新型通用多电平电压源变换器拓扑及其调制策略研究

摘要

多电平变换器相对于传统的两电平变换器，具有控制方式灵活、输出电压谐波含量低、经济性好、效率高和适用于高压大功率输出等优势。因而，对于在高压大功率工况下的电能质量治理、交流电机调速和直流输电具有很好的工程实用价值。 根据直流侧是否共用电容器，多电平变换器拓扑可以分为级联和直流侧共电容器两大类。级联多电平拓扑适用于高压大功率且易于模块化，但各功率模块直流侧的电容器独立，导致各桥臂的有功能量不能够自由流动，这就意味着当存在负序电流分量时直流侧电压较难实现相间的均衡。直流侧共电容器多电平拓扑虽然通常需要大量用于钳位的二极管或电容，且仅适用于低压场合，但其直流侧共用电容器的特点使得其能够实现相间的有功能量交换。综合利弊，本文提出了一类主变换器为级联逆变单元、从变换器为直流侧共电容器单元的新型通用混合多电平变换器拓扑。通过主从变换器的协调控制使得主变换器的输出电压垂直于流过该相的电流，从变换器实现相间有功能量的交换，保证了当输出电流中有负序分量时相间直流侧电压的均衡。 论文从消除有功耦合波动的方向对调制策略进行了优化，就本文所选取的移相角度为π/N的载波移相单极倍频正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)，需要考虑到各边频谐波电压和谐波电流产生功率耦合所导致的级联逆变单元各相功率模块直流侧电压不均衡的问题。针对此问题本文给出了两个思路:第一种方法是对载波的频率进行优化使这种有功耦合在源头上得到抑制;第二种方法是对载波进行周期性的轮换使功率波动平均的分配到每个模块上，从而变相的使每个功率模块的直流侧电压均衡。通过仿真对比了两种方法的实际效果。 文中对所提新型通用多电平变换器拓扑选取特定结构，并在不平衡工况下应用于有源电力滤波器上。通过建立数学模型进行等效电路变化，由该等效电路变化得到一种简易的指令电流提取方法，此方法不需要单独提取无功及各次谐波电流，也不需要对基波电流的正负序进行分离，就能够实现负荷的谐波、基波负序以及基波正序无功电流的动态补偿。为保证装置良好的补偿效果，从三个层面对直流侧电容的电压进行控制:第一层为总体直流侧电压平衡控制，采取解耦控制来调节电网侧注入装置的有功，从而实现有功交换的平衡;第二层为相间主从协调均衡控制，使链式部分的输出电压与该桥臂电流始终垂直来实现链式部分三桥臂的有功均衡;第三层通过给各功率模块一个有功修正量使其直流侧电压跟踪指令值。 基于上述理论分析，本论文进行了仿真验证和样机研制的工作，并详细给出了仿真结果、系统结构以及装置的硬件架构。通过仿真结果，该新型通用多电平拓扑的优势以及优化调制策略的效果都得到了验证。对于其应用在有源电力滤波器上的指令电流提取算法简单，电压控制策略有效，系统鲁棒性好，具有较好的工程实用价值。