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混合不对称多电平逆变器拓扑及控制策略的研究

孙醒涛  
【摘要】:由于多电平逆变器可以使耐压较低的功率开关器件可靠的应用于高压大功率领域,具有输出电压谐波含量低、电磁干扰小等优点,已经成为当前研究的热点,并在高压电机调速、静止无功补偿和柔性交流输电等领域得到了实际应用。但目前应用的传统多电平逆变器都存在着一定的缺点,如输入变压器结构复杂体积过大、采用的功率开关器件过多及系统可靠性低等。混合不对称多电平逆变器的出现,可以很好的弥补传统多电平逆变器的这些不足,在输出电压等级和电平数相同时,采用的功率开关元件更少,逆变器结构更简单,因此成为多电平逆变器的发展趋势。目前对混合不对称多电平逆变器的研究还处于起步阶段,而要在实际中得到应用还存在许多需要考虑和解决的问题。因此,对混合不对称多电平逆变器控制策略和拓扑结构进行研究并提出相应的改进方法具有很重要的理论意义和实际价值。 本文在对目前提出的混合不对称多电平逆变器拓扑结构及控制策略进行分析的基础上,针对已提出的控制策略在应用中存在的问题进行了深入的研究,并提出了相应的改进策略。对目前提出的混合不对称多电平逆变器拓扑进行了进一步改进,使其具有输出电平增加,可靠性提高及控制更简单等优点,并对其控制策略进行了重点研究。 首先建立了混合不对称多电平逆变器的统一拓扑及不对称多电平逆变器的数学模型,为对混合不对称多电平逆变器的研究奠定了基础。深入分析了采用混合控制策略时,不对称多电平逆变器各单元输出功率随着级联单元数目和采用不同直流电压比的不同而变化的情况,并提出了一种改进的混合控制策略。改进后的混合控制策略能够在控制各单元输出功率不出现负的情况下,最大程度地提高逆变器输出电压等级和电平数,同时将过调制对输出电压的影响降到最低程度。这种改进后的控制策略,可以扩大采用不可控整流供电的混合不对称多电平逆变器的直流母线电压选择范围,有利于减少逆变器级联单元的数目,降低逆变器的体积与成本。并给出了混合不对称多电平逆变器的一般设计方法。 深入分析了采用混合控制及三次谐波注入法混合控制策略时的混合不对称多电平逆变器的输出共模电压。根据各单元输出电压对逆变器输出共模电压的不同影响,提出了一种可以消除共模电压中高频PWM成份的混合控制策略。详细阐述了混合不对称多电平逆变器采用空间矢量调制策略时与传统多电平逆变器的差异,分析了不同电压矢量对输出共模电压的不同影响,进而提出通过采用不同的电压矢量合成方法来抑制共模电压的空间矢量控制策略,可以完全或者部分消除逆变器输出共模电压。 在对目前提出的五电平逆变器进行分析比较的基础上,提出了两种新型混合不对称多电平逆变器拓扑结构。通过采用新型的五电平逆变器互相级联或者与传统H桥单元级联的方法,可以在输出同样电平数的同时较其他已提出的拓扑结构采用的可控功率开关器件更少。并根据新型拓扑的结构和各单元采用直流母线电压比的不同,分别提出了特定谐波消除控制策略、多载波控制策略和混合控制策略,并给出了具体实现方法。 针对NPC/H桥型单电源混合不对称多电平逆变器应用在电机驱动上存在的从逆变器电容电压稳定与主逆变器中点电位平衡难以控制的问题,提出了一种改进的单电源混合不对称多电平逆变器拓扑结构。该拓扑通过增加一个辅助桥臂对主逆变器中点电位进行独立控制,可以在很大程度上减轻系统控制的复杂性,同时还具有故障重构功能。在控制策略上以改进的混合控制策略为基础,主逆变器工作在基波频率,从逆变器采用占空比调制策略(DCM)工作在高频。在对主逆变器开关角变化对从逆变器电容电压的影响进行分析的基础上,提出采用PI控制来保证从逆变器电容电压稳定的控制方法,同时从逆变器采用冗余状态选择(RSS)的方法来对每个电压周期内的电容电压进行调整。仿真和实验证明了采用以上控制策略,从逆变器电容电压波动很小,系统具有很好稳定性。


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