三相四桥臂变流器关键技术研究及在中性点不接地配电网中的多功能应用

摘要

三相四桥臂功率变流器的第四桥臂能够对共模或零序分量进行灵活控制，广泛应用于带有零线回路的供电网的有源滤波、不间断电源、以及孤岛模式运行的变流器等场景，较之三相三桥臂变流器通过额外隔离变压器的星型侧中点抽头实现零线的方式具有明显的体积和重量优势。但是相比于三相三桥臂变流器成熟的理论体系，三相四桥臂系统尚有多个理论问题需要深入研究解决：例如，对应于三相三桥臂下的三电平直流侧中性点电位平衡问题，三相四桥臂拓扑的额外桥臂使得原有直流侧中性点电位平衡控制不再适用；又如，对应于三相三桥臂LCL滤波器的有源阻尼方法，三相四桥臂在差模回路之外还具有额外的共模回路，于是就产生了差共模结合下的有源阻尼新问题。　　本文首先研究解决了三相四桥臂三电平结构直流侧中性点电位平衡问题，然后提出了基于差共模等效电路的三相四桥臂LCL滤波器有源阻尼新方法，最后基于三相四桥臂拓扑的差共模分析方法，本文进一步提出了三相四桥臂变流器在三相三线制中性点不接地中压配电网中的多功能应用新方法，巧妙利用第四桥臂的共模回路控制来进行单相接地故障中接地电流的补偿与消弧，从而实现了多种配网功能在同一台变流器上的解耦和集成。本文的研究可分为以下三个部分：　　在第二章中，针对三相四桥臂三电平结构直流侧中性点电位平衡问题，本文提出了一种基于四相共模电压注入的新型平衡算法，该算法在每个控制周期内根据交流侧电流和直流侧电压计算出需叠加到各相调制信号上的四相共模电压，从而维持直流侧中性点电位的平衡，该新算法计算流程简单且计算结果准确。同时，本文还首次揭示了数字控制延迟对于三电平直流侧中性点电位产生1/6采样控制频率交流波动的规律，并对此提出了一种基于预测控制的数字延迟补偿方法，完全抑制了数字控制延迟所导致的三电平直流侧中性点电位波动。　　在第三章中，针对三相四桥臂拓扑下的LCL滤波器有源阻尼问题，本文提出了基于差共模等效电路的LCL滤波器有源阻尼新方法，保证了差模和共模两个LCL等效电路同时实现有效阻尼。对于LCL差模等效电路，本文提出了一种基于逆变侧电流反馈和LCL电容电压前馈的有源阻尼新方法，通过在电容电压前馈通路上增加了一个高通滤波环节，不光可以改善逆变侧电流反馈控制有源阻尼方法对于电网电感的鲁棒性，并且有助于抑制电网电压中的背景谐波。对于LCL共模等效电路，本文首次提出了基于网侧共模电流和LCL共模电容电流反馈的有源阻尼方法，并且对于该有源阻尼方法在1/6采样控制频率处阻尼效果较弱的现象，本文提出了采用陷波器补偿的新方法，以提高LCL共模回路有源阻尼方法对于电网电感的适应性。　　在第四章中，本文首先研究了三相四桥臂拓扑的差共模分解原理和控制方法，同时将三相四桥臂差共模电路分析方法推广到三相三线制中性点不接地配电网单相接地故障及其有源消弧的分析中，推导出三相四桥臂共模电压与配电网单相接地故障接地点电流的关系，并且提出了以三相四桥臂差模电流补偿无功和不平衡电流，而以三相四桥臂共模电流抑制单相接地故障接地点电流以实现有源消弧的方法，从而首次实现了有源滤波和有源消弧功能在同一台变流器设备上的集成与同步运行。本文还进一步研究了三相四桥臂多功能设备差模与共模电流控制器的设计方法，提出了差共模控制器在不同配电网状态下的工作模式以及模式之间的切换策略。　　文中提出的所有方法都通过搭建三电平LCL型三相四桥臂实验平台实现了成功的实验验证，而且通过搭建的配网模型低压实验平台，本文提出的新型三相四桥臂多功能设备的运行原理和控制方法也得到了实验验证。总而言之，本文在研究解决了三相四桥臂系统的三电平直流侧中性点平衡与LCL有源阻尼问题的同时，也将其应用拓展到了三相三线制中性点不接地配电网的新领域。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 三相四桥臂拓扑关键技术问题

1.1.2 三相四桥臂拓扑在三相三线配电网中的多功能复用

1.2 国内外研究现状

1.2.1 三相四桥臂拓扑应用与研究现状

1.2.2 三电平直流侧中性点电位平衡算法研究现状

1.2.3 LCL滤波器阻尼方法研究现状

1.2.4配电网单相接地故障抑制方法研究现状

1.3 研究的主要内容

2 三相四桥臂三电平拓扑直流侧中性点电位平衡算法研究

2.1 引言

2.2 三相四桥臂三电平拓扑直流侧中性点电位平衡算法

2.2.1 直流侧中性点电位数学模型

2.2.2 直流侧中性点电位平衡算法

2.2.3 仿真与实验验证

2.3 数字延迟对平衡算法的影响及补偿方法

2.3.1 三电平中性点电位平衡算法的离散域建模

2.3.2 数字延迟对于三电平中性点电位平衡算法的影响

2.3.3 基于预测控制的平衡算法数字延迟补偿方法

2.3.4 仿真与实验验证

2.4 本章小结

3 三相四桥臂LCL滤波器有源阻尼研究

3.1 引言

3.2 三相四桥臂拓扑LCL滤波器差共模等效电路分解模型

3.3 基于逆变侧电流反馈的LCL差模电路有源阻尼方法

3.3.1 逆变侧电流反馈有源阻尼数学模型

3.3.2 逆变侧电流反馈电容电压前馈控制的稳定性分析

3.3.3 高通滤波器参数的优化设计方法

3.3.4 逆变侧电流反馈控制对于电网电压谐波的抑制

3.3.5 仿真与实验验证

3.4 基于共模电容电流反馈的LCL 共模电路有源阻尼方法

3.4.1 共模电容电流反馈有源阻尼数学模型

3.4.2 共模电容电流最优反馈系数选取

3.4.3 共模电流控制器的设计

3.4.4 仿真与实验验证

3.5 本章小结

4 三相四桥臂差共模控制及其中性点不接地配网多功能应用

4.1 引言

4.2 配电网单相接地故障分析

4.3 三相四桥臂拓扑差共模控制与配网多功能应用新方法

4.3.1 无功与不平衡电流的差模控制

4.3.2 新型单相接地故障抑制的共模控制方法

4.3.3 多功能同时运行的差共模控制

4.4 基于三相四桥臂拓扑的多功能控制器设计

4.4.1 用于无功补偿和不平衡补偿的差模控制器设计

4.4.2 用于单相接地故障抑制的共模控制器设计

4.5 仿真与实验验证

4.6 本章小结

5 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 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