1、硕士学位论文H 桥级联型谐波发生器关键技术研究及其实现：研 究 生 姓 名：学 号：指 导 教 师 姓 名 、 职 称：校 外 导 师 姓 名 、 职 称：电力系统及其自动化专 业 名 称：电力电子技术在电力系统中的应用研 究 方 向Research and Realization on the Key Techniques of H-bridge Cascade Harmonic Generator论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研
2、究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者（签名）：年 月 日I摘要近年来，变频器、整流器、轧钢机、电弧炉等非线性负荷所导致的谐波问题对电力系统的安全稳定以及用电负荷的正常工作造成了严重影响。谐波带来的危害对电力设备的测试手段与谐波补偿装置性能等两方面均提出了挑战，而两者的共性是需要一种能够产生一定带宽的谐波输出源。因此，本文提出了一种适用于中高压等级的 H 桥级联型谐波发生器，此装置具备电压与电流谐波输出能力，一方面能够对各种类型的电力设备进行谐波工况下的性能测试，另一方面能够对中高压系统中的谐波进行补偿，本文将围绕级联型谐波发生器的直压控制以
3、及谐波输出控制等两点关键技术开展研究。首先，对基于 CPS-SPWM 调制技术的 H 桥级联型谐波发生器拓扑结构进行分析，以此为出发点，得出其谐波输出特性与谐波输出时各单元有功分布规律。通过分析可知，H 桥级联型谐波发生器谐波输出最大次数取决于其等效开关频率，级联 单元输出的基波与谐波的边带谐波分量会对单元有功造成影响，特别是当输出的谐波电流接近边带谐波分量，会造成单元有功的不均。在不增加额外稳压拓扑结构的情况下，只能通过改变调制策略来进行直压均衡。因而，提出了一种基于 CPS-SPWM 调制技术下的改进策略，具体实现方法是通过载波轮换或载波频率优化的方法来改变单元有功分布，使其呈现周期性的变
4、化，进而维持单元直压平衡。其次，为了实现高次谐波输出，按照传统的直接电流控制方法，当谐波输出的次数较高时，由于连接电感上阻抗的增大会导致电压降增大，从而使输出谐波的带宽受到限制，这样会造成实际的输出存在较大静差，进而影响了装置的整体输出性能。因而，本文提出了一种基于指令电流前馈补偿的控制策略，通过引入指令电流微分控制环，用于抵消电抗压降影响，提高了输出带宽，使装置具有更好的输出跟踪性能。最后，对本文研究理论进行 PSCAD 仿真与现场实验验证。 仿真与实验结果表明：采用载波轮换或者载波频率优化的改进 CPS-SPWM 调制技术能够改善直流侧电压不均的情况；采用基于指令电流前馈补偿的控制策略能够
5、使装置输出准确跟踪指令的变化，且输出静差小，响应速度快。关键词：H 桥级联；谐波发生器；载波轮换；载波频率优化；指令电流前馈；PSCAD 仿真IIAbstractIn recent years, the harmonic problems caused by harmonic inverters, rectifiers, rolling mills, electric arc furnace and other nonlinear loads have lead serious impacts on the security and stability of the power system
6、and normal work of the power loads. The harm of harmonics have brought challenges to the testing methods of power equipment and the performance of harmonic compensation devices, both of which have in common is the need for a harmonic output source which can produce certain bandwidth. Therefore, a H-
7、bridge cascade harmonic generator applied to medium and high voltage level is proposed in this paper, which have the ability to output harmonic voltage and harmonic current. On one hand, the harmonic generator can be used to test working performance in harmonic conditions for power devices, on the o
8、ther hand , it can be used for harmonic compensation in medium and high voltage systems.The research focus on the two key techniques of DC voltage control and harmonic output control of the H-bridge cascade harmonic generator in this paper.Firstly, the topological structure of the H-bridge cascade h
9、armonic generator based on CPS-SPWM modulation technique is analysed, on basis of this, the harmonic output feature and active distribution of each cell is derived. Through analysis, the output harmonic maximum times of the H-bridge cascade harmonic generator depends on its equivalent switching freq
10、uency, and sideband harmonic component caused by cells fundamental and harmonic affect the active power of each cell; especially when the output harmonic current is close to the sideband harmonic component, which will cause the active power unbanlanced between each cell. Without increasing extra vol
11、tage regulator topology , the only method is to change the control strategy to make the DC voltage balanced. Therefore, an improved strategy of CPS-SPWM modulation technique is proposed. The specific method is to make the cell active power distribution change periodically through carrier rotation or
12、 carrier frequency optimization, and then maintain each cell DC voltage balanced. Secondly, in order to achieve high harmonic output, according to traditional direct current control method, with the number of harmonic times increase, the voltage drop increases due to the increase of the inductance r
13、eactance, which lead the bandwidth of the output harmonic wave limited, causing the actual output a big error, thus affecting the overall performance of the equipment. Therefore, a control strategy based on virtual capacitor feedforward compensation is proposed. By introducing differential feedforwa
14、rd IIIcontrol, which can offset the impact of reactance drop and increase the output bandwidth, making the output has a better tracking performance.At last, PSCAD simulation and field experiment are carried out to verify the theory of this paper. The simulation and experiment results show that, adop
15、ting carrier rotaion or carrier frequency optimization can improve the phenomenon of DC voltage unbanlanced; adopting the direct current feedforward compensation control strategy can make the output accurately track the command changes, static error small, response fast.Key words: H-bridge cascade;
16、harmonic generator; carrier rotaion; carrier frequency optimization; direct current feedforward compensation; PSCAD simulation IV目 录摘要 .IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 谐波发生器的研究背景及意义 .11.2 电能质量扰动发生器研究现状 .31.3 大功率变换器主拓扑 .41.3.1 功率器件的串并联技术 .51.3.2 多重化技术 .51.3.3 逆变器并联技术 .51.3.4 多电平技术 .51.4 多电平逆变器的 PWM 调制技术 .81.4
17、.1 阶梯波调制技术 .91.4.2 多电平 SVPWM 技术 .91.4.3 多载波 PWM 技术 .91.4.4 CPS-SPWM 调制技术 .101.5 H 桥级联型谐波发生器技术问题 .101.5.1 电流控制策略研究现状及问题 .111.5.2 直压均衡控制策略研究及问题 .111.6 本文主要研究内容 .122 H 桥级联型谐波发生器的谐波输出原理 .152.1 H 桥级联型谐波发生器主拓扑 .152.1.1 有整流侧谐波发生器主拓扑 .152.1.2 无整流侧谐波发生器主拓扑 .16V2.2 H 桥型逆变器的数学模型 .172.3 单极倍频 CPS-SPWM 调制原理 .192.
18、4 H 桥级联型谐波发生器工作模式 .212.4.1 谐波电压试验源模式 .212.4.2 谐波电流试验源模式 .212.4.3 谐波补偿模式 .222.5 H 桥级联型谐波发生器谐波输出特性 .242.5.1 总输出及各单元频谱分析 .242.5.2 各单元有功分布规律 .322.6 本章小结 .353 H 桥级联型谐波发生器的关键技术 .373.1 载波轮换调制技术 .373.1.1 载波轮换调制技术基本原理 .373.1.2 载波轮换调制技术特性分析 .383.2 载波频率优化技术 .413.3 基于指令电流前馈补偿的控制策略 .423.3.1 谐波提取算法简介 .433.3.2 H 桥
19、级联型并网逆变器建模 .443.3.3 指令电流前馈补偿控制策略分析 .473.4 H 桥级联型谐波发生器控制策略 .503.4.1 整流侧控制策略 .503.4.2 逆变侧控制策略 .503.4.3 重复学习控制器参数设计 .52VI3.5 本章小结 .534 H 桥级联型谐波发生器仿真分析 .554.1 谐波电压试验模式仿真 .554.1.1 仿真拓扑与参数 .554.1.2 仿真结果 .564.2 谐波电流试验模式仿真 .594.2.1 仿真拓扑与参数 .604.2.2 仿真结果 .604.3 谐波补偿模式仿真 .654.3.1 仿真拓扑与参数 .664.3.2 仿真结果 .674.4 本章小结 .695 H 桥级联型谐波发生器研制与现场实验 .715.1 谐波发生器硬件组成 .715.1.1 谐波发生器主回路结构 .715.1.2 基于 DSP+FPGA 的控制系统硬件组成 .715.2 谐波发生器软件组成 .735.2.1 上位机软件系统 .735.2.2 主控制器 DSP 软件系统 .745.2.3 主控制器 FPGA 软件系统 .745.2.4 单元 FPGA 软件系统 .755.3 10kV 谐波综合试验平台简介 .755.3.1 试验平台 10kV 试验方案 .775.3.2 试验平台 380V 试验方案 .77
