电压源型变换器-2014

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3 单桥臂VSC：电路特性
直流侧电容中分与交流 侧中性点相连。 四象限变换器。 控制交流侧电压幅值和 相角可独立控制有功和 无功。 二极管与可关断器件， 开通与关断，整流与逆 变，瞬时与平均，单位 与非单位功率因数情况。 可关断器件关断，非单 位功率因数时由二极管 续流，单位功率因数时 由另一个可关断器件续 7 流。
电压源型变换器（VSC）
1、 VSC基本概念 2、 单相全波VSC 3、 单桥臂VSC 4、 单相桥式VSC交流侧电压谐波 5、 三相全波VSC 6、 桥臂管阀开通次序 7、 12脉冲VSC 8、 24和48脉冲VSC 9、 3电平VSC 10、PWM型VSC 11、指定谐波消除技术 12、VSC容量
6 Vab V d t Vd 0.816Vd 3 3
3 2 d
1
V1
6

Vd 0.78Vd
Vn V1 n
I d 3 2 I cos 1.35I cos

Hale Waihona Puke Baidu
I n I dm 2 n 2 1


I n I dm 2n n 2 1
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7 12脉冲VSC：合成波形
6脉冲变换器交 流侧线电压、相 电压中均有 (6n±1)次谐波。 对消合成12脉冲 变换器，只有 (12n±1)次谐 波，更接近正弦 波。
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7 12脉冲VSC：其它方案
2个6脉冲VSC也可直流侧串联，但必须进行直流电压平衡控 制。 VSC也可交流侧并联，但变压器绕组特殊，不经济。 脉冲数增加不仅能改善交流侧电压质量，也会减小直流侧电 流谐波。12脉冲变换器直流侧电流谐波为12倍频。
9 3电平VSC：基波和谐波
基波电压减小，谐 波电压增大。 需要在电压控制、 谐波消除和可用容 量之间进行折衷。 直流电压不平衡会 产生偶次谐波。 3次谐波问题。 2 2 Vd V1 2 2 2 Vd Vn 2 4 Vd v 2
10 PWM型VSC：PWM波形
调制波与载波，载波 比＝9，9个脉冲宽度 各不相同，调制波波 峰处对应最宽，波谷 处对应最窄。 PWM波含基波和谐波。 载波比奇数，关于过 零点半波对称，只含 奇数次谐波；如为偶 数，则不对称，含偶 数次谐波；如为小 线性调制区，交流侧电压随调制比线性变化。 数，则含次同步和超 同步谐波；载波比 非线性调制区，交流侧电压最终会变成方波。 大，问题不严重。 交流侧电压可控，谐波为k1n±k2。 28 调制波可进行修正得到不同的调制效果。
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1 VSC基本概念：工作原理
简化的单管阀工作情况：逆变运行工况（可关断器件开通、 不控器件关断、功率从直流侧传输至交流侧）；整流运行工 况（不控器件导通、可关断器件开关状态不定、功率从交流 侧传输至直流侧）。 双向功率处理能力，可关断器件对应逆变工况，不控器件对 4 应整流工况！
2 单相全波VSC：电路结构
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11 指定谐波消除技术
Patel和Hoft于1970年代提出特定谐波消除技术。 M个缺口，M个控制自由度，1个用于基波控制，(M－1)个用 于消除(M－1)个指定谐波。 6脉冲VSC，载波比＝9，M＝4，具有半波和1/4波对称性，可 消除5、7、11次谐波；12脉冲VSC，可消除11、13、23次谐 波。消除的含意是低频段能量转移至高频段，但容易滤除。 求解M个非线性方程，迭代计算、查表方法，实时性问题。
1 1 1 1 van Vd cos t cos 5t cos 7t cos 11t cos 13t 5 7 11 13 2 3 1 1 1 1 vab Vd cost cos5t cos7t cos11t cos13t 5 7 11 13
6 桥臂管阀开通次序：小结
感性运行时，软关断，关断损耗最小，电流从可关断器件换流至自身 的反并联二极管；容性运行时，硬关断，关断损耗大，电流从可关断 器件换流至另一个反并联二极管。 单位功率因数逆变运行时，电流从可关断器件换流至另一个可关断器 件，必须确保不能直通短路；单位功率因数整流运行时，电流从反并 联二极管换流至另一个反并联二极管。 纯感性/容性运行时，所需有功功率最小，以弥补开关器件和变压器损 耗。 交流侧电压是直流侧电压的函数，可根据需要对电容器充放电以改变 直流侧电压，进而改变交流侧电压。 直流母线电压的改变速度决定变换器响应时间。 多级变换器，PWM变换器。
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5 三相全波VSC：交流侧相电压
相对于假定的直流电容中点N。 幅值为Vd/2，脉宽为180°。 三相互差120°形成6脉冲运行。 桥臂3－6滞后桥臂1－4相角为120°，桥臂5－2又滞后桥臂3 11 －6相角为120°。
5 三相全波VSC：交流侧线电压
幅值为Vd，脉宽为120°。 交流侧线电压波形对应严格的物理开关过程。
3 单桥臂VSC：电路特性（续）
桥臂上下管不能同时开 通，否则会引起直流侧 直通短路，电容器快速 放电，损坏开关器件， 必须确保变换器安全可 靠关断，死区时间设置。 每个桥臂上下管可以任 意频率交替开关。 理论上，多桥臂可并联 独立运行。不同的变换 器，开关顺序和变压器 接口也各有不同。 可关断器件的通断是建 立交流电压，不一定流 8 过电流！
4 单相桥式VSC交流侧电压谐波
v 1 1 Vd cost cos3t cos5t 5 3 4 4
1 vn Vd cosnt n
Vab 1



2 2
Vd2 d t Vd
V1
2 2

Vd 0.9Vd
12 2 Vn Vd n
180°导电方波电压。 单相桥式变换器交 流侧电压含大量奇 次谐波，n次谐波幅 值是基波的1/n。 交流感性接口虽能 减小谐波电流，通 常还需要交流容性 滤波器。 最关心低次谐波。
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5 三相全波VSC：电路结构
3个桥臂，6个管阀，标号代表开关顺序。 每个桥臂为180 °互补开关方波工作模式 ， 三相桥臂互差120°。
直流侧电流由交流侧电 流产生。 直流母线电流是三相直 流侧电流的代数和，含 直流分量和6倍频谐波。 对于三相变换器，任何 时刻总有三个管阀处于 导通状态。 只有交流侧有功电流和 部分谐波电流才会流入 直流侧。
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5 三相全波VSC：基波和谐波
4 Vd va 2 2 1 1 1 cos cos 3 cos 5 cos 7 t t t t 3 5 7
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8 24和48脉冲VSC
(a)：2 个12脉 冲VSC交 流侧串 联移相 15°控 制，构 成24脉 冲VSC， 变压器 需安排 合适的 (b)：2个12脉冲VSC交流侧并联构成24脉冲VSC， 相移绕 22 相间电抗器的目的是减小轻载时的谐波环流。 组。
9 3电平VSC：箝位二极管型
sin 2 n 1 sin 2 n
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1 3 sin 3 t sin sin t sin 2 2 3 2 2
9 3电平VSC：桥臂并联型电路
2个桥臂并联，桥臂 中点通过电抗器相 连，交流输出从电 抗器中点抽头引出。 2个桥臂的触发脉冲 反向移相α角控制。
高压应用场合， 与器件串联方案 相比，只是增加 了箝位二极管， 但直流电平数由 2变成3。 0电平的产生： 1A、4A提前α ° 触发开通， 1A、4A导电 180°，1、4导 电σ°，D1、D4 导电2α°，23α 可控。
直流电压平衡问题：流入电容器中点的 主要是3次谐波，且与脉冲数无关。 3电平VSC的“卖点”是能减小某些特定谐 波。
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1 VSC基本概念：组成器件
VSC是STATCOM、SSSC、UPFC和IPFC的 基本构件。 CSC（直流电流单极性、直流电压双极 性），VSC（直流电压单极性、直流电 流双极性），功率可双向流动。 无自关断能力器件只能组成CSC，有自 关断能力器件可以组成CSC和VSC。 VSC比CSC更经济、性能更佳。 VSC要求开关器件电流可双向流动，但 不要求具有反向电压阻断能力，不对 称自关断器件，可反并联二极管实现。
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9 3电平VSC：桥臂并联型波形
桥臂并联型交流电压 波形与箝位二极管型 基本类似，基波和谐 波特性也相仿。 桥臂并联型交流电压 是2个桥臂中点电压的 平均，电抗器电压是2 个桥臂中点电压之差。 电压控制范围要求越 宽，电抗器也就越 大，电抗器容量正比 于电抗器电压的平方。
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多电平方案的主要问题是直流侧 电压平衡。
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7 12脉冲VSC：电路结构
基本原理：6脉冲VSC交流线电压和相电压之间相角差为 30°，相电压是线电压的0.57，可通过移相30°控制、变压 器原方绕组方式和匝数设计，对消掉非(12n±1)次特征谐波。 2个6脉冲VSC直流侧并联，交流侧通过2个独立变压器的副方 绕组串联。 变压器不独立会导致较大的谐波环流。
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5 三相全波VSC：交流侧相电压相电流

交流侧电流是交流侧电压与电网共同作用的结果。 电流正方向定义为电网指向变换器，只考虑基波，忽略谐波。 vn＝(va+vb+vc)/3，为三倍频方波，零序分量。 13 van＝va－vn，为六脉冲阶梯波，无零序分量。
5 三相全波VSC：直流侧电流
10 PWM型VSC：三相PWM波形
载波比＝3，半波对称性。 vbN相滞后vaN120°。 Vab＝vaN－vbN，脉冲数增加。
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10 PWM型VSC：三相PWM波形（续）
vnN＝(vaN+vbN+vcN)/3。 van＝vaN－vnN。 均不含偶次谐波和3倍频谐波。 调制波和载波不一定非得是正弦和三角波。 大功率应用希望低频谐波最少、开关次数最低。
单相VSC是理解三相VSC的基础。 标号代表器件类型和开关顺序。
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2 单相全波VSC：工作波形
VSC交流侧电流是VSC交 流侧电压和电网电压及 其阻抗共同作用的结果。 4种运行工况，功率流 向决定是逆变还是整流。 瞬时与平均观点。 直流侧偶次电流谐波。 交流侧功率因数。


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6 桥臂管阀开通次序
AC→DC，整流，二极管；DC→AC，逆变，可 关断器件。 桥臂中点电压与交流电流的相角关系决定四 象限运行工况。
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6 桥臂管阀开通次序：图示
1：逆变，单位功率 因数，自然换流， 零电流软开关。 2：逆变，感性，软 关断，硬开通。 3：纯感性，软关 断，硬开通。 4：整流，感性。 5：整流，单位功率 因数，自然换流。 6：整流，容性，软 开通，硬关断。 7：纯容性。 8：逆变，容性。 17
10 PWM型VSC：基本概念
移相控制型VSC在一个基波周期内只开关一次，通过改变一个电压脉冲 宽度或直流母线电压大小来调控交流侧电压。 PWM型VSC在一个基波周期内开关多次，通过改变多个电压脉冲宽度来 调控交流侧电压，减小低次谐波。 多次开关会加大开关损耗，谐振型PWM软开关变换器只适用于小功率应 用场合，大功率应用时造价太高，并不适用。 开关频率：PCB电源（几十W，几百kHz），工业传动（几十kW，几十 27 kHz），用户电力（1MW，几kHz），FACTS（几十MVA，几百Hz）
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1 VSC基本概念：端口特性
VSC直流侧电容能支撑电压，维持直流侧电压恒定；直流侧 电流可双向流动，功率也可双向交换。 VSC交流侧为感性接口（电抗/变压器），确保直流侧电容不 会短路，通常还有交流滤波器使谐波电流不会进入电网。 VSC把直流电压变换成交流电压，也可称为逆变器，但可双 向传输功率，交流电压的幅值、相角和频率可控。