三相电能质量信号发生器的设计与研究

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1、硕士论文三相电能质量信号发生器的设计与研究5)在前期的理论分析和软硬件设计的基础上，制作三相电能质量信号发生器的试验样机。通过实验产生电压凹陷、跌落、骤升、闪变、谐波等电能质量信号波形，验证样机设计的可行性。2基于电能质量信号发生器的电路拓扑研究硕士论文本设计所要完成的电能质量信号发生器是用于产生电压骤升、跌落、中断、闪变、谐波等信号波形。该信号发生器是利用FPGA产生的PWM控制信号去控制逆变器的功率开关管，得到所需要的电能质量信号波形。因此，逆变电路的选择关系到本设计的成败。电能质量信号发生器需要产生各种电能质量信

2、号波形，要求输出精度高、可控性好，并且对电网不能产生污染，还需减少无功的输出，提高功率因数。该装置需要应用到工业现场中，因此需要有较强的抗干扰能力。为了满足装置的要求，硬件电路结构应具备以下的特点n吼：1)结构简单，控制简单：2)输出电压波形畸变少，谐波含量低；3)能够产生较大功率；4)损耗小，输出无功含量少，功率因数高。根据以上的要求并且结合本文的实际情况，不仅需要产生标准正弦波，还需产生各种类型的电能质量信号波形，其中包括电压骤升、跌落、谐波等。因此，需要运用多电平输出来实现这些不规则信号波形的产生。多电平逆变电路

3、能很好地改善输出电压波形，减少电压波形畸变，降低谐波含量。因此，本章就以多电平逆变电路进行分析讨论，选择最适合的电路拓扑结构作为电能质量信号发生器的主电路。2．1多电平逆变电路概述在电力电子技术中，逆变技术广泛地应用在各个领域和行业中。德国学者Holtz首先提出三电平逆变器的主电路拓扑结构，日本学者A．Nabae等人在其基础上利用二极管代替了两个反并联的功率管，多电平逆变技术应运而生n"。如图2．1所示。根据研究和实验表明，多电平逆变电路在实际运用中，尤其是在高压大功率的场合，具有显著的优点n8’1卵。1)每个功率开关

4、承受的电压将会大大降低，可以实现高压大功率输出；2)由于电平数的增加，使得输出电压波形有所改善，减小输出电压中低次谐波的含量并减少电压畸变；3)多电平逆变电路可以减少开关频率，大大提高了系统的效率；4)在相同电压条件下，与两电平逆变电路相比，大大降低了每个功率管承受的驯西应力；6硕士论文三相电能质量发生器的设计与研究易2易2a)Holtz提出的三电平逆变器b)A．Nabae提出的三电平逆变器图2．1多电平逆变电路本文设计的电能质量信号发生器不仅要发生标准正弦波，还需要产生各种电能质量信号波形。为提高波形的质量，防止产生

5、畸变，决定采用多电平逆变电路作为主电路拓扑结构。目前，比较常见的多电平逆变电路主要分为两大类：一是钳位式多电平逆变电路，其中包括二极管钳位式多电平逆变电路和飞跨电容型多电平逆变电路；二是级联式多电平逆变电路，其中常见的有2H桥级联、3H桥级联、混合级联等伽3。下面对常见的几种多电平逆变电路的原理和特点进行简单的介绍，并比较分析，确定一种拓扑结构作为主电路方案。2．1．1钳位式多电平电路概述钳位式多电平逆变电路主要有二极管钳位式和飞跨电容式两种形式，都是将功率器件串联组成半桥结构，采用一个直流电源供电。利用多个串联电容进

6、行分压，并利用钳位二极管或电容将功率管上的电压钳位到一个电容电压上。这样输出为高电压，但每个功率开关管所承受的电压却因为被电容分压而减少瞳¨。图2．2是一个最简单的二极管钳位式三电平逆变器，它由一对钳位二极管VD和VD'，两个直流分压电容C，和C，，四个续流二极管，四个主功率管组成。当K、K同时导通时，％=E／2；当K’、圪导通时，u加=一纠2；当匕、巧’导通时，叽D=0。逆变电路输出电平数为三电平。二极管钳位型多电平逆变电路是通过直流电容分压得到的，为了使逆变器能够正常地工作，需要保证电容电压稳定。但是随着电平数的增

7、加，电路结构需要加入大量的钳位二极管。同理，飞跨电容逆变电路需要采用串联电容钳位，必须要对电压进行控制。因此，钳位式多电平逆变电路适用于输出电平数少，控制结构简单的情况下。72基于电能质量信号发生器的电路拓扑研究硕士论文E图2．2攀粳二极管钳能三电平逆变器2．1．2级联多电平逆变电路概述级联式逆变电路，不存在直流分压问题。它是将基本功率单元级联而成的一种电路拓卦结构。它是1975年毒P。Hammond提出，赠来{!导到了广泛地使用。这种拓扑结构采用多个独立的直流电源供电，适合离电压、大功率等场合。级联式多电平逆变器主要

8、有以下优点瞻2瑚1：1)输出电平数相同时，元器件数量最少；2)不需要钳位二极管和钳位电容，不存在均压问题；3)功率器件工作在基频状态，开关损耗小，并且效率高；4)适合模块化控制，控制方式比较简单；5)整今系统的输入功率因数离，谐波小，对邀网的污染小；6)各个模块都相对独立，当某个模块出现问题，容易检测；利用级联式逆变电路可以利用较