基于载波相移PWM技术的级联型变流器及其在有源电力滤波器中的应用

摘要

大功率电力电子装置的应用越来越广泛。传统的多重化结构必须通过电力变压器或电抗器实现变流器单元间的联结。变压器或电抗器的价格、尺寸、效率及可靠性等阻碍了多重化结构功率等级的继续提升。多电平变流器的出现，为解决这一问题提供机会。在大功率电力电子装置上出现的另一大问题就是大功率器件的工作频率较低，无法应用PWM技术等优秀的调制技术。本研究报告正是针对上述问题展开的。本研究报告以级联型变流器及其开关控制策略为对象，在理论和实践上进行了深入的研究；并以并联有源滤波器系统为平台对其工程应用进行了初步的探讨。 在各种多电平变流器拓扑结构中，级联型多电平变流器所需的元器件数目最少；由于采用独立直流结构，因此直流侧的均压问题相对容易解决；每个基本单元的电路结构完全一致，更有利于模块化和冗余设计。级联型多电平变流器的缺点是在需要提供有功功率的场合需要独立的直流电源；这就增加了系统的造价，降低了性价比。而在电力有源滤波器(APF)中不需要直流电源提供能量。显然，级联型多电平变流器在APF系统中有很大的优势。 多电平变流器的开关控制策略决定着变流器本身的输入输出关系、频谱特性以及传输带宽。深入研究多电平变流器的开关控制策略，能够对变流器能够实施更有效、更准确的控制。目前，对于多电平变流器开关调制策略的研究主要集中在新型调制策略的发明、已有调制策略的扩展应用等方面，而对各种调制策略的深入理论研究和定量数学分析则很不够。本研究报告在对载波相移SPWM、错时采样SVM以及基于载波组的PWM等开关调制策略的定量数学分析方面进行了较为深入的研究，得到一些重要结论。这为在不同工况下选择最佳的开关调制策略提供了指导性帮助。载波相移PWM技术(包括载波相移SPWM、错时采样SVM)能够在较低的器件开关频率下实现较高开关频率的效果，通过低次谐波的相互抵消提高等效开关频率而不是简单地将谐波向高次推移，因而具有良好的谐波特性，是优秀的开关调制策略。 在并联有源滤波器系统中，由于直流侧不需要提供有功功率，级联型多电平变流器的优势可以得到充分的发挥；而载波相移PWM技术良好的谐波传输特性也可以得到良好的利用。因此，本研究报告将二者结合起来，提出了基于载波相移PWM技术的级联型多电平变流器并联APF系统的电路拓扑结构，并在谐波及无功检测、交直流控制策略和系统参数设计等方面进行了系统的分析。在此基础上进行了仿真研究。 多电平变流器的开关器件数目远大于常规的桥式PWM变流器，而常用的微控制芯片难以提供足够的PWM触发脉冲。适用于多电平变流器的多路PWM发生器可以通过FPGA实现。本研究报告给出了利用FPGA构造三相五电平变流器24路PWM波形发生器的办法。 在理论分析和仿真研究的基础上，本研究报告设计了基于三相级联型五电平变流器的并联APF系统样机，进行了系统实验，给出了实验结果。实验结果表明基于载波相移PWM技术的级联型多电平变流器并联APF系统能够在较低的器件开关频率下实现较好的谐波及无功补偿效果，有良好的工业应用前景。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

§1.1多电平变流器的发展概况

1.1.1多电平变流器的拓扑学进展

1.1.2多电平变流器的开关调制策略

§1.2有源电力滤波器的概述

1.2.1谐波及无功功率的危害

1.2.2谐波补偿装置的发展

1.2.3有源电力滤波器的拓扑结构

1.2.4并联型APF的电流控制策略综述

§1.4本文的主要研究内容

第二章载波相移PWM技术的理论研究

§2.1 CPS-SPWM的频域数学模型及其传输带宽的研究

2.1.1自然采样二逻辑SPWM的频域数学模型

2.1.2二逻辑CPS-SPWM技术的数学模型

2.1.3电流型CPS-SPWM技术的数学模型

2.1.4 CPS-SPWM技术传输带宽的研究

§2.2最小开关损耗空间矢量调制的谐波分析

2.2.1 SVM技术基本原理

2.2.2 SVM调制波的显化

2.2.3 MSL-SVM技术的谐波分析

§2.3错时采样空间矢量调制技术的谐波特性研究

2.3.1 STS-SVM基本原理

2.3.2 STS-SVM的谐波特性分析

2.3.3仿真和实验验证

2.3.4载波相移PWM在其他多电平变流器中应用的可行性分析

§2.4多电平变流器的其他PWM策略

2.4.1阶梯波脉宽调制(Stair-wave PWM)

2.4.2多电平空间矢量调制(Multilevel SVM)

2.4.3基于载波组的PWM(Carriers-based PWM)

2.4.4载波相移PWM与其他调制策略的比较

§2.4本章小结

第三章级联型多电平变流器在APF中的应用

§3.1谐波及无功电流的瞬时闭环检测

3.1.1谐波和无功电流的基本概念

3.1.2基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流的开环检测

3.1.3基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流的闭环检测

3.1.4实验研究

3 1.5单相电路谐波和无功电流的瞬时闭环检测

§3.2并联APF的基本原理和拓扑结构

3.2.1并联APF的基本原理

3.2.2并联APF的基本电路拓扑

§3.3级联型变流器在并联APF中的应用研究

3.3.1交流侧控制

3.3.2直流侧控制

3.3.3 APF主电路参数的选择

3.3.3系统仿真结果

§3.4本章小结

第四章并联APF样机的设计和实验

§4.1多路PWM波形发生器的设计

4.1.1基于TMS320F2407的多路PWM发生器

4.1.2基于FPGA的多路PWM发生器

§4.2实验样机的硬件设计

4.2.1非线性负载

4.2.2 APF主电路

4.2.3谐波和无功电流检测电路

4.2.4电量采样与增益电路

4.2.5隔离、驱动与保护电路

4.2.6 DSP控制器外围电路

§4.3系统软件设计

4.3.1 PI调节的数字实现

4.3.2总体软件流程图

§4.4实验结果及分析

4 4.1 APF样机实验波形

4.4.2实验结果分析

§4.4本章小结

参考文献

附图

致谢

博士期间发表的学术论文清单

博士后期间发表的学术论文清单

个人简历

附博士后期间文章一：Harmonic Characteristic of Sample Time Staggered Space Vector Modulation for Multi-modular or Multilevel Converters

附博士后期间文章二：Study on Shunt Active Power Fulter Based on Cascade Multilevel Converters

附博士后期间文章三：最小开关损耗空间矢量调制的谐波分析

附博士后期间文章四：错时采样空间矢量调制技术的频域数学分析

附博士后期间文章五：Carrier Phase shifted SPWM based on current sourced multi-modular converter for active power filter

附博士后期间文章六：载波相移SPWM技术传输带宽的研究