不对称桥臂三相三电平逆变器的研究及其在电力有源滤波中的应用

摘要

电力电子技术的快速发展,给电能的变换和应用带来了方便的同时,也给电力系统带来较严重的电能质量问题,如谐波污染、无功问题等。有源电力滤波器是公认的治理谐波和无功的有效手段。逆变器作为有源滤波器的重要组成部分,对其滤波性能有着重大的影响。本文研究了一种改进的新型不对称结构的三相三电平逆变器,并将其在电力有源滤波应用做了分析与研究。
　　与传统的两电平逆变器相比,三电平逆变器能够在不增加器件开关频率的前提下,增加系统的容量和耐压等级,减小器件的开关损耗,降低输出电压的谐波含量。本文对所提出的基于不对称桥臂的三相三电平逆变器的工作原理和调制策略与二极管钳位型逆变器进行了对比分析,对这两种逆变器的驱动进行设计。并且用仿真和实验对两种逆变器的性能进行了验证。新型逆变器的结构简单,驱动设计容易,在没有增加功率开关管的前提下,没有使用钳位二极管或者飞跨电容,且逆变效果良好。
　　结合该不对称桥臂逆变器的特点,在控制算法上,研究了一种改进的三电平SVPWM算法,该算法利用两电平空间矢量图和三电平空间矢量图之间的几何关系,巧妙地将两电平SVPWM算法中的基本矢量作用时间线性转换到三电平SVPWM算法中,避免了三角函数的运算,减小了计算量,便于数字化实现。此外,对三电平逆变器所固有的直流侧中点电位的不平衡问题的原因和危害进行了分析,通过改变成对小矢量的作用时间分配的方法控制中点电位。
　　将该不对称桥臂逆变器应用到电力有源滤波中,并对其数学模型进行了分析。通过一种踪跟指令电压矢量的 SVPWM电流控制方法和改进的SVPWM控制算法来跟踪谐波电流。并在此基础上在MATLAB/SIMULINK中建立了仿真模型,进行了仿真实验。此外,设计了基于不对称桥臂的三相三电平APF实验装置。对该基于不对称桥臂的三相三电平APF的主电路的参数进行了分析设计。最后在实验平台上对控制算法和主电路拓扑结构的正确性和有效性进行了实验研究。

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1 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 谐波产生的原因与危害

1.3 谐波的治理方法

1.4 谐波的限制要求

1.5 电力电子技术在谐波治理中的应用

1.6 有源电力滤波器的发展历史与研究现状

1.7 本文的主要内容

2 三相三电平逆变器

2.1 三电平逆变器技术

2.2 二极管箝位型三电平逆变电路

2.3 不对称桥臂的三相三电平逆变电路

2.4 三电平逆变器驱动电路的设计

2.5 本章小结

3 不对称桥臂三电平逆变器的SVPWM控制

3.1 两电平逆变器SVPWM算法的实现

3.2 三电平SVPWM分解为两电平SVPWM的简化算法

3.3 直流侧中点电位控制

3.4 仿真和实验研究

3.5 本章小结

4 不对称桥臂的三相三电平APF

4.1 不对称桥臂的三相三电平APF数学模型

4.2 跟踪指令电压矢量的SVPWM电流控制

4.3 基于不对称桥臂的三电平APF的仿真研究

4.4 本章小结

5 三电平有源滤波器系统设计与实验验证

5.1 不对称桥臂的三电平APF实验装置

5.2 直流侧电容参数设计

5.3 交流侧滤波电感的设计

5.4 三电平APF实验结果及分析

5.5 本章小结

6 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

附录 三电平逆变器实验样机

致谢