三电平并网变流器控制算法的研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 3.57MB 59 页 15积分
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I
摘 要
随着环境污染、能源短缺问题的日益突出，发展可再生能源发电已成为一种
必然趋势。独立的可再生能源的分布式发电系统给使用情况不同的用户供电比较
困难，所以如何将可再生能源的分布式发电系统发出的电能高质量的并入电网成
为学术界研究的热点。本课题主要对可再生能源发电并网系统的关键设备并网变
流器的控制算法进行了深入研究。
本文采用二极管箝位型三电平拓扑作为并网变流器的主电路结构。首先对三
电平并网变流器的系统结构和工作原理进行了详细的介绍；建立了三电平并网变
流器三种坐标系下的数学模型；确定了三电平并网变流器的控制策略，并设计了
电压外环和电流内环双闭环的 PI 控制器；然后对并网变流器直流侧中点电压不平
衡的原因进行了分析，提出了采用基于空间矢量（SVPWM）调制的中点电压控
制算法来控制中点电压的波动；同时，本文对载波调制（SPWM）、空间矢量调制
（SVPWM）、特定谐波消去法（SHEPWM）三种调制方式进行了详细的研究。
在理论分析的基础上，使用 MATLAB/simulink 对本文所采用的三电平并网变
流器的控制算法进行了仿真研究，仿真结果验证了本文三电平并网变流器控制算
法的正确性；最后采用 TMS320F2812 作为控制芯片，在 20kW三电平并网变流器
试验平台上进行了相关试验研究，试验结果进一步表明了本文所采用的控制算法
可以使三电平并网变流器实现单位功率因数运行，网侧电流正弦化，具有优良的
的并网性能。
关键词：三电平并网变流器 中点电压波动 调制算法
II
ABSTRACT
With the problem of the environmental pollution and the energy crisis becoming
more and more serious, the development of electrical energy derived from renewable
energy has become an inevitable trend. Because it is quite difficult for the independent
distributed renewable energy power generation system to meet the electricity
requirements of different utility directly from the independent is quite difficult. How to
connect the generated power to grid with high-quality has become a hot research topic
in the academic community. The control algorithm of the converter which is the key
equipment in grid-connected system is studied mainly in this paper.
The diode clamp topology of three-level is used as the main circuit structure for
the grid-connected converter in this paper. The system structure and work principle of
the three-level grid-connected converter are introduced in detail firstly. Then, three
kinds of mathematical models of the three-level grid-connected converter is built up
and the control strategy of the three-level grid-connected converter is determined. The
double closed-loop PI control system which has the external voltage-loops and inner
current loops are designed. The causes of the imbalance of the neutral point voltage in
the DC side is analyzed, and the control algorithm of the neutral point voltage is
proposed based on SVPWM modulation in this paper. Three kinds of modulation
methods which are SPWM ，SVPWM and SHEPWM are analyzed in detail too.
On the basis of the theory analysis, the control algorithm of the three-level
grid-connected converter in this paper is simulated and analyzed based on
Matlab/Simulink. The simulation results verify the correctness of the control algorithm
of the converter. Finally, the experimental platform of 20kW converter based on
TMS320F2812 is developed. Experimental results shou that the connvert which has an
excellent grid-connected characteristic can achieve the unity power factor operation
and the grid-side sinusoid current.
Key Words: three-level grid-connected converter, neutral-point
voltage fluctuation, modulation algorithm
III
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ............................................................................................................. 1
§1.1 引言 ............................................................................................................... 1
§1.2 课题研究的背景 ........................................................................................... 1
§1.3 三电平并网变流器的国内外研究现状 ...................................................... 2
§1.4 本文研究的主要工作 ................................................................................... 4
第二章 三电平并网变流器系统结构及工作原理 ................................................. 5
§2.1 三电平并网变流器的特点 .......................................................................... 5
§2.2 三电平并网变流器系统结构 ...................................................................... 5
§2.3 三电平并网变流器工作原理 ...................................................................... 7
§2.4 三电平并网变流器试验平台简介 ............................................................ 10
§2.4.1 试验平台主电路介绍 ......................................................................... 10
§2.4.2 系统控制硬件电路介绍 ..................................................................... 10
§2.5 小结 ............................................................................................................ 12
第三章 三电平并网变流器双闭环控制系统的设计 ........................................... 13
§3.1 三电平并网变流器数学模型 .................................................................... 13
§3.2 同步旋转
qd,
坐标系下三电平并网变流器数学模型 .............................15
§3.3 双环控制系统设计 ................................................................................. 17
§3.3.1 电流内环控制系统设计 ..................................................................... 17
§3.3.2 电压外环控制系统设计 ..................................................................... 20
§3.4 双环控制系统仿真 .................................................................................... 21
§3.5 小结 ............................................................................................................ 23
第四章 中点电压控制策略的研究 ....................................................................... 24
§4.1 中点电压不平衡的原因 ............................................................................ 24
§4.2 中点电压控制策略 .................................................................................... 25
§4.2.1 基于零序电压注入的中点电压平衡控制策略 ................................. 25
§4.2.2 基于空间矢量调制的中点电压控制策略 ......................................... 27
§4.3 中点电压平衡控制系统仿真 .................................................................... 30
IV
§4.4 小结 ............................................................................................................ 32
第五章 三电平并网变流器调制方式的研究 ....................................................... 33
§5.1 载波调制方式 ............................................................................................ 33
§5.2 空间矢量调制方式 .................................................................................... 34
§5.3 特定消谐调制方式 .................................................................................... 37
§5.3.1 特定消谐算法数学模型 ..................................................................... 37
§5.3.2 开关角求解 ......................................................................................... 38
§5.4 小结 ............................................................................................................ 40
第六章 三电平并网变流器系统仿真与试验 ....................................................... 41
§6.1 系统仿真研究 ............................................................................................ 41
§6.1.1 载波调制下系统仿真分析 ................................................................. 41
§6.1.2 空间矢量调制下系统仿真分析 ......................................................... 43
§6.1.3 特定消谐调制下系统仿真分析 ......................................................... 45
§6.1.4 三种调制方式工作性能对比分析 ..................................................... 47
§6.2 系统试验研究 ............................................................................................ 49
§6.2.1 载波调制调制下系统试验 ................................................................. 49
§6.2.2 空间矢量调制下系统试验 ................................................................. 50
§6.3 小结 ............................................................................................................ 52
第七章 总结和展望 ............................................................................................... 53
参考文献 ................................................................................................................. 54
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................................... 56
致 谢 ..................................................................................................................... 57
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
电力电子学作为一门研究电能变换的理论、方法和应用的专门学科，其主要
任务就“随心所欲”的使用电能，高效率地提供任意形式和容量的电能。
目前电力电子技术发展呈现开关高频化、控制系统数字化和功率大容量化等
几个方向。电力电子技术当前研究的热点主要包括了电力电子系统的集成、新型
开关器件的研究、多电平变流器技术和软开关技术等。作为当前电力电子技术发
展的重要热点之一，多电平变流器的产生解决了人们在功率器件容量有限的情况
下实现高压大功率变换技术的问题。同时，解决了电力电子装置开关频率与电压
谐波之间的矛盾和高频化与低 EMI 的之间矛盾。
随着现代社会对能源的需求增加，煤炭、石油等可利用的一次能源越来越少，
在发电过程中煤炭和石油燃烧所产生的废气和废物严重污染了自然环境，对人类
的生活和健康造成了很大的危害。为了避免能源危机，保护环境，越来越多的开
始使用可再生能源。因此，可再生能源的分布式发电系统将会迅速的发展起来，
其中大多的中小发电系统应用于电能应急备份、补充电网系统、局部或偏远地区
发电等方面。但是，像风能和太阳能虽然兼具环保及可持续利用性，但是会明显
的受到诸如时间、季节的影响。并且对于用户而言，由于可能出现完全不同的使
用特性，仅仅使用独立的可再生能源分布式发电系统给不同使用情况的用户供电
是很困难的。所以，更好的解决方法就是将可再生能源的发电系统直接并网使用。
本文主要研究了三电平并网变流器的控制算法，为以后产品的产业化奠定基
础。
§1.2 课题研究的背景
近年来，在工业应用中对大容量功率变换装置的要求日益增加。由于电压和
功率等级的提高，传统的两电平并网变流器己经很难满足高压大功率的需求。由
于器件可承受电压和电流能力的限制，两电平并网变流器难以直接实现高压大功
率并网；在高压应用中，两电平并网变流器输出电压的
/du dt
很大，所以高压大
功率多电平变流器的研究引起国内外的广泛关注。多电平并网变流器无需升降压
变压器和均压电路，只需通过改进自身的拓扑结构便可实现高压大功率的输出。
三电平并网变流器控制算法的研究
2
1980 年，日本长冈科技大学在 IEEE 工业应用会上首次提出了中点箝位式三
电平变流器。它的出现为多电平高压大功率变流器的研究开辟了一条新的道路，
并在高压大功率变换场合得到了广泛的应用。通过对三电平变流器拓扑结构的分
析，国内外学者又提出了各种不同结构的多电平变流器，如飞跨电容式和具有独
立直流电源的级联式等。主要目的是以尽量多的电平输出来逼近理想的正弦波形，
从而降低了输出波形中的谐波含量。在实现高压的同时，也减轻了开关器件上的
高压应力。相对于传统两电平的并网变流器结构，多电平并网变流器在高压大功
率化和高性能化之间实现了良好的结合，成为电力电子研究体系里的一个新的领
域和重要分支。
在多电平电路的研究和应用中，由于开关器件多以及电路自身，出现了如中
点电压不平衡等问题，因此需要对其开关状态进行合理的控制使系统影响降到最
低。PWM 调制技术随着电压型变流器的应用，逐渐的成为了变流器研究中核心
的技术，多电平变流器更是如此。PWM 调制技术就是一种利用开关器件的通断
将直流电压变成具有一定形状的电压脉冲序列以实现变流和调压，并有效地控制
和消除谐波的技术。在传统两电平并网变流器调制技术中包括了载波调制法、特
定谐波消除法和电压空间矢量调制法等。而这些 PWM 调制算法思想也可以推广
到多电平变流器的控制中。
§1.3 三电平并网变流器的国内外研究现状
国外的多电平技术研究较早，主要针对交流传动、电力机车、轧钢设备、供
水系统等应用场合，大功率变流器成熟产品有：ABB 公司的 ACS6000 和ACS1000
系列，阿尔斯通的 MV7000，罗宾康与东芝公司的 Tmdive-MV 系列。国内向上（向
家坝—上海）特高压直流输电工程额定电压±800kV，额定电流 4kA，最大连续输
送容量 7000MW，送电距离近 2000km，它代表了当今 HVDC 的水平。其中使用
了800kV、30MW级的特高压换流变压器，通流能力 4500A的6英寸晶闸管，单
阀组容量 175MW的换流阀。
我国变流器总的潜在市场应为 1200-1800 亿元，其中常压变流器约占市场份
额的 60%左右，中、高压变流器需求数量相对比较少，但由于单台变流器功率大、
售价高，应占市场的 40%左右。在多电平变流器方面，国内已有几家推出采用基
于IGBT 串联的单相桥式主电路结构的高压变流装置，这种主电路结构由于器件
多而且复杂，信号调制困难，使得整体可靠性比较差，输出功率也不高。总体来
说，多电平变流技术在国内外尽管存在一些未完善的地方，但是三电平并网变流
器不仅能应用于高压大功率的变流场合，而且能够应用于如静止无功补偿和电力
摘要：

I摘要随着环境污染、能源短缺问题的日益突出，发展可再生能源发电已成为一种必然趋势。独立的可再生能源的分布式发电系统给使用情况不同的用户供电比较困难，所以如何将可再生能源的分布式发电系统发出的电能高质量的并入电网成为学术界研究的热点。本课题主要对可再生能源发电并网系统的关键设备并网变流器的控制算法进行了深入研究。本文采用二极管箝位型三电平拓扑作为并网变流器的主电路结构。首先对三电平并网变流器的系统结构和工作原理进行了详细的介绍；建立了三电平并网变流器三种坐标系下的数学模型；确定了三电平并网变流器的控制策略，并设计了电压外环和电流内环双闭环的PI控制器；然后对并网变流器直流侧中点电压不平衡的原因进...

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