h桥级联式并联有源电力滤波器研究

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1、H桥级联式并联有源电力滤波器研究第一章绪论1.1高压、大功率变流器的研究为了使APF能够适用于高压、大功率的环境，人们希望大功率、耐高压的电力电子开关器件可以工作在尽可能高的开关频率下，从而减少低频谐波含量。但一般大功率的开关器件，所允许的开关频率较低，无法应用P技术等优秀的调制策略。因此，人们开始研究和探索新型的变流器拓扑结构和更先进的控制策略，力图在电力电子开关技术没有本质突破的情况下，通过这种方式增大变流器容量，改善装置输出波形质量。在得到高质量的输出波形的同时，减小开关器件应力和开关损耗，提高系统效率。为了寻求适合应用于中高压系统的变流器拓扑结构，人们进行了大量的探索，其

2、中研究最多、应用最广的是多电平变流器的拓扑结构[7]。多电平变流器在输出高质量波形的同时，改善了两电平变流器的许多不足。并且具有无需输出变压器、开关器件应力小、所需开关频率低、系统效率高等一系列优点。图1-1所示为单相全桥二极管箝位型多电平变流器拓扑，包含两个电容，可以输出3种电平。对于n电平的二极管箝位型变流器，直流侧需要(n-1)个电容串联产生n电平的相电压[8]。1.2谐波及无功概述近年来随着电力电子技术的不断发展，大量电力电子器件被投入使用，尤其是大功率非线性整流负载的普及造成大量的谐波电流和无功电流注入电网，引起电网电压、电流波形畸变、频率变化。电能质量的下降会严重影响

3、设备的安全和运行效率。如何抑制电网谐波、提高电网电流功率因数、改善电能质量，正在受到越来越多的关注。当电网中的电压或电流波形不是理想的正弦波时，经过傅里叶分解可以等效为由一系列不同频率正弦曲线的组合而成，我们将频率为50Hz的称为基波，频率高于50Hz的电流或电压成分称为谐波。早在20世纪20年代电力系统的谐波问题就已经存在，但那时由于几乎没有大功率的谐波源，所以并没有引起科学家的关注。但20世纪70年代以来，随着电力电子装置的广泛使用，谐波的含量开始呈几何级增长，并且威胁到电网的安全，正逐渐成为一个全世界都广泛关注的问题。在电力系统中，当电网电压和电网电流为同频率、同相位的正弦

4、波时，电能质量最好，电网传输效率最高，也不会对电网上的用电设备造成损害。但是随着谐波和无功电流的出现，电网的功率因数变差，在传输有功功率的同时也会传输大量的无功，使电网效率降低，甚至会对整个系统的稳定性造成影响。第二章CPS-SP在H桥级联变流器中的应用2.1CPS-SP技术在高压大功率的应用场合下，考虑到功率开关器件的开关损耗较为严重，而且大功率器件的工作频率一般较低，无法应用P技术等优秀的调制策略，因此器件开关频率与功率容量之间存在着矛盾。载波相移SP技术能在较低的器件开关频率下得到较高的等效开关频率，并且能够减轻单个功率开关器件所承受的压降，很好的解决了大容量变流器设备和功

5、率开关器件之间的矛盾。级联型多电平变流器与其他大功率变流器相比，具有产生相同电平数所需要的器件最少、易于实现高压输出、不存在直流侧电容均压问题、每个变流器单元结构完全相同易于实现模块化设计、不需要变压器接入电网等优点。因此将CPS-SP技术应用在级联型多电平变流器领域，在大功率APF方面有很好的应用前景。本章首先分析了载波相移SP技术的基本原理及它的输出波形、等效开关频率和传输带宽等方面的知识。然后介绍了级联型多电平变流器的基本结构以及基本工作原理。最后对基于载波相移SP技术的级联型多电平变流器进行数学分析和仿真验证。CPS-SP技术的实质是自然采样SP技术与多电平技术的有机结合

6、。采用CPS-SP技术对电压型组合多电平变流器进行调制的基本原理[20-22]为：若变流器由N个功率单元组成，取N个相位依次相差其周期的1/N，频率幅值均相同的三角载波信号(频率为fc)，分别与同一列调制波信号Us(频率为fs)比较，产生N列SP信号，控制N个变流器单元开关管的通断，输出侧通过串联方式叠加在一起，构成整个变流器的输出。N个变流器组合输出(N+1)电平的波形。图2-1所示为N=3的电压型组合变流器CPS-SP的调制原理图，载波比为fc/fs=2，调制度A=0.9。其中，(a)为调制图；(b)为正弦调制信号波分别与3列三角载波比较产生的3列SP信号；(c)为3个组合变

7、流器单元输出侧叠加后输出的4电平的SP信号波形。2.2H桥级联型多电平变流器工作原理H桥级联型多电平变流器是由若干个基本单元(单相全桥电路)组合而成的，它们在输出端以串联形式连接在一起，共同构成组合变流器的输出。每一个单元都可以输出方波或阶梯波，通过对输出波形的叠加合成，形成多电平台阶的阶梯波，以逼近所需要的输出波形。基本单元结构相同时，称为相同单元级联型多电平变流器，基本单元结构不同时，称为混合单元级联型多电平变流器[25-27]。本文采用的是相同单元的级联型变流器，每个单元均