高压变频器和电子电力变压器共模电压研究

1、华中科技大学 硕士学位论文 高压变频器和电子电力变压器共模电压研究 姓名：成建鹏 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：毛承雄;陆继明 20060428 I 摘 要 大功率电力电子技术在电力系统中的应用已越来越广泛。高压、大功率变频调速 技术是解决传统驱动方式带来的能源浪费问题的最有效手段之一。电子电力变压器作 为一种新型的电力变压器，具备满足未来电力系统诸多新要求的潜力。 变换器作为电机供电电源时，其产生的共模电压给电机带来了很多负面影响，导 致电机寿命的减少以及相应工业成本的增加。研究共模电压特性以及抑制共模电压的 措施具有十分重要的现实意义。 本文首先介绍了高压变频器的基本组成和工作原理，指出了通用型交-直-交变频 器的优点，介绍了几种应用广泛的拓扑结构。分析了通用型交-直-交变频器两电平逆 变器和三电平逆变器产生共模电压的机理。通过对共模电压回路的分析得出了变换器 共模电压与电机共模电压的关系，从而将对电机共模电压的研究转变为对变换器共模 电压的研究。在抑制共模电压措施方面主要从硬件和软件两个角度进行介绍，其中对 硬件措施的介绍又从有源和无源两个方面进行，文中

2、列举了几种典型的硬件措施结 构，并简要说明了其工作原理。软件措施侧重于变换器本身共模电压的降低或消除策 略，针对三电平变换器，分别从正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation， SPWM）策略和空间矢量调制（Space Vector Modulation，SVM）策略两方面介绍共模 电压的抑制措施。 为研究基于三电平中性点箝位(neutral point clamped， NPC)逆变器的 高压变频器采用 SPWM 策略时 SPWM 死区对共模电压的影响，推导得到逆变器不带 吸收回路空载条件下不同方式设置死区后逆变器输出共模电压的表达式，并对其进行 了分析。进一步研究了逆变器带感性负载以及开关器件带 RC 吸收回路条件下死区设 置对逆变器输出电压以及输出共模电压的影响。最后，利用 MATLAB 对以上问题进 行了仿真研究。 此外，本文还介绍了电子电力变压器的基本原理及其特点，给出了一种典型的电 子电力变压器拓扑结构。在此结构基础上研究电子电力变压器的共模电压产生及消除 策略，并指出所提策略的局限性以及存在的问题，同时对相关问题的后续工作进行了 展望

3、。 关键词：关键词：电力电子技术 变频器 电子电力变压器 三电平 共模电压 II Abstract High power electronic technology has been widely applied to power system in recent years. High voltage and high-power variable frequency drive (VFD) technology is an effective method to resolve the waste of energy of traditional AC drive system. Electronic Power Transformer (EPT) can meet many new requirements of future power system. When the inverter works as the power supply of the inductance motor, the resulting common mode voltage (CMV) of co

4、nverter brings lots of negative aspects to the motor. It reduces the life of the motor and increases industry cost. Researching on the characteristic of CMV and its restrain methods makes important sense. The paper introduces the buildup and working principle of the high voltage and high-power VFD, and points out the advantages of the universal converter of AC-DC-AC, introducing several kinds of structures that have been used rifely. The mechanisms of CMV being produced in two-level and three-le

5、vel inverters in the universal converter have been analyzed. On the base of analysis of the common mode circuit, the relationship of CMV between the motor and the inverter is educed. So we can just study on inverters CMV instead of motors CMV. On the aspect of restraining CMV, two sides can be taken for presentations of the measures, one is hardware method, and another is software. Thereinto, hardware methods include two parts: active method and passive method. In this paper, some typical hardwa

6、re measures have been introduced, also the principle done. On the side of software, the measures of depressing and canceling CMV have been presented. Aiming at the three-level inverter, Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) strategy and Space Vector Modulation strategy have been researched to suppress CMV. This paper also tries to investigate the effects of SPWM dead-time on CMV in VFD with three-level neutral point clamped (NPC) inverter. The CMV expressions of the NPC inverter without snubb

7、ers and load under different dead-time insert modes are deduced and analyzed. The impacts of the SPWM dead-time on the output voltage and the CMV of the inverter with RC snubbers and inductance load are studied. Finally, Simulations are carried out based on MATLAB. At last, the paper presents EPTs basic principle and characteristics, supplying a typical topology of EPT. Based on this structure, the creation and cancellation of EPTs CMV has III been discussed. After analyzing a strategy that can

8、be used to cancel EPTs CMV at ideal case, the localization and defect of the proposed method are brought forward and relative spare work has been prospected. Key word: Power electronic technology High-voltage variable frequency drive Electronic power transformer Three-level inverter Common-mode voltage 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书

9、 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 本章阐述了大功率电力电子技术在电力系统中应用现状，说明了高压变频器和电 子电力变压器的重要现实意义，论述了共模电压研究的必要性以及国内外研究现状。 最后介绍了论文的主要工作和章节安排。 1.1 大功率电力电子技术在电力系统中的应用现状大功率电力电子技术在电力系统中的应用现状 电力电子技术是一个以功率半导体器件、电路技术、计算机技术、现代控制技术 为支撑的技术平台。电力系统是电力电子技术应用的一个重要领域1。 大功率电力电子技术应用于电力系统可提高输电能力和供电可靠性，改善电能质 量，提高电网运行稳定性；同时使电气设备重量减轻、体积变小，节省大量铜、钢等 原材料，广泛采用电力电子技术以后，还可以大幅度节能降耗，从而节约大量资源和 一次能源，改善人类的生活环境2。 按照电力系统的发电、输电和配电环节，大功率电力电子技术在电力系统中的应 用可如下划分。在发电环节的应用：大型发电机的静止励磁控制、水力和风力发电机 的变速恒频励磁、发电厂风机水泵的变频调速、太阳能发电控制系统；在输电环节的 应用： 直流输电 （High Voltage Direct Current， HVDC） 和轻型直流输电 （HVDC Light） 技术、 柔性交流输电（Flexible Alternating Current Transmission System，FACTS）技术； 在配电环节应用：用户电力（Custom Power，CP）技术1。 大功率电力电子技术在发电环节的应用主要表现在新能源、节能和改善控制性能 等方面。目前，资源节约已成为电力工业可持续发展的一项紧迫的战略性任务3。发 电厂风

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