看作电压源的谐波源，如电容滤波型整流电路。串联型a p f 输出补偿电压，抵消由于负载 产生的谐波电压，使供电点的电压波形为正弦波。同并联型a p f 类似，串联型a p f 也有单 独使用方式【27 】和与l c 滤波器混合使用的方式，分别如图1 1 7 ( a ) 、( b ) 所示。其中a p f 可看 作一个可变阻抗，它对基波的阻抗为零，对谐波却呈现高阻抗，阻止谐波电流流入电网。 在与l c 滤波器混合使用方式中，a p f 的容量可以大大减小。 ( a ) 单独使用方式( b ) 与l c 滤波器混合使用方式 图1 - 1 7 串联型a p f 的拓扑结构 将并联型与串联型混合使用的串并联型a p f 兼有串联型和并联型a p f 的功能，被认 为是最理想的有源电力滤波器，不仅能消除电压和电流谐波，还能平衡、调节终端电压和 消除负序电流。但是这种系统的造价成本和装置容量都很高，目前应用还不广泛。 圜? 噩理1 餐脚 回 蔷 浙江大学硕士学位论文 1 3 3 大功率a p f 的实现 a p f 一般用于大功率场合，为了解决电力电子器件容量与开关频率间的矛盾，国内外 学者提出了各种性能优越的a p f 主电路拓扑结构。下面介绍几种应用比较广泛的拓扑。 1 多个a p f 并行工作 目前工业现场中常采用多台小容量a p f 并联，这种方案的补偿控制原理如图1 1 8 所示。 其优点是：每个a p f 有各自的主电路和控制电路，当其中某一个a p f 出现问题时，并不影 响其他a p f 的工作。不足之处主要在于各a p f 输出的补偿电流之间缺乏协调控制，且控制 电路的数量相对较多。 雠- 毕 图1 - 1 8 多个a p f 系统连接示意图 2 基于c p s s p w m 和电流型变流器的a p f 图l 一1 9 为基于c p s s p w m 技术的电流型变流器a p f 系统【3 3 l 。( a ) 中的a p f 主电路由 一个变流器单元构成的，此单元为三相六开关的电流型变流器。其中，开关管由可关断器 件和二极管串联构成；( b ) 为由n 个电流型变流器单元构成的a p f 主电路，这些变流器单 元在交流侧并联构成电流型组合变流器。 ( a ) 单模块( b ) 多模块 图1 1 9 基于c p s s p w m 的电流型a p f 交流侧由l c 构成二阶低通滤波器滤除开关器件产生的谐波( r 为电感及线路中的寄生 电阻) 。直流侧采用各变流器单元相互独立的结构实现均流反馈。采用c p s s p w m 技术的 组合交流器输入与输出之间具有良好的线性度5 1 ，可以方便的引入一些优秀的控制方法。 浙江大学硕士学位论文 3 基于多电平交流器的a p f 多电平变流器作为一种较为成熟的大功率电力电子装置，可以满足a p f 大容量的要求。 对于多电平变流器中二极管筘位型、电容筘位型和级联多电平变流器，本章的1 1 1 2 节已 经做了详细分析，本文实现大功率a p f 的主电路拓扑是级联型多电平变流器结构。图1 - 2 0 所示为由级联多电平变流器构成的并联型a p f 拓扑结构，级联多电平变流器拓扑结构简单， 直流侧容易均流，适合应用c p s s p w m 、s v m 等多种优秀的调制策略和一些先进的控制 方法，因而在实际工程中有很大的应用前景。对此，本文在后续章节将详细介绍。 图1 - 2 0 由级联型变流器构成的并联型a p f 1 4 本文的主要研究内容 本文在阅读和分析国内外文献的基础上，比较了各种大功率交流装置的拓扑结构和各 自的调制策略，总结了基于载波相移p w m 技术的级联型多电平变流器应用于a p f 的优势， 并在前人实验的基础上，以并联型a p f 系统为实验平台，对基于c p s s p w m 技术的级联 型多电平变流器在a p f 应用中的问题进行了研究。全文的具体研究内容如下： 1 研究了c p s s p w m 技术的原理，通过理论及仿真分析，证明了此调制策略是一种 适用于大功率电力电子装置的优秀的开关调制策略； 2 分析了级联型多电平变流器的工作模式，并将其与c p s s p w m 调制策略相结合， 应用于并联型a p f 实验系统中； 3 详细分析了基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流闭环检测方法，实现了对谐波 及无功电流的实时检测； 4 给出了基于c p s s p w m 和级联型多电平变流器的并联型a p f 系统的主要参数设计 过程，包括信号产生部分、h 桥主电路、谐波及无功检测电路、电流采样与增益电 路、隔离与驱动电路等； 5 在前人实验的基础上，通过改进完成了单相七电平、单相九电平以及三相五电平的 实验。实验结果表明，基于c p s s p w m 的级联型多电平变流器型a p f 能够在较低 开关频率下实现较高的等效开关频率，取得较好的补偿效果，是a p f 的一个很有 应用前景的方案。 浙江大学硕士学位论文 第二章c p s s p w m 技术与级联型多电平变流器 在a p f 系统中的应用 a p f 一般应用在容量大、控制要求高的场合，而大功率器件的工作频率一般较低，难 以应用p w m 技术等优秀的调制策略。c p s s p w m 技术为解决这一问题提供了途径【l 8 j 【1 9 】： 它能在较低的开关频率下实现较高的等效开关频率，是一种适用于