1 緒論

1.1 課題背景及研究意義
近年來，霧霾對人們的日常生活帶來了很大影響和不便，而改善這一現(xiàn)象的重要途徑是開發(fā)清潔能源，改善能源利用率。隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，功率等級的要求不斷提高，能源的轉(zhuǎn)換過程中的效率問題也越來越引起重視[1]。在工業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中大量使用的各種電力電子裝置都是非線性負(fù)載，如不間斷電源、變頻調(diào)速器、開關(guān)電源、整流設(shè)備、電弧爐、變頻空調(diào)、電梯等，這些非線性負(fù)載會產(chǎn)生很多的諧波電流到電網(wǎng)中形成諧波污染，引起功率因素的下降、電壓波動以及三相不平衡等電能質(zhì)量問題，這就對電源設(shè)備以及電能質(zhì)量設(shè)備提出了很高了要求[2]。因此，提高用電質(zhì)量的穩(wěn)定性和純凈度十分有必要，這樣能保證人們的用電質(zhì)量以及高精度用電設(shè)備的可靠、安全運(yùn)行，減少因諧波引起的醫(yī)療事故、生產(chǎn)缺陷、供電中斷等狀況，減低因諧波引起的輸、配、用電設(shè)備發(fā)熱異常、絕緣老化，保證和延長電氣設(shè)備的使用壽命，防止因發(fā)熱、老化問題引起的電氣火災(zāi)，減少電氣維護(hù)成本的同時保證企業(yè)的安全化運(yùn)營[3]。為了解決一系列的問題，電力電子技術(shù)起到了關(guān)鍵性的作用，特別是對于電壓源型逆變器。不管是在新能源技術(shù)、電源技術(shù)還是在電能質(zhì)量優(yōu)化技術(shù)中，逆變器都是核心器件，如光伏并網(wǎng)逆變器、有源電力濾波器以及靜止無功補(bǔ)償器等。目前，為了讓逆變器的性能最優(yōu)，控制更簡便，圍繞新的逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制方式領(lǐng)域的研究顯得越來越迫切。在大容量逆變器中，相比于兩電平逆變器而言，多電平技術(shù)在各方面的性能都優(yōu)異，因而在實(shí)際運(yùn)用中得到更多重視[1-4]。一般來說，多電平逆變技術(shù)是基于三電平逆變技術(shù)，按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形成，和電平數(shù)與產(chǎn)生正弦階梯波電平臺階成正比，因此更接近正弦波，諧波成分的減少。在理論上，多電平逆變器可以實(shí)現(xiàn)任何數(shù)量的水平，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于硬件和控制的復(fù)雜性，在一般情況下達(dá)到一定的性能要求時即可，不能不盲目追求過高電平，三電平較實(shí)在[5-7]。
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1.2 研究現(xiàn)狀
1980 年日本學(xué)者 Nabae 首次提出了三電平 NPC 逆變電路，經(jīng)大量的研究后，多電平逆變器進(jìn)入了一個新階段。該電路結(jié)構(gòu)有小的輸出高次諧波和功率因數(shù)可被控制的優(yōu)點(diǎn)，得到了不斷的應(yīng)用。1992 年 T.A Meynard 和 H.Foch 等學(xué)者做出了飛跨電容鉗位多電平逆變器，這種方法避免了二極管鉗位多電平電路的電壓而引起的不平衡，難以快速恢復(fù)關(guān)斷二極管的反向電壓問題。但因為需要許多電容器，電容器電壓平衡要平衡也是比較困難的[5]。2000 年 Fangz．Peng 合并多個鉗位多電平逆變器的功能優(yōu)點(diǎn)后，在電氣和電子工程師應(yīng)用年會上，構(gòu)建了一種通用的多電平逆變電路[6]，并從理論上和實(shí)驗中驗證了逆變器的實(shí)用價值，真正有意義的多級控制的主電路結(jié)構(gòu)，并得到了廣泛的應(yīng)用。后來人們在以前的多電平拓?fù)涞幕A(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)了形成了其他的多種電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前三電平逆變器主要分為三類基本的拓?fù)洌杭壜?lián)式、飛跨電容式和二極管鉗位式[16]。主要優(yōu)缺點(diǎn)如下：① 飛跨電容式：開關(guān)矢量的靈活性較大，可根據(jù)實(shí)際情況作出更多選擇。主要不足為存在大量電容，在實(shí)際應(yīng)用中帶來很多不便，且成本比較大[17-19]。② 級聯(lián)型：易于進(jìn)行模塊化設(shè)計，可靠性高，畸變小，擴(kuò)展容易。主要缺點(diǎn)是每個單元需要隔離的直流電源，即存在多組獨(dú)立直流母線電壓，且制動能量的回饋再利用實(shí)現(xiàn)起來較為困難[20-23]。③ 二極管箝位型：效率高，漏電流小，很容易實(shí)現(xiàn)能量的回饋。主要缺點(diǎn)是存在中點(diǎn)不平衡問題，且存在單管爆管的風(fēng)險[24-27]。
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2 三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前，三電平逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)化的過程中得到了充分發(fā)揮，且性能相比兩電平而言有明顯改善。本章首先對三種典型的三電平逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，以三電平結(jié)構(gòu)的原始初衷為依托分析了兩種新型的三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最后將兩種新型拓?fù)潆娐放c典型的二極管箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做了對比分析。


2.1 三種典型的三電平逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1.1 二極管箝位型三電平逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

NPC 型三電平逆變拓?fù)渑c一般的半橋型兩電平逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，A、B、C 三相的橋臂上分別增加了兩個功率管以及反向續(xù)流二極管，并在直流側(cè)增加了兩個等值分壓電容即 C1=C2，每橋臂分別增加了兩個中點(diǎn)箝位二極管連接到電容的中點(diǎn)，如圖 2.1 所示。箝位二極管有兩個作用：（1）將每個橋臂的連接點(diǎn)電位箝位到零電位，從而使相電壓輸出在原來兩電平的基礎(chǔ)上增加中性點(diǎn)電位 0。（2）防止直流側(cè)的均壓電容被短路。如果 A 相上端的箝位二極管 D1用導(dǎo)線代替來引出中性點(diǎn)電位，當(dāng)開關(guān)管 Sa1導(dǎo)通時直流側(cè)的分壓電容 C1將被短路。同理，D2的作用是防止開關(guān)管 Sa4導(dǎo)通時直流側(cè)分壓電容C2被短路。因此，兩個箝位二極管起到了主要的中點(diǎn)引出作用。接下來分析圖 2.1 的工作原理（A 相），取從逆變器流向負(fù)載的方向為正，以 O 點(diǎn)為中性點(diǎn)，如圖 2.2 所示。

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2.2 兩種新型的三電平逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
目前，在實(shí)際應(yīng)用中，二極管鉗位型三電平逆變器已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，如電機(jī)驅(qū)動、新能源發(fā)電、有源電力濾波、無功功率補(bǔ)償?shù)�，相比另外兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言具有優(yōu)越的實(shí)用性能，因而得到國內(nèi)外廣大學(xué)者的深入研究。介于二極管鉗位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各個開關(guān)管開關(guān)頻率不均衡問題，在三相二極管鉗位型(圖 2.6（a）所示)三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，F(xiàn)loricau et al.等提出了三電平二疊分 NPC（3L-SNPC）結(jié)構(gòu)，如圖 2.6（b）所示。3L-SNPC 是由 6 個分配在三邊的開關(guān)管和兩個鉗位二極管組成，將中間兩個功率開關(guān)管的開關(guān)頻率均衡到了另外連個反串聯(lián)的功率管上，從而將開關(guān)管的頻率均衡化。后來，F(xiàn)loricau et al.等又提出了一種可控二疊分中點(diǎn)鉗位逆變器（3L-ASNPC），這種拓?fù)涫?3L-SNPC 結(jié)構(gòu)進(jìn)一步演化來的結(jié)果，增加了兩個可控開關(guān)通過鉗位二極管來反并聯(lián)連接，如圖 2.6（c）所示。對此，相關(guān)學(xué)者又做了深入研究，針對 3L-ASNPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又做了進(jìn)一步分析，并提出了相關(guān)控制算法。以上幾種都是以中點(diǎn)鉗位（NPC）為基礎(chǔ)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，3L-ASNPC 結(jié)構(gòu)由于額外增加了可控開關(guān)管以及二極管，實(shí)現(xiàn)了各個開關(guān)管開關(guān)頻率的均衡分配，但額外增加了系統(tǒng)成本，并使得控制難度加大。二極管箝位型三電平逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要思路就是利用兩個箝位二極管將直流電源側(cè)分壓電容的中點(diǎn)電位引出，從而使每相的電壓輸出增加一個 0 電平，實(shí)現(xiàn)三電平輸出。同時，箝位二極管還有一個很重要的作用，就是將直流側(cè)電壓平均箝位到各個功率開關(guān)管，使每組開關(guān)狀態(tài)下均有兩個功率開關(guān)管均分直流電壓，從而降低每個功率開關(guān)管所需承受的電壓。因此，每個功率開關(guān)管在選取時只用考慮一半的直流電壓即可，但在實(shí)際應(yīng)用中這樣會存在一個安全隱患，如果控制信號出現(xiàn)故障，容易出現(xiàn)爆管現(xiàn)象。比如，在圖 2.1 所示的 NPC 模型中中，在 N 狀態(tài)本應(yīng) Sa3、Sa4均閉合而 Sa1、Sa2均斷開，如果控制信號出錯或功率管自身問題導(dǎo)致此時 Sa1 誤動作開通了，這將使整個直流側(cè)電壓都加在了 Sa2上，會導(dǎo)致 Sa2承受過電壓而爆管。
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3 三電平逆變器的控制策略.........20
3.1 引言..........20
3.2 三電平無角度運(yùn)算 SVPWM 策略.........20
3.2.1 三電平無角度運(yùn)算 SVPWM 在 NPC 型拓?fù)潆娐分械墓ぷ髟?...20
3.2.2 三電平無角度運(yùn)算 SVPWM 在級聯(lián)型拓?fù)潆娐分械墓ぷ髟?.....26
3.3 逆變系統(tǒng)系統(tǒng)無角度化..........28
3.3.1 直流母線電壓控制.......28
3.3.2 參考電流的產(chǎn)生...........30
3.4 本章小結(jié)..........32
4 計算機(jī)仿真.........33
4.1 三電平無角度運(yùn)算 SVPWM 在 NPC 型拓?fù)渲械姆抡?......33
4.2 基于三電平無角度運(yùn)算 SVPWM 的級聯(lián)型逆變器仿真.....38
4.3 本章小結(jié)..........41
5 三電平逆變器的硬件設(shè)計.........42
5.1 硬件總體設(shè)計..........42
5.2 主電路設(shè)計......42
5.3 控制器設(shè)計......44
5.4 驅(qū)動電路設(shè)計..........45
5.5 本章小結(jié)..........49

7 三電平逆變器在有源電力濾波器中的應(yīng)用

近幾十年來，電力系統(tǒng)中引入了大量的可控和不可控整流器，使電網(wǎng)的電流畸變，嚴(yán)重時近似方波及尖脈沖[57-62]。電力系統(tǒng)的電壓、電流發(fā)生較為嚴(yán)重的畸變時，很多電力系統(tǒng)問題就無法采用傳統(tǒng)的正弦電網(wǎng)理論了，這會給按照傳統(tǒng)正弦理論建立的電力系統(tǒng)無法可靠穩(wěn)定的運(yùn)行，極大的增加了電網(wǎng)的故障率[53-58]。然而，電力系統(tǒng)有時是十分復(fù)雜的，考慮到作為諧波源的電力電子裝置本身的工作機(jī)理，想完全的消除電力系統(tǒng)中的諧波是不可能的，所以，對電力系統(tǒng)中的諧波源采取有效的濾波方式是十分有必要的。傳統(tǒng)無源電力濾波器結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行和維護(hù)容易、吸收特定次諧波的效果十分明顯，且可以同時進(jìn)行無功功率補(bǔ)償[47-52]。然而，結(jié)構(gòu)本身決定了 PPF 應(yīng)用過程中存在的必然不足：（1）易諧振，相反使得諧波放大，影響濾波效果。（2）只能濾除特定的諧波分量，使得當(dāng)存在較多的諧波含量時需要采用多個濾波器，增大了系統(tǒng)成本和體積。（3）濾波性能受電力系統(tǒng)的工作模式、結(jié)構(gòu)及頻率波動的影響，可能和預(yù)想的濾波效果存在偏差。（4）和電力系統(tǒng)可能發(fā)生串聯(lián)諧振，使電壓發(fā)生畸變，進(jìn)而產(chǎn)生額外的諧波電流，影響濾波效果[45-49]。很多學(xué)者開始了有源電力濾波器的探究。目前，研究 APF 主要包括三個方面：（1）逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（2）逆變器控制策略（3）諧波電流檢測。前兩點(diǎn)在前面幾章中已經(jīng)做了詳細(xì)論述，本章重點(diǎn)寫諧波電流檢測以及整個 APF 系統(tǒng)構(gòu)成。

7.1 諧波電流檢測
APF 的諧波電流檢測環(huán)節(jié)直接決定其諧波電流的補(bǔ)償效果，根據(jù)不同的電能質(zhì)量治理需求，包括多種檢測方式�？紤]到目前的實(shí)際應(yīng)用中主要是瞬時無功功率理論檢測法，本文著重闡述該方法。其主要思想是根據(jù)瞬時功率的波動是系統(tǒng)電壓和諧波電流作用的結(jié)果來檢測諧波電流，以此為基礎(chǔ)衍生出了多種諧波電流檢測方法，如 p-q 法、ip-iq法等。ip-iq法檢測諧波電流不受電網(wǎng)電壓畸變的影響，在實(shí)際應(yīng)用中更具優(yōu)勢，因此，這里重點(diǎn)介紹該算法。
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結(jié)論

三電平逆變器目前已逐步在實(shí)際中應(yīng)用，作為新型電力電子變換技術(shù)，能適應(yīng)各大容量和耐壓的系統(tǒng)，同時能在相同開關(guān)頻率下降低逆變器的開關(guān)損耗和諧波含量。此外，將三電平技術(shù)應(yīng)用到 APF 中，并對諧波電流檢測技術(shù)進(jìn)行了一定的研究。對三電平逆變器及其在 APF 中的推廣應(yīng)用具有重大意義。論文主要研究成果總結(jié)如下：
（1）研究了兩種新型的三電平逆變器拓?fù)�，并將其與典型的 NPC 型拓?fù)渥隽藢Ρ确治觥Ｒ环矫鎻臏p少主電路中的器件考慮，從而降低成本和功率損耗；另一方面從均衡各個開關(guān)管的開關(guān)頻率考慮，提高逆變器整體的最大開關(guān)頻率以及可靠性。
（2）針對三電平逆變器常規(guī)的 SVPWM 的固有缺陷，提出了一種無角度運(yùn)算的SVPWM（NAC-SVPWM）算法，充分利用三相電壓的相位關(guān)系，并將其轉(zhuǎn)化為線性比例關(guān)系，進(jìn)而達(dá)到簡化調(diào)制算法的目的。該算法在實(shí)際應(yīng)用中，可大大減低控制器的計算負(fù)荷，同時方便向更多電平推廣，具有一定的應(yīng)用價值。
（3）針對無角度運(yùn)算 SVPWM 算法在 NPC 型和級聯(lián)型拓?fù)渲械膶?shí)現(xiàn)，分別搭建了仿真模型，驗證了本文所提出的無角度運(yùn)算 SVPWM 算法的可行性，跟常規(guī)調(diào)制方法的輸出結(jié)果基本一致，同時，能與中點(diǎn)平衡冗余控制相結(jié)合，降低輸出波形的總諧波失真。此外，該算法相比傳統(tǒng) SVPWM 算法而言，避免了三角運(yùn)算，大大減少了控制器需要的運(yùn)算時間，使得系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的時間減少了 1/3 左右，效率明顯提高。
（4）介紹了三電平逆變器硬件總體設(shè)計方案，主要概括了三電平逆變器的系統(tǒng)構(gòu)成，并詳細(xì)分析了三電平逆變器主電路的設(shè)計，包括反串引出型和級聯(lián)型三電平拓?fù)潆娐返脑O(shè)計及器件選型。然后介紹的控制器以及驅(qū)動電路的設(shè)計，并對比了反串引出型三電平逆變器與 NPC 型在驅(qū)動電路設(shè)計上的區(qū)別，，反串引出型拓?fù)淇梢詼p少驅(qū)動電源的個數(shù)，減少系統(tǒng)成本。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：49947