级联H桥型多电平逆变器中变压器偏磁抑制控制方法研究(2015年)资源-CSDN文库

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西 安 交 通 大 学 学 报第  卷

 󰟸󰟸󰟲󰥤󰠼󰢦󰉾󰁅 󰟸󰟸󰟲󰥤󰢦󰠼󰟸󰒃󰉾󰁅

第  卷 第 󰢃 期

󰊧 年 󰢃 月

西 安 交 通 大 学 学 报

󰦂󰈔󰉻󰑆 󰦂 󰡮󰥦’󰉻 󰥦󰉻󰦂󰦂󰣈 󰥦󰁌󰊻󰈔󰥦

󰁌󰄓󰢟 󰄓󰢃

󰁅󰊧

收稿日期󰥤 󰣋󰣋󰊧󰢥  作者简介󰥤 李宇飞󰌲󰕷󰔗男󰔗博士生王跃 通信作者󰔗男󰔗副教授󰢥  基金项目󰥤 国家󰣥󰢃󰆚

计划资助项目󰉻󰉻󰊧󰢃新世纪优秀人才支持计划资助项目󰢥

网络出版时间󰥤 󰊧󰣋󰆚󰣋 网络出版地址󰥤 󰟸󰟸󰟲󰥤󰉾󰁅󰓀󰁅󰒃󰟸 󰡰 󰉾󰇢 󰡰 󰒃󰟸󰏙󰓀󰢟 󰡰 󰢃󰢃󰊧󰆚󰌲󰟸󰇢󰢟

DOI󰥤 󰣊 󰌲󰢃󰊧 󰡰 󰠼󰟸󰢦󰊧󰢃󰢃

级联 H 桥型多电平逆变器中变压器

偏磁抑制控制方法研究

李宇飞



󰔗 王跃



󰔗 冯宇鹏



󰔗 张建



󰔗 姚为正



西安交通大学电气工程学院󰔗 󰌲󰔗 西安 许继集团有限公司󰔗 󰢃󰔗 河南许昌

摘要: 为了抑制级联  桥型逆变器连接变压器时存在的变压器偏磁现象,通过对变压器偏磁现象

的形成机理研究,发现变压器原边电压和副边电流的直流分量是造成变压器偏磁现象的主要原因。

根据变压器偏磁原因,提出了几种通过抑制逆变器滤波电感电流中直流分量来消除原边电压直流

分量的控制策略。通过对比分析发现,电压反馈辅助以滞环控制器和检测电感电流的偏磁抑制控

制器的控制策略动态响应较快,偏磁抑制比较彻底。在样机平台上进行了实验,结果表明,偏磁抑

制控制器的控制策略可以完全消除级联  桥型逆变器的变压器偏磁现象,并且在投切电阻负载实

验中,电压恢复时间仅在  󰇢 以内。

关键词: 级联  桥；多电平；变压器；偏磁；抑制

中图分类号󰥤 󰣘󰢃 文献标志码󰥤 󰉻 文章编号󰥤 󰊧󰆚󰣋󰌲󰡮󰊧󰢃󰣋󰢃󰣋󰌲

Control Scheme of Transformer Magnetic Bias Suppression in

Cascaded H-Bridge Multilevel Inverters

󰑆󰥦 󰒃󰓀



󰔗 󰉻󰣈 󰒃



󰔗 󰊻󰣈 󰟲󰒃󰁅



󰔗 󰉻󰣈 󰓀󰏙󰁅



󰔗 󰉻󰦂 󰒃󰓀󰒃󰁅



 󰉾󰄓󰄓󰢟 󰄓 󰊻󰢟󰒃󰉾󰟸󰓀󰉾󰏙󰢟 󰊻󰁅󰓀󰁅󰒃󰒃󰓀󰁅󰔗 󰡮󰓀󰄫󰏙󰁅 󰓀󰏙󰄓󰟸󰄓󰁅 󰁅󰓀󰒃󰓀󰟸󰠄󰔗 󰡮󰓀󰄫󰏙󰁅 󰌲󰔗 󰓀󰁅󰏙

 󰡮󰓀 󰣈󰄓󰟲 󰄓󰟲󰄓󰏙󰟸󰓀󰄓󰁅󰔗 󰡮󰉾󰏙󰁅󰔗 󰒃󰁅󰏙󰁅 󰢃󰔗 󰓀󰁅󰏙

Abstract󰥤 󰒃󰁅 󰏙 󰟸󰏙󰁅󰄓󰇢󰒃 󰓀 󰉾󰄓󰁅󰁅󰒃󰉾󰟸󰒃 󰟸󰄓 󰏙 󰉾󰏙󰉾󰏙󰒃 󰣋󰢦󰓀󰒃   󰇢󰢟󰟸󰓀󰢟󰒃󰒃󰢟 󰉾󰄓󰁅󰒃󰟸󰒃󰔗

󰟸󰏙󰁅󰄓󰇢󰒃 󰇢󰏙󰁅󰒃󰟸󰓀󰉾 󰢦󰓀󰏙 󰏙󰢟󰢟󰠄 󰏙󰟲󰟲󰒃󰏙 󰒃 󰇢󰒃󰉾󰏙󰁅󰓀󰇢 󰄓 󰟸󰒃 󰟸󰏙󰁅󰄓󰇢󰒃 󰇢󰏙󰁅󰒃󰟸󰓀󰉾 󰢦󰓀󰏙󰔗 󰓀 󰓀󰉾󰒃󰔗

󰏙󰁅 󰓀󰟸 󰓀 󰉾󰄓󰁅󰉾󰢟󰒃 󰟸󰏙󰟸 󰟸󰒃 󰥔 󰉾󰄓󰇢󰟲󰄓󰁅󰒃󰁅󰟸 󰄓 󰟸󰒃 󰟸󰏙󰁅󰄓󰇢󰒃 󰟲󰓀󰇢󰏙󰠄󰣋󰓀󰒃 󰄓󰢟󰟸󰏙󰒃 󰏙󰁅 󰒃󰉾󰄓󰁅󰏙󰠄󰣋󰓀󰒃

󰉾󰒃󰁅󰟸 󰒃󰢟󰟸 󰓀󰁅 󰇢󰏙󰁅󰒃󰟸󰓀󰉾 󰢦󰓀󰏙 󰒃󰁅 󰒃󰒃󰏙󰢟 󰉾󰄓󰁅󰟸󰄓󰢟 󰟸󰏙󰟸󰒃󰓀󰒃 󰏙󰒃 󰟲󰄓󰟲󰄓󰒃 󰏙󰁅 󰉾󰄓󰇢󰟲󰏙󰒃 󰟸󰄓 󰒃󰢟󰓀󰇢󰓀󰁅󰏙󰟸󰒃 󰟸󰒃

󰥔󰣋󰉾󰄓󰇢󰟲󰄓󰁅󰒃󰁅󰟸 󰄓󰢟󰟸󰏙󰒃 󰄓 󰟸󰒃 󰟲󰓀󰇢󰏙󰠄󰣋󰓀󰒃 󰢦󰠄 󰟲󰟲󰒃󰓀󰁅 󰟸󰒃 󰥔󰣋󰉾󰄓󰇢󰟲󰄓󰁅󰒃󰁅󰟸 󰓀󰁅󰉾󰟸󰄓 󰉾󰒃󰁅󰟸 󰓀󰁅 󰟸󰒃 󰓀󰢟󰟸󰒃

󰄓 󰟸󰒃  󰓀󰁅󰒃󰟸󰒃 󰒃 󰄓󰢟󰟸󰏙󰒃 󰒃󰒃󰢦󰏙󰉾 󰏙󰄓󰉾󰓀󰏙󰟸󰒃 󰓀󰟸 󰠄󰟸󰒃󰒃󰓀 󰉾󰄓󰁅󰟸󰄓󰢟󰢟󰒃 󰏙󰁅 󰇢󰏙󰁅󰒃󰟸󰓀󰉾 󰢦󰓀󰏙

󰟲󰟲󰒃󰓀󰄓󰁅 󰉾󰄓󰁅󰟸󰄓󰢟󰢟󰒃 󰏙 󰏙󰟸󰒃 󰠄󰁅󰏙󰇢󰓀󰉾 󰒃󰟲󰄓󰁅󰒃 󰏙󰁅 󰇢󰄓󰒃 󰉾󰄓󰇢󰟲󰢟󰒃󰟸󰒃 󰇢󰏙󰁅󰒃󰟸󰓀󰉾 󰢦󰓀󰏙 󰟲󰟲󰒃󰓀󰄓󰁅 󰓀

󰉾󰄓󰁅󰟸󰄓󰢟 󰟸󰏙󰟸󰒃󰠄 󰓀 󰏙󰢦󰢟󰒃 󰟸󰄓 󰒃󰢟󰓀󰇢󰓀󰁅󰏙󰟸󰒃 󰇢󰏙󰁅󰒃󰟸󰓀󰉾 󰢦󰓀󰏙 󰓀󰁅  󰓀󰁅󰒃󰟸󰒃 󰉾󰄓󰇢󰟲󰢟󰒃󰟸󰒃󰢟󰠄 󰓀󰁅 󰟸󰒃 󰒃󰓀󰟸󰏙󰁅󰉾󰒃 󰢟󰄓󰏙 󰓀󰟸󰉾

󰄓󰁅 󰏙󰁅 󰄓 󰒃󰟲󰒃󰓀󰇢󰒃󰁅󰟸󰔗 󰏙󰁅 󰟸󰒃 󰄓󰢟󰟸󰏙󰒃 󰒃󰟸󰄓󰓀󰁅 󰟸󰓀󰇢󰒃 󰒃󰟸 󰢟󰒃 󰟸󰏙󰁅  󰇢

Keywords󰥤 󰉾󰏙󰉾󰏙󰒃 󰣋󰢦󰓀󰒃 󰇢󰢟󰟸󰓀󰢟󰒃󰒃󰢟 󰟸󰏙󰁅󰄓󰇢󰒃 󰇢󰏙󰁅󰒃󰟸󰓀󰉾 󰢦󰓀󰏙 󰟲󰟲󰒃󰓀󰄓󰁅

  随着电力工业中电气设备的电压和功率等级的

不断攀升󰔗多电平变流器开始在高电压等级的应用

场合扮演越来越重要的角色󰢥 级联  桥型多电平

变流器



在大功率高电压场合具有良好的适应

性󰢥 不同于中点电压箝位多电平变流器



和飞跨

电容多电平变流器

󰆚

󰔗级联  桥型多电平变流器并

不需要大量的电容或者二极管󰔗结构和控制上更加

 第 󰢃 期李宇飞󰔗等󰥤级联  桥型多电平逆变器中变压器偏磁抑制控制方法研究

 󰟸󰟸󰟲󰥤󰠼󰢦󰉾󰁅 󰟸󰟸󰟲󰥤󰢦󰠼󰟸󰒃󰉾󰁅

灵活和简单󰔗并具有容错能力󰢥

应用于不同场合的级联  桥型拓扑会表现出

不同的技术难题󰔗变压器偏磁问题出现在某些需要

连接变压器的特殊场合󰔗例如󰥤变流器直流母线电

压不够高󰔗输出电压需要高于直流母线电压的情况󰔗

变压器需要抬高输出电压变流器直流母线电压

比较高󰔗输出电压比较低󰔗并且额定电流很大󰔗此时

变压器需要进行电压和电流的调节󰇪变流器的输

入和输出端是需要隔离的󰔗此时需要接入变压器󰢥

当变压器铁芯中的磁感应强度含有直流分量

时󰔗磁感应强度的平均值就会偏离零值󰔗此现象被称

为变压器的偏磁现象



󰢥 偏磁现象最终会导致变

压器饱和󰔗严重的饱和甚至会带来毁灭性的影响󰔗包

括󰥤变压器饱和会引起过大的励磁电流󰔗进而造成

过电流励磁电流含有谐波电流成分󰔗会引起输出

电压的畸变󰇪过大的励磁电流会引起变压器的温

升以及过大的噪音



󰢥 很多学者对变压器的偏磁

现象进行了研究

󰊧󰣋󰌲

󰔗文献󰊧󰣋󰌲 指出电力变压器偏

磁主要由中性点接地的大地直流电流和地磁风暴引

起󰔗并提出了抑制变压器偏磁的硬件方法󰔗即改变主

电路的方法󰢥 文献分析了电力变压器直流偏磁

引起的变压器振动现象󰢥 文献󰣋分析了直流偏

磁对单相和三相变压器的影响󰢥 文献 得出了

直流偏磁情况下变压器励磁电流的模型󰢥 文献󰣋

󰌲介绍了电力电子变流器中变压器偏磁的抑制策

略󰔗其中文献󰣋分别研究了基于死区调节的单

级桥式功率因数校正 󰉻󰡰 󰥔 变换电路的偏

磁抑制策略󰔗以及动态电压恢复器 󰥔󰁌󰈔注入变压

器的直流偏磁抑制策略󰔗文献󰊧󰣋󰌲均涉及到通过

改变硬件电路来抑制变压器直流偏磁的方法󰢥 通过

这些研究可以看出󰔗不同于传统的输配电网中的变

压器󰔗接入电力电子变流器的变压器更容易产生偏

磁问题󰔗所以解决变流器的变压器偏磁问题是至关

重要的󰢥

目前󰔗很少有文章提到对于级联  桥型逆变器

接入变压器这种情况的偏磁抑制控制策略󰔗本文首

先研究了逆变器接入变压器产生偏磁现象的机理󰔗

根据偏磁现象的成因󰔗提出了适用于级联  桥型多

电平逆变器的偏磁抑制控制方法󰢥 通过进一步的分

析和对比󰔗得出单电压环反馈加偏磁抑制前馈的控

制方案动态响应更快󰔗同时具备偏磁抑制能力󰢥 最

后󰔗通过级联  桥逆变器样机上的实验结果充分证

明了所提控制方法的有效性󰢥

 偏磁现象机理

1. 1 变压器偏磁的主要原因

图  是连接逆变器的单相变压器示意图󰔗根据

安培环路定理󰔗有

＝



＋





式中󰥤I



和 I



分别表示原边和副边线圈的电流H

代表铁芯内的磁场强度N



和 N



分别代表原边和

副边线圈匝数l 代表铁芯回路长度󰢥 当变压器原

边电压 U



呈现周期性时󰔗原边电流 I



和铁芯的磁

通 ϕ 亦为周期性的󰔗因此 U



I



和 ϕ



可以用傅里叶

级数表示为



＝

󰉾

＋

󰈳

󰋃

＝



󰉾󰄓kω



＋





＝

󰉾

＋

󰈳

󰋃

＝



󰉾󰄓kω



＋





＝

󰉾

＋

󰈳

󰋃

＝



󰉾󰄓kω



＋





式中󰥤U

󰉾

I

󰉾

和 ϕ

󰉾

分别代表了 U



I



和 ϕ



中的直

流成分󰢥

图  单相变压器示意图

磁感应电动势平衡方程为



＝



＋

σ

I



t

＋



ϕ



t

󰆚

式中󰥤R



和 L

σ

分别为变压器原边线圈等效电阻和

漏感󰢥 将式󰆚代入式󰔗得

󰉾

＝

󰉾





假设 H

󰉾

和 I

󰉾

分别为 H 和 I



的直流分量󰔗磁场强度

的直流分量是引起变压器饱和的主要原因󰢥 结合式

和式󰔗得

󰉾

＝



󰉾



＋

󰉾



󰊧

从式󰊧可以看出󰔗引起变压器偏磁现象主要有两

个因素󰥤一个是变压器原边电压的直流分量另一个

是变压器副边电流的直流分量



󰢥

假设二极管半波整流器被当作逆变器的负载

时󰔗变压器副边电流会产生直流分量󰔗因此为了避免

偏磁󰔗这种负载是不能被连接在有变压器的逆变器

󰌲

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级联H桥型多电平逆变器中变压器偏磁抑制控制方法研究 (2015年)

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