关键字 |
| 空间矢量脉宽调制，九开关转换器，功率调节器和电能质量。 |
介绍 |
| 静态功率变换器的发展已经迅速增长，许多变换器拓扑现在很容易在开放文献中找到。伴随着这一发展的是同样快速的应用领域的识别，其中电源转换器可以积极地为提高整体系统质量做出贡献[1]。在大多数情况下，所确定的应用将要求电源转换器串联或分流连接，这取决于所考虑的操作场景。此外，它们还需要编程电压、电流和/或功率调节方案，以便能够平稳地补偿谐波、无功功率流、不平衡和电压变化。为了更严格地调节电源质量，并联和串联变换器都增加了，其中一个任务是执行电压调节，而另一个执行电流调节。如图1所示，这两个转换器几乎总是以背对背配置[2]连接，共使用12个开关并共享一个共同的直流链路电容器。微源也可以插入到公共直流链路。 |
| 本文提出了一种单级集成九开关功率调节器，提出了一种更好的低功耗半导体替代方案，可实现高质量的串并联补偿，其电路结构如图2所示。所提出的调节器使用一个9开关转换器和两组输出端子，而不是通常的12开关背对背转换器。九开关变换器早前在[7]，[8]中几乎同时提出，并被推荐用于双电机驱动[9]，整流-逆变系统和不间断电源[10]。尽管功能如预期的那样，但这些应用受到有限的相移和9开关转换器的两个终端集之间严格的振幅共享的负担。更重要的是，需要保持更大的直流链路电容和电压，以产生与背对背转换器相同的交流电压幅值。较大的dink电压会不必要地对半导体开关施加过大压力，并且可能在某种程度上掩盖了由9开关拓扑结构所实现的节省3个半导体开关的效果。 |
九开关电源调节器的工作原理 |
| 所提出的转换器有三条腿，每个腿有三个开关。这种变换器的新颖之处在于，每个变换器腿的中间开关由整流和逆变器共享，因此与背对背变换器相比，开关数量减少了33%。公用电力部分通过中间开关(直接交/交转换)输送到负载，部分通过准直流链路电路输送到负载。 |
| A.背对背转换器的限制和建议 |
| 图1所示为通用背对背式统一电能质量调节器(UPQC)的逐相表示，其中分流变换器在共耦点(PCC)并联，串联变换器通过隔离变压器与配电馈线串联。并联变换器通常被控制来补偿负载谐波、无功功率流和不平衡，因此无论负载的非线性如何，始终从电网中提取正弦基电流。串联变流器被控制以阻挡电网谐波，因此在负载端子[13]上总是出现一组三相基本电压。 |
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| 背靠背的UPQC仍然很复杂，而且没有充分利用，即使它提供了两个解耦转换器的独立控制。其利用率不高主要是串联变流器，其输出电压通常较小，在正常稳态条件下，特别是强电网(VSUPPLY≈VLOAD)，只需补偿少量电网谐波。在暂降期间，变换器被调整为注入1.15 p.u的串联电压，此时变换器调制比较低，如0.05 × 1.15[12]，其中三次偏置包括[13]。 |
| B.九开关变换器工作原理及存在的约束条件 |
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| 图2显示了由每个相使用三个半导体开关形成的九开关转换器，为所有三个相总共提供了九个。九个开关由一个普通的直流链路电容器供电。与使用12个开关的完全去耦背对背转换器不同，9开关转换器面临着对其假定开关状态的限制。允许的开关状态如表I所示，由表I可知，九开关变换器每相的两个输出端子只能连接到Vdc或0v，或其上端只能连接到直流上轨P，下端只能连接到直流下轨N。最后一种上端连接到N，下端连接到P的组合是无法实现的，因此构成了九开关变换器面临的第一个限制。在参考位置上施加这一基本的经验法则，然后导致图3中每个阶段三个开关S1、S2和S3所绘制的门控信号。产生门控信号的方程可以表述为 |
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| 异或运算符在哪里?从eqn获得的信号。(1)，当应用于九开关变换器时，可得到图3所示的表示每相VAN和VRN的输出电压过渡图。总之，这些电压跃迁表明= 0V的禁止状态被有效地屏蔽了。然而，阻塞是在出现限制参考振幅和相移的附加约束时实现的。这些限制对于具有相当大的振幅和/或不同频率的参考文献尤其突出，如图3(a)和(b)所示的例子所示。 |
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| C.提议的九开关电源调节器 |
| 在正常工作条件下，并联变换器的输出电压幅值比串联变换器沿配电馈线引入的压降要大得多。这意味着并联变换器需要的调制基准比串联变换器要大得多，串联变换器只是由逆变谐波分量组成，用于电网电压补偿。在载波范围内绘制这些细节将导致图3中用于控制上并联端子的垂直范围h1更宽，用于控制下串联端子的垂直范围h1更窄(如果可以设置为零，如果考虑无失真的理想网格和额定正弦电压。在这种情况下，最低的三个开关(图2中每个相标记为S3)应始终保持ON状态，以使串联耦合变压器短路，并避免不必要的开关损耗。 |
| 和载波频段划分如图3所示，它将需要更高的直流链路电压。串联变换器的调制比可低至0.05 × 1.15(含三倍偏置)，直流电压仅增加5%左右，9开关变换器可产生相同的最大并联电压幅值。这个最大值是在减小的最大调制比为0.95 × 1.15时达到的，而不是考虑三倍偏移的1.15。研究了九开关变换器在电压跌落条件下的补偿能力，确定了九开关变换器是一种较好的“串并联”型电源调理器拓扑结构。为此目的，假设图2中的PCC电压下降了一些量，这将使9开关变换器的较高分流端子降低电压水平。相反，低串联端必须立即响应，在基频(此处为所需负载电压基准)注入相当大的串联电压，以使负载电压接近其故障前的值。所提出的集成九开关电源调节器的MATLAB/SIMULINK模型如图4所示。表2给出了系统仿真中应用的参数。 |
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控制策略 |
| 提出的九开关UPQC控制策略包括最优空间矢量(SV)调制方案。两个独立的三相SV调制器用于控制两台机器。每台机器的参考都成为各自d-q平面上的向量，每台机器都具有完全任意的位置，位于其平面的六个扇区中的任何一个扇区中。假设两个调制器都以标准方式(在连续调制中)工作，其中零SV的总应用时间在零SV 000和零SV 111之间平均共享，每个参考SV将通过两个相邻的有源SV在开关期间平均实现。从三相SV调制器产生的输出，可以被认为是三个支脚在开关周期内的占空比值d。与基于载波的PWM相似，每个调制器产生的占空比的简单和可以用于确定图5所示9个开关UPQC的占空比。九开关变换器的上端只允许上dc轨夹紧，下端只允许下dc轨夹紧，目前只能通过不太常用的120°断续调制方案来实现。 |
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| 不连续修改引用 |
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| 其中{MSH， ωSH， θSH}为分流端子的调制比、角频率和初始相位，{MSE， ωSE， θSE}为串联端子的对应量。利用eq.(2)，(3)，调制图显示在120ÃⅰÂ > Â μ μ基本周期的连续时间内，上参考点只与上dc -轨相连，下参考点只与下dc -轨相连。120不连续方案确实是一个合适的方案，减少了33%的换相计数。较低的换向计数将导致较低的开关损耗，其值取决于每个相位两个终端上的电流幅值和相位，就像所有其他不连续调制的变换器一样。 |
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| 9开关UPQC的串联端子具有两种控制功能，可在正常和暂降工况下提高向负载供电的质量。调节器的串联端子用于补偿可能起源于PCC的任何谐波失真。它们还有助于调节负载电压，以补偿任何轻微的基本电压变化。 |
| 第二个功能是，在电压跌落条件下。需要注入相当大的串联电压以保持负载电压几乎恒定。实现的总体框图如图6所示。计算出的电压误差然后通过同步帧中的PI调节器馈送，其作用是迫使稳态误差为零，从而补偿那些在感应元件上出现的未计算的电压降。请注意，对于这里提出的控制，选择同步帧只是因为负载电压基准可以由单个直流常数表示。如果不需要帧变换，可以使用静止帧中的谐振稳压器，同时使用三相正弦波作为负载电压参考 |
| B.分流控制原理 |
| 九开关电源调节器的分流端子被编程来补偿下游负载电流谐波，无功功率，并平衡其共享的直流链路电容电压。为了实现这些控制目标，如图7所示绘制了适当的控制方案，其中测量的负载电流首先通过同步帧中的高通滤波器馈电。该滤波器拦截基本d轴有源分量，并将谐波分量和q轴无功分量传递给进一步处理。同时，还增加了PI调节器，作用于直流链路电压误差，通过产生一个小的d轴控制参考来补偿损失，使其归零，从而保持直流链路电压恒定。然后，滤波器和PI调节器输出的和形成测量的并联电流跟踪的控制参考。经过合理的跟踪，源电流将是正弦的，负载谐波和无功功率将由所提出的功率调节器单独处理。 |
仿真结果 |
| 利用MATLAB/SIMULINK建立了详细的仿真模型，对所提出的集成九开关电源调节器的性能进行了评估。图8给出了提高电网THD，同时激活串联和分流补偿时的供电电压、串联注入电压和负载电压。如果串联补偿失活和变压器旁路，则电源电压失真并在负载上出现。注入串联电压后，源电压变为正弦波，谐波减少。 |
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| 图9为9个开关UPQC调节的负载、分流注入和供电电流，验证其分流补偿能力。由于二极管整流负载的非线性导致负载电流严重畸变，但由于分流补偿器注入的补偿电流使源电流接近正弦波。从图10所示的谐波谱来看，源电流的THD为0.17%，A相负载电流的THD为30.07%。因此，无论引入低阶电网谐波畸变的程度如何，所提出的九开关UPQC都能有效地平滑负载电压和负载电流，结果如表III所示。 |
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| 可编程源用于引入凹陷。图11为正常至凹陷状态下的补偿负载电压、串联注入电压、凹陷电网电压。栅极电压在整个过渡过程中呈正弦变化，在凹陷期幅值下降。电网电压的降低被传递到九开关电源调节器的串联端子上。功率的下降与低串联电压被强制输出到并联端子有关，需要保持负载电压不变。图12为正常至凹陷状态下的补偿负载电流、分流注入电流、电网电流。九开关电源空调器的直流链路电压始终要保持高于背对背空调器。图13显示了调节器直流链路电压在整个凹陷转变过程中调节在270V。 |
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结论 |
| 利用MAT LAB/SIMULINK对基于九开关变换器的UPQC进行了仿真。它有效地降低了电流和电压谐波。九开关变换器更适合于在“串并联”系统中取代背对背变换器。作为进一步的性能助推器，提出了一种改进的空间矢量调制和120度调制方案，以减少33%的总换相计数。它也补偿电压下降，总谐波失真与适当的串联和分流控制。由于与传统变换器相比所需的开关数量较少，因此开关损耗也较小。 |
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