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级联型多电平逆变器的新型拓扑结构与控制方法研究

王毅  
【摘要】:多电平功率变换技术可以使耐压值较低的全控型电力电子器件可靠应用于高压大功率领域,并有效减少PWM 控制产生的高次谐波,但多电平功率变换电路的拓扑结构和控制方法较为复杂。级联型多电平功率变换电路易于向高电压等级扩展,在高压电机调速和电力系统无功补偿领域已获得实际应用。本文主要研究级联型多电平功率变换电路的拓扑结构和PWM 控制方法,及其在异步电动机调速领域的应用,为优化其电路结构和提高其控制性能提出一些有效方法。 首先,在对目前已提出的级联型多电平逆变电路结构深入分析的基础上,重点研究了混合七电平逆变电路,提出了符合该逆变电路特点的混合多重化整流电路结构和基于该电路结构的3~10kV 等级混合七电平级联型变频器结构,对传统级联型变频器结构作出了优化。建立了可反映输出电压与驱动信号关系的三电平H 桥级联型逆变电路的数学模型,该模型可适用于混合级联型逆变电路。 其次,对各种多电平PWM 控制方法及其输出电压谐波特点进行了深入研究,提出了适用于混合七电平级联型逆变电路的混合载波频率调制PWM 控制方法,以及适用于等电压三电平H 桥级联型逆变电路的空间矢量PWM 控制方法,对比分析了各种多电平PWM 方法输出电压的谐波特点,提出了多电平变频器输出滤波器设计的实用方法。 最后,将级联型逆变电路的空间矢量调制方法和异步电动机的直接转矩控制技术相结合,提出了基于单元空间矢量移相叠加调制原理的级联型多电平变频器直接转矩控制方法,对其调速性能进行了深入分析。该方法易于工业实现,对改善高压变频器的调速性能有一定意义,为将两电平逆变器中已成熟应用的高性能控制策略移植到多电平逆变器中提供了一条有效途径。 在理论分析的同时,文中辅以大量仿真波形;为说明所提出控制方法的正确性和有效性,在研制的三单元级联型变频调速实验系统中完成了各种控制算法的实验验证。


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