基于VFCB-PWM控制的级联H桥型五电平STATCOM的研究

摘要

静止同步补偿器(STATCOM)是FACTS家族的重要装置成员之一，在世界各地正得到越来越广泛的应用。因为先进的控制性能，STATCOM已经成为世界上静止无功补偿发展研究的方向。
　　 首先，随着装置容量变得越来越大以及对输出波形谐波频谱要求更高的基础上，多电平STATCOM主电路成为未来的发展方向。从通用型五电平拓扑电路出发，本文对各种类型的五电平拓扑电路进行了分析，如二极管箝位五电平拓扑、飞跨电容五电平拓扑等，同时给出了各类拓扑的优缺点。着重分析了级联H桥型五电平的工况，进而提出了本文STATCOM五电平的主电路拓扑结构。
　　 其次，在分析了STATCOM装置的工作原理和工作特性的基础上，搭建了级联五电平STATCOM在abc三相坐标系和dq0两相同步旋转坐标系下的数学模型，以便于更好的进行理论分析。
　　 接着，提出了虚拟构造的匀速旋转快速电流检测方法，解决了三相电网电压不对称下的电流检测，同时检测延时可减少到1/6个电源周期，实现了电流的快速检测，缩短了响应时间，提高了动态补偿速度，省去了锁相环，计算方法简单。基于以配电系统无功电流补偿为主要目标的级联五电平STATCOM的数学模型，给出了直接电流控制、间接电流控制以及其它控制策略，进而提出了本文所采用的电压恒定及实时跟随的三角波比较法的直接电流控制策略。
　　 随后，对各种五电平PWM调制方法及其输出电压谐波进行了深入研究，并进行了仿真对比分析，同时提出了适用于级联H桥型五电平变流器的载波带频率变化的PWM调制方法(VFCB-PWM)，它能平衡上部、下部和中间开关的开关频率，降低了输出电压谐波。
　　 最后，在MATLAB7.0/SIMULINK的环境下，建立了级联五电平STATCOM模型的试验系统数字仿真平台，采用虚拟构造的匀速旋转快速电流检测、电压恒定及实时跟随的三角波比较法和VFCB-PWM调制方法，仿真结果表明，该方法实现了STATCOM在系统不平衡下的快速电流检测、谐波抑制及快速无功补偿。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪 论

1.1 STATCOM的基本特征

1.2 STATCOM的研究现状

1.3 STATCOM研究的意义

1.4 STATCOM的研究重点及难点

1.5本文研究的主要工作及安排

第二章五电平STATCOM主电路拓扑结构的研究

2.1通用型五电平拓扑

2.2新型自平衡级联五电平拓扑

2.3二极管箝位五电平拓扑(Diode-Clamped)

2.3.1传统二极管箝位五电平拓扑

2.3.2改进的二极管箝位五电平拓扑

2.3.3单电源二极管箝位型级联五电平拓扑

2.4飞跨电容型五电平拓扑(Flying-capacitor)

2.4.1传统飞跨电容五电平拓扑

2.4.2单电源飞跨电容型级联五电平拓扑

2.5级联型五电平拓扑

2.5.1 NPC/H桥型五电平拓扑

2.5.2级联H桥型五电平拓扑(Cascaded H-bridge，CHB)

2.6其它五电平拓扑

2.6.1不对称5电平单相逆变器

2.6.2广义P2五电平单相逆变器

2.7本章小结

第三章级联五电平STATCOM的数学建模

3.1 STATCOM的结构

3.2 STATCOM无功补偿原理

3.3级联五电平STATCOM的数学模型

3.3.1 abc坐标系下的数学模型

3.3.2 aq0坐标系下数学模型

3.4本章小结

第四章 虚拟构造的匀速旋转快速电流检测及STATCOM控制策略的研究

4.1虚拟构造的匀速旋转快速电流检测法

4.1.1电流检测过程分析

4.1.2一相电压构造虚拟的对称三相系统

4.1.3电流平均值法

4.1.4电流检测的结论

4.2电流间接控制

4.2.1单δ控制方法

4.2.2δ与θ配合控制

4.3电流直接控制

4.3.1滞环比较法

4.3.2三角波比较法

4.4其它控制策略

4.4.1模糊控制

4.4.2神经网络控制

4.4.3滑模变结构控制

4.4.4无差拍控制

4.5本章小结

第五章 基于VFCB-PWM级联H桥型五电平逆变器调制方法的研究及其仿真

5.1阶梯波调制方法

5.2开关点预制PWM方法

5.3移幅载波调制法

5.3.1同相层叠法(In-Phase Disposition，IPD)

5.3.2相邻反相层叠(Alternative Phase Opposite Disposition,APOD)

5.3.3正负反相层叠(Phase Opposite Disposition，POD)

5.4混合载波PWM方法

5.4.1载波交叠PWM方法(Carrier-Overlapping PWM,COFPWM-A)

5.4.2载波交叠PWM方法(Carrier-Overlapping PWM,COFPWM-B)

5.4.3载波交叠PWM方法(Carrier-Overlapping PWM,COFPWM-C)

5.5移相载波调制法

5.5.1相移载波PWM方法(CPS-SPWM)

5.5.2半周期内相移

5.6其它调制方法

5.6.1错时采样空间矢量调制方法(STS-SVM)

5.6.2空间矢量脉宽调制技术(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)

5.6.3台形波PWM控制

5.7载波带频率变化的PWM(VFCB-PWM)方法

5.8本章小结

第六章 级联H桥五电平STATCOM的仿真研究

6.1虚拟构造的匀速旋转电流检测仿真

6.2基于VFCB-PWM及快速电流检测方法的五电平STATCOM仿真

第七章 全文工作总结与展望

7.1工作总结

7.2未来工作展望

参考文献

致谢

附 录