高性能级联型多电平变换器原理及应用 周京华陈亚爱编著 2013.pdf

“十二五”国家重点图书出版规划项目电力电子新技术系列图书高性能级联型多电平变换器原理及应用周京华 陈亚爱 编著机 械 工 业 出 版 社本书在阐述了多电平变换器的分类及发展现状基础上，系统介绍了级联型多电平变换器拓扑结构及原理、多电平变换器 PWM 调制策略、级联型组合变换器拓扑结构及调制策略、级联型变频器能量回馈拓扑结构及控制策略、级联型高压变频器矢量控制策略、高性能级联型变频器系统设计等相关技术，并以 4 个具体实例说明级联型多电平变换器的工业应用。书中实例均为作者参与的实际工程项目，具有较强的针对性与实用性，有助于读者理解相应的理论知识并提高“大功率变换器”控制系统的设计能力。本书适合作为电气工程专业高年级本科生、研究生的教材或教学参考书，也可供从事电气传动、电力电子技术及相关领域的工程技术人员参考。图书在版编目（CIP）数据高性能级联型多电平变换器原理及应用/周京华，陈亚爱编著.北京：机械工业出版社，2013.7（电力电子新技术系列图书）“十二五”国家重点图书出版规划项目ISBN 978-7-111-43661-4.高.周陈.多电极换能器.TN712中国版本图书馆 CIP 数据核字（2013）第 186084 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：罗 莉 责任编辑：罗 莉 版式设计：霍永明责任校对：肖 琳 封面设计：赵颖喆 责任印制：杨 曦北京鑫海金澳胶印有限公司印刷2013 年 10 月第 1 版第 1 次印刷169mm 239mm20.25 印张413 千字00013000 册标准书号：ISBN 978-7-111-43661-4定价：59.80元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：（010）88361066销 售 一 部：（010）68326294销 售 二 部：（010）88379649读者购书热线：（010）88379203网络服务教 材 网：http：/机工官网：http：/机工官博：http：/ 辑 委 员 会 主 任：王兆安 副主任：白继彬 牛新国 徐德鸿 杨 耕 委 员：（按姓名拼音字母排序）白继彬 陈伯时 陈道炼 陈 坚 陈守良陈治明 高艳霞 郭世明 黄耀先 康 勇李崇坚 李永东 刘进军 吕征宇 牛新国钱照明 阮新波 孙流芳 童宗鉴 王鸿麟王旭东 王兆安 邬伟扬 肖湘宁 徐德鸿徐殿国 杨 耕 杨 旭 余岳辉 张 波张承慧 张为佐 张卫平 张 兴 赵善麒赵争鸣 钟彦儒 周 波 周维 查晓明 秘书组：陈守良 刘进军 孙流芳 罗 莉电力电子新技术系列图书序 言电力电子技术诞生近半个世纪以来，使电气工程、电子技术、自动化技术等领域发生了深刻的变化，同时也给人们的生活带来了巨大的影响。目前，电力电子技术仍以迅猛的速度发展着，新的电力电子器件层出不穷，新的技术不断涌现，其应用范围也不断扩展。不论在全世界还是在我国，电力电子技术都已造就了一个很大的产业群，如果再考虑到与电力电子技术相关的上游产业和下游产业，这个产业群就更加庞大了。与之相应，在电力电子技术领域工作的工程技术和科研人员的数量也相当庞大，且与日俱增。因此，组织出版有关电力电子新技术及其应用的系列书籍，以供广大从事电力电子技术的工程师和高等学校教师和研究生在工程实践中使用和参考，成为眼下的迫切需要。在 20 世纪 80 年代，电力电子学会曾和机械工业出版社合作，出版过一套电力电子技术丛书，那套丛书对推动电力电子技术的发展起过积极的作用。最近，电力电子学会经过认真考虑，认为有必要以“电力电子新技术系列图书”的名义出版一系列著作。为此，成立了专门的编辑委员会，负责确定书目、组稿和审稿工作，向机械工业出版社推荐，仍由机械工业出版社出版。本系列图书有如下特色：1.本系列图书属专题论著性质，选题新颖，力求反映电力电子技术的新成就和新经验，以适应我国经济迅速发展的需要。2.理论联系实际，以应用技术为主。3.本系列图书组稿和评审过程严格，作者都是在电力电子技术第一线工作的专家，且有丰富的写作经验。内容力求深入浅出，条理清晰，语言通俗，文笔流畅，便于阅读学习。本系列图书编委会中，既有一大批国内资深的电力电子专家，也有不少已崭露头角的青年学者，其组成人员在国内具有较强的代表性。希望广大读者对本系列图书的编辑、出版和发行给予支持和帮助，并欢迎对其中的问题和错误给予批评指正。电力电子新技术系列图书编辑委员会前言目前，随着电力电子器件及相关控制技术的发展，大功率电力电子变换装置在大功率工业领域中获得了越来越广泛的应用。而多电平变换器由于其特有的拓扑结构，已成为大功率变换装置的主要形式，广泛应用于压缩机、挤压机、水泵、风机、磨碎机、辊轧机、输送机、压碎机、高炉鼓风机、燃气轮机起动器、搅拌器、矿井提升机、无功功率补偿装置、船舶推进装置、高压直流输电系统、抽水蓄能装置、风能转换装置和铁路牵引装置等。本书以作者近几年从事的实际工程项目为背景，着重阐述了多电平变换器中的级联型多电平变换器（级联型 H 桥变换器）的拓扑结构、工作原理、调制策略、控制方法。同时，针对工业界多个应用方向（如高压大功率调速系统、高压直流输电系统、电气化铁路牵引供电系统、大功率静止无功发生器）的具体实例，进行详细分析，包括系统工作原理、控制系统设计及具体的实验装置研制。对于级联型 H 桥在工业应用领域中的作用、设计原则、设计方法、具体实现等关键性问题进行了详细的阐述，对于电气类专业的研究生、工程师深入掌握多电平变换器在大功率工业领域中的应用具有一定的指导意义。全书共有 8 章。第 1 章主要介绍了多电平变换器的拓扑结构、调制技术、控制方法以及应用领域。第 2 章主要介绍了级联型多电平变换器拓扑结构及原理。第 3章重点分析了多电平变换器 PWM 调制策略及其谐波特性。第 4 章着重阐述了级联型组合拓扑结构的构成原则及相应的调制策略。第 5 章详细分析了级联型变频器能量回馈拓扑结构及控制策略。第 6 章给出了级联型高压变频器矢量控制策略。第 7章介绍了高性能级联型变频器系统的设计。第 8 章详细分析了级联型变换器的 4 个具体工业应用实例。本书编写的目的是使电气类研究生、工程师掌握多电平技术在电力电子变换领域中的应用，并培养学生系统设计的概念，提高大功率变换器控制系统的设计能力；同时，对从事电气传动、电力电子技术的工程技术人员也具有较强的实践指导意义。本书适合于电力电子技术领域的科技人员，也可作为大专院校相关专业的教师、研究生和高年级本科生的教学参考书。本书第 3、4、5、7、8 章由周京华副教授编写，第 2、6 章由陈亚爱教授编写，第 1 章绪论由两人合写。全书由周京华副教授统稿。在成书过程中，北方工业大学北京市电力电子与电气传动工程中心提供了实验研究设备和场所。本书的编写及出版得到 2012 年北京市优秀人才项目、2009 年北京市科技新星计划、北京市电气工程优秀教学团队资助。感谢研究生吴理心、马斌、于凯、潘逸菎、孙凯对本书所做的工作，感谢研究生祝天岳为本书所做的大量的图形编辑及校对工作。本书编写提纲曾由 电力电子新技术系列图书 编写委员会提出宝贵意见。编写过程中参考和引用的国内外同行的著作和文章已在书后的参考文献中列出，在此一并致以衷心的感谢。由于时间仓促加之经验不足，书中难免存在不妥之处，请读者谅解，并提出宝贵意见。编 者目录电力电子新技术系列图书序言前言第 1 章 绪论1 1.1 多电平变换器的研究背景1 1.2 多电平变换器拓扑结构3 1.2.1 传统多电平变换器拓扑结构3 1.2.2 新型多电平变换器拓扑结构9 1.3 多电平变换器调制技术19 1.3.1 传统多电平变换器调制技术19 1.3.2 新型多电平变换器调制技术20 1.4 多电平变换器控制技术20 1.5 多电平变换器的建模方法21 1.5.1 精确的开关模型22 1.5.2 简化的分段开关模型22 1.5.3 abc 静止坐标系的时变平均模型23 1.5.4 dq0 旋转坐标系的时不变平均模型24 1.5.5 dq0 旋转坐标系的交流小信号模型24 1.6 多电平变换器的工业应用24 1.6.1 在大功率交流调速系统中的应用25 1.6.2 在电力系统中的应用28 1.6.3 在机车牵引系统、船舶推进装置和汽车中的应用29 1.6.4 在能源的产生、转换和传输中的应用33 1.6.5 在其他领域中的应用37 1.7 本书的研究内容38第 2 章 级联型多电平变换器拓扑结构及原理39 2.1 单相 H 桥结构及工作原理39 2.1.1 单相 H 桥结构39 2.1.2 单相 H 桥工作原理39 2.2 移相变压器结构与原理42 2.2.1 简介42 2.2.2 一次绕组为 接二次绕组为延边三角形的移相变压器结构42 2.2.3 一次绕组为接二次绕组为延边三角形的移相变压器结构45 2.2.4 移相变压器消除谐波电流的工作原理47 2.3 级联型 H 桥拓扑结构与工作原理49 2.3.1 级联型 H 桥拓扑结构49 2.3.2 级联型 H 桥工作原理50 2.4 本章小结52第 3 章 多电平变换器 PWM 调制策略53 3.1 多电平变换器 PWM 调制策略的分类53 3.2 多电平 SPWM 调制策略54 3.2.1 SPWM 调制策略54 3.2.2 载波垂直移相 SPWM 多电平调制策略54 3.2.3 载波水平移相 SPWM 多电平调制策略54 3.2.4 多载波 SPWM 调制策略谐波分析55 3.2.5 多电平 SPWM 调制策略仿真88 3.3 本章小结97第 4 章 级联型组合变换器拓扑结构及调制策略98 4.1 概述98 4.2 级联型组合变换器拓扑结构的一般形式98 4.2.1 基于全桥模块单元类型自由度构建基本全桥单元99 4.2.2 基于全桥模块单元电平数和全桥模块单元类型两自由度相互结合构建组合变换器拓扑结构100 4.2.3 基于模块间直流侧电压的比例关系这一自由度构建组合变换器拓扑结构100 4.2.4 基于全桥单元所用开关器件的选取这一自由度构建组合变换器拓扑结构104 4.3 级联型组合变换器拓扑结构的组合调制策略105 4.3.1 基于多载波的组合变换器调制策略105 4.3.2 组合变换器调制策略的谐波分析106 4.4 组合变换器调制策略与两电平变换器 PS 调制策略之间的谐波性能比较109 4.4.1 PD+PS 与两电平 PS 调制策略之间的比较109 4.4.2 PS+PS 与两电平 PS 调制策略之间的比较110 4.5 基于 PD+PS 组合调制策略的多电平 SVPWM 调制策略110 4.6 组合变换器调制策略仿真112 4.6.1 等电压源多电平组合变换器拓扑结构的仿真113 4.6.2 等比电压源多电平组合变换器拓扑结构的仿真115 4.7 本章小结118第 5 章 级联型变频器能量回馈拓扑结构及控制策略119 5.1 能量回馈功率单元拓扑结构120 5.1.1 带有三相半桥整流的功率单元拓扑120 5.1.2 带有单相全桥整流的功率单元拓扑120 5.1.3 带有单相半桥整流的功率单元拓扑121 5.2 能量回馈功率单元整流侧控制策略和电流谐波特性分析122 5.2.1 坐标变换122 5.2.2 带有三相半桥整流的功率单元能量回馈控制策略128 5.2.3 带有单相全桥整流的功率单元能量回馈控制策略133 5.2.4 带有单相半桥整流器的功率单元能量回馈控制策略138 5.3 能量回馈控制策略仿真139 5.3.1 三相 PWM 整流器数学模型139 5.3.2 三相 PWM 整流器的 VOC控制策略141 5.3.3 基于单相 H 桥负载的三相PWM 整流器的 VOC 控制策略142 5.3.4 基于单相 H 桥负载的三相PWM 整流器负载功率前馈控制策略151 5.3.5 电流环采用 PIR 调节器155 5.3.6 电压环采用 PIR 调节器162 5.4 本章小结166第 6