基于三电平可再生能源发电并网变流器的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 5.39MB 65 页 15积分
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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。并网变流器是光伏发电、风力发电等可再生能源发电并网的关键设备。
伴随可再生能源发电容量的大幅提升，高压并网变流器由于较低压并网变流器有
高效率、低成本等优点，逐渐成为并网变流器的发展方向。
二极管箝位型三电平并网变流器作为解决高压并网的一种有效途径，具有很
多技术优点和广阔的应用前景。本文通过对二极管箝位三电平并网变流器的研究，
为大功率并网变流器的产品研制奠定了基础，且该研究对减少电网的谐波污染，
实现绿色电能的变换具有重要的意义。
本文介绍了三电平并网变流器的系统结构和工作原理，并对其工作原理进行
了详细分析，在此基础上提出了主电路的设计方法；并对三电平并网变流器的控
制系统进行了研究，建立了三电平并网变流器的数学模型；确定了旋转坐标系下
dq 分量与有功、无功之间的约束关系，提出了一种新的抑制中点电压波动控制方
法；最后采用 TMS320F2812 DSP 作为控制芯片，对三电平并网变流器进行了相关
实验和仿真研究，实验和仿真结果表明系统可以实现单位功率因数运行，网侧电
流正弦化，具有优良的并网性能；同时也进一步验证了该系统控制策略的正确性，
从而为三电平并网变流器的产业化奠定了基础。
关键词：三电平 并网变流器 空间矢量调制 有功/无功功率
ABSTRACT
With the environmental pollution and the increasing energy crisis, the development
of electrical energy derived from renewable energy has become an inevitable trend. The
grid-connected converter is the key element for the renewable energy grid-connected
power generation system. As the power generation capacity of the renewable energy
significantly improved, high-voltage grid-connected converter with its high efficiency
and low cost has become the direction of the development.
As an effective approach to achieve high-voltage grid connection, the Diode clamp
topology of three-level grid-connected converter has technical advantages and broad
prospects. This dissertation will study on the the Diode clamp topology of three-level
grid-connected converter, which has great significance on the process of high-power
converter development and harmonic attenuation.
The system structure and work principle of the three-level grid-connected
converter are introduced and detailed analyzed, based on which the main circuit design
method is proposed. In order to study on the control system, the paper builds model of
the three-level grid-connected converter, identifies the constraint relations between
active power and reactive power under the rotating coordinate and proposed a new
method to constrain the neutral-point voltage fluctuation. At last, based on
TMS320F2812 DSP, an experimental platform of three-level grid-connected converter
is developed. Experimental results and simulation results show that the converter has an
excellent grid-connected characteristic, can achieve the unity power factor and the
current of gird-side is sine wave, which also verifies the validity of the proposed control
system and lay the foundation for the industrialization of the three-level grid-connected
converter.
Key Word: three level; grid-connected converter; SVPWM; active
power/reactive power
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ............................................................................................................................ 1
§1.1 引言 ............................................................................................................................. 1
§1.2 研究背景 ..................................................................................................................... 1
§1.3 国内外研究现状 ......................................................................................................... 2
§1.4 本文的主要工作 ......................................................................................................... 3
第二章 三电平并网变流器系统结构与工作原理 ................................................................ 5
§2.1 系统结构 ..................................................................................................................... 5
§2.2 基本工作原理 ............................................................................................................. 6
§2.4 小结 ............................................................................................................................. 9
第三章 三电平并网变流器主电路设计 .............................................................................. 11
§3.1 IGBT 及箝位二极管设计 .......................................................................................... 11
§3.2 LCL 滤波参数设计 ....................................................................................................12
§3.3 直流电容选取 ............................................................................................................ 15
§3.4 软启动电路设计 ........................................................................................................ 16
§3.5 散热损耗设计 ............................................................................................................ 17
§3.6 驱动保护电路设计 ................................................................................................... 18
§3.6.1 驱动电路设计 .................................................................................................... 18
§3.6.2 保护电路设计 .................................................................................................... 20
§3.7 小结 ........................................................................................................................... 22
第四章 三电平并网变流器控制系统设计 .......................................................................... 23
§4.1 数学模型 .................................................................................................................... 23
§4.2 双环控制系统设计 ................................................................................................... 25
§4.2.1 电压外环控制系统设计 .................................................................................... 26
§4.2.2 电流内环控制系统设计 .................................................................................... 28
§4.3 调制方式选择 ........................................................................................................... 30
§4.3.1 SPWM 工作原理 .................................................................................................30
§4.3.2 SVPWM 工作原理 ..............................................................................................31
§4.3.3 SPWM 与SVPWM 工作对比分析 ................................................................32
§4.4 中点电压控制策略 ................................................................................................... 33
§4.4.1 硬件实现中点电压控制 .................................................................................... 34
§4.4.2 bang-bang 控制中点电压波动 ........................................................................... 35
§4.4.3 检测直流电压电流滞环控制中点电压波动 ..................................................... 36
§4.4.4 中矢量首发矢量五段式控制中点电压波动 ..................................................... 37
§4.5 软件锁相环的实现 ................................................................................................... 38
§4.6 系统仿真 ................................................................................................................... 39
§4.7 控制电路设计 ........................................................................................................... 45
§4.7.1 TMS320F2812 概述 ............................................................................................ 46
§4.7.2 控制硬件设计 .................................................................................................... 47
§4.7.3 软件设计 ............................................................................................................ 48
§4.8 小结 ........................................................................................................................... 51
第五章 实验研究 .................................................................................................................. 52
§5.1 样机研制 ................................................................................................................... 52
§5.2 系统试验 ................................................................................................................... 52
§5.3 小结 ........................................................................................................................... 58
第六章 总结与展望 .............................................................................................................. 59
参考文献 ................................................................................................................................ 60
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................................................... 62
致 谢 ...................................................................................................................................... 63
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
本课题来源于国家科技支撑项目“分布式供能系统高压变流器及软开关技术”
的子课题“
KVMW 6/3
IGCT 高压并网变流器的研制”和上海市教育委员会科研创
新项目“永磁直驱风力发电机交直交直接并网技术的研究”项目。
随着现代社会对能源的需求增加，可利用的煤炭、石油等一次能源越来越少，
而且发电过程煤炭的燃烧、石油产生的废气和废物都严重污染自然环境，对人类
的健康和生活造成很大的危害。为了避免能源危机、保护环境，人们开始使用可
再生能源。所以，使用可再生能源的分布式发电系统在将来会迅速的发展起来，
它们大多作为中小发电系统用于电能应急备份、补充电网系统、局部或偏远地区
发电等方面。
可再生能源的使用兼具环保型和持续利用性，但也存在着缺陷和明显不足之
处。除了像光伏电池这样的价格昂贵问题之外，可再生能源的使用会明显的受到
诸如时间、季节的影响[1]。而且对于用户而言，因为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的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并网使用。
§1.2 研究背景
近些年来随着国民经济迅速发展，工业、电力、交通、新能源及其它一些相
关领域对大容量电力电子变换设备的需求更加迫切，这些设备的功率目前已经达
到兆瓦级，而就目前器件工艺水平所限，很难将某个独立的电力半导体开关器件
和中压电网（
kV3.3
、
kV6
或
kV10
）直接连接在一起。正因为如此，中高压大功
率多电平变流器的应用研究引起国内外同行的广泛关注。
多电平变流器通过改进自身拓扑结构来实现高压大功率输出的新型变换器，
无需升降压变压器和均压电路，较两电平主要有以下几方面优点：
○
1每个功率器件仅承受 1/n 的母线电压（n为电平数），所以可以用低压的器
件实现高压大功率输出。
○
2电平数的增加，改善了输出电压的波形，减小了输出电压的畸变。
○
3可以以较低的开关频率获得和两电平变换器高开关频率下相同的输出电压
波形，因而开关损耗小，效率高。
基于三电平的可再生能源发电并网变流器的研究
2
○
4由于电平数的增加，
dtdu /
应力大为减小，同时改善了装置的 EMI 特性。
○
5无需输出变压器，大大减小了系统的体积和成本。
国内在大容量并网变流器方面已经有了不少研究并获得了相应的研究成果。
早期比较成熟的有两电平变流器、降压-变频-升压结构及变压器耦合多脉冲变流
器，但这些系统结构复杂，所需变压器体积庞大，成本较高。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
功率变频器成熟产品有:ABB 公司的 ACS6000 和ACS1000 系列变频器，阿尔斯通的
MV7000，罗宾康与东芝公司的 Tmdive-MV 系列变频器。目前国内的三电平拓扑
结构主要用作变频器，而用于直接并网变流器实际运行产品几乎没有。
§1.3 国内外研究现状
早期并网变流器多采用晶闸管，由于其是半控型器件，这样一来使得网侧含
有大量的电流谐波，对电网造成了严重的污染[2]。随着电力电子器件和计算机技术
以及自动控制技术的不断进步，变流器拓扑结构也不断地变化。尤其是随着 IGBT
等全控型器件的出现，出现了 PWM 全控逆变结构并网变流器。传统两电平并网变
流器结构如图 1.1 所示，该结构拓扑简单，控制易于实现，能够保证单位功率因数
并网，真正实现绿色并网。该并网逆变器使得流入电网的谐波电流都是高次谐波，
因此只需要简单的滤波电路就能得到良好的电流波形。因此该并网变流器在储能
系统、动力机车电能回馈、风电并网、太阳能发电并网等场合都得到了广泛的应
用。
图1.1 传统两电平并网变流器结构图
目前，工业、电力、交通、新能源及其它一些相关领域的飞速发展，对大容
量电力电子变换设备提出了更高的要求。由于两电平并网变流器已经不能满足高
压大功率直接并网的需要，必须在入网端接一体积庞大的升压变压器。二极管箝
位型三电平变流器可以实现高压直接并网的要求，如图 1.2 所示。该拓扑三电平直
接并网变流器尚处于实验阶段，目前还没有在大功率应用场合推广使用。
第一章 绪论
3
图1.2 二极管箝位型三电平并网变流器结构图
目前多电平变流器主要有以下几种基本类型：
○
1二极管箝位型○
2飞跨电容型 ○
3H桥级联型
以上三种类型多电平变流器都可以实现高压并网需求，但又各有利弊。二极
管箝位型多电平变流器主要有以下不足：箝位二极管承受的反压不同，开关器件
所需额定电流不同及电容电压不平衡的问题；飞跨电容型主要不足为：大量电容
使得系统体积庞大，占地多，成本高，封装不易，且频繁充放电会影响电容寿命；
H桥级联型主要不足为：需要很多隔离的直流电源，实际应用中受到限制。
本文以二极管箝位型三电平并网变流器作为研究对象，对三电平并网变流器
进行深入研究。
§1.4 本文的主要工作
（1）本文在对二极管箝位型三电平并网变流器主电路拓扑进行分析的基础上
得出了该系统的等值电路，对等值电路进行数学分析得出了基于
dq
旋转坐标系的
数学模型。在此基础上完成了电压环控制器，电流环控制器的设计，使得系统的
动静态特性满足设计要求。
（2）深入分析了三电平载波调制与空间矢量调制两种不同控制算法的本质联
系，并分别编写，调试了两种调制算法的 DSP 程序。
（3）结合理论计算与模型仿真，确定主电路元器件型号及参数，研制了三电
平并网变流器实验装置。
（4）在理论分析的基础上得出了影响中点电压波动的因素：中、小矢量的存
在产生的中点电流对电容充放电的过程导致了中点电压的波动。提出了一种以中
矢量为首发矢量的五段式调制方式，通过实时检测中点电压波动方向，有效选择
作用的小矢量，可以快速有效的抑制中点电压波动。
摘要：

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。并网变流器是光伏发电、风力发电等可再生能源发电并网的关键设备。伴随可再生能源发电容量的大幅提升，高压并网变流器由于较低压并网变流器有高效率、低成本等优点，逐渐成为并网变流器的发展方向。二极管箝位型三电平并网变流器作为解决高压并网的一种有效途径，具有很多技术优点和广阔的应用前景。本文通过对二极管箝位三电平并网变流器的研究，为大功率并网变流器的产品研制奠定了基础，且该研究对减少电网的谐波污染，实现绿色电能的变换具有重要的意义。本文介绍了三电平并网变流器的系统结构和工作原理，并对其工作原理进行了详细分析，在此基础上提出了...

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