电压源变换器-2011

2
V1 Vn
2 2

V d 0 . 9V d
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。 最关心低频谐波。
1 2 2 n

Vd
9
5 三相全波VSC：电路结构
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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。
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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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。
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。
5
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。 6
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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 27 十kHz），用户电力（1MW，几kHz），FACTS（几十MVA，几百Hz）
2
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。
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11 指定谐波消除技术
2 2 Vd V1 sin 2 2
2 2 Vd 1 n Vn sin 2 n 2
4 Vd 1 3 v sin 3 t sin sin t sin 2 2 2 3 2 2
10 PWM型VSC：PWM波形
线性调制范围内，交流侧电压随调制比线性 变化。 非调制范围，交流侧电压最终会变成方波。 交流侧电压可控，谐波为k1n±k2。 调制波可进行修正得到不同的调制效果。
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；如为小数， 则含次同步和超同步 谐波；载波比大，问 题不严重。
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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 流从电抗器中点引出。 2个桥臂的触发脉冲反 向移相α角控制。
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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。 多电平方案的主要问题是 直流侧电压平衡。
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5 三相全波VSC：直流侧电流
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 1 1 1 va cos t cos 3 t cos 5 t cos 7 t 2 3 5 7 v an 1 1 1 1 V d cos t cos 5 t cos 7 t cos 11 t cos 13 t 5 7 11 13 2
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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。
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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、 Fra Baidu bibliotek关断器件状态不定、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，不控器件对应整流工 况！
4
2 单相全波VSC：电路结构
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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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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 相移绕组。
(b)：2个12脉冲VSC交流侧并联构成24脉冲VSC，相间 电抗器的目的是减小轻载时的谐波环流。
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9 3电平VSC：箝位二极管型
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°， α 可控。
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！
V d 0 . 816 V d
V1
6

V d 0 . 78 V d
2
V n V1 n
I d 3 2 I cos 1 .35 I cos


I n I dm
2 n 1


I n I dm
2n n 1
2


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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：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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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。
4 单相桥式VSC交流侧电压谐波
v 1 1 V d cos t cos 3 t cos 5 t 3 5 4 4
1 v n V d cos n t n
V ab
1



2 2
V d d t V d
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°。
10
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3－6相角为120°。
1
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。
电压源变换器（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
2 3
v ab

1
1 1 1 1 t cos 5 t cos 7 t cos 11 t cos 13 t V d cos 5 7 11 13
V ab



3 3
V d t
2 d
6 3
11
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。
12
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。 van＝va－vn，为六脉冲阶梯波，无零序分量。
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。