多电平技术及其在动态电压恢复器中的应用研究

论文摘要

多电平技术较好地解决了功率器件开关频率和装置容量的矛盾,通过增加主电路输出电压的电平数来减小开关器件的du/dt以及电压的谐波含量,降低开关损耗,等效的提高变流器装置的开关频率,使用低压低频的小功率器件实现了高压大功率的电压输出,降低了成本,目前已经在高压直流输电系统、柔性交流输配电系统、高压大功率交流电动机的变频调速系统以及新能源发电的并网控制等领域得到了广泛应用。动态电压恢复器是近些年出现的柔性交流输配电系统中又一重要成员,它串联于系统电压和敏感负荷之间,补偿由于母线电压跌落造成的敏感负荷电压缺损,是目前解决由电压跌落引起的电能质量问题中最经济、最有效的工具之一。将多电平技术应用于动态电压恢复器可以在显著提高装置容量的同时,还可以改善输出电压的谐波特性。本文就多电平技术展开研究,针对目前动态电压恢复器容量小、输出电压特性不佳等问题设计了新型多电平动态电压恢复器并做了系统仿真分析,在此基础上,完成了三电平逆变器实验样机的研制,主要研究成果如下:针对目前多电平逆变器的特点分析了基于载波层叠、载波移相以及新型混合级联多电平调制策略并做了仿真分析,针对级联五电平逆变器,利用TMS320F2812DSP设计了基于不规则对称采样法的载波移相控制软件,实验表明,该算法不仅大大加快了运算速度,更能提高其运算精度,为多电平控制软件的设计奠定了基础。针对不同模块数开关频率下级联多电平逆变器的输出电压做了频谱分析,结果表明:级联多电平逆变器由于等效的提高了器件的开关频率,通过提高串联模块数和开关频率可以降低输出电压的谐波含量,改善谐波特性,以此为基础,设计了一种综合考虑转折频率、功率因数和滤波参数选择的的滤波器,通过仿真证明了它的合理性。将级联多电平技术与载波移相技术相结合,针对6KV配电系统设计了5MVA无耦合变压器的十一电平动态电压恢复器,通过将级联多电平逆变器等效线性化,分析设计了单闭环和双闭环控制器,其中,双闭环控制器在电压外环控制的同时,引入了耦合电容器的电流反馈。针对任意时刻的单相电路故障,对其电压跌落做了系统的电压补偿仿真分析,通过调整相应的参数可以提高系统的阻尼和稳定性,减小补偿电压的稳态误差。在理论分析和仿真验证的基础上,本文设计并完成了800V/±150kVA的新型三电平原理样机,详细说明了三电平逆变器结构设计原理和参数选型,对传统载波层叠调制策略进行改进并设计了三电平功率单元的控制软件,利用2SD315A驱动芯片设计了驱动电路并完成了调试;完成了三电平原理样机的安装和调试;设计了动模实验平台,完成了空载实验、负载实验、IGBT单管过电压实验和并网实验。动模实验表明:该装置性能良好,可方便应用于380V-1kV系统的柔性输配电设备主电路拓扑结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 本文研究的目的和意义
• 1.2 多电平逆变器开关器件和拓扑结构的发展
• 1.2.1 核心开关器件技术的发展
• 1.2.2 多电平逆变器常用拓扑结构的研究现状
• 1.3 动态电压恢复器的研究现状和进展
• 1.3.1 动态电压恢复器产生的背景和研究现状
• 1.3.2 目前动态电压恢复器主电路拓扑研究现状
• 1.3.3 不同主电路结构的分析与比较
• 1.4 本论文主要工作
• 第二章 多电平逆变器的控制技术研究
• 2.1 多电平逆变器的PWM 控制技术
• 2.1.1 三角载波层叠SPWM 控制
• 2.1.2 三角载波移相SPWM 控制
• 2.1.3 混合级联多电平逆变器控制策略研究
• 2.2 基于载波移相五电平控制软件设计
• 2.2.1 不对称规则采样法
• 2.2.2 DSP 五电平控制脉冲产生机理
• 2.2.3 控制程序设计
• 2.2.4 实验结果
• 2.3 小结
• 第三章 级联多电平逆变器的频谱分析和滤波器设计
• 3.1 级联多电平逆变器的频谱分析
• 3.1.1 基于载波层叠SPWM 调制技术的级联多电平调制
• 3.1.2 级联H 桥逆变电路的频谱分析
• 3.2 级联多电平逆变器的滤波器设计
• 3.2.1 滤波器的结构选择和频率特性分析
• 3.2.2 负载变化对功率因数的影响分析
• 3.3 仿真分析
• 3.4 小结
• 第四章 级联多电平动态电压恢复器的应用研究
• 4.1 级联多电平动态电压恢复器主电路设计
• 4.1.1 系统参数设计
• 4.1.2 级联多电平动态电压恢复器数学模型分析
• 4.2 检测策略和补偿策略分析
• 4.2.1 电压跌落检测算法设计与仿真
• 4.2.2 DVR 的补偿策略分析
• 4.3 控制算法设计和系统的仿真分析
• 4.3.1 级联十一电平逆变器控制方案
• 4.3.2 电压单闭环控制模型与仿真分析
• 4.3.3 电压外环与电容电流内环控制模型与仿真分析
• 4.4 小结
• 第五章 三电平实验样机研制
• 5.1 二级管箝位三电平逆变器结构设计
• 5.2 控制软件设计
• 5.2.1 控制算法设计
• 5.2.2 控制软件设计
• 5.2.3 实验结果
• 5.3 驱动电路设计
• 5.3.1 驱动电路原理图设计
• 5.3.2 实验结果
• 5.4 动模实验
• 5.4.1 实验平台设计
• 5.4.2 实验验证
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢