【硕士论文】h桥级联型谐波发生器关键技术研究及其实现

工学硕士学位论文H桥级联型谐波发生器关键技术研究及其实现RESEARCHANDREALIZATIONONTHEKEYTECHNIQUESOFHBRIDGECASCADEHARMONICGENERATOR电力系统及其自动化专业名称电力电子技术在电力系统中的应用研究方向二一五年五月摘要近年来，变频器、整流器、轧钢机、电弧炉等非线性负荷所导致的谐波问题对电力系统的安全稳定以及用电负荷的正常工作造成了严重影响。谐波带来的危害对电力设备的测试手段与谐波补偿装置性能等两方面均提出了挑战，而两者的共性是需要一种能够产生一定带宽的谐波输出源。因此，本文提出了一种适用于中高压等级的H桥级联型谐波发生器，此装置具备电压与电流谐波输出能力，一方面能够对各种类型的电力设备进行谐波工况下的性能测试，另一方面能够对中高压系统中的谐波进行补偿，本文将围绕级联型谐波发生器的直压控制以及谐波输出控制等两点关键技术开展研究。首先，对基于CPSSPWM调制技术的H桥级联型谐波发生器拓扑结构进行分析，以此为出发点，得出其谐波输出特性与谐波输出时各单元有功分布规律。通过分析可知，H桥级联型谐波发生器谐波输出最大次数取决于其等效开关频率，级联单元输出的基波与谐波的边带谐波分量会对单元有功造成影响，特别是当输出的谐波电流接近边带谐波分量，会造成单元有功的不均。在不增加额外稳压拓扑结构的情况下，只能通过改变调制策略来进行直压均衡。因而，提出了一种基于CPSSPWM调制技术下的改进策略，具体实现方法是通过载波轮换或载波频率优化的方法来改变单元有功分布，使其呈现周期性的变化，进而维持单元直压平衡。其次，为了实现高次谐波输出，按照传统的直接电流控制方法，当谐波输出的次数较高时，由于连接电感上阻抗的增大会导致电压降增大，从而使输出谐波的带宽受到限制，这样会造成实际的输出存在较大静差，进而影响了装置的整体输出性能。因而，本文提出了一种基于指令电流前馈补偿的控制策略，通过引入指令电流微分控制环，用于抵消电抗压降影响，提高了输出带宽，使装置具有更好的输出跟踪性能。最后，对本文研究理论进行PSCAD仿真与现场实验验证。仿真与实验结果表明采用载波轮换或者载波频率优化的改进CPSSPWM调制技术能够改善直流侧电压不均的情况；采用基于指令电流前馈补偿的控制策略能够使装置输出准确跟踪指令的变化，且输出静差小，响应速度快。关键词H桥级联；谐波发生器；载波轮换；载波频率优化；指令电流前馈；PSCAD仿真ABSTRACTINRECENTYEARS,THEHARMONICPROBLEMSCAUSEDBYHARMONICINVERTERS,RECTIFIERS,ROLLINGMILLS,ELECTRICARCFURNACEANDOTHERNONLINEARLOADSHAVELEADSERIOUSIMPACTSONTHESECURITYANDSTABILITYOFTHEPOWERSYSTEMANDNORMALWORKOFTHEPOWERLOADSTHEHARMOFHARMONICSHAVEBROUGHTCHALLENGESTOTHETESTINGMETHODSOFPOWEREQUIPMENTANDTHEPERFORMANCEOFHARMONICCOMPENSATIONDEVICES,BOTHOFWHICHHAVEINCOMMONISTHENEEDFORAHARMONICOUTPUTSOURCEWHICHCANPRODUCECERTAINBANDWIDTHTHEREFORE,AHBRIDGECASCADEHARMONICGENERATORAPPLIEDTOMEDIUMANDHIGHVOLTAGELEVELISPROPOSEDINTHISPAPER,WHICHHAVETHEABILITYTOOUTPUTHARMONICVOLTAGEANDHARMONICCURRENTONONEHAND,THEHARMONICGENERATORCANBEUSEDTOTESTWORKINGPERFORMANCEINHARMONICCONDITIONSFORPOWERDEVICES,ONTHEOTHERHAND,ITCANBEUSEDFORHARMONICCOMPENSATIONINMEDIUMANDHIGHVOLTAGESYSTEMSTHERESEARCHFOCUSONTHETWOKEYTECHNIQUESOFDCVOLTAGECONTROLANDHARMONICOUTPUTCONTROLOFTHEHBRIDGECASCADEHARMONICGENERATORINTHISPAPERFIRSTLY,THETOPOLOGICALSTRUCTUREOFTHEHBRIDGECASCADEHARMONICGENERATORBASEDONCPSSPWMMODULATIONTECHNIQUEISANALYSED,ONBASISOFTHIS,THEHARMONICOUTPUTFEATUREANDACTIVEDISTRIBUTIONOFEACHCELLISDERIVEDTHROUGHANALYSIS,THEOUTPUTHARMONICMAXIMUMTIMESOFTHEHBRIDGECASCADEHARMONICGENERATORDEPENDSONITSEQUIVALENTSWITCHINGFREQUENCY,ANDSIDEBANDHARMONICCOMPONENTCAUSEDBYCELLSFUNDAMENTALANDHARMONICAFFECTTHEACTIVEPOWEROFEACHCELLESPECIALLYWHENTHEOUTPUTHARMONICCURRENTISCLOSETOTHESIDEBANDHARMONICCOMPONENT,WHICHWILLCAUSETHEACTIVEPOWERUNBANLANCEDBETWEENEACHCELLWITHOUTINCREASINGEXTRAVOLTAGEREGULATORTOPOLOGY,THEONLYMETHODISTOCHANGETHECONTROLSTRATEGYTOMAKETHEDCVOLTAGEBALANCEDTHEREFORE,ANIMPROVEDSTRATEGYOFCPSSPWMMODULATIONTECHNIQUEISPROPOSEDTHESPECIFICMETHODISTOMAKETHECELLACTIVEPOWERDISTRIBUTIONCHANGEPERIODICALLYTHROUGHCARRIERROTATIONORCARRIERFREQUENCYOPTIMIZATION,ANDTHENMAINTAINEACHCELLDCVOLTAGEBALANCEDSECONDLY,INORDERTOACHIEVEHIGHHARMONICOUTPUT,ACCORDINGTOTRADITIONALDIRECTCURRENTCONTROLMETHOD,WITHTHENUMBEROFHARMONICTIMESINCREASE,THEVOLTAGEDROPINCREASESDUETOTHEINCREASEOFTHEINDUCTANCEREACTANCE,WHICHLEADTHEBANDWIDTHOFTHEOUTPUTHARMONICWAVELIMITED,CAUSINGTHEACTUALOUTPUTABIGERROR,THUSAFFECTINGTHEOVERALLPERFORMANCEOFTHEEQUIPMENTTHEREFORE,ACONTROLSTRATEGYBASEDONVIRTUALCAPACITORFEEDFORWARDCOMPENSATIONISPROPOSEDBYINTRODUCINGDIFFERENTIALFEEDFORWARDCONTROL,WHICHCANOFFSETTHEIMPACTOFREACTANCEDROPANDINCREASETHEOUTPUTBANDWIDTH,MAKINGTHEOUTPUTHASABETTERTRACKINGPERFORMANCEATLAST,PSCADSIMULATIONANDFIELDEXPERIMENTARECARRIEDOUTTOVERIFYTHETHEORYOFTHISPAPERTHESIMULATIONANDEXPERIMENTRESULTSSHOWTHAT,ADOPTINGCARRIERROTAIONORCARRIERFREQUENCYOPTIMIZATIONCANIMPROVETHEPHENOMENONOFDCVOLTAGEUNBANLANCEDADOPTINGTHEDIRECTCURRENTFEEDFORWARDCOMPENSATIONCONTROLSTRATEGYCANMAKETHEOUTPUTACCURATELYTRACKTHECOMMANDCHANGES,STATICERRORSMALL,RESPONSEFASTKEYWORDSHBRIDGECASCADEHARMONICGENERATORCARRIERROTAIONCARRIERFREQUENCYOPTIMIZATIONDIRECTCURRENTFEEDFORWARDCOMPENSATIONPSCADSIMULATION目录摘要IABSTRACTII1绪论111谐波发生器的研究背景及意义112电能质量扰动发生器研究现状313大功率变换器主拓扑4131功率器件的串并联技术5132多重化技术5133逆变器并联技术5134多电平技术514多电平逆变器的PWM调制技术8141阶梯波调制技术9142多电平SVPWM技术9143多载波PWM技术9144CPSSPWM调制技术1015H桥级联型谐波发生器技术问题10151电流控制策略研究现状及问题11152直压均衡控制策略研究及问题1116本文主要研究内容122H桥级联型谐波发生器的谐波输出原理1521H桥级联型谐波发生器主拓扑15211有整流侧谐波发生器主拓扑15212无整流侧谐波发生器主拓扑1622H桥型逆变器的数学模型1723单极倍频CPSSPWM调制原理1924H桥级联型谐波发生器工作模式21241谐波电压试验源模式21242谐波电流试验源模式21243谐波补偿模式2225H桥级联型谐波发生器谐波输出特性24251总输出及各单元频谱分析24252各单元有功分布规律3226本章小结353H桥级联型谐波发生器的关键技术3731载波轮换调制技术37311载波轮换调制技术基本原理37312载波轮换调制技术特性分析3832载波频率优化技术4133基于指令电流前馈补偿的控制策略42331谐波提取算法简介43332H桥级联型并网逆变器建模44333指令电流前馈补偿控制策略分析4734H桥级联型谐波发生器控制策略50341整流侧控制策略50342逆变侧控制策略50343重复学习控制器参数设计5235本章小结534H桥级联型谐波发生器仿真分析5541谐波电压试验模式仿真55411仿真拓扑与参数55412仿真结果5642谐波电流试验模式仿真59421仿真拓扑与参数60422仿真结果6043谐波补偿模式仿真65431仿真拓扑与参数66432仿真结果6744本章小结695H桥级联型谐波发生器研制与现场实验7151谐波发生器硬件组成71511谐波发生器主回路结构71512基于DSPFPGA的控制系统硬件组成7152谐波发生器软件组成73521上位机软件系统73522主控制器DSP软件系统74523主控制器FPGA软件系统74524单元FPGA软件系统755310KV谐波综合试验平台简介75531试验平台10KV试验方案77532试验平台380V试验方案7754现场实验7854110KV谐波电压实验7854210KV谐波电流实验8054310KV谐波补偿实验8255本章小结846总结与展望8561全文总结8562未来工作展望86参考文献87攻读硕士学位期间发表的科研成果91致谢931绪论11谐波发生器的研究背景及意义近些年来，我国电力系统飞速发展，为国民经济快速发展提供了强有力的电力保障12。以特高压交直流输电网络为骨架、多级电网协调补充的智能化坚强电网逐步形成，很好地解决了输供电的容量问题34。与此同时，随着工业技术的发展、高科技的应用，特别是由此带来的电力电子负荷的大量投入，电能质量问题和供电可靠性问题得到了越来越多的关注。考虑到电力系统负荷的多样性和复杂性，现代电力系统负荷的典型特性可以归结为谐波含量大整流设备、功率因数低三相感应电机、功率波动大电弧炉、冲击性强电气化铁道和城市轨道交通等特点56。当前，电网电能质量问题非常突出，不仅会缩短设备使用寿命、增加电网损耗、降低成品率等，严重时甚至会危及电力系统的正常运行。现代电力系统中，由于电能质量，特别是谐波问题而引起的事故屡见不鲜，大致可以分为以下几类1）谐波对电气设备的影响。谐波可使旋转电机附加损耗增加、出力降低、绝缘老化加速，危害设备的正常运行；谐波电流流入变压器时，使得变压器的磁滞及涡轮损耗增加，特别是三次及其整数次谐波流经三角形接法的绕组中形成的环流会使变压器绕组过热，缩短变压器的使用寿命；谐波电压易引起系统电感与电容发生谐振，使之严重过流，进而损坏电力电容、电缆等设备；此外，谐波电压与电流还会对电工仪表的测量精度产生影响，严重时还会将其烧坏。2）谐波对输电线路的影响。由于输电线路阻抗特性，线路阻抗随着频率的升高而增加，在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加，在供配电网的损耗中，变压器和输电线路的损耗占了大部分，所以谐波使输电线路的网损大大增加，不利于系统的经济运行；对于电力电缆线路，由于电缆的对地电容比架空线路约大1020倍，而感抗约为架空线路的1/21/3，因此更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大，造成绝缘击穿的事故；此外，高次谐波所产生的静电感应与电磁感应会对与之平行的通信线路产生干扰，影响通信质量。3）谐波对保护装置的影响。当电网中存在大量谐波时，有可能引起电力系统中继电保护装置误动作，影响到电力系统的安全运行，例如电气化铁路谐波、负序问题引起附近发电机保护动作，从而造成电网大面积停电。由此可见，电能质量问题，特别是谐波问题是目前影响电力系统运行的主要因素之一78。谐波问题的突出对传统电力设备测试手段带来了挑战，主要表现为如何测试谐波对电力设备的影响，包括传统设备及新兴设备。传统电力设备测试中，由于试验手段及系统需求的限制，往往忽略了谐波问题的影响，而仅仅针对理想工频下的技术指标进行测试，对于谐波对电力设备的影响，无法进行测试，而当设备投入现场运行时，会出现各种问题。例如DL/T5971996低压无功补偿控制器订货技术条件规定了电源影响试验、功能试验、性能试验、功率消耗试验、连续运行试验，这些实验中仅功率消耗实验和连续运行试验可以在额定工作电压下完成，投切振荡闭锁功能检验和闭锁报警功能检验等功能试验以及灵敏度测试和过电压保护动作值及动作回差测试等性能试验则需要可调电压源和电流源完成，电源影响实验实际上是设备对电压暂降，谐波等电能质量问题耐受性的实验，需要一个可调扰动源完成；DL/T8422003低压并联电容器装置使用技术条件和GB398321989高电压并联电容器中规定的一系列实验中仅电容测量和损耗角正切的测量可以在额定电压下完成，其他实验均需要可调电源或扰动源。因此，对于电力设备在谐波等电能质量环境下的工作性能测试，急需一种具备可调功能的试验谐波电源，此电源需具备谐波电压与谐波电流输出功能，其输出能够在一定范围内连续可调，从而满足不同电压等级下的实验需求。此外，谐波问题的突出对谐波补偿装置应用范围提出了新的要求，传统谐波补偿装置如有源电力滤波器APF一般较多的用于低压系统，对于中高压系统具有一定的局限性，而中高压系统也具有特征次谐波，如果不及时对其进行治理，往往会对系统与电气设备构成危害。目前，中高压系统中采用较多的是传统LC无源滤波器，它既能用来补偿谐波，又能补偿无功，且结构简单，应用较为广泛。但主要问题是其补偿特性易受电网的阻抗特性与运行状态影响，且较易与系统之间发生并联谐振，导致谐波放大，此外它仅仅能补偿某一固定频率的谐波，动态响应速度慢，补偿效果也很一般。因而，针对中高压系统的谐波补偿问题，需要一种响应速度快，输出带宽大，自适应能力强的谐波补偿装置，以解决中高压系统谐波带来的不利影响，保证系统安全稳定运行。综上所述，谐波问题主要对设备的测试与谐波补偿装置等两方面带来影响，而两者的共性是需要一种能够产生一定带宽的谐波源。因此，本文提出了一种适用于中高压等级的谐波发生器，此装置具备电压与电流谐波输出能力，一方面能够对各种类型的电力设备进行谐波工况下的性能测试，另一方面能够对中高压系统中的谐波进行补偿，具备很强的实用性和可观的经济效益。本文所提出的谐波发生器以电力电子技术为核心，可针对典型的电能质量治理设备，如APF、STATCOM和典型的电力系统设备，如电力电缆、电力电容器、电力变压器、CVT、新能源并网逆变器等进行谐波耐受力测试，另外也可接入中高压电网进行特征次谐波补偿。本文所提出的谐波发生器最后在实际应用中将形成一整套全功能的谐波综合试验平台。该平台可以为设备制造厂家提供谐波测试，同时也可以支持电能质量相关设备及标准的研究。从设备行业发展的角度，试验平台能够提供一个便捷的途径对相关设备进行测试，减少设备返厂几率，加快设备的研发和完善周期。与此同时，基于试验平台提出的测试标准，也可以规范电能质量治理设备市场，减少重复投资等所导致的资源浪费。总的来说，谐波试验平台的研制成功将带来很大的经济效益与社会效益。12电能质量扰动发生器研究现状谐波作为电能质量的重要指标，其产生的危害使得谐波发生器成为研究的重点。为了在电能质量治理设备投入运行前，对其进行完备的测试和试验，国内外多家机构先后建立了针对相关电能质量治理设备进行测试的实验室，其核心就是电能质量扰动发生器。国外如SIEMENS公司、ABB公司、美国西屋公司、法国ALSTOM等公司、日本MITSUBISHI和TOSHIBA公司均建立了一整套的电力电子试验装置9。国内主要是国家电网公司资助中国电科院建设的大功率电力电子实验室。它们都是按照IEC相关标准，对电能质量治理设备进行必要的出厂试验和型式试验。主要包括过电流试验，全电压触发试验，绝缘水平测试，交直流耐压试验，电磁兼容能力试验，温升试验，全电压和全电流试验等。显然，这些测试不能够对装置的整体性能做出评价。电能质量扰动发生器的发展，可分为三个阶段第一个阶段，基于传统电力设备的电能质量扰动发生器。典型的方法是利用变压器，采用手动切换方式实现电力扰动。该方法缺点是只能实现电压暂降或暂升扰动。为了对相关测试设备进行验证，国内常采用阻抗短接或变压器调压的方法产生扰动。此方法电路简单、易实现，可在较短时间内产生扰动。然而，随着各种治理设备功能的增加和性能的提高，对扰动源提出了可控和多功能的要求。第二个阶段是采用功率器件，主要是不控或半控型器件。日本关西电力公司研制出一种工作在线性放大区方式下的采用功率器件实现的扰动发生装置。虽然该装置能够产生丰富的波形、动态特性较好，但造价高、功耗大、效率低。有些文献里面基于上述相同原理设计扰动发生装置，装置的容量也受到限制。第三个阶段也是采用功率器件，主要是引入全控型器件。目前有关资料中提到的扰动源拓扑结构主要有以下四种由晶闸管和自耦变压器构成的电压暂降（暂升）和不平衡扰动发生装置；用晶闸管可控电抗器（THYRISTORCONTROLLEDREACTOR，TCR）构成的电压暂降或暂升扰动发生装置；采用不控整流与全控逆变结构的波形发生设备；采用PWM整流和PWM逆变结构的扰动发生器。由此可见，电能质量扰动发生器的发展和功率器件的发展是紧密相连的。基于全控型器件的电能质量扰动发生器以其优良的可控性，成为未来电力扰动源的主要形式，也将是本文所研究的谐波扰动发生装置的主要构成。近些年来，国内对电能质量扰动源也做出了一些进展。其中，文献10提出了新型多功能电压扰动发生器的设计，但只是从仿真的角度验证了设计的正确性，并未进行工程实验论证，而且缺少电流扰动模式；文献11利用全控型器件采用背靠背式的单相拓扑结构研制出了44KV的实验室装置，取得了一定的成果，但由于其逆变侧未采用级联结构，从而限制了装置整体的电压等级与输出容量，且不易输出较高次谐波；文献12已研制出380V实验样机和单相220V实验样机，该样机采用12脉动不控整流与可控逆变结构，可产生电压暂降、闪变、不平衡、谐波等扰动，但只适用与低压等级，且容量较小；文献13研制出了一个10KV容量为12MVA的全控器件级联背靠背式电流扰动发生实验室装置，可产生17次谐波，但并不具备电压扰动的性能。文献1417也对电能质量扰动装置进行了研究，但容量水平都不高，且输出模式受到限制。综上所述，国内外对电能质量扰动发生器的研究取得了一定进展，但是成熟的产品主要集中在基于传统电力设备或半控型功率器件基础上，具有模拟扰动方式有限、可控性差等缺点。目前，基于全控型功率器件的谐波扰动源的研究主要停留在小功率的阶段，鲜有大容量的基于全控型功率器件的谐波扰动源。本文所提出的H桥级联型谐波发生器，无论从装置拓扑、性能和功率等级上来看，均具有开创性。13大功率变换器主拓扑随着电力系统飞速发展，电力电子装置在电力系统中的应用也越来越多，而在高压大功率的工业和输配电领域，各方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。以高压直流输电（HVDC），静止同步补偿器（STATCOM）和有源电力滤波器（APF）等为代表的柔性交流输电技术（FACTS），以及高压变频为代表的大电机驱动和大功率电源装置等大功率变换器在实际中的应用越来越广泛，因而对于电力电子器件电压等级要求也越来越高。在过去几十年里，电力电子器件经历了由不控型（以晶闸管SCR为代表）到半控型（以门极可关断晶闸管GTO为代表）再到全控型（以双极型大功率晶体管GTR或BJT和场控器件IGBT和POWERMOSFET为代表）的转变18。近些年来，各种新型功率器件，如IGCT、IEGT、ETO等又纷纷出现，电力电子器件的单管容量、开关频率已经有了极大的提高，但即便是这样，在某些应用场合，传统的两电平电压源变换器拓扑，仍然不能满足高压、大功率的需求，以现有电力电子器件的工艺水平，其功率处理能力和开关频率之间是矛盾的，往往功率越大，开关频率越低。因此，对于以电力电子技术为核心的大功率变换器，在功率器件水平没有较大突破情况下，其电路拓扑和控制方法直接影响到电力电子装置的性能。在过去几十年里，研究者进行了大量的探索与研究，提出了很多依据和理论，发现了许多的拓扑结构，总结起来，主要有以下几类1922131功率器件的串并联技术这是一种直接且较为常用的实现方法，主要是将小功率开关器件通过串联或者并联的方式组成一个新的开关，将器件串联以承受高电压，将器件并联以承受大电流。该方式最主要的问题是器件串联引起的均压问题以及器件并联引起的均流问题，要解决以上问题，最好的方法是引入均压与均流电路，同时还必须留出一定的冗余，即当N个功率器件满足技术要求时，通常额外增加一个器件串联或并联，即采用N1个器件，这样就可以避免由于某一个器件损坏而导致整体无法正常工作。但由于功率器件的参数具有离散型，因此均压和均流电路实现起来比较困难，因而该方法的应用范围受到了一定的局限。132多重化技术所谓多重化技术，就是通过若干个小功率变换器在其输入或输出端通过变压器并联或者串联的方式，各个变换器在相同频率下的不同相位工作，从而达到系统的高功率运行和输入、输出谐波改善的目的，多重化技术既可应用于单相电路，又可应用于三相电路，可成倍提高装置的总容量。多重化技术的不足之处在于，需要特殊设计的输入与输出变压器，这不仅会增加系统的成本，还降低了系统的效率，而且当变换器数目增多时，变压器的设计将变得非常困难。133逆变器并联技术逆变器并联技术就是将多组小容量逆变器并联后通过一个大容量的变压器接入系统，逆变器数目根据系统的容量来确定，此方法将大容量变压器代替若干个小容量变压器，大大节约了成本，且易于实现逆变器的模块化，可以灵活扩大逆变器的容量，缺点是对保护要求更高，当并联的逆变器其中一个发生故障时，必须对其进行隔离，防止对其他逆变器的正常运行产生影响。134多电平技术多电平技术是一种通过改进变换器自身拓扑结构来实现高压大功率输出的新型变换器，无需升降压变压器和均压电路，能够有效较低装置成本，随着输出电平数的增加，输出波形的畸变率也随之下降，每个器件所承受电压的应力较小，可以通过较低的开关频率实现高开关频率下两电平变换器相同的输出效果，具有开关损耗小，效率高的优势，已成为目前高压大功率变换器的研究热点。目前应用较多的多电平变换器，按主电路拓扑，主要分为二极管钳位多电平变换器DIODECLAMPEDMULTILEVELINVERTER、飞跨电容多电平变换器FLYINGCAPACITORMULTILEVELINVERTER和H桥级联多电平变换器CASCADEDHBRIDGEMULTILEVELINVERTER。本节将对以上三种多电平变换器拓扑结构进行介绍。（1）二极管钳位多电平主电路拓扑二极管钳位多电平拓扑结构的概念最早是由ANABAE等人在1980年提出的。如图11所示是二极管钳位五电平三相变换器的主电路拓扑结构。变换器直流侧分压电容C1C2C3C4，因而VDC1VDC2VDC3VDC4VDC/4；DA1、DA2、DA3、DA4、DA5和DA6为钳位二极管，其作用是把桥臂上与其相连接的点钳到同电位，并防止直流侧分压电容工作时短接。通过二极管钳位，每一个电力电子开关器件将仅承受一个分压电容上的电压即VDC/4。每相桥臂由8个电力电子开关器件串联，其中每4个开关器件同时处于导通或关断的状态，构成4个互补的开关器件对TA1，TA5，TA2，TA6，TA3，TA7，TA4，TA8。NC1C2C3C4_TA1TA2TA3TA4TA6TA7TA8TB1TB2TB3TB4TB5TB6TB7TB8TC1TC2TC3TC4TC5TC6TC7TC8DA1DA2DA3DA4DA5DA6ABCTA5VDCVDC1VDC2VDC3VDC4图11二极管钳位五电平三相变换器主电路对于二极管钳位多电平拓扑结构，若想实现输出电平数为M，则需要M1个直流分压电容，每个电力电子开关器件承受的电压仅为VDC/M1。若钳位二极管的耐压水平与电力电子开关器件的耐压水平相当，此时，每相桥臂需要的电力电子开关器件数为2M1，钳位二极管数为4M2。显然，为实现变换器较高的输出电平数，即当M值较大时，整个变换器所需要的钳位二极管的数量将十分巨大，这增加了装置结构设计的难度，工程实际应用非常困难。此外，当二极管钳位多电平变换器的输出电平数超过3时，直流侧分压电容的均压控制也较难实现。（2）飞跨电容多电平主电路拓扑图12所示是飞跨电容五电平三相变换器的主电路拓扑结构。与图11所示的二极管钳位主电路相比，飞跨电容主电路的直流侧分压电容不变，用飞跨电容取代钳位二极管，其作用主要是将电力电子开关器件的电压钳位在单个直流分压电容电压之上。飞跨电容多电平变换器的工作原理与二极管钳位主电路相似，每相有4个开关器件同时处于导通或关断状态，构成4个互补的开关器件对TA1，TA8，TA2，TA7，TA3，TA6，TA4，TA5。NC1C2C3C4_TA1TA2TA3TA4TA6TA7TA8TB1TB2TB3TB4TB5TB6TB7TB8TC1TC2TC3TC4TC5TC6TC7TC8ABCTA5VDCVDC1VDC2VDC3VDC4CA1CC1CB1CA3CA2CA4CA5CA6CC4CC5CC6CC3CC2CB2CB3CB4CB5CB6图12飞跨电容五电平三相变换器主电路对于飞跨电容多电平拓扑结构，若想实现输出电平数为M，则需要M1个直流分压电容，每个电力电子开关器件承受的电压也为VDC/M1，每相桥臂需要的电力电子开关器件数为2M1，钳位电容数为M1M2/2。显然，为实现变换器的输出电平数较高，即当M较大时，整个变换器所需要的钳位电容的数量也很大，这增加了装置的体积和成本，封装也较困难。此外，当飞跨电容多电平变换器的输出电平数较多时，直流侧分压电容的均压控制也较复杂和难以实现。（3）H桥级联多电平主电路拓扑T1A1T2A1T3A1T4A1_T1A2T2A2T3A2T4A2_T1B1T2B1T3B1T4B1_T1B2T2B2T3B2T4B2_T1C1T2C1T3C1T4C1_T1C2T2C2T3C2T4C2_NABCCA1CA2CB1CB2CC1CC2图13H桥级联五电平三相变换器主电路图13所示是H桥级联五电平三相变换器的主电路拓扑，其基本思想是将若干个H桥逆变单元通过级联的方式进行连接，每个独立储能电容或直流电源给一个H桥逆变单元提供直流电压，最终的输出电压由这若干个H桥逆变单元输出电压的叠加。对于H桥级联多电平拓扑结构，若想实现输出电平数为M，则需要M1/2个直流储能电容，每个电力电子开关器件承受的电压也为VDC/M1，每相桥臂需要的电力电子开关器件数为2M1，输出线电压的电平数为2M1。电平数越多，输出电压波形中的谐波含量就越少。与二极管钳位多电平和飞跨电容多电平拓扑结构相比，H桥级联多电平拓扑结构有很多优点，主要有以下几个方面19,2325当输出相同电平数时，级联结构所需元器件数量最少；模块化特点较易实现，且容易扩展；基于低压小容量的H桥逆变单元级联的组成方式，技术成熟；控制的实现较为简单，每个H桥逆变单元可以单独控制；由于没有飞跨电容和箝位二极管的限制，级联结构的电平数可较大，因此可上更高电压，实现更低谐波。鉴于H桥级联多电平拓扑结构的这些优点，本文采用H桥级联多电平拓扑结构作为谐波扰动发生器的主电路拓扑。14多电平逆变器的PWM调制技术多电平逆变器的PWM调制技术是多电平逆变器实现中一个关键环节，它不仅决定多电平逆变器是否能够实现，而且与其波形输出质量，系统损耗减少与效率提高密切相关。多电平逆变器的总体性能不仅要有拓扑结构作为基础，还要有相应的PWM调制技术作保障，这样才能保证系统在高性能和高效率下运行。在过去二十年间，大量有关多电平逆变器PWM调制技术被提出，总结起来可分为以下几大类阶梯波调制技术，多电平空间矢量PWM（SVPWM）技术，多载波PWM技术，载波相移正弦波脉宽调制CPSSPWMCARRIERPHASESHIFTEDSPWM技术1923等。下面分别对这几种调制技术进行介绍。141阶梯波调制技术T1V2图14五电平阶梯波输出电压波形阶梯波调制技术就是用阶梯波来逼近正弦波，如图14所示为典型的五电平阶梯波调制下参考电压与输出电压波形。显然，输出电压与参考电压呈现出一个量化逼近过程，这种调制技术对功率器件的开关频率要求不高，所以可以用开关频率较低的大功率器件，如GTO、IGBT等，但由于开关频率较低，输出电压谐波含量也相对较大，因而不适用于对电压质量要求较高的场合。142多电平SVPWM技术将两电平的SVPWM方法加以推广，即可得到三电平或多电平的SVPWM。以三相三电平为例，每一相的输出可为正P、零Z、负N3种状态，将三相的3种状态进行组合，可得到27种状态，由此可得到三相三电平的六角形空间矢量图，在27种空间电压矢量中，有24种非零矢量（6种空间位置重合），3种零矢量。根据模长的不同，可将27种空间矢量分为长矢量、中矢量、短矢量和零矢量四种。然后分别对不同的电压进行切换，是最终的合成磁场逼近一个圆形的旋转磁场。利用SVPWM控制技术，可以使直流电压利用率比较高，输出相同波形时，开关次数少，所以开关损耗低，动态性能比较好。但是由于电平数越多，计算方法越复杂，所以，此方法不适用于电平数较多的应用场合。143多载波PWM技术该策略中载波组是由M1个幅值、频率相同的三角载波构成的，如图15所示。三角载波组并排放置，载波组中的每一个三角载波都与同一正弦调制波信号进行比较，控制相应的开关器件通断，从而使变流器输出端得到M电平的电压。此方法能够以较低的器件开关频率获得很高的等效开关频率，因此输出特性良好，但是由于器件的导通与关断存在差异，因此造成损耗不同，这种策略一般应用于二极管箝位式多电平逆变器。2CA2CAT图15多载波PWM调制技术示意图144CPSSPWM调制技术载波移相正弦波脉宽调制CARRIERPHASESHIFTEDSINUSOIDALPULSEWIDTHMODULATION,CPSSPWM是一种广泛应用于基于多电平拓扑结构的高压大功率电力电子变换装置的开关控制技术，能够通过较低的器件开关频率实现较高的等效开关频率，这不但使SPWM调制技术在特大功率场合的应用成为可能，同时也大大的提高了装置的容量，有效减少了装置输出电压高次谐波含量，降低了输出滤波器的成本和体积，提升了装置整体的输出带宽。本文所研究的谐波发生器，其主要特点就是要求具有一定带宽的谐波输出能力，因此采用能够CPSSPWM调制策略能够通过较低的器件开关频率输出一定带宽的谐波，且大大降低了高次谐波的输出干扰，提升了装置的输出性能，后续章节将对其做具体介绍。15H桥级联型谐波发生器技术问题针对目前谐波问题的突出以及谐波发生装置所遇到的瓶颈，本文提出了一种基于H桥级联型结构的谐波发生器，它具有一定带宽的谐波输出能力，既可以当作谐波试验源，用于测试电力设备在谐波环境下的工作性能，也可以当作谐波补偿源，用于电力系统中谐波的补偿与治理。对于H桥级联型谐波发生器而言，其控制的目标主要有两点首先是装置谐波输出的控制，分为谐波电压与谐波电流控制，控制的主要目标是使输出的谐波跟踪效果好，稳态静差小；其次是单元直压的控制，只有保持单元直压的稳定，才能使装置拥有良好的输出性能。对于谐波电压输出而言，通过开环即可获取较好的控制效果，实现较为容易，谐波电流一般在并网方式前提下产生，控制较为复杂，因此，本文主要研究谐波电流的控制。综上所述，决定H桥级联型谐波发生器性能的关键技术问题就是谐波电流的控制以及直压的控制。151电流控制策略研究现状及问题根据电流产生的机理，其控制策略可分为间接电流和直接电流控制26。所谓间接电流控制，就是将逆变器看作为一个幅值相位可调的等效交流电压源，通过PWM控制技术直接控制该等效电压源的幅值和相位，然后通过和电网电动势的相互作用得到逆变器所需电流。对于这种电流控制策略，由于以输出电压的幅值和相位为直接控制目标，因而控制的精度较低，且动态响应较慢，但该控制策略对电力电子开关器件的工作频率要求不高，因而多应用于高压大容量的场合。所谓直接电流控制，其本质就是电流的跟踪控制，它通过PWM控制技术，使得逆变器的输出电流能够快速无静差跟踪指令电流信号，此时逆变器装置相当于一个受控的等效电流源。对于这种电流控制策略，由于以输出电流为直接控制目标，因而动态响应快，但算法实现较复杂。直流电流控制策略要求装置输出电流瞬时值实时指令电流，因而对电力电子开关器件的工作频率要求较高，而以目前电力电子器件制造的技术水平来看，对于高压大容量的场合还很难实现，现多应用于中小容量场合。从控制器的角度而言，目前主要有线性PID控制、线性最优控制、自适应控制、智能控制等，这些控制方法都有各自的优缺点，但对于谐波控制而言效果并不理想。近些年来，基于内模原理的重复学习控制以及PR控制成为了研究的热点，这两种控制方法对于谐波的跟踪具有很好的效果，本文主要采用重复学习控制方法，之后也将对其做介绍。针对级联型的并网逆变器，例如级联STATCOM而言，采用较多的直接电流控制，由于输出的是基波无功电流，对输出频带要求较低，因此输出跟踪效果较好。针对H桥级联型谐波发生器，为了使其输出电流快速跟踪，因此采用直接电流控制，但是由于其输出目标是谐波电流，对其频带输出要求比较宽，按照传统直接电流控制方式而言，当输出谐波次数增大时，由于连接电感上的阻抗增大会导致电压降随之增大，从而限制了输出带宽，因此如何快速准确跟踪高次谐波的输出是研究中面临的问题之一。152直压均衡控制策略研究及问题对于级联型结构的逆变器，由于各个单元损耗的不同以及脉冲延时等因素会造成单元直压不均衡；此外，由于冲击性负荷以及等因素也会导致单元直流侧电压不稳定，波动性较大2730。因此，为保证装置自身的正常运行，还需通过直流电压控制策略来实现H桥单元直流电压的均衡。H桥级联型谐波发生器根据直压有无整流电路可分为有整流侧和无整流侧，有整流侧电路通过整流回路维持单元直压稳定与均衡，无整流侧只能通过逆变侧控制策略来维持单元直压均衡，因而本文主要讨论无整流侧的直压均衡控制。直压均衡传统的控制措施主要分为硬件均压与软件均压控制。（1）硬件均压策略。硬件均压3135，即通过在单元直流侧增加专门的硬件回路，对直流侧有功进行调节控制。硬件均压的具体实现方式很多，总结起来，具有以下特点1）立足于直流侧，对有功进行调节。2）需要增加额外的硬件回路，意味着成本的增加。3）均压能力取决于硬件回路设计。在设计合理时，可以有效抑制各种因素导致的直压不均衡。由于硬件均压在均压效果上的可控性，早期的级联型STATCOM，以及目前某些重要的工程中，常设计有硬件均压环节。（2）软件均压策略。软件均压3638，即通过软件控制，在交流侧实现单元有功的调节，即直流侧电压的调节通过改变交流侧功率来实现。对于级联的各单元而言，交流侧电流是相等的，可以通过调节调制比JM和各单元的电压与电流相角J来改变单元交直转换的功率。显然，相角J的调节更为直接。因而采用的大多数控制最终可等效为对相角J的调节，实现过程中，调制比J也有少许变化，但通常可以忽略不计。软件均压必须遵循一个基本原则均压控制应不影响级联的等效输出电压。综上可知，硬件均压主要是通过增加硬件回路来保持直流电压的均衡，这就意味着增加装置的成本；软件均压是通过软件控制策略来调节，无需增加成本，是目前首选的均压措施，但是通过软件均压本质上是在指令调制波的基础上叠加一个有功修正分量，这会影响到逆变器的最终输出。因而，如何既不增加装置成本又不影响到逆变器输出，成为了级联型谐波发生器研究的另一个关键问题。16本文主要研究内容本文将围绕H桥级联谐波发生装置的技术问题进行展开，对其进行深入的分析，主要研究内容如下（1）对基于CPSSPWM调制技术的H桥级联型谐波发生器的拓扑结构进行分析，以此为出发点，对单个H桥逆变单元基波域下的输出进行数学分析，进而拓展到谐波域，通过分析可得到H桥级联型谐波发生器谐波输出特性与谐波输出时各单元有功分布规律。（2）介绍H桥级联谐波发生装置的关键技术问题，主要是载波轮换与载波频率优化技术以及基于指令电流前馈补偿的控制策略。首先，通过对单元有功分布规律的分析可知，在谐波输出环境下，每个谐波单元输出电压的频谱范围较宽且存在一定的差异，当进行谐波电流输出时，必然会引起单元有功分布的不均，从而导致单元直压的不均，在不增加额外稳压拓扑结构的情况下，只能改变调制策略来进行直压均衡。因而，提出了一种基于CPSSPWM调制技术下的改进策略，具体实现方法是通过载波轮换或载波频率优化来改变单元有功分布，使其呈现周期性的变化，进而维持单元直压平衡。其次，为了兼顾谐波与基波的输出，按照传统的直接电流控制方法，当谐波输出的次数较高时，由于连接电抗上的阻抗增大会导致电压降增大，从而使输出谐波的带宽受到限制，这样会造成实际输出存在较大静差，进而影响装置的整体输出性能。因而，本文提出了一种基于指令电流前馈补偿的控制策略，使装置具有更好的输出跟踪性能。（3）通过PSCAD搭建装置模型进行仿真验证，仿真结果表明采用载波轮换或者载波频率优化的改进CPSSPWM调制技术能够改善直流侧电压不均的情况；采用基于指令电流前馈补偿的控制策略能够使装置输出精确跟踪指令的变化，输出静差小，响应速度快。（4）论述了谐波发生器的软硬件实现技术，研制出了10KV谐波综合试验平台，并进行了现场实验，主要包含谐波测试实验与谐波补偿实验，给出了现场实验波形，并对实验结果进行了分析。（5）最后，对全文进行回顾与总结，并对未来工作进行展望。2H桥级联型谐波发生器谐波输出原理H桥级联型谐波发生器的谐波输出原理主要包括其拓扑组成、调制技术、工作模式以及谐波输出特性等几个方面，现分别予以介绍。21H桥级联型谐波发生器主拓扑H桥级联型谐波发生器是以电力电子级联技术为基础的大功率变流装置，通过根据有无整流侧来分，主要可分为有整流侧和无整流侧两种拓扑类型。211有整流侧谐波发生器主拓扑整流逆变功率单元整流逆变1OUONU1CNCSNU1SUO图21有整流侧谐波发生器单相主拓扑如图21所示，为有整流侧谐波发生器单相主拓扑，主要由若干个背靠背功率单元在逆变侧级联而成，背靠背功率单元主要由H桥整流电路与H桥逆变电路构成，通过单元级联，能够有效提高逆变侧输出的等效开关频率，从而精确控制输出高次谐波，生成给定指令的电压与电流扰动。此拓扑主要特点为输入侧有整流桥，直压能够通过PWM整流保持稳定，在逆变侧无需直压控制，因而对逆变侧控制要求较低，能够分别实现电压与电流谐波输出，硬件成本较高，由于有整流电路，逆变侧开关频率可以较高，输出谐波频带范围较宽。ADC1UBRCCDPWM整流桥PWM逆变桥SI1L1SU1U图22背靠背功率单元主电路如图22所示，为谐波发生器单个背靠背功率单元的主电路。功率单元由PWM整流桥和PWM逆变桥组成，整流桥主要是建立直流侧电压并维持其稳定，逆变桥主要作用是生成指令信号，实现谐波源的输出。其中1L为输入侧滤波电抗；1R为均压电阻，可为能量提供释放通道；1C为直流侧储能电容；DCU为直流侧电压；SU为单元输入电压；SI为单元输入电流。CU为单元输出电压。212无整流侧谐波发生器主拓扑U1Y1CA1V1VIYICIUIHBIYNCNUNHBNVNVO图23无整流侧谐波发生器主拓扑如图23所示，为无整流侧谐波发生器单相主拓扑，输入侧没有整流桥，只能通过并网的方式获取直压，直压通过一定的控制策略维持稳定，对逆变的控制要求较高。只能实现电流谐波输出，硬件成本较低，为了减小开关损耗导致直压的不均，逆变侧开关频率较低，谐波输出频带范围较低，主要用于系统的低次谐波电流补偿。22H桥型逆变器的数学模型本文所研究的谐波发生器是以H桥型逆变器为基本组成单元，因此有必要对其进行分析，建立其数学模型。H桥型逆变器等效拓扑结构如图24所示，假设条件为DCUDCHI1S2S3S4SHI1U图24H桥逆变器等效电路图（1）直流母线电压恒定；（2）全控型电力电子器件及其反并联二极管采用双向导通的理想开关模型，不考虑器件换流过程。变量定义为DCU为直流母线电压，DCDU；L,R分别为H桥逆变器左桥臂和右桥臂中点对直流电容中点电压，即桥臂输出电压；1，HI分别为H桥逆变器输出电压和电流；S4分别为四只全控型开关器件的开关状态，由相应器件的驱动信号决定，其值为1时表示器件导通，为0时表示器件关断，其中，1S，2互补导通，3S，4互补导通；LS，R分别为左右桥臂状态变量，正常工作时只有两种状态1和1，分别表示上桥臂导