基于NPC型三电平逆变器的矿用无功补偿装置研究

摘要

随着煤矿企业的发展，井下采掘、运输等工作向着机械化自动化方向发展，机械化程度和机械设备的效能越来越高，对供电质量要求也越来越高。煤矿供电系统大多存在功率因数低、损耗大、谐波污染严重、电压波动大等问题，因此，有必要对煤矿电网进行无功补偿，以确保电网的电能质量。传统的矿用无功补偿装置己不能满足目前的需要，多电平逆变器的发展很好了解决了煤矿电网的无功补偿问题。其中，由于二极管箝位型(NPC)三电平逆变器具有器件耐压要求低、无需均压、输出波形好等优点，成为了高压大功率领域研究的重点，且已经进入实用化阶段。本文围绕NPC型无功补偿装置展开研究，并将该无功补偿装置应用于煤矿供电系统。具体工作如下:
　　 (1)分析了NPC型三电平逆变器的工作原理与空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)。在论述了NPC型三电平逆变器的拓扑结构与工作原理基础上，分析了三电平逆变器的SVPWM调制实现，主要包括参考电压矢量扇区的判断、基本合成矢量的选择、基本矢量作用时间的计算以及基本矢量的作用次序，并通过仿真验证了该调制算法。
　　 (2)研究了NPC型三电平逆变器直流侧中点电位不平衡问题。分析了中点电位不平衡带来的危害以及中点电位不平衡的原因。对于中点电位不平衡，主要介绍了硬件平衡策略与软件平衡策略。在SVPWM调制算法的基础上通过修改小矢量的作用时间给出了PI控制的中点电位平衡策略，并对所提平衡策略进行了仿真分析，通过仿真验证了该平衡策略的正确性。(3)研究了基于NPC型三电平逆变器的无功补偿装置。在分析了等量坐标变换的基础上，建立三电平无功补偿装置的数学模型，对于无功补偿装置交流侧有功电流与无功电流存在的耦合，采用了dq轴前馈解耦的控制策略，对于解耦后的无功系统，构建了电流内环与电压外环的双闭环控制系统，并通过仿真验证了该无功补偿装置的有效性。(4)设计了NPC型矿用无功补偿装置系统。NPC型矿用无功补偿装置的系统设计主要包括主电路参数的设计与控制系统的设计，对于控制系统的设计，主要进行了主要接口电路设计与软件设计。并针对煤矿井下的特殊环境，进行了防爆散热设计。
　　 最后，在总结全文内容的基础上，提出了进一步研究的内容与下一步工作的重点。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外发展与研究现状

1．2．1 矿用无功补偿装置的发展与研究现状

1．2．2 多电平逆变器的发展与研究现状

1．3 本文主要研究内容

第二章 NPC型三电平逆变器工作原理与SVPWM调制

2．1 NPC型三电平逆变器的结构与原理分析

2．1．1 NPC型三电平逆变器的拓扑结构

2．1．2 NPC型三电平逆变器的工作原理

2．2 NPC型三电平逆变器SVPWM调制

2．2．1 NPC型三电平逆变器的空间电压矢量分析

2．2．2 NPC型三电平逆变器参考电压矢量的合成

2．3 NPC型三电平逆变器SVPWM调制的仿真与分析

2．4 本章小结

第三章 NPC型三电平逆变器的中点电位平衡策略

3．1 中点电位不平衡原因

3．1．1 开关矢量对中点电位的影响

3．1．2 中点电位不平衡的其他原因

3．2 中点电位平衡策略

3．2．1 硬件平衡策略

3．2．2 软件平衡策略

3．3 中点电位平衡策略的实现与仿真

3．4 本章小结

第四章 基于NPC型三电平逆变器的无功补偿装置控制策略

4．1 NPC型三电平无功补偿装置的拓扑结构

4．2 NPC型三电平无功补偿装置的数学模型

4．2．1 等量坐标变换

4．2．2 NPC型三电平无功补偿装置的数学模型

4．3 NPC型三电平无功补偿装置的电压电流双闭环控制

4．3．1 电压电流双闭环控制的原理

4．3．2 电流内环控制

4．3．3 电压外环控制

4．4 NPC型三电平无功补偿装置的仿真分析

4．5 本章小结

第五章 NPC型矿用无功补偿装置的系统设计

5．1 NPC型矿用无功补偿装置的主电路参数设计

5．2 NPC型矿用无功补偿装置控制系统设计

5．2．1 控制系统总体设计方案

5．2．2 控制系统主要接口电路设计

5．2．3 控制系统软件设计

5．3 防爆散热设计

5．3．1 防爆设计

5．3．2 散热设计

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文与参与的项目