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基于H桥单元的组合拓扑系统若干关键技术研究

虞汉阳  
【摘要】:优化电力电子装置的拓扑结构一直是电力电子学科中极其关键并富有活力的研究方向,对组合拓扑系统的研究是其中的重要组成部分。组合拓扑系统对现有的拓扑结构通过恰当的方式进行组合重构,以实现提升拓扑整体性能、扬长避短的目的。虽然组合拓扑系统会增加系统的复杂度,但其通常具有结构模块化、功率处理分散化、性能优化、冗余度高、易于扩展等优点,具有很高的研究和应用价值。H桥单元是组合拓扑系统中最重要的基本单元之一,能够独立实现DC/AC或AC/DC功率变换的功能,具有结构简单、通用性强、扩展潜力大等优势。本文以H桥单元作为组合拓扑系统研究的切入点,从拓扑结构、调制策略、系统效率、稳定运行条件、硬件设计等角度对基于H桥单元的组合拓扑系统进行了研究,提出了一些具有创新意义的观点和解决方案。级联H桥多电平变换器(CHB)是H桥单元在组合拓扑系统中最典型的应用之一。本文首先对CHB系统的拓扑结构、工作原理及调制方式进行了分析。其次,研究了 H桥状态切换策略在CHB系统中的应用,重点关注了由此导致的开关次数增加问题。针对这一问题,本文对各种H桥状态的切换情况进行了分析,总结了额外开关次数产生的原因,并提出了一种基于重合开关序列的H桥状态切换策略。该策略能够在不影响系统输出的前提下,完全避免H桥状态切换过程中额外开关次数的产生,以降低系统的开关损耗。最后,通过实验将本文的改进策略与传统的H桥状态切换策略进行了对比,验证了基于重合开关序列的H桥状态切换策略的可行性及有效性。混合型级联多电平组合拓扑系统是H桥单元在组合拓扑系统中的又一大类应用。本文提出了一种T2C-HB混合型级联多电平组合拓扑,并以此为例,对这类拓扑进行了分析讨论。首先介绍了 T2C-HB系统工作于七电平模式时的拓扑结构、工作原理、导通路径与开关序列。其次,理论推导了七电平T2C-HB系统的电容电压平衡条件,揭示了在SPWM调制下,只有当调制比小于等于0.82时,七电平T2C-HB系统才能对于任意功率因数的负载实现稳定工作。随后,在上述推导结论的基础上,采用导通路径选择+滞环控制的电容电压平衡方案对系统中的悬浮电容实现了稳压控制。为了扩展电容电压平衡条件,利用SVM方法对七电平T2C-HB系统进行调制,并提出了一种基于代价函数的电容电压平衡策略,配合SVM方法使用可以实现扩展电容电压平衡条件,提升直流电压利用率的效果。再次,在七电平T2C-HB系统研究的基础上,对T2C-HB系统的其余工作模式进行了讨论,总结了五电平模式、七电平模式与九电平模式三种工作模式的优缺点。在直流电压利用率方面,分析了T2C-HB系统在五电平模式与七电平模式下的最大直流电压利用率,计算了其相对于两电平逆变器在直流电压利用率方面的提升幅度。最后,通过仿真和实验对七电平T2C-HB系统的运行情况进行了测试,以验证上述分析结果。针对H桥单元在DC/DC组合拓扑系统中的应用,本文重点研究了多有源桥(MAB)系统,提出了一种基于磁耦合的MAB拓扑。首先,对基于磁耦合的MAB拓扑进行了介绍,分析了其优势在于能够降低电路复杂程度、减少变压器副边端子数目及绕线用量,有助于减小隔离变压器体积并降低系统成本。其次,针对基于磁耦合的MAB系统,分析了其等效电路模型、工作原理及软开关条件。再次,针对变压器原边H桥单元电容电压不平衡的问题,提出了一种基于内移相角控制的电容电压平衡方案,并从理论上推导了内移相角与电容充放电状态之间的关系。该方案具有控制结构简单、易于扩展等优势,为解决电容电压平衡问题提供了一种新思路。最后,通过仿真和实验验证了基于磁耦合的MAB系统的可行性及电容电压平衡方案的有效性。本文以提升组合拓扑系统性能及实用价值为主要目的,针对由H桥单元参与构成的组合拓扑提出了一些改进方案与新的思路,对组合拓扑的研究工作起到了丰富与发展的作用。同时,本文所述的研究成果很多也可以用于由其他基本单元构成的组合拓扑系统,具有很强的通用性及可扩展性。


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