电压型PWM变流器直流端口谐波电流分析及解耦方法研究

摘要

电压型 PWM 变流器（VSC）因其控制灵活、能量可双向流动等一系列优点，使其在不间断电源、并网逆变器以及有源电力滤波器等功率变换系统中获得了广泛的应用。直流端口电容的尽限设计是决定VSC可靠性和功率密度的关键因素之一。而直流端口电容设计的两大目标：功率损耗和电压纹波，均依赖于直流端口谐波电流的准确分析计算。目前，基于频域的双傅立叶变换和基于时域的有效值方法及其研究成果被广泛应用在直流端口的电流分析中。但这些方法均未考虑VSC 交流端口包含电力谐波时的应用，尤其是作为有源电力滤波器或给非线性负荷供电等以谐波电流输出为主的应用场景。另一方面，即便将双傅立叶变换方法或是时域有效值方法应用于分析在VSC交流端口包含电力谐波时的直流端口谐波电流，也不难证明在各次谐波及其相角的任意组合下，过去的方法将面临庞大无解的计算困境，更无从得到电容设计所需的直流端口谐波电流的极端工况。　　本论文围绕以上难题，根据各类电容等效串联电阻的频率特性，将直流端口谐波电流分为低频分量（＜1kHz）和高频分量（＞1kHz）两部分。首次推导建立了在单相和三相交流端口任意谐波电流下直流端口低频谐波电流和高频谐波电流有效值数学模型；并进一步成功推导了极端工况下的表达式，实现了直流端口无源解耦方式下电容最大功率损耗的完整计算流程。另一方面，为避免在交流端口较大谐波电流输出时直流端口电容过于庞大的问题，本论文提出了一种基于降压型 DC-DC 电路的直流端口谐波功率有源解耦方案，不仅将原本仅用于吸收单相VSC 直流端口二次谐波电流的电路首次拓展到吸收单相和三相 VSC 直流端口的任意次低频谐波电流的组合，还提出了基于直流电压闭环与低频谐波电流快速前馈的新的控制策略，显著提升了直流端口低频谐波功率的吸收效果，用更少的电容实现了更稳定的直流端口电压。　　首先，论文针对直流端口电容的两大设计目标：功率损耗和电压纹波，分别建立了其与直流端口谐波电流的数学关系。据此，针对目前主流的 VSC（单相半桥、单相全桥、三相全桥）结构，建立了在交流端口任意电力谐波下直流端口电流的平均值、低频谐波和有效值数学模型，并进一步系统化推导了在不同交流端口电力谐波下单相全桥和三相全桥VSC的直流端口电流周期。其中低频谐波模型用于推导直流端口的各次低频谐波电流，它们被单独用于计算直流端口电容的低频谐波功率损耗；平均值模型、低频谐波模型和有效值模型用于推导直流端口高频谐波电流有效值，它用于直接计算直流端口电容总的高频谐波功率损耗。上述直流端口电流的相关数学模型及周期分析，有效地形成了在交流端口电力谐波下VSC直流端口电流及电容功率损耗理论分析的基础框架。　　随后，在建立的VSC直流端口谐波电流的数学模型的基础上，论文分别以单相全桥和三相全桥VSC为研究对象，通过复杂的三角函数运算及化简，首次推导出在交流端口任意次低频谐波电流组合下的VSC直流端口的低频谐波电流和高频谐波电流有效值的解析表达式。但是，由于在交流端口低频谐波电流相角的无穷多组合下，直流端口存在无穷多的高频谐波电流有效值，导致无法实现精确的直流端口电容的尽限设计。所以，论文进一步推导了低频谐波电流和高频谐波电流有效值的极端工况及其简化的解析表达式，建立了无源解耦下直流端口电容的最大功率损耗计算流程。在搭建的单相全桥和三相全桥VSC样机平台上，通过并网注入任意低频谐波电流组合的实验，验证了本论文对VSC直流端口谐波电流理论分析的正确性。　　最后，由于无源解耦下直流端口谐波电流全部由直流电容吸收，导致在交流端口包含较大低频谐波电流时需要较大的直流端口电容稳压，因此论文进一步提出了一种基于降压型 DC-DC电路的直流端口谐波功率有源解耦方案，将 VSC直流端口任意阶次组合的低频谐波功率传递到允许较大电压波动的更小型化的 DC-DC 电路低压侧电容中。并提出了基于直流电压闭环与低频谐波电流快速前馈的新的解耦控制策略，克服了已有控制策略对系统参数敏感、功率解耦不完全和谐波电流前馈值的延迟过大等缺点。通过一系列对比实验，验证了所提出的谐波功率有源解耦方案及控制方法的有效性和优越性。

目录

1 绪论

1.1研究背景

1.2 VSC直流端口的功率解耦方式

1.3谐波功率无源解耦与直流端口电流分析

1.4谐波功率有源解耦

1.4.1拓扑依赖型

1.4.2拓扑独立型

1.4.3其他有源解耦电路

1.4.4降压型DC-DC解耦单元的已有控制策略

1.5论文研究的主要内容

2 VSC直流端口电流的数学模型基础框架

2.1.1 VSC的电路结构与工作原理

2.1.2 VSC的交流端口电力谐波特征

2.2直流端口电容设计目标

2.2.1直流端口电容功率损耗

2.2.2直流端口电容电压纹波数学模型

2.3直流端口电流瞬时数学模型

2.4 直流端口电流平均值、低频谐波和有效值的基础数学模型框架

2.4.1直流端口电流的波形特征

2.4.2直流端口电流低频谐波模型框架

2.4.3直流端口电流平均值模型框架

2.4.4直流端口电流有效值模型框架

2.5 VSC交流端口电力谐波表达式及其简化

2.6电力谐波下VSC的直流端口电流周期

2.6.1斩波函数

2.6.2交流端口电流与直流端口电流的周期性

2.7本章小结

3单相全桥VSC直流端口谐波电流及无源解耦下电容的极端

3.1.1直流端口低频谐波电流

3.1.2直流端口低频谐波电压

3.2单相全桥VSC流端口高频谐波电流有效值

3.3单相全桥VSC直流端口无源解耦下电容的极端工况分析

3.3.1直流端口高频谐波电流有效值的极端工况分析

3.3.2直流端口低频谐波电流的极端工况分析

3.3.3直流端口无源解耦下电容的功率损耗分析

3.3.4实例设计

3.4单相全桥VSC仿真与实验验证

3.4.1仿真与理论计算结果

3.4.2实验与理论计算结果

3.4.3误差分析

3.5本章小结

4三相全桥VSC直流端口谐波电流及无源解耦下电容的极端工况推导

4.1.1直流端口低频谐波电流

4.1.2直流端口低频谐波电压

4.2三相全桥VSC直流端口高频谐波电流有效值

4.3三相全桥VSC直流端口无源解耦下电容的极端工况分析

4.3.1直流端口高频谐波电流有效值的极端工况分析

4.3.2直流端口低频谐波电流的极端工况分析

4.3.3直流端口无源解耦下电容的功率损耗分析

4.3.4实例设计

4.4三相全桥VSC实验验证

4.4.1实验与理论计算结果

4.4.2误差分析

4.5本章小结

5 单相全桥和三相全桥VSC的谐波功率有源解耦

5.1谐波功率有源解耦原理

5.2基于高压侧电压纹波闭环与低频谐波电流前馈的控制策略

5.2.1开关管导通时间计算

5.2.2低频谐波电流的前馈指令计算

5.2.3电压闭环参数设计

5.3实验验证

5.4本章小结

6全文总结与展望

6.1全文工作总结

6.2未来工作展望

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.学位论文数据集

致谢