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《华北电力大学(北京)》 2005年
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非正交坐标系SVPWM理论分析与混合型APF应用研究

刘昊  
【摘要】:脉宽调制技术(PWM)是电压源型逆变器(VSI)的共用及核心技术,总体上讲,它的理论基础可以分为基于时域的冲量等面积原理和基于矢量空间的矢量等效原理。正弦脉宽调制(SPWM)是基于前者的代表性 PWM 方式,其实现方法简单,但它割裂了各桥臂间的固有联系,孤立地分析单个桥臂的输出状态,造成逆变器输出性能低下;基于后者的代表性 PWM 方式是空间矢量 PWM(SVPWM),它虽然将所有桥臂放在同一个空间统一看待,由此获得良好的输出性能,但其计算复杂,在逆变器电平数较多时难以实现实时控制。SVPWM 的计算复杂性掩盖了它的本质,故而人们难以建立冲量等面积原理与矢量等效原理之间的内在联系。因此在 PWM 实现方式上,缺少统一的指导思想。为此,本文开展了以下研究工作。 总结典型基于时域冲量等面积原理的 PWM 方式,明确提出相电压 PWM 和线电压PWM 的思想。在此基础上,得到一种优化线电压 PWM 方式。它不仅能够提高逆变器直流电压的利用率,还可以有效地降低开关频率。 针对于两电平 SVPWM 方式,本文首次指出传统求解方法的不彻底性。并且利用三角函数知识,将其进行化简,从而得到一种简化算法。该算法避免了常规算法在求解过程中所涉及非线性运算,并且理论计算误差为 0。通过数学推导,笔者证明优化独立 PWM方式是一种特殊形式的 SVPWM。 针对于多电平SVPWM,本文首次指出坐标系选取不当是造成计算复杂的根本原因,并建立了一种新型的非正交坐标系——KL 坐标系。在此坐标系下,得到多电平 SVPWM的统一简化算法,使得整个求解过程仅含少量的乘加运算。该算法是多电平 SVPWM 的通解,它可以“无缝”移植到任意电平阶数逆变器领域。这一部分工作奠定了多电平SVPWM 实时控制的基础。随后,笔者将多电平 SVPWM 的统一简化算法由线性调制领域扩展到过调制领域。 在 KL 坐标系下,分析多电平 SVPWM 的物理意义。对于 PWM 技术中基于矢量空间的矢量等效与基于时域的冲量等面积两种理论,本文首次利用严格的数学推导建立了它们之间的联系,并且指出 SVPWM 是线电压 PWM 的真子集。 作为供电电源与用电设备间的非线性接口电路,电力电子装置不可避免地向电网注入谐波电流。而电力电子技术的发展,为谐波的治理提供了更为丰富的手段,其中有源电力滤波器是最具有发展前景的方式之一。本文基于并联混合型 APF,开展大容量谐波与无功补偿技术的研究,力图为其实用化奠定基础。 对于并联混合型 APF,本文分析了它的基本原理,阐述了其逆变器直流电压低的工作特性。对于高压系统应用,论证了基于二极管箝位式三电平逆变器的并联混合型 APF技术优点。在此基础上,本文提出了并联混合型 APF 完整的控制策略:以无差拍控制实现对指令电流的快速、准确跟踪;以 PI 控制防止交流滤波电容的电压发生直流偏移; 华北电力大学博士学位论文 2 采取多种措施将逆变器直流侧电容电压的稳定控制在较小幅值。上述控制策略是 APF 优质、安全运行的重要保障。 针对于所提出的基于二极管箝位式三电平逆变器的混合型 APF,本文对其直流电压 的稳定控制环节进行了详细分析。将该问题细化分解为两个步骤:逆变器直流侧总电压 的稳定控制和基于 SVPWM 的电压均衡控制。前者等同于普通基于两电平逆变器的混合 型 APF 的直流电压控制,对此笔者首次指出如使直流电压稳定,不仅需要调整电网注 入的有功电流,而且必须调整所注入的无功电流;对于后者,笔者提出选择合适的冗余 矢量并调整其相应持续时间的方法,并且给出了对应的控制策略表。 利用无源补偿装置(滤波器或电容器)的功率优势和 APF 的控制性能优势,本文 开展了谐波与无功的混合补偿研究,提出二者并联运行时 APF 所应采取的控制策略。 最后,本文分析了并联混合型 APF 主要器件的参数设置,进而研制控制系统硬件 平台,编写实时控制软件,构建一台 380V/50kVA 实验样机,进行实验研究。在此基础 上研制一台 380V/100A 试运行装置,对某电力用户发生的谐波问题进行了有效治理。 关键词:SVPWM,非正交坐标系,有源电力滤波器
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