三电平并网变流器中点自平衡特性研究

• 作 者: 陈鹏飞
• 出 处: 北京交通大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 中点平衡控制 三电平并网变流器 谐波分布 中点自平衡 时间常数

中点箝位型三电平并网变流器因其优良性能在高电压、大功率领域得到了广泛应用,但其存在中点电位不平衡问题,这会增加器件电压应力,威胁变流器稳定运行,严重恶化并网电流质量。因此,研究三电平并网变流器中点平衡特性和原理具有较高的实用价值。本文以三电平变并网流器作为研究对象,对中点平衡问题展开以下研究:第一,以三电平NPC变流器为例,简述其工作原理,阐述了在三电平并网变流器两种常用的PD&SPWM和APOD&SPWM调制技术的谐波分布,对三电平中点不平衡工况下,两种调制策略的输出电压谐波畸变进行详细分析,得到中点不平衡导致变流器的谐波畸变电压含量及分布、各次谐波含量与系统调制度之间的关系,得出中点不平衡工况对并网电流的影响,通过Simulink仿真验证理论分析正确性。为后续自平衡时间常数的计算奠定理论基础。第二,对传统常用的零序注入的中点平衡控制方法进行分析,阐述了正弦脉宽调制技术(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)和居中空间矢量脉宽调制(Centered Space Vector Pulse Modulation,CSVPWM)下零序注入中点平衡控制的工作原理,得出注入零序直流电压可有效控制中点电位直流不平衡。分析了连续调制下中点平衡控制最优零序注入含量和控制效果影响因素,讨论中点平衡控制与断续调制结合方法下控制性能优势,定量计算中点平衡控制时间。得出零序注入中点平衡控制受功率因数影响较大,发现三电平并网变流器具有中点自平衡能力。利用Simulink仿真验证零序注入法中点平衡控制的正确性。第三,针对传统中点平衡控制方法存在的问题,本章从另外一个角度分析三电平并网变流器拓扑的自平衡性能。首先,分析传统拓扑的三电平并网变流器中点自平衡原理,分别讨论并网电流和滤波器电容电流对于中点自平衡贡献,得出中点自平衡时间常数公式;其次,结合PD、APOD调制谐波分布特点,推理传统拓扑中点自平衡时间常数和对自平衡的限制因素。通过仿真与半实物实验平台验证理论分析的正确性。第四,针对传统拓扑中点自平衡时间长的问题和零序电流无法对自平衡起到有效作用的缺点,提出改进中点自平衡拓扑。首先,分析改进拓扑中点自平衡原理,详细说明滤波器电容电流零序电流分量的提升是发挥自平衡性能的关键因素。其次,结合PD、APOD两种调制的谐波电压分布特点,说明改进拓扑的参数设计原则,计算改进拓扑中点自平衡时间常数。另外,由于系统的线路杂散阻抗和参数不精确对自平衡性能的影响,提出电流过采样下的有源阻尼控制,进一步减小自平衡时间常数中的阻抗参数。最后分析了系统在网压对称、不对称跌落时并网变流器中点电位偏移原因和脉动情况,改进拓扑能够很好的解决网压跌落带来的中点不平衡问题,通过分析可知改进拓扑适用于鞍波调制,仿真和实验验证改进拓扑性能。最终得出,改进拓扑中点平衡时间与零序注入法相近,且自平衡拓扑无需中点电压测量,不受功率因数影响,实用性经济性较高。图57幅,表14个,参考文献66篇。