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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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VSC高压直流输电抗干扰的多电平变换器

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  1. 理工硕士，学校电气工程，印度安得拉邦贡图尔kl大学
  2. 学院副教授电气工程，印度安得拉邦贡图尔kl大学
有关文章载于Pubmed,谷歌学者

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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

摘要

近年来技术的进步已经实现了二极管箝位拓扑结构在开关损耗和控制谐波含量方面的显著降低。基于选择性谐波消除脉宽调制(SHE-PWM)技术的控制方法提供了尽可能少的开关跃迁。这一特性也导致变换器开关损耗的最低可能水平。因此，对于基于电压源变换器(VSC)的高压直流输电系统来说，它们是非常有吸引力的技术。本文讨论了优化的调制模式，提供了可控的交流和直流之间的谐波免疫。本文主要针对传统两级变换器直流电压中含有低频谐波分量的情况。仿真和实验结果验证了所提出的切换模式的有效性。最后给出了一种七级多电平转换器拓扑结构



关键字
振幅调制(AM)，直流功率转换，谐波控制，高压直流，绝缘栅双极晶体管(IGBT)，电力电子，电力传输系统，脉宽调制，电压源转换器(VSC)。

介绍
电力需求的持续增长和社会对气候变化问题的日益重视，直接影响到电网基础设施的发展。公用事业行业面临着改变电网管理和运营方式的持续压力。一方面，供应的多样性旨在增加能源结构，容纳更多、更多样化的可持续能源。另一方面，显然需要提高能源供应的效率、可靠性、能源安全和质量。随着智能电网所能提供的广泛利益、技术能力的提高和技术成本的降低，投资智能电网技术已成为公用事业公司的一个严重焦点。
灵活交流输电系统(FACTS)和基于电压源变换器(VSC)的高压直流输电系统等先进技术对于电力系统向更加自动化、电控的智能电网的重组至关重要。[2]概述了基于VSC技术的高压直流输电的最新进展。[2]中还提供了基于vsc的HVDC系统最重要的控制和建模方法以及现有安装列表
第一代电力变换器是基于电流源变换器(CSC)拓扑[3]，[4]。今天，许多项目仍然使用csc，因为它们具有超高的功率能力。随着完全控制功率半导体的发明，如绝缘栅双极晶体管(igbt)和集成栅换相晶闸管(igct)[5]，由于其四象限功率流特性[6]，VSC拓扑结构变得更有吸引力。基于vsc的高压直流输电系统的典型配置如图1所示，如图[7]和[8]所示。
随着功率和电压水平的持续增加，强调成本效益的解决方案和严格的电能质量指导方针，多级变换器已经成为实现可接受标准的技术上可行的解决方案。术语Ã①Â′Â >多级”已被创造出来，以强调通过串联添加元件来逐步增加瞬时电压电平的能力。目前已经研究的基本拓扑结构有:二极管夹紧、飞行电容器、级联h桥和模块化拓扑结构。尽管不同的拓扑结构提供了各种优点，但随着电压水平的进一步提高，它们也具有一些局限性。
此外，由于其模块化结构，硬件实现相当简单，维护操作比替代多电平转换器更容易。近年来，多电平电压源逆变器被广泛应用于交流电源、静态无功补偿器、驱动系统等工业领域。多电平配置的一个显著优点是在不增加开关频率或降低逆变器功率输出的情况下减少输出波形的谐波[5-11]。多电平逆变器的输出电压波形由电平数组成，通常从电容器电压源获得。所谓多层次是从三个层次开始的。当层数达到无穷大时，输出THD趋于零。然而，可实现的电压电平的数量受到电压不平衡问题、电压夹持要求、电路布局和封装约束的限制。
另一方面，优化的调制方法为严格控制变换器产生的谐波[19]提供了许多优点。在[20]中讨论了通过求解双电平逆变器的SHE-PWM方程求全解的最小化方法。本文假设直流链路电压为常数。在[10]中，提出了一种防止直流链路纹波电压在定频和变频逆变器交流侧产生低阶谐波的方法。但是，在SHE-PWM的多个解集[20]中，只有一个被报道。
在[21]中对STATCOM的交流和直流侧之间的谐波相互作用进行了研究，包括所谓的基于预计算角度的动态SHE-PWM方案，以获得更好的THD。然而，动态SHE-PWM方案仅适用于三电平转换器，并且只能应用于已知的纹波大小和频率。在[22]中研究了另一种利用SHE-PWM提高双电平VSC谐波性能的方法。但是，[22]方法只考虑了一组SHE-PWM解，该方法需要精确的纹波大小、相位和频率值才能实现。
文献报道了补偿不平衡的控制策略。由交流侧不平衡负载引起的轻度不平衡通过使用[23]中提出的电压正序和负序分量的独立控制回路来调节。基于D-STATCOM模型[24]的控制算法可以实现对不平衡补偿器电流的有效控制。D-STATCOM允许单独控制正、负序列电流和d-q帧的去耦电流控制。针对[25]型双馈感应发电机，提出了一种不平衡电网电压条件下的直接功率控制策略。为了充分发挥直流输电系统中vsc的优势，在主控制器的基础上增加了一个辅助控制器，该控制器通常在正序d-q帧[26]中实现。为了补偿不平衡的ac侧负载，辅助控制器在负序d-q帧中实现。
本文的目的是讨论基于预计算的SHE-PWM优化调制在两电平三相VSC中的有效性，使交流侧不受直流链路波动的影响，而无需使用无源元件。但是，由于本文所研究的VSC不包括闭环控制器，因此本文不讨论补偿不平衡的策略。
这篇论文是按照以下方式组织的。在第二节中，简要分析了VSC和调制方法。第三节介绍了直流纹波电压VSC的特性。第四节提供了大量的实验结果来支持理论论点。结论载于第五节。

PWM变换器与she-pwm的分析
采用IGBT技术在两电平三相VSC拓扑结构上研究了优化后的SHE-PWM技术，如图2所示。典型的周期性双电平SHE-PWM波形如图3所示。线-中性点电压波形可表示为:
图像
当ω0为交流的工作频率时，和
Vdc为直流链路电压。
因此，线对线电压由
图像
SHE-PWM方法提供数值解，通过波形的傅立叶级数展开[20]计算
图像
其中N+1是需要求出的角。
在(N=4)SHE-PWM中，k= 5、7、11、13，每个四分之一波使用5个开关角来消除第5、7、11和13次谐波。在平衡负载的情况下，由于三相变换器开关功能的120对称性，三次谐波和所有其他三次谐波被抵消。由于角的半波/四分之一波对称性，偶次谐波被抵消
0 < α1 < α2 ... ... .< αn +1 < π/ 2

二极管箝位多电平转换器
表一给出了三电平二极管箝位多电平逆变器在v0,0和- Vdc开关状态下的开关状态
图7为5级二极管箝位多电平逆变器的电路图
表二显示了二极管箝位多电平逆变器的开关状态。

仿真结果
二极管箝位多电平变换器的建模
图8为三电平二极管箝位多电平变换器的Matlab/Simulink模型。
图9为电平漂移载波PWM波形。在这里，两个载波分别进行水平位移，并与正弦波进行比较。
图10为三级输出电压波形。
案例2
图11为五电平二极管箝位多电平变换器的Matlab/Simulink模型。
图11为载波电平漂移PWM波形。这里每四个载波都进行了水平位移，并与正弦波进行了比较。
图12为二极管钳位式多电平逆变器的五电平输出电压波形。
图13为七电平二极管箝位多电平逆变器的simulink模型。
图13为电平漂移载波PWM波形。这里每四个载波都进行了水平位移，并与正弦波进行了比较。
图14为二极管钳位式多电平逆变器的五电平输出电压波形

结论
本文介绍了二极管箝位式多电平变换器。对采用模块化拓扑的三电平变换器进行了仿真，得到了与两电平变换器相同的电压和额定功率。对于更高的电平，使用PWM并不能提供显著的好处，因为我们增加了损失，因此，使用SHE调制策略，并比较了增加延迟角的结果。对于相同的功率和电压额定值，还模拟了更高级别的模块化拓扑。更高的级别，意味着使用更多的子模块在瞬时电压波中产生中间步骤，使其更加正弦。最后提出了一种七层单h桥结构。建立了基于SIMULINK的模型，并给出了仿真结果。

表格一览
表的图标 表的图标
表1 表2

数字一览
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图1 图2 图3 图4 图5
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图6 图7 图8 图9 图10
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图11 图12 图13 图14

参考文献




























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