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采用电压源变流器的中压采用电压源变流器的中压采用电压源变流器的中压采用电压源变流器的中压电能质量控制关键技术进展电能质量控制关键技术进展西安交通大学电气工程学院20118192011.8.19目录目录中压电力电子装置拓扑结构比较与分析功率器件串联结构中点钳位多电平与飞跨电容多电平结构中点钳位多电平与飞跨电容多电平结构变流器串联多电平结构通用多电平拓扑结构混合串联多电平电能质量控制器混合串联多电平电能质量控制器主电路设计主电路设计通用多电平拓扑结构混合串联多电平电能质量控制器混合串联多电平电能质量控制器主电路设计主电路设计串联串联多电平多电平电能质量控制器电能质量控制器母线电压控制母线电压控制串联串联多电平多电平电能质量控制器电能质量控制器母线电压控制母线电压控制中压电力电子装置拓扑结构比较与分析功率器件串联结构功率器件串联结构优：优：简单、直接缺：缺：复杂的动静态均压均流、驱动及吸收保护电路，THD改善无益研究现状与热点：研究现状与热点：着重于动静态均压均流、驱动及吸收保护电路及吸收保护电路3中压电力电子装置拓扑结构比较与分析中点钳位多电平结构中点钳位多电平结构优：优：1阶梯波调制时器件工作于基1、阶梯波调制时，器件工作于基频，开关损耗小，效率高2、可控无功功率流3、背靠背连接系统控制简单3、背靠背连接系统控制简单缺：缺：1、大量钳位二极管2、功率器件损耗不一致、功率器件损耗不致3、电容均压4、工业应用电平数不大于5器件数目主开关管2(n-1)二极管(n-1)(n-2)研究现状与热点：研究现状与热点：着重于电容均压4电容n-1着重于电容均压及与其他拓扑联合中压电力电子装置拓扑结构比较与分析飞跨电容多电平结构飞跨电容多电平结构器件数目主开关管2(n-1)优：优：1、阶梯波调制时，器件工作于基频关损耗小效率高二极管0电容n(n-1)/2频，开关损耗小，效率高2、可控无功和有功功率流3、冗余开关状态可控电压平衡缺缺缺：缺：1、大量钳位电容2、较高的工作频率控制电压平衡3纯无功负载电容电压不平衡3、纯无功负载电容电压不平衡4、工业应用电平数不大于55中压电力电子装置拓扑结构比较与分析变流器串联多电平结构变流器串联多电平结构器件数目优：优：1、阶梯波调制时，器件工作于基主开关管2(n-1)二极管0电容(n-1)/2阶梯波调制时器件作于基频，开关损耗小，效率高2、等效开关平率高（采用CPS-SPWM）3、所需器件昀少昀简单4、易于模块化，适七电平及以上5、易采用软开关技术缺：缺：1、需多个直流源（DC-AC装置）1个H桥:±Vdc，0n个H桥:±nVdc,±(n-1)Vdc,…,±Vdc,06中压电力电子装置拓扑结构比较与分析变流器串联多电平结构变流器串联多电平结构(a)H桥单元(b)不对称桥单元(e)斩波器单元(c)二极管箝位单相桥(d)飞跨电容单相桥7中压电力电子装置拓扑结构比较与分析变流器串联多电平结构变流器串联多电平结构混合多电平混合多电平优优::利用不同类型的器件，电平数增加缺缺::控制复杂化缺缺::控制复杂化优优::减少直流源缺缺::需电容电压平衡控制器件数目增加优优::电平数增加缺缺::控制复杂化缺缺::控制复杂化器件数目增加8中压电力电子装置拓扑结构比较与分析变流器串联多电平结构变流器串联多电平结构如果需要大的直流电压源呢？如果需要大的直流电压源呢？MMCMMC9中压电力电子装置拓扑结构比较与分析变流器串联多电平结构变流器串联多电平结构优优::模块化、易于组研究现状与热点研究现状与热点优优模块化易装和扩展缺缺::控制保护等复杂研究现状与热点：研究现状与热点：着重于电容均压10中压电力电子装置拓扑结构比较与分析通用多电平拓扑结构通用多电平拓扑结构11目录目录中压电力电子装置拓扑结构比较与分析混合串联多电平电能质量控制器混合串联多电平电能质量控制器主电路设计主电路设计设计思路设计思路设计过程设计过程设计实例设计实例仿真验证仿真验证串联串联多电平多电平电能质量控制器电能质量控制器母线电压控制母线电压控制串联串联多电平多电平电能质量控制器电能质量控制器母线电压控制母线电压控制混合串联多电平混合串联多电平电能质量控制器电能质量控制器主电路设计主电路设计合串联多平合串联多平能质控制能质控制路设计路设计拥有以下优点：高频拥有以下优点：**在输出电平数在输出电平数相同的情况下，相同的情况下，所需模块个数所需模块个数更少更少更少；更少；低频$$充分利用现充分利用现有高压低压有高压低压有高压低压有高压低压电力电子器电力电子器件各自的优件各自的优势和特性。势和特性。1设计思路设计思路1.设计思路设计思路针对混合串联多针对混合串联多电平电平针对混合串联多针对混合串联多电平电平APFAPF主电路主电路设计，这设计，这里主要考虑以下三方里主要考虑以下三方面问题：面问题：每相所需串联模块每相所需串联模块个数怎样取？个数怎样取？每相各串联模块直流侧每相各串联模块直流侧每相各串联模块直流侧每相各串联模块直流侧电压值如何取？电压值如何取？每相需要几个高频模块每相需要几个高频模块？？1设计思路设计思路通过分析，提出以下主电路设计步骤：1.设计思路设计思路确定串联模块直流侧电压之和确定每相串联模块的个数仿真验证列出存在的各种电压组合方案优化直流侧电压组合方案筛选实用的电压组合方案确定所需高频模块的个数确定直流侧电压组合方案比较各种组合方案的优劣2.设计过程设计过程第一步：根据设计指标，确定每相各第一步：根据设计指标，确定每相各串联模块直流侧电压值之和串联模块直流侧电压值之和串联模块直流侧电压值之和串联模块直流侧电压值之和原则：原则：通过仿真软件搭建负载通过仿真软件搭建负载模型，计算指令电压，由此可模型，计算指令电压，由此可以确定以确定HH桥各直流侧电压的和桥各直流侧电压的和第二步：确定每相串联第二步：确定每相串联HH桥的个数桥的个数首先，确定输出电平数。输出电平数只与各串联模块直流侧电压值之在已知模块个数取值范围的基础上，在已知模块个数取值范围的基础上，用列举法得到所有可能存在的电压用列举法得到所有可能存在的电压比组合方案比组合方案10001700工作电压(V)耐压值(V)器件类型以确定以确定HH桥各直流侧电压的和。桥各直流侧电压的和。和和基本模块的直流侧电压值有关。其次，根据串联模块个数与输出电平数的关系确定每相所需串联模比组合方案。比组合方案。第三步：列举可能存在的电压比组合第三步：列举可能存在的电压比组合4000650020003300IGBT平数的关系，确定每相所需串联模块个数的取值范围。第四步：考虑实际器件的耐压等级，第四步：考虑实际器件的耐压等级，选择符合实际的电压比组合选择符合实际的电压比组合400065003300600028004500IGCT311(1log())22mmceiln−−+≤≤实际电压比取为：实际电压比取为：11：：22：：33：：44。。400065002.设计过程设计过程第一步：根据设计指标，确定每相各第一步：根据设计指标，确定每相各串联模块直流侧电压值之和串联模块直流侧电压值之和串联模块直流侧电压值之和串联模块直流侧电压值之和第二步：确定每相串联第二步：确定每相串联HH桥的个数桥的个数器件成本：经济性；；备件成本：冗余性。。高频模块的输出指令电压由两部分高频模块的输出指令电压由两部分构成构成考虑各串联模块直流侧取非整数倍关系，进一步优化主电路设计；主要考虑用1200V的IGBT代替备件成本：冗余性。。第三步：列举可能存在的电压比组合第三步：列举可能存在的电压比组合电网电压与高压模块输出电压的差值分量输出电感和电阻上的谐波电压主要考虑用1200V的IGBT代替1700V的IGBT，应用于直流侧为800V的场合。第四步：考虑实际器件的耐压等级，第四步：考虑实际器件的耐压等级，选择符合实际的电压比组合选择符合实际的电压比组合第五步：不同电压比组合优劣性比较第五步：不同电压比组合优劣性比较第六步：高频模块个数的选择第六步：高频模块个数的选择第七步：优化直流侧电压比组合第七步：优化直流侧电压比组合第八步：仿真验证第八步：仿真验证3.设计实例设计实例系统参数：电压10kV，容量1MVA,补偿25次以内谐波THD5%第一步：根据设计指标，确定每相各第一步：根据设计指标，确定每相各串联模块直流侧电压值之和串联模块直流侧电压值之和内谐波，THD5%。串联模块直流侧电压值之和串联模块直流侧电压值之和第二步：确定每相串联第二步：确定每相串联HH桥的个数桥的个数确定输出电平数为：确定输出电平数为：m=1+2*9=19m=1+2*9=19模块的取值范围为：模块的取值范围为：3~93~9第三步：列举可能存在的电压比组合第三步：列举可能存在的电压比组合1:1:1:1:51:1:1:61:1:1:2:41:1:2:51:2:61:2:2:443211:1:1:1:51:1:1:61:1:1:2:41:1:2:51:2:61:2:2:44321第四步：考虑实际器件的耐压等级，第四步：考虑实际器件的耐压等级，选择符合实际的电压比组合选择符合实际的电压比组合87651:1:1:1:51:1:1:1:2:31:1:1:2:41:1:1:3:31:1:1:2:2:21:1:3:41:1:2:2:31:2:2:41:2:3:31:2:2:2:287651:1:1:1:51:1:1:1:2:31:1:1:2:41:1:1:3:31:1:1:2:2:21:1:3:41:1:2:2:31:2:2:41:2:3:31:2:2:2:21:1:1:1:1:1:1:1:11:1:1:1:1:1:1:21:1:1:1:1:1:31:1:1:1:1:41:1:1:1:1:2:287651:1:1:1:1:1:1:1:11:1:1:1:1:1:1:21:1:1:1:1:1:31:1:1:1:1:41:1:1:1:1:2:28765H桥直流侧电压之和取为9kV。。3.设计实例设计实例系统参数：电压10kV，容量1MVA,补偿25次以内谐波THD5%第一步：根据设计指标，确定每相各第一步：根据设计指标，确定每相各串联模块直流侧电压值之和串联模块直流侧电压值之和内谐波，THD5%。串联模块直流侧电压值之和串联模块直流侧电压值之和第二步：确定每相串联第二步：确定每相串联HH桥的个数桥的个数1：1：1：2：2：2、1：1：1：3：3需要两个高频模块，直流侧电压比值应具有以下形式：将高频模块直流侧电压取为0.8，昀终得到的直流侧电压比为：0808082221：1：1：3：3和1：2：2：2：2为昀好第三步：列举可能存在的电压比组合第三步：列举可能存在的电压比组合1:1:@:@1:1:@:@所以昀终采用直流侧电压比为1:1:1:2:2:21:1:1:2:2:20.8:0.8:0.8:2:2:2第四步：考虑实际器件的耐压等级，第四步：考虑实际器件的耐压等级，选择符合实际的电压比组合选择符合实际的电压比组合1:1:1:2:2:21:1:1:2:2:2第五步：不同电压比组合优劣性比较第五步：不同电压比组合优劣性比较第六步：高频模块个数的选择第六步：高频模块个数的选择第七步：优化直流侧电压比组合第七步：优化直流侧电压比组合第八步：仿真验证第八步：仿真验证4.仿真验证仿真验证仿真结仿真结果设计参数符号仿真参数说明U10KV三相交流电源线电压有效值数Us10KV三相交流电源线电压有效值fs50Hz电网频率Ls0.5mH输出电感s输出电感Rs0.5Ω输出电抗等效电阻Udc_low2000V/800V低频功率模块直流侧电压flow50Hz低频功率模块开关频率M4低频功率模块数高频功率模块直流侧电压Udc_high800V高频功率模块直流侧电压fhigh5kHz高频功率模块开关频率N2高频功率模块数目录目录中压电力电子装置拓扑结构比较与分析中压电力电子装置拓扑结构比较与分析混合串联多电平混合串联多电平电能质量控制器电能质量控制器主电路设计主电路设计串联串联多电平多电平电能质量控制器电能质量控制器