级联型多电平变流器在有源电力滤波器中的应用研究

随着大功率自关断器件和高速微控制芯片的不断发展,大功率电力电子装置的应用越来越广泛,传统的多重化结构由于受到变压器或电抗器尺寸、效率、价格及可靠性的限制,在功率等级提升的问题上遇到了极大的困难。多电平变流器的出现为解决这一问题提供了机会。在大功率电力电子装置中的另一个重要的问题就是大功率器件的工作频率较低,难以应用PWM等优秀的调制技术。载波相移SPWM技术(CPS-SPWM技术)就是解决这一问题的一种很好的方案。本文从理论和实验两方面研究了级联型多电平变流器及CPS-SPWM控制策略在有源电力滤波器中的应用。 本文首先分析了CPS-SPWM技术和级联型多电平变流器的工作原理:CPS-SPWM技术可以在较低的开关频率下有效地抑制和消除低次谐波,并具有相当大的传输带宽,是一种适于大功率电力电子装置的优秀的开关调制策略;级联型多电平变流器在各种多电平变流器中具有所需元器件数目最少、易实现直流侧均压、有利于模块化设计等优点。基于CPS-SPWM技术的级联型多电平变流器结合了二者的优势,在大功率电力电子装置中有良好的应用前景。本文将基于瞬时无功功率理论的自适应闭环检测方法应用于有源电力滤波器(APF),使系统在快速、准确检测谐波及无功电流的同时,具有良好的鲁棒性。 本文给出了基于CPS-SPWM的级联型多电平并联APF样机的参数设计过程,包括基于DSP和FPGA的多路PWM波形发生器、非线性负载、主电路、谐波及无功电流检测电路、电流采样与增益电路、隔离与驱动电路等。 本文在前人的基础上进行改进研究,做到了单相九电平和三相五电平APF。通过对PWM信号的频谱分析证明了CPS-SPWM技术可以通过低次谐波的互相抵消来实现较高的等效开关频率。通过一系列实验验证了将基于CPS-SPWM技术的级联型多电平变流器应用于APF上能较好地实现对非线性负载引起的谐波及无功污染的补偿,有良好的工业应用前景。